ЭЛЕКТРОПРИВОД УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02P7/62 

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам управления работой двигателей возвратно-поступательного движения.

Известен двигатель, содержащий соленоид, подвижный якорь, механически связанный через шток с двумя комплектами щеток, через которые подключен источник постоянного тока к соленоиду.

Известен электромагнитный молот, в котором момент переключения тока в силовых катушках прямого и обратного хода осуществлен электромеханическим датчиком направления движения, содержащим траверсу, трущуюся об образующую поверхность якоря.

Недостатком молота является низкая надежность управления, обусловленная ударными нагрузками якоря на траверсу, а размещение траверсы с контактами внутри двигателя усложняет конструкцию.

Прототипом является электропривод возвратно-поступательного движения, содержащий катушки, направляющую немагнитную трубу, ферромагнитный якорь, соединенный со штоком, ключи, расположенные вне зоны размещения катушек и выполненные в виде оптических пар, установленных в стенках трубы, охватывающей шток, причем количество входных ключей удовлетворяет соотношению N= 4К-3, где К - количество катушек двигателя, блок управления снабжен логическими элементами 3И, 2ИЛИ, элементами (2К-1)ИЛИ и RS-триггером, R-, S-входы которого подключены к соответствующим выходам усилителей двух крайних входных ключей, при этом выходы триггера связаны с первым входом соответствующих элементов 3И, вторые и третьи входы которых подключены к соответствующим выходам усилителей, а выходы элементов 3И одной группы через элементы 2ИЛИ, другой группы через элементы (2К-1)ИЛИ подключены через формирователи управляющих импульсов соответственно к основным ключам и ключу коммутирующего контура.

Недостатками прототипа являются низкая помехозащищенность, обусловленная наличием RS-триггера, определяющего направление движения якоря, а также сложность дешифратора состояния переключающего средства, включающего в себя элементы 3И, НЕ и сам триггер.

Источниками помех на входах усилителей сигналов переключающих средств являются источники лучистой энергии, подсвечивающие фотоприемники, а также мощные импульсы напряжения с крутыми передними и задними фронтами, выделяющиеся на катушках двигателя, коммутирующем, колебательном контуре и контуре гашения магнитного поля катушек.

Ложное срабатывание RS-триггера приводит к сбою в работе электромагнитного двигателя, характеризующегося потерей энергии удара, изменением периода колебаний якоря и дополнительным нагревом катушек.

Наличие сложного дешифратора состояния переключающих средств снижает надежность управления электромагнитного привода.

Сущность изобретения заключается в том, что электропривод ударного действия, как и в прототипе, содержит катушки, направляющую немагнитную трубу, ферромагнитный якорь, соединенный со штоком, ключи, расположенные вне зоны размещения катушек и выполненные в виде оптических пар, установленных в стенках трубы, охватывающей шток, причем количество входных ключей удовлетворяет соотношению N= 4К-3, где К - количество катушек двигателя, и блок управления, содержащий усилители с прямыми и инверсными входами, подключенными к основным ключам и ключу коммутирующего контура, в отличие от прототипа снабжен триггерами со счетным входом, логическими элементами 2И, 2И-НЕ, НЕ, дополнительными формирователями импульсов и интегрирующей RC-цепью, причем счетные входы соответствующих триггеров связаны с выходами логических элементов 2И и 2И-НЕ, первые входы которых связаны с выходами соответствующих усилителей, вторые входы подключены к инверсным выходам соответствующих триггеров со счетным входом, прямые выходы нечетных триггеров со счетным входом, начиная с верхнего переключающего элемента, подключены к входам соответствующих формирователей управляющих импульсов, прямые выходы четных триггеров со счетным входом подключены к входам логического элемента (2К-1)ИЛИ, прямой выход последнего триггера со счетным входом, соответствующий нижнему переключающему элементу, одновременно подключен к входу логического элемента (2К-1)ИЛИ и через последовательно соединенные первый дополнительный формирователь импульса, первый логический элемент НЕ и второй дополнительный формирователь импульса к второму входу соответствующего логического элемента 2ИЛИ, выход которого через второй логический элемент НЕ и первый логический элемент 2И связан с входом установки в исходное состояние первой группы триггеров со счетным входом, входы установки в исходное состояние оставшихся триггеров со счетным входом через третий элемент НЕ и второй логический элемент 2И подключен к выходу формирователя импульса, связанного с входом основного ключа нижней катушки, вторые входы первого и второго логических элементов 2И одновременно подключены к выходу интегрирующей RC-цепи и кнопке СТОП, а кнопка ПУСК подключена к выходу первого логического элемента НЕ.

