RU2859965C1

RU2859965C1 - Control device for multi-channel electromechanical steering gear

Info

Publication number: RU2859965C1
Application number: RU2025121150A
Authority: RU
Inventors: Никита Александрович Кузьминых; Екатерина Олеговна Уралёва; Степан Витальевич Андреев; Андрей Григорьевич Тимощенко
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Filing date: 2025-07-31
Publication date: 2026-04-14

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention can be used to control electric drives in aircraft construction, machine tool construction, robotics, in automatic control systems, for example, electronic control of brushless direct current motors. A control device for a multi-channel electromechanical steering gear consists of a control unit 1, which contains a control controller 3, semiconductor switches 4_1-N and current sensors 5_1-N, and N actuating electric mechanisms 2_1-N with rotor position sensors 7_1-N, the semiconductor switches are connected to the current sensors, the outputs of which are connected to the inputs of the control controller. The control controller 3 is implemented using a programmable logic integrated circuit, each actuating electric mechanism is equipped with a brushless motor 6_1-N, a mechanical gearbox 8_1-N and a feedback sensor 9_1-N. The outputs of the rotor position sensor and the feedback sensor are connected to the inputs of the control controller, the output of the semiconductor switch of each channel of the control unit is connected to the input of the brushless motor of the corresponding channel, the brushless motor, rotor position sensor, mechanical gearbox and feedback sensor of each channel are connected in series, the outputs of the control controller are connected to the input of the semiconductor switch of each channel.

EFFECT: reducing power consumption, overall dimensions and weight, preventing emergency operating modes while maintaining speed and reliability indicators.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателями в авиастроении, станкостроении, робототехнике, в системах автоматического управления, например, электронного управления вентильными двигателями постоянного тока.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to control electric motors in aircraft manufacturing, machine tool manufacturing, robotics, and in automatic control systems, for example, electronic control of DC valve motors.

Известно устройство управления вентильным электродвигателем (патент RU №2279757, МПК Н02Р 6/18, опубл. 10.07.2006), которое снабжено блоком смещения опорного уровня, состоящим из датчика тока, датчика напряжения, двух сумматоров и инвертора. Блок смещения установлен в нормализаторе между делителем и блоком компараторов.A device for controlling a valve-operated electric motor (RU patent No. 2279757, IPC H02P 6/18, published July 10, 2006) is known. It is equipped with a reference level shifter consisting of a current sensor, a voltage sensor, two adders, and an inverter. The shifter is installed in the normalizer between the divider and the comparator block.

Данное устройство обеспечивает пуск и вращение ротора по сигналам ЭДС в свободных от тока секциях обмотки якоря, преобразование сигналов ЭДС нормализатором в дискретные сигналы логического уровня, определение микроконтроллером моментов коммутации и их смещение в зависимости от величины тока нагрузки, скорости вращения ротора и индуктивности секций якорной обмотки. Моменты коммутации вычисляют и смещают относительно моментов перехода ЭДС свободных секций уровней напряжения, отличных от нуля. Техническим результатом данного технического решения является повышение КПД электродвигателя.This device enables rotor starting and rotation based on EMF signals in current-free sections of the armature winding. A normalizer converts these EMF signals into discrete logic-level signals. A microcontroller determines the commutation moments and shifts them based on the load current, rotor speed, and armature winding section inductance. The commutation moments are calculated and shifted relative to the transition times of the EMF in the current-free sections to voltage levels other than zero. This solution improves the efficiency of the electric motor.

Основным недостатком данного устройства является отсутствие возможности эффективного управления вентильным двигателем при низких оборотах вращения, поскольку ЭДС, наводимая на свободных секциях обмотки якоря, недостаточна для определения текущего положения ротора.The main disadvantage of this device is the inability to effectively control a valve motor at low speeds, since the EMF induced in the free sections of the armature winding is insufficient to determine the current position of the rotor.

