УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2021 года по МПК H02P7/28 

Устройство управления двигателем постоянного тока относится к электротехнике, а именно к устройствам управления двигателями постоянного тока, преимущественно при питании от низковольтного источника.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей.

Известно устройство управления двигателем постоянного тока (патент RU 2584005 C1, Н02Р 7/28, Н02Р 7/285, Н02Н 7/085) [1], содержащее источник питания, преобразователь питания, блок включения, входной фильтр, четыре драйвера управления ключами мостового инвертора, мостовой инвертор, датчик тока, установленный в цепи двигателя.

Недостатками указанного устройства являются:

1) для защиты по току питания используется значение падения напряжения на параллельно соединенных полевых транзисторах блока включения, через которые протекает ток питания. При этом сопротивление канала полевого транзистора зависит от величины протекающего тока, температуры кристалла и напряжения затвор-исток транзистора. Таким образом, точность токового сигнала низкая и имеет температурную зависимость, при этом ошибка будет пропорциональна величине тока питания, что снижает надежность устройства;

2) энергия торможения двигателя через обратные диоды транзисторов блока включения рекуперируется в источник питания. При этом обязательно параллельно источнику питания должна быть установлена аккумуляторная батарея или буферный емкостный фильтр с малым внутренним сопротивлением, чтобы обеспечить необходимый ток рекуперации. В противном случае, необходимая динамика при торможении и реверсе двигателя может быть не обеспечена, так как может произойти срабатывание защиты от превышения напряжения питания, что ограничивает область применения устройства.

Известно устройство управления двигателем постоянного тока (патент RU 22375810 C1, Н02Р 7/00, Н02Р 7/14) [2], содержащее источник питания, блок включения, входной емкостный фильтр, блок управления низковольтными инверторами напряжения, два датчика температуры, пять датчиков тока, четыре драйвера управления ключами, три низковольтных инвертора напряжения, три трансформатора, три блока выпрямителей-коммутаторов, блок рекуперации, блок управления коммутаторами, высоковольтный фильтр, ключ и резистор схемы слива, датчик напряжения, четыре ключа мостового инвертора напряжения, блок управления мостовым инвертором напряжения.

Указанное устройство управления двигателем постоянного тока является наиболее близким по технической сущности с заявляемым устройством и выбрано в качестве прототипа.

Недостатками известного устройства, используемого в качестве прототипа, являются:

1) использование режима «жесткой» коммутации ключей мостового инвертора напряжения [3] при управлении двигателем в переходных режимах, что повышает рассеиваемую мощность на ключах, а, следовательно, снижает надежность;

2) отсутствие режима начального тестирования при включении устройства. При этом не проверяется начальное состояние устройства, а именно, параметры питания основных блоков и параметры, используемые при измерениях сигналов датчиков, что снижает надежность;

3) отсутствие режима стабилизации тока питания в переходных режимах работы двигателя и при перегрузках в цепи двигателя, что снижает перегрузочные возможности и может приводить к ложным срабатывания схемы защиты по току питания при допустимых кратковременных перегрузках, а, следовательно, снижает надежность;

4) отсутствие обратной связи по току в каждом конверторном каскаде, каждый из которых состоит из датчика тока, драйвера управления ключами, низковольтного инвертора напряжения, трансформатора и выпрямителя, что может привести к разбросу выходных напряжений конверторных каскадов, соединенных параллельно («не симметрии»). Это, в свою очередь, может привести к разному распределению токовой нагрузки на конверторные каскады, что снижает надежность;

5) повышенная частота коммутации ключей мостового инвертора в режиме стабилизации тока двигателя в переходных режимах (в режиме ограничения тока). Это приводит к увеличению мощности рассеивания на ключах мостового инвертора и повышению уровня помех в цепях питания и управления, что может приводить к ложным срабатываниям схем защиты и сбоям в канале управления, что так же снижает надежность;

6) отсутствует возможность использования устройства управления двигателем постоянного тока в качестве замены ЭМУ (электро-машинного усилителя), которые широко применяются в существующих приводах постоянного тока, например привод наведения и стабилизации танкового вооружения 2Э42-2. Необходимость замены может возникнуть при модернизации находящихся в эксплуатации приводов постоянного тока с целью улучшения масса-габаритных показателей привода, увеличения КПД привода и расширения функциональных возможностей, так как в схеме мостового инвертора прототипа отсутствует резистор, имитирующий компенсационную обмотку ЭМУ одним выводом, соединенный с клеммой "О", через который протекает ток двигателя, соответствующая схема соединения диодов и ключей мостового инвертора и двух-полярное питание мостового инвертора, поэтому в прототипе не обеспечивается протекание тока двигателя через резистор относительно клеммы «О» в обоих направлениях. При использовании ЭМУ сигналы обратных связей по току двигателя и напряжению двигателя передаются на внешний блок управления приводом постоянного тока на основе ЭМУ относительно клеммы "0", это невозможно осуществить при использовании прототипа в качестве замены ЭМУ, что ограничивает функциональные возможности устройства; 7) в переходных режимах работы двигателя постоянного тока, таких как торможение и реверс, происходит замыкание коммутационных токов через один фильтр питания мостового инвертора не зависимо от знака ЭДС, это приводит к дополнительному внутреннему нагреву конденсаторов фильтра, что также снижает надежность.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства управления двигателем постоянного тока.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известное устройство управления двигателем постоянного тока по первому варианту, содержащее источник питания, мостовой инвертор напряжения, двигатель постоянного тока, входной конденсаторный фильтр, блок включения, два датчика температуры, блок управления мостовым инвертором напряжения, ключ и резистор схемы слива, датчик тока питания мостового инвертора напряжения, датчик тока двигателя, драйвер ключей мостового инвертора напряжения, фильтр питания мостового инвертора напряжения, блок управления конверторными каскадами, три конверторных каскада, каждый из которых состоит из одного датчика тока, одного драйвера управления ключами низковольтного инвертора напряжения, одного низковольтного инвертора напряжения, одного трансформатора, одного выпрямителя,

при этом источник питания своими выходами плюс и минус соединен с первым и вторым входами блока включения, первый и второй выходы блока включения соединены с первым и вторым входами входного конденсаторного фильтра, первый выход входного конденсаторного фильтра соединен с входами датчиков тока конверторных каскадов, выходы которых соединены с первыми входами низковольтных инверторов напряжения конверторных каскадов, вторые входы которых соединены со вторым выходом входного конденсаторного фильтра, а третьи входы управления инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с выходами управления драйверов управления ключами инверторов напряжения конверторных каскадов, входы которых соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим выходами блока управления конверторными каскадами,

два выхода инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с первыми и вторыми входами первичных обмоток трансформаторов конверторных каскадов, первые, вторые и третьи выходы вторичных обмоток которых соединены, соответственно, с первыми вторыми и третьими входами выпрямителей конверторных каскадов, первые выходы которых соединены между собой и соединены с входом первого фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «+») соединен с первым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым выводом первого резистора схемы слива и с первым выводом первого ключа мостового инвертора, второй выход соединен с первым выводом третьего ключа мостового инвертора, второй вывод первого ключа мостового инвертора соединен с первым выводом второго ключа мостового инвертора, второй вывод третьего ключа мостового инвертора соединен с первым выводом четвертого ключа мостового инвертора, второй вывод четвертого ключа мостового инвертора соединен со вторым выводом второго ключа мостового инвертора и с первым входом датчика тока двигателя, второй выход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока,

