Цифровой бесконтактный следящий электропривод

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к области управления бесколлекторными моментными электрическими двигателями, и может быть использована при изготовлении следящих приводов постоянного тока.

Цифровой бесконтактный следящий электропривод, содержащий бесконтактный моментный электродвигатель, статор которого содержит две одинаковые обмотки, расположенные в виде двух взаимно перпендикулярных рамок, а ротор выполнен в виде постоянного магнита, имеющего одну или несколько пар полюсов, два мостовых коммутатора тока обмоток, регулятор и первый ШИМ-формирователь, выход которого соединен с первым мостовым коммутатором тока обмоток, отличающийся тем, что в него введен второй ШИМ-формирователь, выход которого соединен со вторым мостовым коммутатором тока обмоток, первое и второе устройства умножения, выходы которых соединены со входами первого и второго ШИМ-формирователя соответственно, последовательно соединенные масштабирующий вычислитель рассогласования и пропорционально-интегро-дифференцирующий фильтр, выход которого через регулятор соединен с первыми входами устройств умножения, преобразователь угловых координат, вычислители значения синуса и косинуса приведенного угла полюсов магнита ротора, входы которых соединены с преобразователем угловых координат, а выходы соединены со вторыми входами первого и второго устройства умножения, датчик углового положения вала ротора электродвигателя, выход которого соединен со вторым входом масштабирующего вычислителя рассогласования и входом преобразователя угловых координат.

Фиг.1.

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к области управления бесколлекторными моментными электрическими двигателями, и может быть использована при изготовлении следящих приводов постоянного тока.

Известен бесконтактный электропривод (Патент США 4868479, Н02Р 5/40, 1989 г.), содержащий электродвигатель с постоянными магнитами, статор которого выполнен в виде двух одинаковых обмоток с фазовым сдвигом токов в 90°, формирователь тактовой частоты, частотно-фазовый компаратор (фазовый детектор), регулятор (компенсатор), логическую схему управления коммутаторами обмоток двигателя, устройство пуска электродвигателя, два устройства детектирования противоЭДС и два коммутатора обмоток.

Недостатками известного устройства является сравнительно небольшой КПД и невозможность работы на низких скоростях вращения из-за низкого значения противоЭДС.

Известен бесконтактный следящий электропривод (Патент RU 2187195, Н02Р 6|18), который содержит электродвигатель, статор которого содержит две одинаковые обмотки, расположенные в виде двух взаимно перпендикулярных рамок, а ротор выполнен в виде магнита, имеющего одну пару полюсов, формирователь тактовой частоты, устройство пуска электродвигателя, частотно-фазовый компаратор, регулятор, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) - формирователь, логическую схему управления коммутаторами обмоток (ЛСУКО), два коммутатора обмоток электродвигателя, два устройства детектирования противоЭДС, причем выход формирователя тактовой частоты соединен с первым входом частотно-фазового компаратора, выход которого соединен с входом регулятора, выход устройства пуска электродвигателя соединен с первым входом ЛСУКО, первый выход которой соединен с входом коммутатора первой обмотки, второй выход ЛСУКО соединен с входом коммутатора второй обмотки, выход которого соединен с первым выводом второй обмотки и входом второго устройства детектирования противоЭДС, выход коммутатора первой обмотки соединен с первым выводом первой обмотки и входом первого устройства детектирования противоЭДС, выход которого соединен с пятым входом ЛСУКО, выход формирователя тактовой частоты соединен с входом устройства пуска электродвигателя, выход регулятора соединен с третьим входом ШИМ, выход первого устройства детектирования противоЭДС соединен с первым входом ШИМ, выход второго устройства детектирования противоЭДС соединен с вторым входом ШИМ, первый выход ШИМ соединен с вторым входом частотно-фазового компаратора, второй, третий, четвертый выходы ШИМ соединены соответственно с вторым, третьим, четвертым входами ЛСУКО, вторые выводы обмоток соединены со средней точкой четырехполярного источника постоянного напряжения (шиной 0).

Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства является низкая стабильность оборотов при работе на низких и «инфранизких» оборотах, а также невозможность работы с бесконтактными высокомоментными электродвигателями с ротором, содержащим многополюсные постоянные магниты.

Целью предполагаемой полезной модели является обеспечение стабильной работы следящего электропривода на низких и «инфранизких» оборотах, а также работы с бесконтактными высокомоментными электродвигателями с ротором, содержащим многополюсные постоянные магниты.

Данная цель достигается за счет того, что в бесконтактный следящий электропривод, содержащий моментный электродвигатель, статор которого содержит две одинаковые обмотки, расположенные в виде двух взаимно перпендикулярных рамок с фазовым сдвигом токов в 90°, а ротор выполнен в виде постоянного магнита, имеющего одну или несколько пар полюсов, два мостовых коммутатора тока обмоток, регулятор и первый ШИМ-формирователь, выход которого соединен с первым мостовым коммутатором тока обмоток, введен второй ШИМ-формирователь, выход которого соединен со вторым мостовым коммутатором тока обмоток, первое и второе устройства умножения, выходы которых соединены с входами первого и второго ШИМ-формирователя соответственно, последовательно соединенные масштабирующий вычислитель рассогласования и пропорционально-интегро-дифференцирующий фильтр, выход которого через регулятор соединен с первыми входами устройств умножения, преобразователь угловых координат, вычислители значения синуса и косинуса, входы которых соединены с преобразователем координат, а выходы соединены со вторыми входами первого и второго устройства умножения, и датчик углового положения вала ротора электродвигателя, выход которого соединен со входом преобразователя угловых координат и вторым входом масштабирующего вычислителя рассогласования.

На фиг.1 представлена структурная схема заявленного цифрового бесконтактного следящего электропривода.

Цифровой бесконтактный следящий электропривод содержит масштабирующий вычислитель рассогласования 1, пропорционально-интегро-дифференцирующий фильтр 2, регулятор 3, первое и второе устройства умножения 4 и 5, первый и второй ШИМ-формирователи 6 и 7, первый мостовой коммутатор тока синусной обмотки 8, второй мостовой коммутатор тока косинусной обмотки 9, моментный электродвигатель 10, статор которого содержит две одинаковые обмотки, расположенные в виде двух взаимно перпендикулярных рамок, а ротор выполнен в виде постоянного магнита, имеющего одну или несколько пар полюсов, датчик углового положения вала ротора электродвигателя 11, преобразователь угловых координат 12 первого полюса постоянного магнита ротора, вычислитель значения косинуса 13 и вычислитель значения синуса 14 угла полюсов постоянного магнита ротора.

Указанные блоки представляют собой:

- моментный электродвигатель, например, бесконтактный электродвигатель ДБМ185 с 8-парами полюсов постоянного магнита ротора;

- первое и второе устройства умножения, например, на встроенном аппаратном умножителе микроконтроллера;

- вычислители синуса и косинуса, например, реализованные табличным методом на встроенном постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) микроконтроллера;

- первый и второй ШИМ-формирователи, например, встроенные аппаратные ШИМ-формирователи микроконтроллера;

- первый и второй мостовые коммутаторы тока синусной и косинусной обмоток электродвигателя, например, выполненные по мостовой схеме на MOSFET-транзисторах с управляющим драйвером;

- датчик углового положения вала ротора электродвигателя, например, цифровой 16-разрядный магниторезистивный датчик угла с разрешающей способностью 20 (угловых секунд).

Устройство работает следующим образом.

