Электропривод колебательного движения

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока и может быть использована при создании приводов сканирования, калибровки, измерения, контроля и управления. Полезная модель направлена на повышение энергетических показателей электропривода колебательного движения, путем регулирования собственной частоты и поддержания резонансного режима работы. Это достигается тем, что электропривод колебательного движения, содержит двухфазный электродвигатель, обмотка возбуждения которого имеет зажимы для подключения к источнику переменного тока, преобразователь частоты, преобразователь частоты в код, функциональный преобразователь и инвертор. Выход инвертора соединен с выводами обмотки управления электродвигателя. Выход преобразователя разности частот в код соединен с входом функционального цифроаналогового преобразователя, а первый вход - с выходом преобразователя частоты. Входы преобразователя частоты подключены к источнику переменного тока. Введены два сумматора, датчик положения, модулятор, упругий элемент и фазосдвигающее звено, подключенное своим входом к фазам источника переменного тока, а выходом ко второму входу преобразователя разности частоты в код и к первому входу модулятора. Второй вход модулятора подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Первый вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен к выходу датчика положения, механически соединенного с валом электродвигателя, а второй вход - к выходу второго сумматора. Первый вход сумматора подключен к выходу функционального цифроаналогового преобразователя, а второй - к задатчику позиционного усилия. Первый сумматор подключен своим выходом к входу инвертора, первым входом - к выходу преобразователя частоты, а вторым - к выходу модулятора. Упругий элемент соединен механически с валом электродвигателя. 2 ил.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока и может быть использована при создании электроприводов как углового, так линейного колебательного движения в технике измерения контроля и управления.

Известен электропривод колебательного движения, содержащий двухфазный электродвигатель, обмотка возбуждения которого имеет зажимы для подключения к источнику переменного тока, преобразователь частоты, входы которого предназначены для подключения к фазам источника переменного тока соответственно, инвертор, выход которого соединен с выводами обмотки управления электродвигателя, функциональный цифроаналоговый преобразователь, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь разности частот в код, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами преобразователя частоты, выходы которого соединены соответственно с оставшимися входами преобразователя разности частот в код и первым и вторым входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом инвертора, третий вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с выходом функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом преобразователя разности частот в код [Патент РФ 2028026, МПК H02P 7/62].

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Однако, обеспечивая устранение ухода геометрической нейтрали колебаний в заданном частотном диапазоне, данное устройство не позволяет при регулировании частоты колебаний подвижного элемента электродвигателя поддерживать энергетически выгодный резонансный режим работы.

Задачей изобретения является повышение энергетических показателей электропривода колебательного движения, путем регулирования собственной частоты и поддержания резонансного режима работы.

Поставленная задача достигается тем, что электропривод колебательного движения, также как и в прототипе, содержит двухфазный электродвигатель, обмотка возбуждения которого имеет зажимы для подключения к источнику переменного тока, преобразователь частоты, входы которого предназначены для подключения к фазам источника переменного тока соответственно, инвертор, выход которого соединен с выводами обмотки управления электродвигателя, функциональный цифроаналоговый преобразователь, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь разности частот в код, выход которого соединен с входом функционального цифроаналогового преобразователя, а первый вход - с выходом преобразователя частоты.

В отличие от прототипа в устройство введены два сумматора, датчик положения, модулятор, упругий элемент и фазосдвигающее звено, подключенное своим входом к фазам источника переменного тока, а выходом - ко второму входу преобразователя разности частоты в код и к первому входу модулятора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, первый вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен к выходу датчика положения, механически соединенного с валом электродвигателя, а второй вход - к выходу второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу функционального цифроаналогового преобразователя, а второй - к задатчику позиционного усилия, первый сумматор подключен своим выходом к входу инвертора, первым входом - к выходу преобразователя частоты, а вторым - к выходу модулятора, упругий элемент соединен механически с валом электродвигателя.

Таким образом, введение двух сумматоров, модулятора, фазосдвигающего звена, упругого элемента, задатчика позиционного усилия и датчика положения, позволяет повысить энергетические показатели электропривода колебательного движения за счет поддержания резонансного режима работы при регулировании частоты колебаний, обеспечивая дополнительно стабилизацию положения геометрической нейтрали.

На фиг.1 представлена блок схема электропривода колебательного движения.

На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики электропривода колебательного движения при отсутствии 1) и наличии 2) обратной связи по положению.

Электропривод колебательного движения содержит двухфазный электродвигатель 1 с обмоткой возбуждения 2 и управления 3, преобразователь частоты 4 (ПЧ), инвертор напряжения 5 (ИН), источник переменного тока 6 (ИПТ), преобразователь разности частоты в код 7 (ПЧК), функциональный цифроаналоговый преобразователь 8 (ФПР), усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У), сумматоры 10 (СМ1), 11 (СМ2), датчик положения 12 (ДП), упругий элемент 13 (УЭ), модулятор 14 (МД), задатчик позиционного усилия 15 (ЗД) и фазосдвигающее звено 16 (ФЗЗ).