В предложенном электроприводе исключен логический элемент, определяющий направление движения якоря, а его роль исполняет триггер со счетным входом.

Включение соответствующего триггера в зависимости от направления движения якоря осуществлено сигналом соответствующего переключающего элемента, поступающим на счетный вход триггера через усилитель и первый вход электронной защелки, второй вход которой связан с инверсным выходом своего триггера. Отключение триггера производится сигналом с выхода соответствующего формирователя управляющих импульсов на вход установки в исходное состояние R через последовательно соединенные инвертор и дополнительные элементы 2И. Установка триггеров в исходное состояние производится при включении питания интегрирующей RC-цепью, а в момент работы двигателя кнопкой СТОП, выход которой соединен с выходом интегрирующей цепи и подключен к второму входу дополнительных элементов 2И.

Введение дополнительных первого и второго формирователей импульсов и первого элемента НЕ обусловлено разделением во времени моментов коммутации силового блока, что увеличивает надежность управления электроприводом.

На фиг. 1 показан двигатель электропривода; на фиг. 2 - переключающий элемент; на фиг. 3 - принципиальная схема блока управления; на фиг. 4 - кривая хода х(t) якоря двигателя, эпюры напряжений U₁-U₁₃ в различных точках схемы блока управления и токов I₁-I₃ в катушках двигателя и коммутирующем LC-контуре.

Двигатель (фиг. 1) имеет корпус 1, внутри которого размещены, например, при К= 2 катушки обратного 2 и прямого 3 хода, снабженные ферромагнитными полюсами 4 и цилиндрическим ярмом 5. Внутри катушек установлен ферромагнитный якорь 6 со штоком 7, совершающий возвратно-поступательное движение в направляющей трубе 8. Якорь 6 верхним торцом через неметаллическую шайбу 9 опирается на цилиндрическую пружину 10 сжатия, расположенную в направляющей трубе 11. Шток 7 снабжен своей направляющей трубой 12, являющейся основанием переключающего средства 13, в стенках которой расположены переключающие элементы, выполненные в виде оптических пар светодиод 14 - фотоприемник 15 (фиг. 2). Якорь 6 в исходном состоянии прижат пружиной 10 к наковальне 16. Фотоприемники 15 переключающего средства 13 соединены с блоком 17 логики, выход которого связан с входом силового блока 18. Выход силового блока 18 подключен к катушкам 2, 3 двигателя. На фиг. 3 приведен пример реализации блока управления, состоящего из блока 17 логики и силового блока 18.

Питание переключающего элемента осуществляется от источника +Е₁ через резистор 19. Количество переключающих элементов 20 зависит от числа катушек двигателя в соответствии с выражением N=4К-3, где К - число катушек двигателя, в данном случае К=2.

