Патент на изобретение №2392730

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления и регулирования. Техническим результатом является упрощение конструкции исполнительного механизма и электронной схемы привода и расширение области применения. Электрический следящий привод содержит исполнительный механизм с синхронным двигателем, синхронным генератором и датчиком положения магнитного потока ротора; электронный блок управления с входным каскадом с первым узлом сравнения, предварительным каскадом и усилителем мощности; датчик тока каждой фазы двигателя; основной и дополнительный источники питания и преобразователь сигналов синхронного генератора; входное устройство с пропорционально-дифференцирующим звеном, вторым узлом сравнения и интегро-пропорциональным звеном; устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада; формирователь знака входного сигнала; переключатель порядка чередования фаз; преобразователь выходного тока усилителя мощности; блок контроля сигнала ошибки; датчик величины тока потребления усилителя мощности и устройство блокировки; механическую передачу с выходным штоком, встроенную в исполнительный механизм; датчик положения выходного штока и приборный редуктор; питающий генератор и преобразователь сигналов датчика положения выходного штока; при этом исполнительный механизм выполнен на базе трехфазного синхронного двигателя, а усилитель мощности выполнен в виде трехфазного мостового инвертора; датчик положения магнитного потока ротора выполнен в виде трех микросхем с датчиками эдс Холла, каждая из микросхем размещена под зубцом соответствующей фазы обмотки синхронного генератора; обмотки синхронного генератора размещены на трех соседних зубцах, свободных от обмоток синхронного двигателя, и соединены на звезду, общая точка которых подключена к среднему выводу дополнительного источника питания; преобразователь сигналов синхронного генератора выполнен на электронных ключах, входы которых через резисторы подключены к выходу синхронного генератора, выходы объединены и образуют выход указанного преобразователя, а управляющие цепи ключей подсоединены к выходу соответствующих микросхем датчика положения магнитного потока ротора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах регулирования.

Известны электроприводы, выполненные на синхронном исполнительном двигателе с пристроенными к нему датчиком положения и датчиком скорости, в частности, в виде синхронного генератора, с электронными преобразователями их сигналов и усилителями мощности [1].

Известны также электроприводы с объединенными цепями входных и выходных сигналов датчиков положения и скорости [2].

Недостатком таких схем является сложность конструкции и разделения сигналов датчиков положения и скорости.

Наиболее близким к предложенному решению является электрический следящий привод, содержащий исполнительный механизм, включающий в себя синхронный двигатель с зубцовым статором, синхронный генератор и датчик положения магнитного потока ротора; электронный блок управления, включающий входной каскад с первым узлом сравнения, предварительный каскад с многофункциональным входом и усилитель мощности; датчик тока каждой фазы синхронного двигателя; основной источник питания; дополнительный источник питания со средним выводом и преобразователь сигналов синхронного генератора, выход которого подключен к первому узлу сравнения, а выход входного каскада связан с первым входом предварительного каскада [3.]

Недостатком указанного электропривода является сложность как конструкции датчика положения и исполнительного механизма в целом, так и схем формирования сигналов датчика положения и скорости вращения, а также усилителя мощности. Кроме того, привод замкнут по скорости и регулировать угловое положение объекта не представляется возможным. Это ограничивает область применения указанного привода.

Технический результат данного предложения заключается в упрощении конструкции исполнительного механизма и электронной схемы привода, а также расширении области применения.