входы управления первого, второго, третьего и четвертого ключей мостового инвертора соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами драйвера управления ключами мостового инвертора, вход которого соединен с первым выходом блока управления мостовым инвертором, второй вывод первого резистора схемы слива соединен с первым выводом первого ключа схемы слива, вход управления которого соединен со вторым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом второго датчика температуры, четвертый вход блока управления мостовым инвертором соединен с клеммой «Вх2» сигнала управления, пятый вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока питания мостового инвертора, шестой вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока двигателя,

пятый выход блока управления мостовым инвертором соединен со вторым входом блока управления конверторными каскадами, первый вход которого соединен с первым датчиком температуры, третий, четвертый и пятый входы блока управления конверторными каскадами соединены, соответственно, с сигнальными выходами датчиков тока первого, второго и третьего конверторных каскадов, клемма «Вх1» сигнала управления соединена с шестым входом блока управления конверторными каскадами, четвертый выход блока управления конверторными каскадами соединен со входом управления блока включения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены, согласно изобретению, второй фильтр питания мостового инвертора, дроссель с двумя обмотками, два диода, три конденсатора, блок обработки сигналов датчиков, блок обдува, второй резистор и второй ключ схемы слива, блок управления конверторными каскадами выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока конверторных каскадов и алгоритма тестирования начального состояния устройства, а количество конверторных каскадов определяется необходимой выходной мощностью устройства управления двигателем постоянного тока,

при этом второй фильтр питания мостового инвертора первым входом соединен с общей точкой соединения входа первого фильтра питания мостового инвертора, клеммой «О», и вторым выходом выпрямителей конверторных каскадов, третьи выходы которых соединены между собой и со вторым входом второго фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «-») соединен со вторым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым входом блока обработки сигналов датчиков, а второй выход соединен с первым выводом второго резистора схемы слива и вторым входом блока обработки сигналов датчиков, третий вход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока, второй выход которого, с одной стороны, соединен с клеммой «Вых1» и с третьим входом блока управления мостовым инвертором, а с другой стороны, соединен общей точкой с первым выводом третьего конденсатора, четвертым входом блока обработки сигналов датчиков и с клеммой «0», причем, второй вывод третьего конденсатора соединен общей точкой со вторым и четвертым ключами мостового инвертора, и первым входом датчика тока двигателя,

первый выход блока обработки сигналов датчиков соединен с первым входом блока управления мостовым инвертором, а второй выход блока обработки сигналов датчиков соединен с клеммой «Вых2»,

второй вывод второго резистора схемы слива соединен с первым выводом второго ключа схемы слива, вторые выводы первого и второго ключей схемы слива соединены между собой и с клеммой «0», вход управления второго ключа схемы слива соединен с третьим выходом блока управления мостовым инвертором, четвертый выход которого соединен со входом блока обдува,

общая точка соединения выводов первого и второго ключей мостового инвертора соединена с катодом первого диода и с первым выводом первого конденсатора, анод первого диода соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод которого соединен общей точкой со вторым выводом первого конденсатора и с клеммой «0», первый вывод второй обмотки дросселя и первый вывод второго конденсатора соединены с клеммой «0», причем, второй вывод второй обмотки дросселя соединен с катодом второго диода, анод которого и второй вывод второго конденсатора соединены с общей точкой соединения третьего и четвертого ключей мостового инвертора.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известное устройство управления двигателем постоянного тока по второму варианту, содержащее источник питания, мостовой инвертор напряжения, двигатель постоянного тока, входной конденсаторный фильтр, блок включения, два датчика температуры, блок управления мостовым инвертором напряжения, ключ и резистор схемы слива, датчик тока питания мостового инвертора напряжения, датчик тока двигателя, драйвер ключей мостового инвертора напряжения, фильтр питания мостового инвертора напряжения, блок управления конверторными каскадами, три конверторных каскада, состоящих из одного датчика тока, одного драйвера управления ключами низковольтного инвертора напряжения, одного низковольтного инвертора напряжения, одного трансформатора, одного выпрямителя,

при этом, источник питания своими выходами плюс и минус соединен с первым и вторым входами блока включения, первый и второй выходы блока включения соединены с первым и вторым входами входного конденсаторного фильтра, первый выход входного конденсаторного фильтра соединен с входами датчиков тока конверторных каскадов, выходы которых соединены с первыми входами низковольтных инверторов напряжения конверторных каскадов, вторые входы которых соединены со вторым выходом входного конденсаторного фильтра, а третьи входы управления инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с выходами управления драйверов управления ключами инверторов напряжения конверторных каскадов, входы которых соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим выходами блока управления конверторными каскадами,

два выхода инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с первыми и вторыми входами первичных обмоток трансформаторов конверторных каскадов, первые, вторые и третьи выходы вторичных обмоток которых соединены, соответственно, с первыми вторыми и третьими входами выпрямителей конверторных каскадов, первые выходы которых соединены между собой и соединены с входом первого фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «+») соединен с первым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым выводом первого резистора схемы слива и с первым выводом первого ключа мостового инвертора, второй выход соединен с первым выводом третьего ключа мостового инвертора, второй вывод первого ключа мостового инвертора соединен с первым выводом второго ключа мостового инвертора, второй вывод третьего ключа мостового инвертора соединен с первым выводом четвертого ключа мостового инвертора, второй вывод четвертого ключа мостового инвертора соединен со вторым выводом второго ключа мостового инвертора и с первым входом датчика тока двигателя, второй выход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока,

входы управления первого, второго, третьего и четвертого ключей мостового инвертора соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами драйвера управления ключами мостового инвертора, вход которого соединен с первым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вывод первого резистора схемы слива соединен с первым выводом первого ключа схемы слива, вход управления которого соединен со вторым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом второго датчика температуры, четвертый вход блока управления мостовым инвертором соединен с клеммой «Вх2» сигнала управления, пятый вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока питания мостового инвертора, шестой вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока двигателя, пятый выход блока управления мостовым инвертором соединен со вторым входом блока управления конверторными каскадами, первый вход которого соединен с первым датчиком температуры, третий, четвертый и пятый входы блока управления конверторными каскадами соединены, соответственно, с сигнальными выходами датчиков тока первого, второго и третьего конверторных каскадов, клемма «Вх1» сигнала управления соединена с шестым входом блока управления конверторными каскадами, четвертый выход блока управления конверторными каскадами соединен со входом управления блока включения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены, согласно изобретению, второй фильтр питания мостового инвертора, дроссель с двумя обмотками, два диода, три конденсатора, блок обработки сигналов датчиков, блок обдува, второй резистор и второй ключ схемы слива, третий резистор, блок управления конверторными каскадами выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока конверторных каскадов и алгоритма тестирования начального состояния устройства, а количество конверторных каскадов определяется необходимой выходной мощностью устройства управления двигателем постоянного тока,

при этом, второй фильтр питания мостового инвертора первым входом соединен с общей точкой соединения входа первого фильтра питания мостового инвертора, клеммой «0», и вторым выходом выпрямителей конверторных каскадов, третьи выходы которых соединены между собой и со вторым входом второго фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «-») соединен со вторым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым входом блока обработки сигналов датчиков, а второй выход соединен с первым выводом второго резистора схемы слива и вторым входом блока обработки сигналов датчиков, третий вход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока, второй выход которого соединен общей точкой с клеммой «Вых1», с третьим входом блока управления мостовым инвертором и с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен общей точкой с первым выводом третьего конденсатора, четвертым входом блока обработки сигналов датчиков и с клеммой «0», причем, второй вывод третьего конденсатора соединен общей точкой со вторым и четвертым ключами мостового инвертора, и первым входом датчика тока двигателя,