Также известно устройство управления инвертором (патент ЕР №2899876, МПК Н02Р 21/00, 27/04, опубл. 29.07.2015), включающее: инвертор, сконфигурированный для преобразования постоянного тока, поступающего от источника питания постоянного тока, в переменный ток и подачи переменного тока на двигатель; средство вычисления значения команды для формирования необходимых параметров выходного напряжения переменного тока инвертора на основе значения команды, подаваемого средством компенсации фазы; средство определения скорости вращения двигателя; средство фильтрации фазовых помех для формирования уровней управляющих напряжений; и средство компенсации фазы, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг в соответствии со значениями скорости вращения и временных параметров фазовых задержек для получения предопределенного запаса по фазе, и компенсирует фазу на основе характеристик, присущих двигателю, на величину опережения фазы, а средство компенсации обратной фазы компенсирует фазу значения команды напряжения без помех по соответствующим осям на ту же величину компенсации, что и величина опережения фазы в противоположном направлении относительно фазы, компенсируемой средством компенсации фазы.Also known is an inverter control device (EP patent No. 2899876, IPC H02P 21/00, 27/04, published on 29.07.2015), comprising: an inverter configured to convert direct current supplied from a direct current power source into alternating current and to supply alternating current to a motor; means for calculating a command value for generating the necessary parameters of the inverter's alternating current output voltage based on a command value supplied by a phase compensation means; means for determining the motor rotation speed; means for filtering phase interference for generating control voltage levels; and a phase compensation means that provides the required phase shift in accordance with the values of the rotation speed and the time parameters of the phase delays to obtain a predetermined phase margin, and compensates the phase based on the characteristics inherent in the motor by the amount of phase advance, and the reverse phase compensation means compensates the phase of the value of the noise-free voltage command along the corresponding axes by the same compensation amount as the amount of phase advance in the opposite direction relative to the phase compensated by the phase compensation means.

Недостатком данного решения является необходимость настройки алгоритма управления, реализованного с помощью метода компенсирования фаз под разные типы двигателей, а также имеет сложную схемотехнику, что значительно увеличивает габаритно-массовые характеристики.The disadvantage of this solution is the need to adjust the control algorithm, implemented using the phase compensation method, for different types of motors, and it also has complex circuitry, which significantly increases the overall dimensions and weight characteristics.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является цифровая система управления вентильным двигателем (патент RU №4871 МПК Н02Р 7/36, опубл. 16.08.1997), которая содержит микроЭВМ с микропроцессором, цифровой измеритель периода, одно-фазный регулятор фазы, многофазный регулятор амплитуды, логический инвертор, полупроводниковый инвертор, датчик тока (соответствуют блоку управления заявляемого устройства, включающему контроллер управления, полупроводниковые коммутаторы и датчики тока); вентильный двигатель и датчик положения ротора, которые последовательно соединены между собой.The closest analogue of the claimed invention, selected as a prototype, is a digital control system for a valve motor (patent RU No. 4871 IPC H02P 7/36, published on 16.08.1997), which contains a microcomputer with a microprocessor, a digital period meter, a single-phase phase regulator, a multi-phase amplitude regulator, a logical inverter, a semiconductor inverter, a current sensor (corresponding to the control unit of the claimed device, including a control controller, semiconductor switches and current sensors); a valve motor and a rotor position sensor, which are connected in series with each other.

Входы микроЭВМ соединены с выходами однофазного регулятора фазы и цифрового измерителя периода, входы цифрового измерителя периода и однофазного регулятора фазы соединены с выходами цифрового датчика положения, выход многофазного регулятора амплитуды соединен с входом логического инвертора и полупроводникового инвертора, выходы микроЭВМ соединены с входами однофазного регулятора фазы и многофазного регулятора амплитуды. Полупроводниковый инвертор соединен с датчиком тока, вход-выход микроЭВМ соединен с входами-выходами цифрового датчика тока. Выход цифрового датчика положения соединен со входом микроЭВМ, выходы полупроводникового инвертора соединены с обмотками двигателя.The microcomputer inputs are connected to the outputs of the single-phase phase controller and digital period meter. The inputs of the digital period meter and single-phase phase controller are connected to the outputs of the digital position sensor. The output of the multiphase amplitude controller is connected to the input of the logic inverter and semiconductor inverter. The microcomputer outputs are connected to the inputs of the single-phase phase controller and multiphase amplitude controller. The semiconductor inverter is connected to the current sensor, and the microcomputer input/output is connected to the inputs/outputs of the digital current sensor. The output of the digital position sensor is connected to the microcomputer input, and the outputs of the semiconductor inverter are connected to the motor windings.

