СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА


RU (11) 2181922 (13) C2

(51) 7 H02P6/16, H02K7/09, H02K29/06 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 2002.04.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 99124041/09 
(22) Дата подачи заявки: 1999.11.16 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.11.16 
(43) Дата публикации заявки: 2001.11.27 
(45) Опубликовано: 2002.04.27 
(56) Аналоги изобретения: SU 1569932 А, 07.07.1990. RU 2046517 C1, 20.10.1995. WO 99/17437 Cl, 08.04.1999. US 5552682 А, 03.09.1996. 
(71) Имя заявителя: Самарский государственный технический университет 
(72) Имя изобретателя: Макаричев Ю.А.; Стариков А.В.; Стариков А.В. 
(73) Имя патентообладателя: Самарский государственный технический университет 
(98) Адрес для переписки: 443640, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, СГТУ, патентный отдел 

(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА 
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к роторным механизмам на электромагнитных опорах. Технический результат изобретения, заключающийся в упрощении технической реализации системы управления электромагнитным подвесом ротора, достигается путем того, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора каждый канал управления снабжен интегральным регулятором и форсирующим регулятором второго порядка, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом форсирующего регулятора второго порядка, выход которого соединен с входом силового преобразователя, а выход датчика положения ротора соединен с инверсными входами обоих регуляторов. 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах.
Наиболее близким по технической сущности является механизм с магнитным подвесом ротора (см. а.с. СССР 1569932, опубл. в БИ 21, 1990 г.), в котором каждый канал системы управления (см. Вейнберг Д.М., Верещагин В.П. К определению основных параметров электромагнитных подшипников. - М. : Труды ВНИИЭМ, т. 89, 1989. - С. 12-19.) содержит датчик положения ротора, пропорционально-интегрально-дифферснциальный регулятор, обращенную модель электромагнита, силовой преобразователь и два электромагнита.
Недостатком наиболее близкой системы управления электромагнитным подвесом ротора является сложность ее технической реализации, вызванная необходимостью линеаризации системы путем введения в ее состав обращенной модели электромагнита, которая требует значительных вычислительных операций.
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 выходу силового преобразователя, каждый канал снабжен интегральным регулятором и форсирующим регулятором второго порядка, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом форсирующего регулятора второго порядка, выход которого соединен с входом силового преобразователя, а выход датчика положения ротора соединен с инверсными входами обоих регуляторов.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет упростить техническую реализацию 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, форсирующий регулятор 3 второго порядка, силовой преобразователь 4, два электромагнита 5 и 6. Датчик 1 положения ротора соединен с инверсными входами интегрального регулятора 2 и форсирующего регулятора 3 второго порядка. Выход интегрального регулятора 2 соединен с прямым входом форсирующего регулятора 3 второго порядка, выход которого соединен с входом силового преобразователя 4. К выходу силового преобразователя 4 подключены обмотки электромагнитов 5 и 6.
В качестве датчика 1 положения ротора может быть применен, например, индуктивный токовихревой датчик. Интегральный регулятор 2 может быть реализован, например, на микросхемах серии КР1533 по а.с. СССР 1649501, опубл. 15.05.91, БИ 18, в котором пропорциональная и дифференциальная составляющая приняты равными нулю. Форсирующий регулятор 3 второго порядка, например, может быть выполнен из двух последовательно включенных устройств по а.с. 1649501, в которых интегральная составляющая принимается равной нулю. Возможна также программная реализация регуляторов 2 и 3 на микропроцессорном контроллере, например С-60, выпускаемом ВАЗом. При этом, например, интегрирование осуществляется как полная сумма, а первая и вторая производная находятся как первая и вторая обратные разности (см. Микропроцессорные системы автоматического управления/Под общ. ред. В. А. Бесекерского. - Л.: Машиностроение, 1988. - С 304-324.). Силовой преобразователь 4, например, представляет собой транзисторный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из цифрового широтно-импульсного модулятора, например, выполненного на микросхемах КР1533 по а.с. СССР 1644371, опубл. 23.04.91, БИ 15, и транзисторного моста. Электромагниты 5 и 6 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. Информация (цифровой код) об измеренном отклонении подается на инверсные входы последовательно включенных интегрального регулятора 2 и форсирующего регулятора 3 второго порядка. В соответствии с передаточными функциями, реализованными регуляторами 2 и 3, с выхода форсирующего регулятора 3 второго порядка на вход силового преобразователя 4 подается цифровой код. Пропорционально этому коду силовой преобразователь 4 регулирует напряжения на обмотках электромагнитов 5 и 6. В результате в обмотках электромагнитов 5 и 6 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 5 и 6.
Действительно, процессы, протекающие при работе предложенной системы управления электромагнитным подвесом ротора, можно представить структурной схемой (фиг. 3). Здесь хз(р), Fв(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 хз(р) =0.
Передаточная функция форсирующего регулятора 3 второго порядка:

R1(p) = k2ф(T22фp2+22фT2фp+1),

где k2ф, T2ф и 2ф - коэффициент передачи, постоянная времени и коэффициент демпфирования соответственно.
Передаточная функция интегрального регулятора 2:

R2(Р)=1/TиР,

где Ти - постоянная времени.
Передаточная функция датчика 1 положения представлена безынерционным звеном с коэффициентом передачи kдп.
Остальные динамические звенья в совокупности представляют собой линеаризованную математическую модель перемещения ротора в поле электромагнитного подшипника под действием управляющего сигнала на входе силового преобразователя 4. Коэффициенты передачи kшим и U характеризуют параметры силового преобразователя 4: коэффициент передачи широтно-импульсного преобразователя и напряжение питания транзисторного моста. Динамическое звено с передаточной функцией



(Тэ - постоянная времени электрической цепи обмоток электромагнитов) связывает приращение соотношения токов в электромагнитах 5 и 6 с приращением напряжения на обмотках, причем заведомо принимается такой закон коммутации транзисторов моста, что увеличение напряжение на одной из обмоток приводит к такому же уменьшению напряжения на другой. Коэффициент передачи kэм связывает силу, действующую со стороны электромагнитов на ротор при его центральном положении, с соотношением токов в электромагнитах. Коэффициент передачи kF характеризует изменение силы, действующей на ротор, при его отклонении от центрального положения. Динамическое звено 1/mp2 в соответствии со вторым законом Ньютона определяет перемещение ротора под действием результирующей силы. Коэффициент передачи kЕ характеризует приращение наводимой в обмотках электромагнитов ЭДС со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.
Из структурной схемы следует, что в предложенной системе управления электромагнитным подвесом ротора все возмущения, охваченные обратной связью, полностью компенсируются. Этот факт определяется наличием во внешнем контуре интегрального регулятора 2

Быстродействие предложенной системы управления электромагнитным подвесом ротора может быть определено из переходных характеристик по отношению к управляющему и возмущающему воздействиям, которые определяются соответствующими передаточными функциями.
Передаточная функция по управлению:

,

где k1=k2фkшимkэмkдп.
Передаточная функция системы по отношению к возмущающей силе Fв(р):



Здесь k=k2фkоуkдп; 

Анализ передаточных функций системы управления электромагнитным подвесом ротора показывает, что соответствующий выбор параметров регуляторов 2 и 3 обеспечивает, во-первых, устойчивость системы при широком диапазоне изменения параметров электромагнитного подвеса (коэффициенты kэм, kE, kF и постоянная времени Tэ - переменны), а во-вторых, высокое быстродействие. Действительно, при параметрах электромагнитного подвеса ротора, например турбины: kE=1461 Вс/м; kэм=1306 Н; kF=756000 Н/м; m=18 кг; Тэ =0,038233 с; U= 57,7 В; kдп=1000000 дискрет/м; kшим=0,001961 1/дискрет; Т2ф=0,009124 с; 2ф == 0,1194; k2ф= 16; Ти=0,1 с, - графики переходных процессов по управлению и возмущению имеют вид, приведенный на фиг.4.
Таким образом, предложенная система управления электромагнитным подвесом ротора позволяет достичь высоких статических и динамических показателей при одновременном упрощении ее технической реализации. Упрощение технической реализации определяется исключением из состава системы управления обращенной модели электромагнита, которая требует значительных вычислительных операций, и применением простейшего линейного регулятора с соответствующими связями. 


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 интегральным регулятором и форсирующим регулятором второго порядка, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом форсирующего регулятора второго порядка, выход которого соединен с входом силового преобразователя, а выход датчика положения ротора соединен с инверсными входами обоих регуляторов.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к машиностроению, а именно способам изготовления, ремонта и обслуживания различных типов подшипников: подшипники качения и скольжения, магнитные подшипники, гидростатические подшипники, газостатические подшипники, способы формирования антифрикционной поверхности трения в подшипниках и др.


Новые технологии и изобретения. Подшипники качения и скольжения




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "и" означает, что будут найдены только те страницы, где встречается каждое из ключевых слов. Например, при запросе "закалка стекла" будет найдено словосочетание "подшипник качения". При использовании режима "или" результатом поиска будут все страницы, где встречается хотя бы одно ключевое слово ("подшипник" или "качения").

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+подшипник -качения".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "подшипник" будут найдены слова "подшипники", "подшипнику" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу "подшипник!".


Рейтинг@Mail.ru