первый выход блока обработки сигналов датчиков соединен с первым входом блока управления мостовым инвертором, а второй выход блока обработки сигналов датчиков соединен с клеммой «Вых2»,

второй вывод второго резистора схемы слива соединен с первым выводом второго ключа схемы слива, вторые выводы первого и второго ключей схемы слива соединены между собой и с клеммой «0», вход управления второго ключа схемы слива соединен с третьим выходом блока управления мостовым инвертором, четвертый выход которого соединен с входом блока обдува,

общая точка соединения выводов первого и второго ключей мостового инвертора соединена с катодом первого диода и с первым выводом первого конденсатора, анод первого диода соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод которого соединен общей точкой со вторым выводом первого конденсатора и с клеммой «0», первый вывод второй обмотки дросселя и первый вывод второго конденсатора соединены с клеммой «0», причем, второй вывод второй обмотки дросселя соединен с катодом второго диода, анод которого и второй вывод второго конденсатора соединены с общей точкой соединения третьего и четвертого ключей мостового инвертора.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь вводимые элементы достаточно хорошо известны в технике, но их введение в указанной связи в устройство управления двигателем постоянного тока, как по первому, так и по второму варианту, позволяет:

1) исключить бросок тока питания, связанный с током обратного восстановления открытых обратных диодов ключей мостового инвертора (режим «жесткого» переключения), за счет использования в мостовом инверторе напряжения дополнительно двух диодов, дросселя с двумя обмотками и используемого алгоритма коммутации ключей мостового инвертора. При этом снижается мощность рассеивания на ключах при переключении и уровень помех в цепях питания, что повышает надежность устройства.

2) определить начальное состояние конверторных каскадов и мостового инвертора напряжения, осуществить проверку уровня питающих напряжений драйверов и датчиков, за счет введения режима начального тестирования при включении устройства, что, в соответствии с используемым алгоритмом, позволяет отключить «неисправный» конверторный каскад. Одновременно вводятся изменения в режимы работы отдельных блоков устройства, а именно снижение токовых порогов конверторных каскадов для обеспечения функционирования устройства при меньшей допустимой выходной мощности, что повышает надежность устройства.

3) исключить срабатывание схемы защиты по току при кратковременных перегрузках по току в цепи двигателя, за счет использования в блоке управления конверторными каскадами регулятора суммарного тока питания конверторных каскадов. При этом опорное значение тока определяется максимально допустимым значением для каждого конверторного каскада с учетом температуры радиатора, на котором установлены ключи инверторов напряжения конверторных каскадов. При возникновении перегрузки конверторные каскады переходят в режим стабилизации тока и только через определенное время, которое определяется алгоритмом работы блока управления конверторными каскадами, происходит срабатывание токовой защиты. Это позволяет исключить срабатывания схемы защиты по току при возникновении кратковременных перегрузок в цепи двигателя и оптимизировать работу схемы защиты по току блока управления мостовым инвертором, так как в режиме ограничения тока питания напряжение на ключах мостового инвертора снижается, что повышает надежность устройства.

4) обеспечить равномерное распределение тока нагрузки между параллельно соединенными конверторными каскадами, за счет применения в блоке управления конверторными каскадами регуляторов тока питания для каждого конверторного каскада, что повышает надежность устройства.

5) снизить уровень мощности рассеивания в ключах мостового инвертора, а значит повысить надежность устройства, за счет использования двух-полярного питания мостового инвертора напряжения и соответствующей схемы соединений диодов и ключей мостового инвертора напряжения. Напряжение коммутации тока двигателя в режиме реверса определяется значением ЭДС и напряжением питания мостового инвертора напряжения, которое определяется напряжением внешнего источника питания устройства и коэффициентом трансформации трансформаторов конверторных каскадов, в отличие от прототипа, где напряжение коммутации в режиме реверса определяется как сумма ЭДС вращения двигателя и напряжения срабатывания схемы слива, которое значительно больше номинального значения напряжения питания, при этом, частота коммутации ключей мостового инвертора, которая пропорциональна суммарному напряжению в цепи двигателя, в заявляемом устройстве ниже, чем в прототипе.

6) снизить нагрев конденсаторов фильтра в режимах реверса и торможения, а значит повысить надежность, за счет введения в мостовой инвертор напряжения двух диодов, дросселя и связей между ними, а так же использования для питания мостового инвертора двух-полярного питания. Коммутационные токи в режимах реверса и торможения двигателя постоянного тока замыкаются через первый или второй конденсаторные фильтры питания в зависимости от знака ЭДС, в отличие от прототипа, в котором токи коммутации замыкаются через один и тот же конденсаторный фильтр независимо от знака ЭДС.

Дополнительное введение в устройство управления двигателем постоянного тока по второму варианту, помимо вводимых элементов общих как для первого, так и второго варианта исполнения заявляемого устройства управления двигателем постоянного тока, в мостовой инвертор напряжения третьего резистора, имитирующего компенсационную обмотку ЭМУ, двух диодов и связей между ними, а так же, использование для питания мостового инвертора двух-полярного питания позволяет дополнительно использовать устройство в качестве замены ЭМУ в приводах постоянного тока [4], находящихся в эксплуатации, без изменения существующей схемы соединения между ЭМУ и системой управления приводом.

Это обеспечивает взаимозаменяемость с ЭМУ и возможность модернизации существующих приводов постоянного тока на основе ЭМУ с целью увеличения КПД, снижения тока потребления на холостом ходу и улучшения масса-габаритных показателей привода, что расширяет функциональные возможности устройства. Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена общая функциональная схема заявляемого устройства управления двигателем постоянного тока по первому варианту.

На фиг. 2 приведена общая функциональная схема заявляемого устройства управления двигателем постоянного тока по второму варианту.

Сокращения, принятые в тексте и на фигуре:

R - резистор;

Бвкл - блок включения;

БО - блок обдува;

БУКК - блок управления конверторными каскадами;

БУМИ - блок управления мостовым инвертором напряжения;

В - выпрямитель;

ДВ - двигатель постоянного тока;

Др - драйвер ключей инвертора напряжения конверторного каскада;

ДрИН - драйвер ключей мостового инвертора напряжения;

ДТ - датчик тока;

ДТ-ДВ - датчик тока двигателя;

Дтем - датчик температуры;

ДТПМИН - датчик тока питания мостового инвертора напряжения;

ИП - источник питания;

ИН - инвертор напряжения;

К - ключи мостового инвертора напряжения;

К СхС - ключ схемы слива;

КК - конверторный каскад;

МИН - мостовой инвертор напряжения;

БОСД - блок обработки сигналов датчиков;

СхС - схема слива;

Т - трансформатор;

Ф - фильтр питания мостового инвертора;

Фвх - входной конденсаторный фильтр; ЭДС - электродвижущая сила; ЭМУ - электро-машинный усилитель.

