система управления электромагнитным подвесом ротора

Формула изобретения

Система управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал управления которой содержит датчик положения ротора, силовой преобразователь, два электромагнита, причем обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, отличающаяся тем, что каждый канал снабжен пропорциональным регулятором, дифференцирующим звеном, пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором и апериодическим фильтром, причем выход датчика положения соединен с дифференцирующим звеном и инверсным входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с прямым входом пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выход дифференцирующего звена соединен с инверсным входом пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выход которого соединен с апериодическим фильтром, а выход апериодического фильтра соединен с входом силового преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах.

Наиболее близкой по технической сущности является система управления электромагнитным подвесом ротора (см. патент Российской Федерации №2181922, опубл. 27.04.2002, Бюл. №12), в котором каждый канал системы управления содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, форсирующий регулятор второго порядка, силовой преобразователь и два электромагнита.

Недостатком наиболее близкой системы управления электромагнитным подвесом ротора является ее низкое быстродействие и, как следствие, большие динамические провалы при приложении переменной нагрузки.

Сущность изобретения заключается в том, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал управления которой содержит датчик положения ротора, силовой преобразователь, два электромагнита, причем обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, каждый канал снабжен пропорциональным регулятором, дифференцирующим звеном, пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором и апериодическим фильтром, причем выход датчика положения соединен с дифференцирующим звеном и инверсным входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с прямым входом пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выход дифференцирующего звена соединен с инверсным входом пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выход которого соединен с апериодическим фильтром, а выход апериодического фильтра соединен с входом силового преобразователя.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить быстродействие и динамическую точность системы управления электромагнитным подвесом ротора.

На фиг.1 представлена функциональная схема каждого канала системы управления электромагнитным подвесом ротора; на фиг.2 изображено подключение обмоток электромагнитов к силовому преобразователю; на фиг.3 представлена структурная схема одного канала системы управления электромагнитным подвесом ротора; на фиг.4 приведены графики переходных процессов в системе управления электромагнитным подвесом ротора.

Каждый канал системы управления (фиг.1) содержит датчик 1 положения ротора, пропорциональный регулятор 2, дифференцирующее звено 3, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 4, апериодический фильтр 5, силовой преобразователь 6, два электромагнита 7 и 8. Датчик 1 положения ротора соединен с инверсным входом пропорционального регулятора 2 и входом дифференцирующего звена 3. Выход пропорционального регулятора 2 соединен с прямым входом пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора 4. Выход дифференцирующего звена 3 соединен с инверсным входом пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора 4, выход которого соединен с апериодическим фильтром 5. Выход апериодического фильтра 5 соединен с входом силового преобразователя 6. К выходу силового преобразователя 6 подключены обмотки электромагнитов 7 и 8.

В качестве датчика 1 положения ротора может быть применен, например, индуктивный токовихревой датчик. Пропорциональный регулятор 2, дифференцирующее звено 3 и пропорционально-интегральный регулятор 4 могут быть реализованы, например, на операционных усилителях (см. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990, с.124), например, К140УД7. Апериодический фильтр 5, например, может быть реализован на RC-цепочке. Силовой преобразователь 6, например, представляет собой транзисторный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из широтно-импульсного модулятора и транзисторного моста (см. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990, с.119-122). Перечисленные выше блоки системы управления электромагнитным подвесом ротора могут быть также выполнены на элементах цифровой техники, в том числе и программно. Электромагниты 7 и 8 располагаются на статоре роторной машины, например, на одной оси с противоположных сторон от ротора и могут быть выполнены, например, как явно полюсные или с распределенными обмотками. Обмотки электромагнитов подключаются к транзисторному мосту, например, как показано на фиг.2.

Система управления электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом. В каждом канале управления датчик положения 1 ротора измеряет отклонение ротора от центрального положения, принятого за базовое. Сигнал об измеренном отклонении подается на инверсный вход пропорционального регулятора 2 и на вход дифференцирующего звена 3.