Блок 17 логики содержит усилители 21, входы которых подключены к выходам фотоприемников 15 переключающего средства 13, а выходы через логические элементы 2И 22.1-22.4 и логический элемент 2И-НЕ 23.1 - к счетным выходам С триггеров 24. Прямой выход первого триггера 24.1, соответствующий верхней оптической паре 20.1, подключен к входу первого формирователя 25.1 импульсов, второго триггера 24.2 - к первому входу логического элемента 3ИЛИ 26, третьего триггера 24.3 - к входу второго формирователя 25.2 импульсов, четвертого триггера 24.4 - одновременно к второму входу логического элемента 3ИЛИ 26 и входу первого дополнительного формирователя 25.4 импульсов, пятого триггера 24.5 - к третьему входу элемента 3ИЛИ 26. Последний является элементом (2К-1)ИЛИ. Выход первого дополнительного формирователя 25.4 импульсов через первый элемент НЕ 27.1 соединен с входом второго дополнительного формирователя 25.5 импульсов и кнопкой ПУСК 28.1. Выход первого формирователя 25.1 импульсов подключен к первому входу элемента 2ИЛИ 29, второй вход которого подключен к выходу второго дополнительного формирователя 25.5 импульсов. Выход элемента 2ИЛИ 29 одновременно подключен к входу первого выходного каскада 30.1 и через второй инвертор 27.2 и первый вход пятого элемента 2И 22.6 устройства 31 установки в исходное состояние триггеров со счетным входом к входам установки в исходное состояние R триггеров 24.3-24.5. Выход второго формирователя 25.2 импульсов одновременно подключен к входу второго выходного каскада 30.2 и через третий инвертор 27.3 и первый вход шестого элемента 2И 22.6 соединен с входом установки в исходное состояние R триггеров 24.1 и 24.2. Вторые входы элементов 2И 22.5, 22.6 одновременно подключены к кнопке 28.2 СТОП и общей точке соединения резистора 32.1 и конденсатора 33.1 интегрирующей цепи. Выход элемента 3ИЛИ 26 через третий формирователь 25.3 импульсов подключен к входу третьего выходного каскада 30.3. Формирователи 25 импульсов содержат четвертые инверторы 27,4, седьмые элементы 2И 22.7, вторые интегрирующие RC-цепи 32.2, 33.2.

Выходные каскады содержат транзисторы 34, импульсные трансформаторы 35 и диоды 36, включенные во вторичной цепи. Коллекторные выводы транзисторов 34 через согласующие элементы - импульсные трансформаторы 35 с диодами 36 во вторичной цепи подключены к управляющим электродам соответствующих тиристоров 37. Первые выводы катушек 1, 2 двигателя объединены и подключены к катодному выводу трехфазного выпрямителя 38, анодный вывод которого связан с катодами тиристоров 37. Аноды тиристоров 37.1 и 37.2 через разделительные диоды 39.1 и 39.2 соединены с первыми выводами контура коммутации и контура гашения магнитного поля катушек 1, 2.

Контур коммутации включает в себя диод 39.3 и дроссель 40.1, второй вывод которого подключен к аноду коммутирующего тиристора 37.3 и через колебательный LC-контур, состоящий из последовательно соединенных индуктивности 40.2 и конденсатора 41.1, к общей точке соединения катодов тиристоров 37. Колебательный LC-контур шунтирован последовательно соединенными диодом 39.4 и резистором 42.1.

Контур гашения магнитного поля катушек 1, 2 содержит последовательно соединенные диод 39.5 и ограничительный резистор 42.2 и параллельно соединенные гасящие резистор 42.3 и конденсатор 41.2. Второй вывод контура гашения - общая точка резистора 42.3 и конденсатора 41.2 - подключен к катодному выводу выпрямителя 38.

Двигатель работает следующим образом.

В исходном состоянии якорь 6 вместе со штоком 7 пружиной 10 прижат к наковальне 16, шток 7 не перекрывает световые потоки излучающих диодов 14, и на всех выходах фотоприемников 15 наводятся фотоЭДС. При этом на выходе соответствующих усилителей 21 напряжения U₁-U₅ имеют низкий уровень, соответствующий логическому "0" (фиг. 4).