Устройство управления двигателем постоянного тока по первому варианту (фиг. 1) содержит источник питания (ИП) 1, который клеммами «+» и «-» соединен со входами блока включения (Бвкл) 2, выходы которого соединены со входами входного конденсаторного фильтра (Фвх) 3, а вход управления блока включения (Бвк) 2 соединен с четвертым выходом блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, на шестой вход которого подается сигнал включения и управления с клеммы «Вх1», а первый вход блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4 соединен первым датчиком температуры (Дтем1) 5, три конверторных каскада (КК1, КК2, КК3) 6,7 и 8, каждый из которых состоит из датчика тока (ДТ1, ДТ2, ДТ3) 9,10,11, вход каждого из которых соединен с первым выходом конденсаторного фильтра (Фвх) 3, а сигнальный выход соединен, соответственно, с третьим, четвертым и пятым входами блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, инверторы напряжения (ИН1,ИН2, ИН3) 12,13, 14, первый вход которых соединен с выходом соответствующего датчика тока (ДТ1, ДТ2, ДТ3) 9,10,11, а второй вход соединен со вторым выходом входного конденсаторного фильтра (Фвх) 3, драйвера управления ключами инвертора (Др1, Др2, Др3) 15, 16, 17, выход которых соединен с третьим входом управления соответствующего инвертора напряжения (ИН1,ИН2, ИН3) 12,13,14, а вход каждого драйвера управления ключами инвертора (Др1, Др2, Др3) 15, 16, 17 соединен, соответственно, с первым, вторым и третьим выходами блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, трансформатора (T1, Т2, Т3) 18,19,20, первичная обмотка которых соединена с выходами инвертора напряжения (ИН1,ИН2, ИН3) 12,13, 14, и выпрямителя (B1, В2, В3) 21,22,23, входы которых соединены с выходами вторичной обмотки трансформатора (T1, Т2, Т3) 18,19,20, при этом, первые выходы выпрямителей конверторных каскадов (B1, В2, В3) 21,22,23 соединены между собой и с входом первого фильтра питания мостового инвертора (Ф1) 24, третьи выходы выпрямителей конверторных каскадов (B1, В2, В3) 21,22,23 соединены между собой и с входом второго фильтра питания мостового инвертора (Ф1) 25, а вторые выходы выпрямителей конверторных каскадов (B1, В2, В3) 21,22,23 соединены между собой, клеммой «0» и с общей точкой соединения входа первого и входа второго фильтров питания мостового инвертора (Ф1, Ф2) 24, 25,

выходы «+» и «-» фильтров питания мостового инвертора (Ф1, Ф2) 24 и 25 соединены с первым и вторым входами датчика тока питания мостового инвертора напряжения (ДТПМИН) 26, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами блока обработки сигналов датчиков (БОСД) 27, и с первыми выводами резисторов схемы слива 28, 29, клемма «0» соединена с общей точкой соединения обмоток дросселя 30, общей точкой соединения демпфирующих конденсаторов 32, 33, 34 и четвертым входом блока обработки сигналов датчиков (БОСД) 27, второй выход которого соединен с клеммой «Вых2», выходы датчика тока питания мостового инвертора напряжения (ДТПМИН) 26 соединены так же с первыми выводами ключей мостового инвертора напряжения (К1) 35 и (К3) 36, второй вывод которых соединен, соответственно, с первым выводом ключей мостового инвертора напряжения (К2) 37, (К4) 38, катодом и анодом диодов 39,40 и, первым и вторым выводами конденсаторов 32 и 33. Вторые выводы ключей 37 и 38 соединены между собой, со вторым выводом конденсатора 34 и первым входом датчика тока 41 (ДТ-ДВ), выход которого соединен с первым выходом якорной обмотки двигателя (ДВ) 42 и третьим входом блока обработки сигналов датчиков (БОСД) 27, второй выход якорной обмотки двигателя 42 соединен с клеммой «Вых1» устройства, с первым выводом конденсатора 34 и клеммой «0». Входы управления ключей (К1-К4) 35-38 соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами драйвера 43 (ДрИН), вход управления которого соединен с первым выходом блока управления мостовым инвертором (БУМИ) 44, вторые выводы резисторов схемы слива (R1CxC) 28 и (R2CxC) 29 соединены с первыми выводами ключей схемы слива (К1СхС) 45 и (К2СхС) 46, вторые выводы которых соединены между собой и с клеммой «0», управляющие входы ключей схемы слива (К1СхС) 45 и (К2СхС) 46 соединены со вторым и третьим выходами БУМИ 44, второй вход которого соединен с выходом второго датчика температуры (Дтем2) 47, четвертый выход БУМИ 44 соединен с входом блока обдува (БО) 48, первый вход БУМИ 44 соединен с первым выходом блока обработки сигналов датчиков 27, пятый вход БУМИ 44 соединен с сигнальным выходом датчика тока (ДТПМИН) 26, шестой вход БУМИ 44 соединен с сигнальный выходом датчика тока двигателя (ДТ-ДВ) 41, четвертый вход БУМИ 44 соединен с клеммой «Вх2», пятый выход БУМИ 44 соединен со вторым входом блока управления конверторными каскадами БУКК 4, третий вход БУМИ 44 соединен со вторым выходом якорной обмотки двигателя 42 и с клеммой «Вых1».

Устройство управления двигателем постоянного тока по второму варианту (фиг. 2) содержит источник питания (ИП) 1, который клеммами «+» и «-» соединен со входами блока включения (Бвкл) 2, выходы которого соединены со входами входного конденсаторного фильтра (Фвх) 3, а вход управления блока включения (Бвк) 2 соединен с четвертым выходом блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, на шестой вход которого подается сигнал включения и управления с клеммы «Вх1», первый вход блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4 соединен первым датчиком температуры (Дтем1) 5, три конверторных каскада (КК1, КК2, КК3) 6,7 и 8, каждый из которых состоит из датчика тока (ДТ1, ДТ2, ДТ3) 9,10,11, вход каждого из которых соединен с первым выходом конденсаторного фильтра (Фвх) 3, а сигнальный выход соединен, соответственно, с третьим, четвертым и пятым входами блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, инвертора напряжения (ИН1, ИН2, ИН3) 12,13, 14, первый вход которых соединен с выходом соответствующего датчика тока (ДТ1, ДТ2, ДТ3) 9,10,11, а второй вход соединен со вторым выходом входного конденсаторного фильтра (Фвх) 3, драйвера управления ключами инвертора (Др1, Др2, Др3) 15, 16, 17, выход которых соединен с третьим входом управления соответствующего инвертора напряжения (ИН1, ИН2, ИН3) 12,13,14, а вход каждого драйвера управления ключами инвертора (Др1, Др2, Др3) 15, 16, 17 соединен, соответственно, с первым, вторым и третьим выходами блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, трансформатора (Tl, Т2, Т3) 18,19,20, первичная обмотка которых соединена с выходами инвертора напряжения (ИН1,ИН2, ИН3) 12,13, 14, и выпрямителя (B1, В2, В3) 21,22,23, входы которых соединены с выходами трансформатора (T1, Т2, Т3) 18,19,20, при этом, первые выходы выпрямителей конверторных каскадов (B1, В2, В3) 21,22,23 соединены между собой и с входом первого фильтра питания мостового инвертора (Ф1) 24, третьи выходы выпрямителей конверторных каскадов (B1, В2, В3) 21,22,23 соединены между собой и со входом второго фильтра питания мостового инвертора (Ф1) 25, а вторые выходы выпрямителей конверторных каскадов (B1, В2, В3) 21,22,23 соединены между собой, клеммой "0" и с общей точкой соединения входа первого и входа второго фильтров питания мостового инвертора (Ф1, Ф2) 24, 25,