Обмотка возбуждения 2 двухфазного электродвигателя 1 снабжена клеммами и подключена к источнику переменного тока 6 (ИПТ). Обмотка управления 3 двухфазного электродвигателя 1 подключена к выходу инвертора напряжения 5 (ИН). Выходной вал двухфазного электродвигателя 1 механически связан через датчик положения 12 (ДП) с упругим элементом 13 (УЭ). Входы преобразователя частоты 4 (ПЧ) подключены соответственно к фазам источника переменного тока 6 (ИПТ), а выход - к первым входам первого сумматора 10 (СМ1) и преобразователя разности частоты в код 7 (ПЧК). Второй вход преобразователя разности частоты в код 7 (ПЧК) соединен с выходом фазосдвигающего звена 16 (ФЗЗ). Выход преобразователя разности частоты в код 7 (ПЧК) соединен с входом функционального цифроаналогового преобразователя 8 (ФПР), Вход фазосдвигающего звена 16 (ФЗЗ) подключен к фазам источника переменного тока 6 (ИПТ).

Первый вход модулятора 14 (МД) соединен с выходом фазосдвигающего звена 16 (ФЗЗ), а второй вход - с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У). Первый вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У) подключен к выходу датчика положения, а второй вход - к выходу второго сумматора 11 (СМ2), первый вход которого подключен к выходу функционального цифроаналогового преобразователя 8 (ФПР), а второй - к задатчику позиционного усилия 15 (ЗД). Первый сумматор 10 (СМ1) подключен своим выходом к входу инвертора напряжения 5 (ИН), а вторым входом - к выходу модулятора 14 (МД).

При технической реализации макетного образца заявляемого устройства сумматоры 10 (СМ1), 11 (СМ2) были выполнены на операционных усилителях К140УД6. Задатчик позиционного усилия 15 (ЗД) реализован по схеме прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения на основе стабилизатора компенсационного типа, обладающего малым коэффициентом пульсаций и высокой температурной стабильностью. Преобразователь частоты 4 (ПЧ) и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У) выполнены на дифференциальном усилителе с токопитающим каскадом на базе микросхемы К1УТ981. Преобразователь разности частоты в код 7 (ПЧК) выполнен по схеме фазовой автоподстройкой частоты на микросхемах К564ГГ1, К155ИЕ2, К155ЛАЗ, К155ИМЗ, К140УД8. Функциональный цифроаналоговый преобразователь 8 (ФПР) реализован на перемножающем ЦАП серии 572ПА1, операционном усилителе К140УД6 и микросхеме аналогового перемножения 572ПС2. Модулятор 14 (МД) выполнен на микросхеме аналогового перемножения 572ПС2. В качестве инвертора напряжения 5 (ИН) использовался мостовой инвертор с транзисторными ключами. В качестве упругого элемента 13 (УЭ) использовалась спиральная пружина. Фазосдвигающее звено 16 (ФЗЗ) выполнено по схеме фазоопережающего звена первого порядка на микросхеме К140УД6.

Устройство работает следующим образом. Обмотка возбуждения 2 двухфазного электродвигателя 1 подключена непосредственно к клеммам источника переменного тока 6 (ИПТ) (сети) частоты f₁

,

где U_m1 - амплитудное значение напряжения источника переменного тока, а обмотка управления 3 запитывается от инвертора напряжения 5 (ИН). Преобразователь частоты 4 (ПЧ) и фазосдвигающее звено 16 (ФЗЗ) подключены своими входами к источнику переменного тока 6 (ИПТ). На выходе преобразователя частоты 4 (ПЧ) формируется напряжение частоты f₂

,

где U_m2 - амплитудное значение напряжения преобразователя частоты. Фазосдвигающее звено 16 (ФЗЗ) сдвигает напряжение источника переменного тока 6 (ИПТ) по фазе на угол 90°

.

Преобразователь разности частоты в код 7 (ПЧК) определяет разностную частоту f_к (частоту колебаний) с выхода преобразователя частоты 4 (ПЧ) и фазосдвигающего звена 16 (ФЗЗ)

и преобразует ее в n-разрядный двоичный код N. Сформированный код N поступает на вход функционального цифроаналогового преобразователя 8 (ФПР) где преобразуется в напряжение постоянного тока с функциональной зависимостью

,

где k₈ - коэффициент передачи функционального цифроаналогового преобразователя.