Указанный технический результат достигается тем, что электрический следящий привод, содержащий исполнительный механизм, включающий в себя синхронный двигатель с зубцовым статором, синхронный генератор и датчик положения магнитного потока ротора; электронный блок управления, включающий входной каскад с первым узлом сравнения, предварительный каскад с многофункциональным входом и инициирующий усилитель мощности, питающийся от основного источника постоянного тока; датчик тока каждой фазы синхронного двигателя; дополнительный источник питания со средним выводом и преобразователь сигналов синхронного генератора, выход которого подключен к первому узлу сравнения, а выход входного каскада связан с первым входом предварительного каскада, дополнительно содержит: входное устройство, состоящее из последовательно соединенных пропорционально-дифференцирующего звена, второго узла сравнения и интегро-пропорционального звена; устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада; формирователь знака входного сигнала; переключатель порядка чередования фаз с дополнительным входом; преобразователь выходных сигналов датчиков тока каждой фазы синхронного двигателя; блок контроля сигнала ошибки; датчик тока потребления усилителя мощности и устройство блокировки; механическую передачу с выходным штоком, встроенную в исполнительный механизм; приборный редуктор и связанный с ним датчик положения выходного штока с питающим генератором и преобразователь сигналов датчика положения выходного штока; при этом исполнительный механизм выполнен на базе трехфазного синхронного двигателя, а усилитель мощности выполнен в виде трехфазного мостового инвертора; датчик положения магнитного потока ротора выполнен в виде трех микросхем с датчиками эдс Холла, каждая из микросхем размещена под зубцом одной из фаз трехфазной обмотки синхронного генератора; обмотки синхронного генератора размещены на трех соседних зубцах, свободных от обмоток трехфазного синхронного двигателя, и соединены на звезду, общая точка которых подключена к среднему выводу дополнительного источника питания; преобразователь сигналов синхронного генератора выполнен на электронных ключах, входы которых через резисторы подключены к выходу синхронного генератора, выходы электронных ключей объединены и образуют выход преобразователя сигналов синхронного генератора, а управляющие цепи электронных ключей подсоединены к выходу соответствующих микросхем датчика положения магнитного потока ротора; причем выход входного устройства подключен ко входу входного каскада, связь которого с первым входом предварительного каскада осуществляется через устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада, а со вторым входом предварительного каскада осуществляется через формирователь знака и переключатель порядка чередования фаз; при этом дополнительный вход переключателя порядка чередования фаз связан с выходом преобразователя сигнала датчика положения магнитного потока ротора, выход преобразователя выходных сигналов датчиков тока каждой фазы подсоединен к третьему входу предварительного каскада, четвертый вход которого через устройство блокировки связан с блоком контроля ошибки и датчиком тока потребления усилителя мощности, причем выход датчика положения штока через преобразователь сигналов датчика положения штока связан с входом второго узла сравнения входного устройства. Кроме того, преобразователь сигналов датчиков тока фаз трехфазного синхронного двигателя выполнен в виде последовательно соединенных для каждого датчика тока резистора и диода, при этом свободные концы диодов подключены к выходной обмотке соответствующего датчика тока; свободные концы резисторов объединены и образуют выход преобразователя сигналов датчиков тока, а свободные концы выходных обмоток датчиков тока подсоединены к среднему выводу дополнительного источника питания, причем механическая передача выполнена в виде шарико-винтовой пары, а приборный редуктор выполнен по безлюфтовой схеме с использованием разрезных подпружиненных шестерен.

На фиг.1 представлена структурная схема электрического следящего привода; на фиг.2 – магнитопровод синхронного двигателя с синхронным генератором и датчиком положения магнитного потока ротора, которые объединены в исполнительный агрегат (ИА); на фиг.3 – схема преобразователя сигналов синхронного генератора; на фиг.4 – схема усилителя мощности с датчиком тока; на фиг.5 – схема входного устройства.

Привод (фиг.1) содержит исполнительный механизм (ИМ), включающий в себя: исполнительный агрегат (ИА), состоящий из синхронного двигателя (СД) – 1, датчика положения магнитного потока ротора (ДППР) – 2 и синхронного генератора (СГ) – 3; силовой редуктор (СР) – 4, выполненный на основе шарико-винтовой передачи (ШВП) с выходным штоком (Ш) – 5, приборный редуктор (ПР) – 6 и датчик положения выходного штока (ДПШ) – 7, а также – электронную схему, в которую входят: питающий генератор (ПГ) – 8; преобразователь сигналов синхронного генератора (ПССГ) – 9; преобразователь сигналов датчика положения магнитного потока ротора (ПСДППР) – 10; входное устройство (ВУ) – 11 с пропорционально-дифференцирующим – 12 и интегропропорциональным – 13 звеньями, связанными между собой через второй узел сравнения – 14; входной каскад – 15 (с первым узлом сравнения на входе); устройство – 16 выделения амплитуды входного сигнала; формирователь знака – 17 входного сигнала; переключатель порядка чередования фаз – 18 входных сигналов предварительного каскада (ПК) – 19 (содержащий в том числе узел сравнения, логический преобразователь (ЛП) и драйвер). В привод также входит усилитель мощности – 20, выполненный как трехфазный мостовой инвертор (на шести ключах K₁÷К₆, см. фиг.4); преобразователь – 21 выходного тока (ПВТ) инвертора с блоком датчиков тока на входе – 22; блок контроля – 23 выходного сигнала (сигнала ошибки) входного устройства – 11; датчик тока потребления инвертора – 24, устройство блокировки – 25; преобразователь – 26 выходного сигнала ДПШ – 7; основной – 27 и дополнительный – 28 (со средним выводом – 29) источники питания.