МикроЭВМ выполнена с возможностью реализации алгоритмов вычислений при трогании вентильного двигателя, при его разгоне, в стационарном режиме и при рекуперативном торможении. Данное решение позволяет уменьшить виброактивность вентильного двигателя и улучшить его энергетические характеристики.The microcomputer is designed to implement computational algorithms during the start-up of a brushless motor, during acceleration, in steady-state mode, and during regenerative braking. This solution reduces the vibration of the brushless motor and improves its energy performance.

Недостаток данной системы управления заключается в том, что для управления блоком коммутации фазных обмоток требуется применение микроЭВМ с несколькими каналами АЦП. Таким образом, при необходимости управления N электродвигателями потребуется применение N отдельных систем управления, что, в свою очередь, ухудшает габаритно-массовые характеристики, увеличивает потребляемую мощность и усложняет систему в целом.The disadvantage of this control system is that controlling the phase winding switching unit requires a microcomputer with multiple ADC channels. Therefore, controlling N electric motors requires N separate control systems, which, in turn, reduces the overall size and weight, increases power consumption, and complicates the overall system.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - уменьшение потребляемой мощности, габаритно-массовых характеристик, предотвращение аварийных режимов работы при сохранении показателей быстродействия и надежности.The technical result obtained by using the proposed technical solution is a reduction in power consumption, overall dimensions and weight characteristics, and the prevention of emergency operating modes while maintaining performance and reliability indicators.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство управления многоканального электромеханического рулевого привода, состоящее из блока управления, который содержит контроллер управления, полупроводниковые коммутаторы и датчики тока, и исполнительного электромеханизма с датчиком положения ротора, полупроводниковые коммутаторы соединены с датчиками тока, выходы которых подключены ко входам контроллера управления, согласно изобретению снабжено N каналами блока управления с соответствующим количеством исполнительных электромеханизмов, контроллер управления реализован с применением программируемой логической интегральной схемы, каждый исполнительный электромеханизм снабжен вентильным двигателем, механическим редуктором и датчиком обратной связи, выходы датчика положения ротора и датчика обратной связи подключены ко входам контроллера управления, выход полупроводникового коммутатора каждого канала блока управления подключен ко входу вентильного двигателя соответствующего канала, вентильный двигатель, датчик положения ротора, механический редуктор и датчик обратной связи каждого канала последовательно соединены между собой, выходы контроллера управления подключены ко входу полупроводникового коммутатора каждого канала.The specified technical result is achieved in that the control device of a multi-channel electromechanical steering drive, consisting of a control unit, which contains a control controller, semiconductor switches and current sensors, and an actuator with a rotor position sensor, the semiconductor switches are connected to the current sensors, the outputs of which are connected to the inputs of the control controller, according to the invention is provided with N channels of the control unit with a corresponding number of actuators, the control controller is implemented using a programmable logic integrated circuit, each actuator is provided with a valve motor, a mechanical reducer and a feedback sensor, the outputs of the rotor position sensor and the feedback sensor are connected to the inputs of the control controller, the output of the semiconductor switch of each channel of the control unit is connected to the input of the valve motor of the corresponding channel, the valve motor, the rotor position sensor, the mechanical reducer and the feedback sensor of each channel are connected in series with each other, the outputs of the control controller are connected to the input of the semiconductor switch of each channel.