Выходное напряжение с функционального цифроаналогового преобразователя 8 (ФПР) поступает на первый вход второго сумматора 11 (СМ2), на второй вход которого поступает напряжение с задатчика позиционного усилия 15 (ЗД) U₁₅. На выходе второго сумматора 11 (СМ2) формируется напряжение

.

Сформированное разностное напряжение U ₁₁ поступает на управляющий вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У) и изменяет его коэффициент передачи в соответствии с заданным алгоритмом.

Напряжение с выхода датчика положения 12 (ДП), пропорциональное амплитуде колебаний

,

где - начальная фаза колебания подвижного элемента двухфазного электродвигателя;

k₁₂ - коэффициент передачи датчика положения 12 (ДП),

поступает на вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У). В результате на его выходе формируется напряжение

,

где .

Напряжения с выходов фазосдвигающего звена 16 (ФЗЗ) и усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У) поступают на первый и второй входа модулятора 14 (МД) и перемножаются, в результате на выходе модулятора формируется напряжение

,

где .

Полученное напряжение складывается на сумматоре 10 (СМ1) с напряжением, поступающим с выхода преобразователя частоты

,

и подается на вход инвертора 5 (ИН), где усиливается по мощности, и запитывает обмотку управления 3 двухфазного электродвигателя 1.

В результате взаимодействия напряжения U₆ и второй составляющей напряжения U₁₀ создается возмущающее колебательное усилие частоты f_К, а в результате взаимодействия напряжения U₆ и первой составляющей напряжения U₁₀ - усилие, направленное на встречу возмущающему, что эквивалентно изменению жесткости упругого элемента 13 (УЭ). При этом амплитуда колебаний подвижного элемента двухфазного электродвигателя x _m будет изменяться по закону

где М_пуск - пусковой электромагнитный момент двухфазного электродвигателя 1;

L_мех - коэффициент инерционного усилия нагрузки;

C _мех - жесткость упругого элемента 13 (УЭ);

R_мex - коэффициент демпфирования нагрузки (жидкостное трение);

А - коэффициент, определяемый параметрами электродвигателя и амплитудой напряжения U₆;

f₀ - коэффициент электромагнитного демпфирования электродвигателя 1. Установив величину напряжения U₁₅ равной величине жесткости упругого элемента 13 (УЭ) С_мех, а также коэффициент передачи функционального цифроаналогового преобразователя k₈ равным коэффициенту инерционного усилия нагрузки L_мех согласно выражения (1) при регулировании частоты колебания f_k, за счет изменения выходной частоты преобразователя частоты 4 (ПЧ), будет обеспечивается резонансный режим работы двухфазного электродвигателя 1, так как при этом составляющая

.

При резонансе резко возрастет амплитуда колебаний и развиваемое усилие, и как следствие возрастет кпд электропривода колебательного движения.

На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики электропривода колебательного движения при отсутствии обратной связи по положению согласно прототипу (кривая 1) и при ее наличии, согласно заявляемому устройству (кривая 2). Как видно, введение в структуру электропривода колебательного движения двух сумматоров, модулятора, фазосдвигающего звена, упругого элемента, задатчика позиционного усилия и датчика положения, позволяет повысить энергетические показатели электропривода колебательного движения за счет поддержания резонансного режима работы при регулировании частоты колебаний, обеспечивая дополнительно стабилизацию положения геометрической нейтрали за счет позиционной нагрузки.

Кроме того, такой электропривод колебательного движения характеризуется более высокой координатной точностью, что объясняется приближением закона изменения результирующего вектора потокосцепления при резонансе, а, следовательно, и развиваемого колебательного усилия к гармоническому закону.

Электропривод колебательного движения, содержащий двухфазный электродвигатель, обмотка возбуждения которого имеет зажимы для подключения к источнику переменного тока, преобразователь частоты, входы которого предназначены для подключения к фазам источника переменного тока соответственно, инвертор, выход которого соединен с выводами обмотки управления электродвигателя, функциональный цифроаналоговый преобразователь, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь разности частот в код, выход которого соединен с входом функционального цифроаналогового преобразователя, а первый вход связан с выходом преобразователя частоты, отличающийся тем, что в него введены два сумматора, датчик положения, модулятор, упругий элемент и фазосдвигающее звено, подключенное своим входом к фазам источника переменного тока, а выходом ко второму входу преобразователя разности частоты в код и к первому входу модулятора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, первый вход которого подключен к выходу датчика положения, механически соединенного с валом электродвигателя, а второй вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу функционального цифроаналогового преобразователя, а второй вход второго сумматора подключен к задатчику позиционного усилия, при этом первый сумматор соединен своим выходом к входу инвертора, первым входом подключен к выходу преобразователя частоты, а вторым входом подключен к выходу модулятора, упругий элемент соединен механически через датчик положения с валом электродвигателя.