Установка триггеров 24 в исходное состояние происходит при включении питания с помощью интегрирующей RC-цепи 32.1, 33.1 устройства 31 установки триггеров в исходное состояние либо путем нажатия кнопки 28.2 СТОП. При этом на прямых выходах U₆-U₁₀ триггеров 24 низкий уровень, а на инверсных выходах высокий уровень напряжения.

При нажатии кнопки 28.1 ПУСК потенциал логического "0" через инвертор 27.4 второго дополнительного формирователя 25.5 импульсов приводит к заряду до напряжения логической "1" конденсатора 33.2. При отпускании кнопки 28.1 короткий импульс напряжения через второй вход элемента 2ИЛИ 29 поступает на базу первого транзистора 34 выходного каскада 30.1, который открывается, и по первичной обмотке трансформатора 35 протекает ток. С вторичной обмотки трансформатора 35 через диод 36 снимается сигнал, который поступает на управляющий вход тиристора 37.1. По катушке обратного хода через тиристор 37.1 от источника 38 выпрямленного напряжения протекает ток I₁'. Якорь 6 под действием электромагнитных сил катушки 1 движется вверх и штоком 7 перекрывает световой поток оптической пары 20.4, в результате на выходе фотоусилителя 21.4 появляется напряжение U₄, соответствующее логической "1", которое поступает на вход элемента 2И 22.4 и не оказывает влияние на работу триггера 24.4, выполненного по схеме IK-триггера, например, на микросхеме К155ТВ1.

Когда якорь 6 посредством штока 7 перекроет световой поток оптической пары 20.5, на выходе фотоусилителя 21.5 появляется напряжение U₅, соответствующее уровню логического "0", и с выхода элемента 2И-НЕ 23.1 отрицательный фронт импульса поступает на счетный вход С триггера 24.5, который срабатывает. Уровень логического "0" с инверсного выхода триггера 24.5 поступает на второй вход элемента 2И-НЕ 23.1 и блокирует прохождение импульсов помех от фотоусилителя 21.5 на счетный вход С триггера 24.5. Уровень логической "1", снимаемый в виде сигнала U₁₀ с прямого выхода триггера 24.5, поступает через первый вход элемента 3ИЛИ 26 на вход третьего формирователя 25.3 импульсов, на выходе которого формируется импульс напряжения U₁₂. Этот импульс усиливается схемой 30.3 и поступает на управляющий электрод тиристора 37.3. Конденсатор 41.1 коммутирующего контура разряжается через тиристор 37.3 на индуктивность дросселя 40.2 и при обратной полуволне напряжения тиристоры 37.3 и 37.1 закрываются. Конденсатор продолжает разряжаться через разрядную RD-цепь 39.4, 42.1.

Ток катушки 1 I₁' замыкается на RC-контур гашения магнитного поля по цепи: второй вывод катушки 1 - диоды 39.1, 39.5 - резистор 42.2 - параллельное соединение резистора 42.3 и конденсатора 41.2 - первый вывод катушки 1. Ток I₁' падает до нуля.

Якорь 6 под действием сил инерции продолжает двигаться вверх, сжимая на своем пути цилиндрическую пружину 10 малой жесткости и запасая в ней потенциальную энергию. При своем движении шток 7 перекрывает световые потоки оптических пар 20.3, 20.2 и 20.1, в результате чего на выходах соответствующих фотоусилителей 21.3, 21.2 и 21.1 будут сигналы U₃, U₂ и U₁ с уровнями логической "1". Эти сигналы поступают на первые входы элементов 2И 22.3, 22.2 и 22.1, с выхода которых положительные фронты этих сигналов не оказывают воздействие на счетные входы С триггеров 24.3, 24.2 и 24.1.