выходы «+» и «-» фильтров питания мостового инвертора (Ф1, Ф2) 24 и 25 соединены с первым и вторым входами датчика тока питания мостового инвертора напряжения (ДТПМИН) 26, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами блока обработки сигналов датчиков (БОСД) 27 и с первыми выводами резисторов схемы слива 28, 29, клемма «0» соединена с общей точкой соединения обмоток дросселя 30, вторым выводом резистора (R) 31, общей точкой соединения демпфирующих конденсаторов 32, 33, 34 и четвертым входом блока обработки сигналов датчиков (БОСД) 27, второй выход которого соединен с клеммой «Вых2», выходы датчика тока питания мостового инвертора напряжения (ДТПМИН) 26 соединены так же с первыми выводами ключей мостового инвертора напряжения (К1) 35 и (К3) 36, второй вывод которых соединен, соответственно, с первым выводом ключей мостового инвертора напряжения (К2) 37, (К4) 38, катодом и анодом диодов 39,40 и, первым и вторым выводами конденсаторов 32 и 33. Вторые выводы ключей 37 и 38 соединены между собой, со вторым выходом конденсатора 34 и первым входом датчика тока 41 (ДТ-ДВ), выход которого соединен с первым выходом якорной обмотки двигателя (ДВ) 42 и третьим входом блока обработки сигналов датчиков (БОСД) 27, второй выход якорной обмотки двигателя 42 соединен с первым выводом резистора 31 и клеммой «Вых1» устройства. Входы управления ключей (К1-К4) 35-38 соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами драйвера 43 (ДрИН), вход управления которого соединен с первым выходом блока управления мостовым инвертором (БУМИ) 44, вторые выводы резисторов схемы слива (R1CxC) 28 и (R2CxC) 29 соединены с первыми выводами ключей схемы слива (К1СхС) 45 и (К2СхС) 46, вторые выводы которых соединены между собой и с клеммой «0», управляющие входы ключей схемы слива (К1СхС) 45 и (К2СхС) 46 соединены со вторым и третьим выходами БУМИ 44, второй вход которого соединен с выходом второго датчика температуры (Дтем2) 47, четвертый выход БУМИ 44 соединен с входом блока обдува (БО) 48, первый вход БУМИ 44 соединен с первым выходом блока обработки сигналов датчиков 27, пятый вход БУМИ 44 соединен с сигнальный выходом датчика тока (ДТПМИН) 26, шестой вход БУМИ 44 соединен с сигнальный выходом датчика тока двигателя (ДТ-ДВ) 41, четвертый вход БУМИ 44 соединен с клеммой «Вх2», пятый выход БУМИ 44 соединен со вторым входом блока управления конверторными каскадами БУКК 4, третий вход БУМИ 44 соединен с точкой соединения вывода резистора 31 и якоря двигателя 42 с клеммой «Вых1».

Устройство управления двигателем постоянного тока по первому варианту работает следующим образом:

При подаче через клемму «Вх1» сигнала включения устройства на блок управления конверторными каскадами (БУКК) 4, этот сигнал например, может быть напряжением питания, которое подается на маломощный вторичный источник питания, входящий в состав блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4, на выходе блока управления конверторными каскадами (БУКК) 4 формируется сигнал включения, поступающий на вход блока включения (Бвк) 2, в результате чего, на выходе блока включения (Бвк) 2 появляется напряжение питания, которое поступает на входной конденсаторный фильтр 3. С выхода Фвх 3 напряжение питания поступает на входы питания конверторных каскадов КК (6,7,8), количество конверторных каскадов в устройстве определяется параметрами трансформаторов и мощностью двигателя постоянного тока. Далее, в блоке управления конверторными каскадами (БУКК) 4 запускается программа начального тестирования устройства, при этом, программа тестирования проверяет напряжение питания датчиков тока (ДТ1, ДТ2, ДТ3) 9,10,11 конверторных каскадов и ток потребления каждого конверторного каскада. Если ток превышает значение тока холостого хода конверторного каскада, то формируется сигнал аварии, и через блок включения Бвк 2 силовое питание снимается.

В случае, если ток холостого хода соответствует норме, тестирование устройства продолжается, проверяется напряжение питания драйверов ключей инверторов напряжения (Др1, Др2, Др3) 15,16,17 конверторных каскадов и сигнал с первого датчика температуры (Дтем1) 5. После успешного прохождения теста сигналы управления с блока управления конверторными каскадами БУКК 4 подаются на драйверы ключей инверторов напряжения (Др1, Др2, Др3) 15,16,17 конверторных каскадов, выходы которых подключены к первичным обмоткам трансформаторов (Т1, Т2, Т3) 18,19,20 конверторных каскадов. На вторичных обмотках трансформаторов (Tl, Т2, Т3) 18,19,20 формируются двух-полярные импульсы напряжения, которые выпрямляются выпрямителями (Bl, В2, В3) 21,22 и 23. Импульсное напряжение подается на вход первого (Ф1) 24 и второго первого (Ф2) 25 фильтров питания мостового инвертора, на выходе которых формируется постоянное двух-полярное напряжение питания. Схема управления конверторными каскадами может быть выполнена на основе микроконтроллера, например 1986 ВЕ92У. Для коммутации ключей инверторов напряжения может быть применено, например, фазовое управление ключами [5]. Двух-полярное постоянное напряжение питания подается на силовые выводы ключей К1 35 и К3 36, при этом, средняя точка соединения первого и второго фильтров питания мостового инвертора (клемма «0») соединена со средней точкой первой и второй обмотки дросселя 30, общей точкой соединения ключей схемы слива 45, 46 и входом схемы обработки сигналов датчиков (БОСД) 27.

При подаче сигнала управления двигателем 42 на вход блока управления мостовым инвертором напряжения БУМИ 44, на выходах ШИМ блока управления БУМИ 44 формируются сигналы, поступающие на входы драйвера мостового инвертора ДрИН 43. С выходов драйвера ДрИН 43 усиленные сигналы управления поступают на управляющие выводы ключей К1-К4 35-38 мостового инвертора напряжения, на выходе мостового инвертора формируются импульсы напряжения, поступающие на якорную обмотку двигателя постоянного тока ДВ 42.

Устройство управления двигателем постоянного тока по второму варианту, схема которого приведена на фиг. 2, работает аналогично устройству по первому варианту.

Дополнительно в устройство управления двигателем постоянного тока устанавливается резистор (R) 31, имитирующий компенсационную обмотку ЭМУ и имеющий соответствующее сопротивление, например, ЭМУ12ПМБ (см. Технические условия ОДМ.516.031-76), в случае использования устройства в качестве замены ЭМУ в приводах постоянного тока.

В этом случае, двух-полярное постоянное напряжение питания, как и по первому варианту, подается на силовые выводы ключей К1 35 и КЗ 36, при этом, средняя точка соединения первого и второго фильтров питания мостового инвертора (клемма «0») соединена с выводом резистора 31, который имитирует компенсационную обмотку ЭМУ, например, ЭМУ12ГТМБ (см. Технические условия ОДМ.516.031-76), со средней точкой первой и второй обмотки дросселя 30, общей точкой соединения ключей схемы слива 45, 46 и входом схемы обработки сигналов датчиков (БОСД) 27.

При подаче сигнала управления двигателем 42 на вход блока управления мостовым инвертором напряжения БУМИ 44, на выходах ШИМ блока управления БУМИ 44 формируются сигналы, поступающие на входы драйвера мостового инвертора ДрИН 43. С выходов драйвера ДрИН 43 усиленные сигналы управления поступают на управляющие выводы ключей К1-К4 35-38 мостового инвертора напряжения, на выходе мостового инвертора формируются импульсы напряжения, поступающие на якорную обмотку двигателя постоянного тока ДВ 42.