Всей совокупностью существенных признаков достигается заявленный технический результат. Многоканальный блок управления реализован на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), которая в отличие от микроЭВМ имеет более широкие возможности для решения задач, связанных с обработкой параллельных потоков цифровых данных. В частности, в один момент времени (по фронту или спаду сигнала тактового генератора) ПЛИС одновременно выполняет множество параллельных процессов по обработке сигналов, поступающих от внешней системы управления, датчиков обратной связи, датчиков положения ротора и датчиков тока, и в зависимости от положения ротора и требуемого направления вращения вентильного двигателя формирует логические сигналы управления ключами полупроводникового коммутатора, что позволяет создавать надежные многоканальные быстродействующие цифровые устройства, число каналов которых ограничивается только количеством логических ячеек применяемой ПЛИС. Таким образом, уменьшили потребляемую мощность и габаритно-массовые характеристики. Наряду с этим предотвращаются аварийные режимы работы заявляемого устройства посредством контроля коммутируемого тока полупроводниковыми коммутаторами при помощи соответствующих датчиков тока, которые в свою очередь, передают сигналы на контроллер управления, а также благодаря применению жесткой логики управления, исключающей возможность сбоя рабочей программы.The stated technical result is achieved through a combination of essential features. The multichannel control unit is implemented on a programmable logic integrated circuit (FPGA), which, unlike microcomputers, offers greater capabilities for solving problems related to processing parallel digital data streams. Specifically, at a single point in time (on the rising or falling edge of the clock generator signal), the FPGA simultaneously executes multiple parallel processes processing signals from the external control system, feedback sensors, rotor position sensors, and current sensors. Depending on the rotor position and the desired direction of rotation of the brushless motor, it generates logic signals to control the switches of the semiconductor switch. This enables the creation of reliable, high-speed multichannel digital devices, the number of channels of which is limited only by the number of logic cells in the FPGA used. This reduces power consumption and reduces the overall size and weight. In addition, emergency operating modes of the claimed device are prevented by monitoring the commutated current with semiconductor switches using appropriate current sensors, which in turn transmit signals to the control controller, as well as by using rigid control logic, eliminating the possibility of a failure of the operating program.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».An analysis of the prior art revealed no prior art equivalents with features identical to all the essential features of this invention. Furthermore, no known influence of the features included in the claims on the technical result of the claimed technical solution was revealed. Consequently, the claimed invention meets the criteria of "novelty" and "inventive step."

На фиг. представлена функциональная схема заявляемого устройства.The figure shows a functional diagram of the claimed device.

Устройство управления многоканального электромеханического рулевого привода состоит из многоканального электронного блока управления 1 и N исполнительных электромеханизмов 2_1-N. Многоканальный блок управления реализован с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которые в отличие от микроконтроллеров имеют более широкие возможности для решения задач, связанных с обработкой параллельных потоков данных. В частности, в один момент времени (по фронту или спаду сигнала тактового генератора) ПЛИС параллельно выполняет множество процессов по обработке данных, что позволяет создавать надежные быстродействующие цифровые устройства с возможностью одновременной обработки нескольких информационных потоков. Блок управления 1 состоит из контроллера управления 3 и N полупроводниковых коммутаторов 4_1-N с N датчиками тока 5_1-N. Каждый из N исполнительных электромеханизмов 2_1-N реализован из следующих функциональных элементов: вентильный двигатель 6, датчик положения ротора 7, механический редуктор 8, датчик обратной связи 9, выходное звено (шток), которые последовательно соединены между собой. Выходы контроллера управления 3 подключены ко входу полупроводникового коммутатора каждого канала, выходы которых подключены к вентильному двигателю соответствующего канала. Выходы датчиков тока 5_1-N, датчиков положения ротора 7_1-N и датчиков обратной связи 9_1-N подключены ко входам контроллера управления 3.The control device of the multi-channel electromechanical steering drive consists of a multi-channel electronic control unit 1 and N actuators 2 _1-N . The multi-channel control unit is implemented using programmable logic integrated circuits (FPGAs), which, unlike microcontrollers, have wider capabilities for solving problems related to processing parallel data streams. In particular, at one point in time (on the rising or falling edge of the clock generator signal), the FPGA parallelly executes multiple data processing processes, which makes it possible to create reliable high-speed digital devices with the ability to simultaneously process several information streams. Control unit 1 consists of a control controller 3 and N semiconductor switches 4 _1-N with N current sensors 5 _1-N . Each of the N actuators 2 _1-N is implemented from the following functional elements: a valve motor 6, a rotor position sensor 7, a mechanical gearbox 8, a feedback sensor 9, an output link (rod), which are connected in series with each other. The outputs of control controller 3 are connected to the input of the semiconductor switch of each channel, the outputs of which are connected to the valve motor of the corresponding channel. The outputs of current sensors 5 _1-N , rotor position sensors 7 _1-N , and feedback sensors 9 _1-N are connected to the inputs of control controller 3.