Трехфазный исполнительный агрегат (ИА) выполнен на едином магнитопроводе (фиг.2) с 36-ю пазами (и зубцами) на статоре – 30 при 24 полюсах на роторе – 31. В 33-х пазах размещена трехфазная силовая обмотка синхронного двигателя (W_д) – 32, а на трех соседних зубцах, свободных от обмоток синхронного двигателя, размещена трехфазная обмотка синхронного генератора (W_г) – 33. Выделение отдельных пазов под обмотку W_г уменьшает взаимоиндуктивную связь обмоток W_д и W_г и дает возможность разместить на этих зубцах три микросхемы 34, 35, 36 с датчиками ЭДС Холла, которые и образуют датчик положения магнитного потока ротора (ДППР) исполнительного агрегата ИА. Такая конструкция ИА (в сочетании с зубцовым шагом обмотки статора и многополюсным ротором синхронного двигателя) обеспечивает высокое быстродействие привода при хороших весогабаритных показателях и дает возможность получить широкую полосу пропускания, а следовательно, – большой коэффициент усиления привода.

Преобразователь сигналов синхронного генератора – 9 (фиг.3) построен по схеме однополупериодного синхронного детектора тока, причем для обеспечения синфазности напряжения фаз синхронного генератора и моментов переключения электронных ключей 37, 38, 39 (учитывая, что магнитный поток, управляющий ключами посредством микросхем 34, 35, 36, сдвинут по отношению к фазе напряжения синхронного генератора на 90° эл.) к каждому ключу подсоединены по два резистора с выходов разных фаз синхронного генератора для создания дополнительного сдвига фаз на 30° эл. (с целью получения необходимого угла в 120°=90°+30°). Причем в случае сложения тока фаз (фиг.3), а не напряжений, пульсации выходного тока при однополупериодном детектировании определяются 6-й гармоникой выпрямляемого тока так же, как и при двухполупериодном выпрямлении.

Такое упрощенное построение преобразователя – 9 дает возможность упростить и обмотки синхронного генератора, то есть использовать не шесть, а только три полуобмотки (по одной на каждую фазу СГ) и три, а не шесть ключей, а также шесть, а не двенадцать резисторов.

Выполнение усилителя мощности – 20 в виде трехфазного мостового инвертора (фиг.4) на шести силовых ключах (против восьми ключей при двухфазном варианте прототипа) упрощает схему привода.

Преобразователь выходного тока инвертора – 21 выполнен (фиг.4) по схеме трехфазного однополупериодного выпрямителя тока (аналогично схеме синхронного детектора на фиг.3). Это обеспечивает формирование амплитуды выходных токов с коэффициентом передачи К=1 и упрощает схему.

Преобразователь сигналов датчика положения магнитного потока ротора – 10 выполнен на шести логических элементах (типа серии 1533) – по два включенных последовательно на каждую фазу датчика. Преобразователь обеспечивает формирование шести управляющих сигналов для ключей инвертора.

Входное устройство – 11 (фиг.1) содержит пропорционально-дифференцирующий контур (звено 12) в цепи сигнала задания (U₁) на пассивных элементах 40, 41, 42 (фиг.5) и узел сравнения (14) на операционном усилителе 43 интегро-пропорционального звена (13) в цепи сигнала ошибки iU=U₁-U₂ (элементы 44, 45 на фиг.5).

Это обеспечивает увеличение коэффициента усиления привода в рабочем диапазоне частот и подавление высокочастотных помех на выходе входного устройства.