Режимы работы устройства управления двигателем постоянного тока как по первому, так и второму варианту:

1. Режим регулировки скорости вращения вала двигателя в соответствии со значением сигнала управления.

В этом режиме на якорь двигателя подается импульсное напряжение с амплитудой, равной напряжению на фильтрах питания мостового инвертора, и длительностью, пропорциональной уровню сигнала управления. Отпирающий импульс подается на вход ключа К1 35, при этом ключ К2 37 открыт, а ключи К3 36 и К4 38 закрыты. Во время паузы ключ К1 35 закрывается и открывается ключ К4 38, при этом, ЭДС вращения двигателя замыкается через якорную обмотку двигателя по цепи:

Первый вывод двигателя 42 -> датчик тока двигателя ДТ-ДВ 41 -> открытый ключ К4 38-> диод 40 -> нижняя по схеме обмотка дросселя 30 -> второй вывод двигателя 42 (По первому варианту исполнения устройства).

Первый вывод двигателя 42 -> датчик тока двигателя ДТ-ДВ 41 -> открытый ключ К4 38->диод 40 -> нижняя по схеме обмотка дросселя 30 -> резистор R 31 -> второй вывод двигателя 42 (По второму варианту исполнения устройства).

Соотношение длительности открытого состояния ключа К1 35 и периода коммутации (коэффициент заполнения) определяет, с учетом напряжения питания мостового инвертора, среднее напряжение на якоре двигателя, что при заданном моменте на валу двигателя (токе) определяет скорость вращения якоря двигателя. При этом, между моментом выключения ключа К1 35 и включением ключа К4 38 формируется временная пауза («мертвое время») для исключения сквозного тока по цепи питания. В момент действия паузы ток двигателя замыкается по цепи:

Якорь двигателя 42 -> фильтр Ф2 25 -> диоды закрытых ключей К3 36 и К4 38 -> датчик тока ДТ-ДВ 41 -> якорь двигателя 42 (По первому варианту исполнения устройства).

Якорь двигателя 42 -> резистор R 31 -> фильтр Ф2 25 -> диоды закрытых ключей К3 36 и К4 38 -> датчик тока ДТ-ДВ 41-> якорь двигателя 42 (По второму варианту исполнения устройства).

При этом последующее включение ключа К4 38 происходит при напряжении равном напряжению на его открытом внутреннем диоде, что снижает потери при включении.

С целью повышения быстродействия работы мостового инвертора напряжения (МИН) в переходных режимах работы электродвигателя, таких как реверс, разгон и торможение, и, соответственно, снижения времени разгона, торможения и реверса объекта управления, для управления МИН в переходных режимах применяется релейный режим стабилизации тока двигателя, при этом, МИН в этих режимах работает как управляемый источник тока, что обеспечивает минимально возможное время переходных процессов.

2. Режим разгона двигателя от ноля до максимальной скорости.

При подаче на вход блока управления мостовым инвертором напряжения БУМИ 44 сигнала управления максимальной величины отпирается ключ К1 35 и К2 37 мостового инвертора, ключи К3 36 и К4 38 закрыты, при этом на двигатель подается напряжение, равное напряжению питания мостового инвертора, по цепи:

Клемма «+» фильтра Ф1 24 ->открытые ключи К1 35, К2 37 -> датчик тока двигателя 41 -> якорь двигателя 42 -> клемма «0» (по первому варианту исполнения устройства).

Клемма «+» фильтра Ф1 24 ->открытые ключи К1 35, К2 37 -> датчик тока двигателя 41 -> якорь двигателя 42 -> резистор 31 -> клемма «0» (по второму варианту исполнения устройства).

При этом ток в цепи якоря возрастает в соответствии с формулой:

где

τ - электрическая постоянная цепи якоря (равная отношению индуктивности

якоря к активному сопротивлению якоря);

Rdv - суммарное активное сопротивление цепи двигателя;

Ер - напряжение на выходе фильтра;

Ueds - ЭДС вращения двигателя;

I(0) - начальное значение тока равное нижнему порогу ограничения тока двигателя.

При достижении током верхнего порогового значения, которое задается БУМИ 44, происходит выключение ключей К1 35 и К2 37, при этом ток двигателя замыкается по цепи:

Якорь двигателя 42 -> фильтр Ф2 25 -> обратные диоды ключей К3 36 и К4 38 -> якорь двигателя 42 (по первому варианту исполнения устройства).

Якорь двигателя 42 -> резистор R 31 -> фильтр Ф2 25 -> обратные диоды ключей К3 36 и К4 38 -> якорь двигателя 42 (по второму варианту исполнения устройства).

При этом происходит снижение тока двигателя до значения нижнего порога ограничения тока, в соответствии с формулой:

где

τ - электрическая постоянная цепи якоря;

Rdv - суммарное активное сопротивление цепи двигателя;

Ер - напряжение на выходе фильтра;

Ueds - ЭДС вращения двигателя;

I(1) - начальное значение тока равное верхнему порогу ограничения тока двигателя.

После достижения током двигателя нижнего порога ограничения тока включается ключ К2 37, при этом ток замыкается по цепи:

Якорь двигателя 42 -> верхняя по схеме обмотка дросселя 30 -> диод 39 -> открытый ключ К2 37 -> датчик тока двигателя 41 -> якорь двигателя 42 (по первому варианту исполнения устройства).

Якорь двигателя 42 -> резистор R 31 -> верхняя по схеме обмотка дросселя 30 -> диод 39 -> открытый ключ К2 37 -> датчик тока двигателя 41 -> якорь двигателя 42 -> резистор R 31 (по второму варианту исполнения устройства).

Далее, с небольшой задержкой включается ключ К1 35 и процесс переключения повторяется. Задержка на включение К1 35 введена для исключения броска тока по цепи питания МИН в момент обратного восстановления диодов ключей К3 36 и К4 38, при этом, ток обратного восстановления диода 39 проходит через верхнюю по схеме обмотку дросселя 30 и его величина ограничена, тем самым исключается бросок тока обратного восстановления диодов закрытых ключей К3 36 и К4 38 по цепи питания при включении ключей К1 35 и К2 37, при этом снижается рассеиваемая мощность на ключах, тем самым повышается надежность и снижается уровень импульсных помех в цепях питания и сигнальных цепях, это повышает помехозащищенность устройства, что так же повышает надежность.

При этом условие выхода из режима ограничения тока двигателя:

где

Idv - ток двигателя на интервале импульса;

Ер - напряжение на выходе фильтра питания мостового инвертора;

Ueds - ЭДС вращения двигателя;

Rdv - суммарное активное сопротивление цепи двигателя;

Ip(+) - верхний порог ограничения тока;

3. Режим торможения, изменение скорости вращения двигателя от максимального значения до ноля.

При торможении вала двигателя сигнал управления, который подается на вход управления БУМИ 44 равен нулю, при этом ключи К2 36 и К4 38 открыты и цепь замыкания тока определяется знаком ЭДС (направлением вращения) двигателя. Пусть ЭДС направлена навстречу напряжению на фильтре Ф1 24, тогда ток двигателя замыкается по цепи:

Якорь двигателя 42-> открытый ключ К4 38 -> диод 40 -> нижняя по схеме обмотка дросселя 30 -> якорь двигателя 42 (по первому варианту исполнения устройства).

Якорь двигателя 42-> открытый ключ К4 38 -> диод 40 -> нижняя по схеме обмотка дросселя 30 -> резистор 31 -> якорь двигателя 42 (по второму варианту исполнения устройства).