На управляющий вход масштабирующего вычислителя рассогласования 1 от внешнего источника (пульта или ПЭВМ) поступает заданное значение угла _зд, изменяемое с постоянной скоростью _зд, на второй (вычитающий) вход масштабирующего вычислителя рассогласования 1 поступает измеренное значение _изм с датчика 11 углового положения вала ротора электродвигателя, жестко связанного с валом электродвигателя 10. На выходе масштабирующего вычислителя рассогласования 1 формируется разностный сигнал угловой ошибки между заданным и измеренным значениями углов, который поступает на пропорционально-интегро-дифференцирующий фильтр 2. На выходе фильтра 2 формируется сигнал, равный сумме пропорционального, интегрального и дифференциального звеньев фильтра, который поступает на вход регулятора 3, осуществляющего формирование управляющей команды привода. Управляющий сигнал с выхода регулятора 3 поступает на входы первого 4 и второго 5 устройств умножения, выполняющих функцию синусно-косинусного раскладчика управляющего сигнала. С выходов устройств умножения 4 и 5 сигналы управления поступают на ШИМ-формирователи 6 и 7, где преобразуются в широтно-импульсные сигналы, которые через мостовые коммутаторы тока 8 и 9 поступают на синусную и косинусную обмотки электродвигателя 10.

Начальные угловые координаты датчика 11 углового положения вала ротора электродвигателя могут не совпадать с координатами углового положения полюсов постоянного магнита ротора, поэтому используется преобразователь угловых координат 12, который вычисляет угловое положение первого полюса постоянного магнита ротора _м=(_изм+_рот). Вычисленное значение углового положения первого полюса постоянного магнита _м поступает на вычислители косинуса 13 и синуса 14. Вычислитель 13 осуществляет вычисление значения Cos(_м·n), вычислитель 14 осуществляет вычисление значения Sin (_м·n), где n - количество пар полюсов постоянного магнита на валу ротора многополюсного двигателя 10. Вычисленные значения синуса и косинуса поступают на входы первого 4 и второго 5 устройств умножения.

Схема предполагаемой полезной модели была использована при построении следящего электропривода стенда вращения. В приводе используется моментный электродвигатель ДБМ-185 с 8-ю парами полюсов постоянного магнита на роторе и цифровой 16-разрядный датчик углового положения вала ротора. Масштабирующий вычислитель рассогласования, пропорционально-интегро-дифференцирующий фильтр, регулятор, вычислители значения синуса и косинуса приведенного угла полюсов магнита ротора, устройства умножения и ШИМ-формирователи реализованы программным и аппаратным методом на 32-разрядном микроконтроллере семейства ARM Cortex-М3. Мостовые коммутаторы тока обмоток выполнены на силовых MOSFET-транзисторах.

Применение схемы управления приводом с синусно-косинусной раскладкой управляющего сигнала, формируемого масштабирующим вычислителем рассогласования, пропорционально-интегро-дифференцирующим фильтром и регулятором, позволило обеспечить стабильность оборотов привода в широком диапазоне низких и «инфранизких» скоростей от 10 °/сек до 0,01 °/сек.

Введение преобразователя угловых координат позволило исключить трудоемкую операцию механической юстировки исходного углового положения первого полюса постоянного магнита ротора с начальным значением датчика углового положения вала ротора электродвигателя.

Цифровой бесконтактный следящий электропривод, содержащий бесконтактный моментный электродвигатель, статор которого содержит две одинаковые обмотки, расположенные в виде двух взаимно перпендикулярных рамок, а ротор выполнен в виде постоянного магнита, имеющего одну или несколько пар полюсов, два мостовых коммутатора тока обмоток, регулятор и первый ШИМ-формирователь, выход которого соединен с первым мостовым коммутатором тока обмоток, отличающийся тем, что в него введен второй ШИМ-формирователь, выход которого соединен со вторым мостовым коммутатором тока обмоток, первое и второе устройства умножения, выходы которых соединены со входами первого и второго ШИМ-формирователя соответственно, последовательно соединенные масштабирующий вычислитель рассогласования и пропорционально-интегро-дифференцирующий фильтр, выход которого через регулятор соединен с первыми входами устройств умножения, преобразователь угловых координат, вычислители значения синуса и косинуса приведенного угла полюсов магнита ротора, входы которых соединены с преобразователем угловых координат, а выходы соединены со вторыми входами первого и второго устройств умножения, датчик углового положения вала ротора электродвигателя, выход которого соединен со вторым входом масштабирующего вычислителя рассогласования и входом преобразователя угловых координат.