Входной каскад – 15 (фиг.1) помимо узла сравнения содержит усилитель, на выходе которого образуется напряжение U_у=U-U.

Устройство выделения амплитуды входного сигнала – 16 (фиг.1) содержит схему выпрямления, на выходе которой образуется амплитудное значение (U_уm) сигнала U_у.

Формирователь – 17 знака (фиг.1) сигнала U_у (sign U_у) содержит логическую схему (на элементах типа серия 1533) с компаратором на выходе. Схема формирует сигнал управления для переключателя 18 порядка чередования фаз выходного тока инвертора – 20 (ABC или АСВ). Переключатель – 18 содержит набор электронных ключей, подсоединенных своим входом к формирователю 17.

Предварительный каскад 19 (фиг.1) кроме узла сравнения, на выходе которого образуется сигнал U_m=U_уm-U_Tm, содержит логический преобразователь (например, на элементах типа 1533), а также драйвер (например, типа IR2130), управляющий силовыми ключами (в частности типа IGBT) мостового инвертора.

Блок контроля 23 (фиг.1) содержит компараторы с дискретным выходом, формирующие, наряду с датчиком тока – 24, сигналы управления для устройства блокировки – 25 при превышении величинами U и Iп заданного значения.

Устройство блокировки 25 выполнено с использованием электронных ключей.

В качестве датчика положения штока (ДПШ) – 7 здесь используется датчик угла типа 2,5БВТ, запитанный напряжением повышенной частоты от питающего генератора (ПГ) – 8, выполненного на операционном усилителе [4].

Преобразователь сигналов – 26 ДПШ (ПСДПШ) выполнен на основе фазочувствительного выпрямителя с опорным напряжением, поступающим от ПГ-8.

Электрический следящий привод работает следующим образом: при подаче на вход входного устройства 11 сигнала U₁ он попадает (через входной каскад 15 и устройство выделения амплитуды 16) на вход предварительного каскада и посредством драйвера инициирует включение соответствующих силовых ключей мостового инвертора в разных стойках моста (одного верхнего и одного нижнего), обеспечивая впоследствии шестишаговое управление силовыми ключами. При этом на выходе инвертора образуется ток, питающий синхронный двигатель, который начинает вращаться. Порядок включения силовых ключей определяется знаком сигнала U_у и датчиком положения магнитного потока ротора (посредством устройств 17, 18 и 10).

Наличие обратной связи по амплитуде силового тока, организованной посредством датчиков тока блока 22 и преобразователя токов 21, обеспечивает моментное управление синхронным двигателем в режиме вентильного привода.

Вращение исполнительного агрегата ИА будет продолжаться до тех пор, пока напряжение U₂ не станет равным U₁ (полагая при большом коэффициенте усиления привода U=0). Тогда при соответствующих величинах коэффициента редукции механической передачи (силового и приборного редукторов 4 и 6), коэффициента преобразования датчика положения 7 штока 5 и коэффициента передачи фазочувствительного выпрямителя 26, и величины ₁ и ₂ будут равны между собой.

В том случае, когда знак входного сигнала U₁ изменится на противоположный, формирователь знака 17 выдает сигнал на переключение порядка чередования фаз устройству 18 и оно изменит порядок переключения ключей инвертора 20 (через блок 19), обеспечив смену порядка чередования фаз, например с ABC на АСВ.

Если величина U или величина тока питания I_п инвертора в процессе работы превысит установленное заранее значение, блок контроля – 23 или датчик тока – 24, соответственно, выдаст сигнал устройству блокировки – 25 и последнее «заморозит» состояние силовых ключей инвертора и заблокирует тем самым дальнейшее перемещение штока – 5, обеспечив поддержание штока в данном положении.

Это особенно важно в многоприводных системах, в частности в системах управления положением интерцепторов быстроходных катеров.

Такое выполнение электрического следящего привода позволяет расширить область применения привода, т.е. использовать его и в позиционных системах управления, упростить как конструкцию исполнительного агрегата, так и электронную схему управления. При этом обеспечивается (за счет расширения полосы пропускания) высокий коэффициент усиления в приводе, а следовательно, и высокая точность отработки входного сигнала. Кроме того, в приводе существенно уменьшено запаздывание в отработке входного сигнала, что дало возможность обеспечить работу на более высоких частотах без потери точности.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1418879, кл. Н02Р 6/02, 1988 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1297186, кл. Н02К 29/06, 1987 г.