После достижения током двигателя верхнего порога ограничения тока ключ К4 38 размыкается, при этом ток сохраняет свое направление и замыкается по цепи:

Якорь двигателя 42 -> диоды закрытых ключей К2 37 и К1 35 -> фильтр питания Ф1 24 -> якорь двигателя 42 (по первому варианту исполнения устройства).

Якорь двигателя 42 -> диоды закрытых ключей К2 37 и К1 35 -> фильтр питания Ф1 24 -> резистор 31 -> якорь двигателя 42 (по второму варианту исполнения устройства).

После достижения током двигателя значения нижнего порога ограничения тока, включается ключ К4 38 и процесс повторяется, при этом ток обратного восстановления диодов ключей К1 35 и К2 37 замыкается по цепи:

Фильтр питания Ф1 24 ->обратные диоды К1 35 и К2 37 -> открытый ключ К4 38 -> диод 40 -> нижняя по схеме обмотка дросселя 30 -> фильтр Ф1 24.

4. Режим реверса состоит из режима торможения и последующего разгона вала двигателя.

При торможении вала двигателя, в режиме ограничения тока двигателя, токи коммутации замыкаются через фильтр питания мостового инвертора (Ф1) 24 или (Ф2) 25 в зависимости от знака ЭДС вращения. При этом происходит заряд конденсаторов фильтра импульсными токами. При достижении порогового значения напряжения на конденсаторах фильтра питания мостового инвертора по сигналу с блока обработки сигналов датчиков на выходе блока управления мостовым инвертором формируется сигнал включения одного из ключей схемы слива 45 (К1СхС) или 46 (К2СхС), при этом на резисторах схемы слива 28 (R1CxC) или 29 (R2CxC) выделяется энергия торможения двигателя за вычетом активных потерь на ключах и в цепи двигателя.

Мощность, выделяемая на резисторах схемы слива определяется формулой:

где

Pr - мощность выделяемая на резисторах схемы слива при торможении и реверсе;

Ер_max - максимальное среднее напряжение на фильтрах питания мостового инвертора при котором срабатывает схема слива;

Rsl - сопротивление резистора схемы слива.

С целью снижения нагрузки на резисторы схемы слива и, соответственно, снижения температуры нагрева резисторов, применен режим «разгрузки» схемы слива, суть которого заключается в выходе из режима ограничения тока при следующем условии:

где

Ip(+) - верхний порог ограничения тока;

Idv - ток двигателя на интервале импульса;

Idv_max - максимально допустимый импульсный ток двигателя;

K - коэффициент меньше единицы, который выбирается из условий применения устройства управления двигателем постоянного тока и типа используемого двигателя.

Включение режима «разгрузки» схемы слива может происходить, например, по сигналу со второго датчика температуры 47.

Блок обдува 48 обеспечивает охлаждение радиаторов, на которых установлены транзисторные ключи инверторов напряжения конверторных каскадов и транзисторные ключи мостового инвертора напряжения, а также охлаждение резисторов схемы слива 28, 29. Блок обдува может управляться, например, по сигналу с датчиков температуры 5 и 47, а также в соответствии с алгоритмом управления.

Конденсаторы 32, 33 и 34 выполняют роль демпферов при коммутации тока двигателя ключами мостового инвертора.

Блок обработки сигналов датчиков 27 выполняет роль фильтра и согласует по уровню сигналы напряжения и тока двигателя с блоком управления мостовым инвертором БУМИ 44 и внешним управляющим устройством.

С целью исключения срабатывания защиты по току питания при возможных кратковременных перегрузках в цепи двигателя и обеспечения равномерного распределения токов конверторных каскадов, в блоке управления конверторными каскадами БУКК 4 реализованы регуляторы тока для каждого конверторного каскада, которые могут быть выполнены, например, на основе пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) регуляторов [6], при этом величина тока стабилизации определяется по формуле:

где

Iop_n - опорное значение тока для каждого регулятора;

Ipit(t) - суммарный ток питания конверторных каскадов (сумма сигналов с датчиков тока конверторных каскадов); N - количество конверторных каскадов.

При этом должно выполняться условие: Ipit(t)≤Ipit_max,

где Ipit_max - ток стабилизации при перегрузке (максимальный ток питания).

С целью исключения перегрева ключей конверторных каскадов, время режима ограничения тока ограничено.

С целью защиты двигателя от перегрева в БУМИ 44, реализована время-токовая защита, которая может быть выполнена, например, на основе интегратора. При этом время нахождения двигателя в режиме перегрузки будет ограничено.

Защита двигателя работает следующим образом: при возникновении перегрузки, например, при заклинивании вала двигателя, БУМИ 44 переходит в режим ограничения тока, при этом, время работы в этом режиме определяется алгоритмом защиты, далее, через заданное алгоритмом время происходит снижение порога ограничения тока, и работа в этом режиме заданное алгоритмом время, затем, если перегрузка не была устранена, происходит выключение ключей мостового инвертора и выдача сигнала аварии на внешний блок управления.

Предлагаемое техническое решение подтверждено математическим моделированием, стендовыми испытаниями, а также испытаниями в составе привода.

Источники информации:

1. Шашок В.Н., Филиппов СИ., Николаев В.Я., Курдубанов С.А., Азаркин Д.В., Патушин Д.Н. Устройство управления двигателем постоянного тока// Патент РФ №2584005, 2016. Бюл. №14.

2. Гаменюк Ю.Ю. Устройство управления двигателем постоянного тока// Патент РФ №2375810, 2009. Бюл. №34.

3. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин. -М: Техносфера, 2005. - С. 316.

4. Расчет автоматических систем / под ред. А.В. Фатеевой, А.А. Вавилова, Л.П. Смольникова, А. И. Солодовникова, В.В. Яковлева. -М: Высшая школа, 1973. - С. 30.

5. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин-М: Техносфера, 2005. - С. 339.

6. Козаченко В.Ф. Практическое руководство по применению 16-ти разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 в встроенных системах управления/ В.Ф. Козаченко. -М: ЭКОМ, 1997. -500 с.

Устройство управления двигателем постоянного тока относится к электротехнике, а именно к устройствам управления двигателями постоянного тока, преимущественно при питании от низковольтного источника. Техническим результатом является повышение надежности и расширение функциональных возможностей. Для этого в известное устройство управления двигателем постоянного тока по первому варианту, содержащее источник питания, мостовой инвертор напряжения, двигатель постоянного тока, входной конденсаторный фильтр, блок включения, два датчика температуры, блок управления мостовым инвертором напряжения, ключ и резистор схемы слива, датчик тока питания мостового инвертора напряжения, датчик тока двигателя, драйвер ключей мостового инвертора напряжения, фильтр питания мостового инвертора напряжения, блок управления конверторными каскадами, три конверторных каскада, каждый из которых состоит из одного датчика тока, одного драйвера управления ключами низковольтного инвертора напряжения, одного низковольтного инвертора напряжения, одного трансформатора, одного выпрямителя, дополнительно введены с соответствующими связями второй фильтр питания мостового инвертора, дроссель с двумя обмотками, два диода, три конденсатора, блок обработки сигналов датчиков, блок обдува, второй резистор и второй ключ схемы слива, при этом блок управления конверторными каскадами выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока конверторных каскадов и алгоритма тестирования начального состояния устройства, а количество конверторных каскадов определяется необходимой выходной мощностью устройства управления двигателем постоянного тока. Во втором варианте в известное устройство управления двигателем постоянного тока дополнительно вводят второй фильтр питания мостового инвертора, дроссель с двумя обмотками, два диода, три конденсатора, блок обработки сигналов датчиков, блок обдува, второй резистор и второй ключ схемы слива, третий резистор, при этом блок управления конверторными каскадами выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока конверторных каскадов и алгоритма начального тестирования состояния устройства, а количество конверторных каскадов определяется необходимой выходной мощностью устройства управления двигателем постоянного тока. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, мостовой инвертор напряжения, двигатель постоянного тока, входной конденсаторный фильтр, блок включения, два датчика температуры, блок управления мостовым инвертором напряжения, ключ и резистор схемы слива, датчик тока питания мостового инвертора напряжения, датчик тока двигателя, драйвер ключей мостового инвертора напряжения, фильтр питания мостового инвертора напряжения, блок управления конверторными каскадами, три конверторных каскада, каждый из которых состоит из одного датчика тока, одного драйвера управления ключами низковольтного инвертора напряжения, одного низковольтного инвертора напряжения, одного трансформатора, одного выпрямителя,