Блок управления 1 обеспечивает автоматическое регулирование мощности, подаваемой от источника постоянного тока на обмотки вентильных двигателей 6_1-N с целью обеспечения следящего режима управления выходным звеном в соответствии с заданным управляющим воздействием, поступающим от внешней системы управления. Полупроводниковые коммутаторы 4_1-N обеспечивают управление вентильными двигателями 6_1-N посредством коммутации на их обмотки управляющих воздействий. Для ограничения токов обмоток вентильных двигателей 6_1-N и предотвращения аварийных режимов работы электромеханического рулевого привода осуществляется контроль тока, коммутируемого полупроводниковыми коммутаторами 4_1-N, при помощи датчиков тока 5_1-N. Контроллер управления 3 в режиме реального времени для каждого из N каналов выполняет обработку сигналов, поступающих от внешней системы управления, датчиков обратной связи 9_1-N, датчиков положения ротора 7_1-N и датчиков тока 5_1-N, и в зависимости от положения ротора и требуемого направления вращения вентильных двигателей 6_1-N формирует логические сигналы управления ключами полупроводниковых коммутаторов 4_1-N.Control unit 1 automatically regulates the power supplied from the DC source to the windings of the 6 _1-N permanent magnet motors to ensure servo control of the output link in accordance with a specified control action received from the external control system. Semiconductor switches 4 _1-N control the 6 _1-N permanent magnet motors by switching control actions to their windings. To limit the currents in the windings of the 6 _1-N permanent magnet motors and prevent emergency operation of the electromechanical steering drive, the current switched by the semiconductor switches 4 _1-N is monitored using current sensors 5 _1-N . The control controller 3 in real time for each of the N channels processes signals coming from the external control system, feedback sensors 9 _1-N , rotor position sensors 7 _1-N and current sensors 5 _1-N , and depending on the rotor position and the required direction of rotation of the valve motors 6 _1-N generates logical signals to control the keys of the semiconductor switches 4 _1-N .

Применение заявляемого многоканального устройства управления электромеханического рулевого привода позволяет уменьшить потребляемую мощность и габаритно-массовые характеристики без ухудшения показателей быстродействия и надежности в сравнении с N отдельно взятыми одноканальными блоками управления и с N-канальными устройствами управления, реализованными на микроконтроллерах.The use of the claimed multi-channel control device for an electromechanical steering drive allows for a reduction in power consumption and overall dimensions and weight characteristics without deteriorating the performance and reliability indicators in comparison with N individual single-channel control units and with N-channel control devices implemented on microcontrollers.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность и способность достижения указанного технического результата. Средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для изменения углового положения органов управления в составе рулевого электропривода.The claimed invention, as described in the claims, has been experimentally confirmed to be functional and capable of achieving the stated technical result. The means embodying the claimed device, when implemented, is intended to change the angular position of the controls within an electric steering drive.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Consequently, the claimed invention meets the requirement of “industrial applicability”.

Claims

A control device for a multi-channel electromechanical steering drive consisting of a control unit that contains a control controller, semiconductor switches and current sensors, and an actuator with a rotor position sensor, the semiconductor switches are connected to the current sensors, the outputs of which are connected to the inputs of the control controller, characterized in that the control unit is provided with N channels with a corresponding number of actuators, the control controller is implemented using a programmable logic integrated circuit, each actuator is provided with a valve motor, a mechanical reducer and a feedback sensor, the outputs of the rotor position sensor and the feedback sensor are connected to the inputs of the control controller, the output of the semiconductor switch of each channel of the control unit is connected to the input of the valve motor of the corresponding channel, the valve motor, the rotor position sensor, the mechanical reducer and the feedback sensor of each channel are connected in series with each other, the outputs of the control controller are connected to the input of the semiconductor switch of each channel.