При полном переходе кинетической энергии якоря 6 в потенциальную энергию сжатой пружины 10 якорь останавливается, и энергия сжатой пружины 10 заставляет его двигаться вниз. При внедрении якоря 6 своим нижним торцом в катушку 1 на определенную глубину шток 7 открывает путь световому потоку светодиода первой оптической пары 20.1. Появлениe фотоЭДС на входе фотоусилителя 21.1 ведет к получению на его выходе нулевого уровня напряжения сигнала U₁.

Отрицательный фронт импульса на выходе элемента 2И 22.1 перебрасывает триггер 24.1 в рабочее состояние, при котором на его прямом выходе сигнал логической "1" U₆ поступает на вход формирователя 25.1 импульсов. Короткий импульс с выхода формирователя 25.1 импульсов через первый вход элемента 2ИЛИ 29 поступает на вход выходного каскада 30.1 и далее на управляющий электрод тиристора 37.1. Катушка 1 включается вновь. Одновременно короткий импульс U₁₁ с выхода элемента 2ИЛИ 29 поступает на вход R установки нуля триггеров 24.3-24.5 через инвертор 27.2 и элемент 2И 22.5, переводя последние в исходное состояние. Сигнал логического "0", поступающий на второй вход элемента 2И 22.1, закрывает счетный вход С триггера 24.1 и исключает ложное срабатывание триггера в случае помех с выхода усилителя 21.1.

Под действием силы сжатой пружины 10 и электромагнитной силы, вызванной действием импульса тока I₁'', якорь 6 разгоняется вниз и при внедрении его нижним торцом в катушку 2 на оптимальную глубину шток 7 открывает световой поток светодиода 14 второй оптической пары 20.2. Триггер 24.2 перебрасывается в рабочее состояние и с его прямого выхода сигнал U₇ поступает на второй вход элемента 3ИЛИ 26. На выходе формирователя 25.3 импульсов формируется второй импульс U₁₂, который поступает через выходной каскад 30.3 на управляющий электрод тиристора 37.3 коммутирующего LC-контура 40.1, 39.2. Тиристоры 37.1, 37.2 закрываются и ток I₁'' катушки 1 падает до нуля, проходя по цепи гашения через диод 39.2.

Якорь 6 движется вниз под действием сил инерции и силы пружины 10 и при совмещении нижнего торца якоря с верхним торцом среднего полюса 4 шток 7 открывает путь световому потоку светодиода 15 третьей оптической пары 20.3. Триггер 24.3 перебрасывается в рабочее состояние, при котором уровень логической "1" сигнала U₈ с его выхода поступает на вход формирователя 25.2 импульсов, а уровень логического "0" с его инверсного выхода запирает логический элемент 2И 22.2 по второму входу. Импульс напряжения U₁₃, снимаемый с выхода формирователя 25.2 импульсов, одновременно поступает на вход выходного каскада 30.2 для запуска тиристора 37.2 и на входы R установки в исходное состояние триггеров 24.1, 24.2 через третий инвертор 27.3 и шестой элемент 2И 22.6. Включается тиристор 37.2 и по катушке 2 течет ток I₂.

Якорь 6, получив дополнительное ускорение от действия электромагнитной силы катушки 2, движется вниз и, пройдя катушку 2, совершает удар по наковальне 16. При этом шток 7 открывает путь световому потоку светодиода 15 четвертой оптической пары 20.4 и на выходе фотоусилителя 21.4 появляется нулевой уровень сигнала U₄. Триггер 24.4 перебрасывается в рабочее состояние, при котором единичный уровень сигнала U₉ с его прямого выхода одновременно поступает на третий вход элемента 3ИЛИ 26 и на вход первого дополнительного формирователя 25.4 импульсов. Срабатывает формирователь 25.3 импульсов, включается тиристор 37.3 коммутирующего контура и ток I₂ катушки падает до нуля. Сигнал с выхода первого дополнительного формирователя 25.4 импульсов через первый инвертор 27.1 запускает второй дополнительный формирователь 25.5 импульсов, а сигнал с выхода последнего через второй вход элемента 2ИЛИ 29 запускает первый тиристор 37.1, чем достигается формирование выдержки времени τ на включение катушки 1. Катушка 1 включается, якорь 6 после удара по наковальне 16 подхватывается магнитным полем катушки 1 и цикл работы двигателя повторяется.