3. Авторское свидетельство СССР 2087068, кл. Н02Р 6/00, Н02К 29/14, Н02Р 6/06, 1997 г.

4. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М., Энергоатомиздат, 1987 г.

Формула изобретения

1. Электрический следящий привод, содержащий исполнительный механизм, включающий в себя синхронный двигатель с зубцовым статором, синхронный генератор и датчик положения магнитного потока ротора; электронный блок управления, включающий входной каскад с первым узлом сравнения, предварительный каскад с многофункциональным входом, инициирующий усилитель мощности, питающийся от основного источника постоянного тока и обеспечивающий питание синхронного двигателя; датчик тока каждой фазы синхронного двигателя, дополнительный источник питания со средним выводом и преобразователь сигналов синхронного генератора, выход которого подключен к первому узлу сравнения, а выход входного каскада связан с первым входом предварительного каскада, отличающийся тем, что он дополнительно содержит: входное устройство, состоящее из последовательно соединенных пропорционально-дифференцирующего звена, второго узла сравнения и интегро-пропорционального звена; устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада; формирователь знака входного сигнала; переключатель порядка чередования фаз с дополнительным входом; преобразователь выходных сигналов датчика тока каждой фазы синхронного двигателя; блок контроля сигнала ошибки; датчик тока потребления усилителя мощности и устройство блокировки; механическую передачу с выходным штоком, встроенную в исполнительный механизм; приборный редуктор и связанный с ним датчик положения выходного штока с питающим генератором и преобразователь сигналов датчика положения выходного штока; при этом исполнительный механизм выполнен на базе трехфазного синхронного двигателя, а усилитель мощности выполнен в виде трехфазного мостового инвертора; датчик положения магнитного потока ротора выполнен в виде трех микросхем с датчиками э.д.с. Холла, каждая из микросхем размещена под зубцом одной из фаз трехфазной обмотки синхронного генератора; обмотки синхронного генератора размещены на трех соседних зубцах, свободных от обмоток трехфазного синхронного двигателя, и соединены на звезду, общая точка которых подключена к среднему выводу дополнительного источника питания; преобразователь сигналов синхронного генератора выполнен на электронных ключах, входы которых через резисторы подключены к выходу синхронного генератора, выходы электронных ключей объединены и образуют выход преобразователя сигналов синхронного генератора, а управляющие цепи электронных ключей подсоединены к выходу соответствующих микросхем датчика положения магнитного потока ротора; причем выход входного устройства подключен ко входу входного каскада, связь которого с первым входом предварительного каскада осуществляется через устройство выделения амплитуды входного сигнала предварительного каскада, а со вторым входом предварительного каскада осуществляется через формирователь знака и переключатель порядка чередования фаз; при этом дополнительный вход переключателя порядка чередования фаз связан с выходом преобразователя сигнала датчика положения магнитного потока ротора, выход преобразователя выходных сигналов датчика тока каждой фазы подсоединен к третьему входу предварительного каскада, четвертый вход которого через устройство блокировки связан с блоком контроля ошибки и датчиком тока потребления усилителя мощности, причем выход датчика положения штока через преобразователь сигналов датчика положения штока связан с входом второго узла сравнения входного устройства.

2. Электрический следящий привод по п.1, отличающийся тем, что преобразователь сигналов датчиков тока фаз трехфазного синхронного двигателя выполнен в виде последовательно соединенных для каждого датчика тока резистора и диода, при этом свободные концы диодов подключены к выходной обмотке соответствующего датчика тока; свободные концы резисторов объединены и образуют выход преобразователя сигналов датчиков тока, а свободные концы выходных обмоток датчиков тока подсоединены к среднему выводу дополнительного источника питания.

3. Электрический следящий привод по п.1, отличающийся тем, что механическая передача выполнена в виде шарико-винтовой пары, а приборный редуктор выполнен по безлюфтовой схеме с использованием разрезных подпружиненных шестерен.

РИСУНКИ