В соответствии с передаточными функциями, реализованными регуляторами 2 и 4, дифференцирующим звеном 3 и апериодическим фильтром 5, с выхода апериодического фильтра на вход силового преобразователя 4 подается сигнал, пропорционально которому силовой преобразователь 6 регулирует напряжения на обмотках электромагнитов 7 и 8. В результате в обмотках электромагнитов 7 и 8 формируются такие токи, которые создают результирующую силу, возвращающую ротор в центральное (по датчику 1) положение. Причем предложенная система управления электромагнитным подвесом ротора всегда стремится свести к нулю отклонение ротора от центрального положения при любых возмущающих воздействиях, лежащих в рамках силовых характеристик электромагнитов 7 и 8.

Действительно, процессы, протекающие при работе предложенной системы управления электромагнитным подвесом ротора, можно представить структурной схемой (фиг.3). Здесь k _ДП - коэффициент передачи датчика 1 положения; k _РП - коэффициент передачи пропорционального регулятора 2; k_ОСС - коэффициент передачи (постоянная времени) дифференцирующего звена; W_ПИД(p) - передаточные функции пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора; Т - постоянная времени апериодического фильтра; а x_З(р), F_B(р) и х(р) - изображения сигнала задания, возмущающей силы и перемещения (отклонения от центрального положения) ротора, соответственно. Причем для системы управления электромагнитным подвесом ротора принципиально х_З(р)=0.

Остальные динамические звенья в совокупности представляют собой линеаризованную математическую модель перемещения ротора в поле электромагнитного подшипника под действием управляющего сигнала на входе силового преобразователя 6. Коэффициенты передачи k_ШИМ и U характеризуют параметры силового преобразователя 6: коэффициент передачи широтно-импульсного преобразователя и напряжение питания транзисторного моста. Динамическое звено с передаточной функцией (Т_Э - постоянная времени электрической цепи обмоток электромагнитов) связывает приращение соотношения токов в электромагнитах 7 и 8 с приращением напряжения на обмотках, причем заведомо принимается такой закон коммутации транзисторов моста, что увеличение напряжения на одной из обмоток приводит к такому же уменьшению напряжения на другой. Коэффициент передачи k_ЭМ связывает силу, действующую на ротор со стороны электромагнитов при его центральном положении, с соотношением токов в электромагнитах. Коэффициент передачи k _F характеризует изменение силы, действующей на ротор, при его отклонении от центрального положения. Динамическое звено в соответствии со вторым законом Ньютона определяет перемещение ротора под действием результирующей силы. Коэффициент передачи k_E характеризует приращение наводимой в обмотках электромагнитов э.д.с. со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.

При выборе коэффициента передачи пропорционального регулятора 2 в соответствии с выражением:

а передаточной функции пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора 4 в соответствии со следующей формулой

где

быстродействие системы управления электромагнитным подвесом ротора при отработке управляющих и возмущающих воздействий в основном будет определяться величиной постоянной времени T апериодического фильтра, которую можно выбирать практически произвольно.

На фиг.4 приведены графики переходных процессов по управлению и возмущению при следующих параметрах электромагнитного подвеса ротора, например, турбины: k _E=1461 Вс./м; k_ЭМ=1306 Н; k _F=1315900 Н/м; m=18 кг; Т_Э=0,038233 с; U=57,7 В и при выборе постоянной апериодического фильтра, равной Т =0,0001 с. Анализ графиков показывает, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора наблюдается высочайшее быстродействие. Время переходного процесса по управляющему воздействию составляет t_ПП=0,00148 с. Динамический провал ротора при ударном приложении силы в 1 Н составит всего 0, 0051 мкм, который в конечном итоге компенсируется замкнутой системой. Достичь подобных результатов в системе управления, взятой за прототип, невозможно.

Таким образом, предложенная система управления электромагнитным подвесом ротора позволяет повысить быстродействие и динамическую точность.