система управления электромагнитным подвесом ротора

Формула изобретения

Система управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал управления которой содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, причем выход датчика положения ротора соединен с инверсным входом интегрального регулятора, а обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, отличающаяся тем, что каждый канал снабжен пропорциональным регулятором, дифференцирующим звеном, и пропорционально-дифференциальным регулятором, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом пропорционального регулятора, выход датчика положения ротора соединен с дифференцирующим звеном и инверсным входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход дифференцирующего звена соединен с инверсным входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого 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, интегральный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, причем выход датчика положения ротора соединен с инверсным входом интегрального регулятора, а обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, каждый канал снабжен пропорциональным регулятором, дифференцирующим звеном и пропорционально-дифференциальным регулятором, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом пропорционального регулятора, выход датчика положения ротора соединен с дифференцирующим звеном и инверсным входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход дифференцирующего звена соединен с инверсным входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого 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, интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, дифференцирующее звено 4, пропорционально-дифференциальный регулятор 5, силовой преобразователь 6, два электромагнита 7 и 8. Датчик 1 положения ротора соединен с инверсными входами интегрального и пропорционального регуляторов 2 и 3 и входом дифференцирующего звена 4. Выход интегрального регулятора 2 соединен с прямым входом пропорционального регулятора 3. Выход пропорционального регулятора 3 соединен с прямым входом пропорционально-дифференциального регулятора 5. Выход дифференцирующего звена 4 соединен с инверсным входом пропорционально-дифференциального регулятора 5, выход которого соединен со 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. Интегральный регулятор 2, пропорциональный регулятор 3, дифференцирующее звено 4 и пропорционально-дифференциальный регулятор 5 могут быть реализованы, например, на операционных усилителях (см. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990, с.124), например, К140УД7. 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 явнополюсные 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 1 положения ротора измеряет отклонение ротора от центрального положения, принятого за базовое. Сигнал об измеренном отклонении подается на инверсные входы интегрального и пропорционального регуляторов 2 и 3 и на вход дифференцирующего звена 4.

В соответствии с передаточными функциями, реализованными регуляторами 2, 3 и 5 и дифференцирующим звеном 4, с выхода пропорционально-дифференциального регулятора 5 на вход силового преобразователя 6 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.

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; W_И(p) - передаточная функция интегрального регулятора 2; k_П - коэффициент передачи пропорционального регулятора 3; k_ОСС - коэффициент передачи (постоянная времени) дифференцирующего звена 4; W_ПД(p) - передаточной функции пропорционально-дифференциального регулятора 5; а x_З (р), F_В(p) 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 процесса 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 со стороны электромагнитов на ротор 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 эдс со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.

Величина постоянной времени пропорционально-дифференциального регулятора 5

W_ПД(p)=k_ПЛ(T _ПДp+1)

определяется, например, из соотношения

T_ПД=2Т_Э,

а коэффициент передачи k_ПД этого регулятора может варьироваться в широких пределах.

Величина коэффициента передачи k_П пропорционального регулятора 3 в соответствии с условием устойчивости также может выбираться из широкого ряда значений. Величина постоянной времени Т_И интегрального регулятора 2

выбирается из условия обеспечения максимального быстродействия при минимуме перерегулирования выходной координаты в переходных процессах.

На фиг.4 приведены графики переходных процессов по управлению и возмущению при следующих параметрах электромагнитного подвеса ротора, например, турбины: k_E=1461 В·с/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 параметров регуляторов: Т_ПД=0,076466 с, k_ПД=20, k_П=25, Т_И=0,001 с. Анализ графиков показывает, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора наблюдается высочайшее быстродействие. Время переходного процесса по управляющему воздействию составляет t _ПП=0,00215 с, перерегулирование =0,98%. Динамический провал ротора при ударном приложении силы в 1 Н составит всего х_max=0,00259 мкм, причем он в конечном итоге компенсируется замкнутой системой. Достичь подобных результатов в системе управления, взятой за прототип, невозможно.

Таким образом, предложенная система управления позволяет повысить быстродействие и динамическую точность электромагнитного подвеса ротора.