Разнесение по времени процесса включения первой катушки и выключения второй катушки после удара исключает взаимное влияние коммутационных перенапряжений в индуктивных нагрузках тиристоров, которыми являются катушки двигателя и катушки индуктивности коммутирующего контура, на их входные цепи.

Предлагаемая конструкция двигателя обеспечивает повышенную помехозащищенность работы элементов за счет введения во входную цепь триггера электронной защелки при сохранении оптимального режима питания катушек двигателя.

Предложенная конструкция системы управления не ограничивается приведенным алгоритмом разблокировки вышеуказанных триггеров, и перевод в исходное состояние триггера может осуществляться сигналом выхода соответствующего формирователя импульсов.

Использование: в электроприводе электрического молотка. Сущность изобретения заключается в том, что при срабатывании триггера по счетному входу C инверсный выход триггера накладывает запрет на входные цепи логических схем, а сброс триггера осуществляется сигналами других переключающих элементов с выхода соответствующего формирователя импульсов через логическую схему. Тем самым триггер находится большей частью своего периода работы с заблокированном состоянии, не позволяющим переключать силовые катушки двигателя от ложных сигналов. 4 ил.

ЭЛЕКТРОПРИВОД УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ, содержащий двигатель возвратно-поступательного движения катушки, направляющую немагнитную трубу, ферромагнитный якорь, соединенный со штоком, ключи, расположенные вне зоны размещения катушек и выполненные в виде оптических пар, установленных в стенках трубы, охватывающей шток, количество входных ключей удовлетворяет соотношению N = 4K - 3, и блок управления, содержащий усилители с прямыми и инверсными входами, подключенными к входным ключам, и выходами - через элементы 2ИЛИ, элемент (2К - 1)ИЛИ и формирователи управляющих импульсов соответственно подключены к основным ключам и ключу коммутирующего контура, кнопки "Стоп" и "Пуск", отличающийся тем, что он снабжен N триггерами со счетным входом, логическими элементами 2И, логическим элементом 2И - НЕ, логическими элементами НЕ, дополнительными формирователями импульсов и интегрирующей RC-цепью, причем счетные входы соответствующих триггеров связаны с выходами логических элементов 2И и 2И - НЕ, первые входы которых связаны с выходами соответствующих усилителей, вторые входы логических элементов 2И и 2И - НЕ подключены к инверсным выходам соответствующих триггеров со счетным входом, прямые выходы нечетных триггеров со счетным входом, начиная с верхнего переключающего элемента, подключены к входам соответствующих формирователей управляющих импульсов, прямые выходы четных триггеров со счетным входом подключены к входам (2K - 1)-го логического элемента ИЛИ, прямой выход последнего триггера со счетным входом, соответствующий нижнему переключающему элементу, одновременно подключен к входу (2K - 1) логического элемента ИЛИ и через последовательно соединенные первый дополнительный формирователь импульса, первый логический элемент НЕ и второй дополнительный формирователь импульса подключен к второму входу соответствующего логического элемента 2ИЛИ, выход которого через второй логический элемент НЕ и первый логический элемент 2И связан с R-входами установки в исходное состояние первой группы триггеров со счетным входом, R-входы установки в исходное состояние оставшихся триггеров со счетным входом через третий элемент НЕ и второй логический элемент 2И подключен к выходу формирователя импульсов, связанного с входом основного ключа нижней катушки, вторые входы первого и второго логических элементов 2И одновременно подключены к выходу интегрирующей RC-цепи и кнопке "Стоп", а кнопка "Пуск" подключена к выходу первого логического элемента НЕ, где K - количество катушек двигателя.