при этом источник питания своими выходами плюс и минус соединен с первым и вторым входами блока включения, первый и второй выходы блока включения соединены с первым и вторым входами входного конденсаторного фильтра, первый выход входного конденсаторного фильтра соединен с входами датчиков тока конверторных каскадов, выходы которых соединены с первыми входами низковольтных инверторов напряжения конверторных каскадов, вторые входы которых соединены со вторым выходом входного конденсаторного фильтра, а третьи входы управления инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с выходами управления драйверов управления ключами инверторов напряжения конверторных каскадов, входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления конверторными каскадами,

два выхода инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с первыми и вторыми входами первичных обмоток трансформаторов конверторных каскадов, первые, вторые и третьи выходы вторичных обмоток которых соединены соответственно с первыми вторыми и третьими входами выпрямителей конверторных каскадов, первые выходы которых соединены между собой и соединены с входом первого фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «+») соединен с первым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым выводом первого резистора схемы слива и с первым выводом первого ключа мостового инвертора, второй выход соединен с первым выводом третьего ключа мостового инвертора, второй вывод первого ключа мостового инвертора соединен с первым выводом второго ключа мостового инвертора, второй вывод третьего ключа мостового инвертора соединен с первым выводом четвертого ключа мостового инвертора, второй вывод четвертого ключа мостового инвертора соединен со вторым выводом второго ключа мостового инвертора и с первым входом датчика тока двигателя, второй выход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока,

входы управления первого, второго, третьего и четвертого ключей мостового инвертора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами драйвера управления ключами мостового инвертора, вход которого соединен с первым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вывод первого резистора схемы слива соединен с первым выводом первого ключа схемы слива, вход управления которого соединен со вторым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом второго датчика температуры, четвертый вход блока управления мостовым инвертором соединен с клеммой «Вх2» сигнала управления, пятый вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока питания мостового инвертора, шестой вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока двигателя, пятый выход блока управления мостовым инвертором соединен со вторым входом блока управления конверторными каскадами, первый вход которого соединен с первым датчиком температуры, третий, четвертый и пятый входы блока управления конверторными каскадами соединены соответственно с сигнальными выходами датчиков тока первого, второго и третьего конверторных каскадов, клемма «Вх1» сигнала управления соединена с шестым входом блока управления конверторными каскадами, четвертый выход блока управления конверторными каскадами соединен с входом управления блока включения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй фильтр питания мостового инвертора, дроссель с двумя обмотками, два диода, три конденсатора, блок обработки сигналов датчиков, блок обдува, второй резистор и второй ключ схемы слива, блок управления конверторными каскадами выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока конверторных каскадов и алгоритма тестирования начального состояния устройства, а количество конверторных каскадов определяется необходимой выходной мощностью устройства управления двигателем постоянного тока,

при этом второй фильтр питания мостового инвертора первым входом соединен с общей точкой соединения входа первого фильтра питания мостового инвертора, клеммой «0», и вторым выходом выпрямителей конверторных каскадов, третьи выходы которых соединены между собой и со вторым входом второго фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «-») соединен со вторым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым входом блока обработки сигналов датчиков, а второй выход соединен с первым выводом второго резистора схемы слива и вторым входом блока обработки сигналов датчиков, третий вход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока, второй выход которого, с одной стороны, соединен с клеммой «Вых1» и с третьим входом блока управления мостовым инвертором, а с другой стороны, соединен общей точкой с первым выводом третьего конденсатора, четвертым входом блока обработки сигналов датчиков и с клеммой «0», причем второй вывод третьего конденсатора соединен общей точкой со вторым и четвертым ключами мостового инвертора и первым входом датчика тока двигателя,

первый выход блока обработки сигналов датчиков соединен с первым входом блока управления мостовым инвертором, а второй выход блока обработки сигналов датчиков соединен с клеммой «Вых2»,

второй вывод второго резистора схемы слива соединен с первым выводом второго ключа схемы слива, вторые выводы первого и второго ключей схемы слива соединены между собой и с клеммой «0», вход управления второго ключа схемы слива соединен с третьим выходом блока управления мостовым инвертором, четвертый выход которого соединен с входом блока обдува,

общая точка соединения выводов первого и второго ключей мостового инвертора соединена с катодом первого диода и с первым выводом первого конденсатора, анод первого диода соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод которого соединен общей точкой со вторым выводом первого конденсатора и с клеммой «0», первый вывод второй обмотки дросселя и первый вывод второго конденсатора соединены с клеммой «0», причем второй вывод второй обмотки дросселя соединен с катодом второго диода, анод которого и второй вывод второго конденсатора соединены с общей точкой соединения третьего и четвертого ключей мостового инвертора.

2. Устройство управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, мостовой инвертор напряжения, двигатель постоянного тока, входной конденсаторный фильтр, блок включения, два датчика температуры, блок управления мостовым инвертором напряжения, ключ и резистор схемы слива, датчик тока питания мостового инвертора напряжения, датчик тока двигателя, драйвер ключей мостового инвертора напряжения, фильтр питания мостового инвертора напряжения, блок управления конверторными каскадами, три конверторных каскада, состоящих из одного датчика тока, одного драйвера управления ключами низковольтного инвертора напряжения, одного низковольтного инвертора напряжения, одного трансформатора, одного выпрямителя,

при этом источник питания своими выходами плюс и минус соединен с первым и вторым входами блока включения, первый и второй выходы блока включения соединены с первым и вторым входами входного конденсаторного фильтра, первый выход входного конденсаторного фильтра соединен с входами датчиков тока конверторных каскадов, выходы которых соединены с первыми входами низковольтных инверторов напряжения конверторных каскадов, вторые входы которых соединены со вторым выходом входного конденсаторного фильтра, а третьи входы управления инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с выходами управления драйверов управления ключами инверторов напряжения конверторных каскадов, входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления конверторными каскадами,

два выхода инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с первыми и вторыми входами первичных обмоток трансформаторов конверторных каскадов, первые, вторые и третьи выходы вторичных обмоток которых соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими входами выпрямителей конверторных каскадов, первые выходы которых соединены между собой и соединены с входом первого фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «+») соединен с первым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым выводом первого резистора схемы слива и с первым выводом первого ключа мостового инвертора, второй выход соединен с первым выводом третьего ключа мостового инвертора, второй вывод первого ключа мостового инвертора соединен с первым выводом второго ключа мостового инвертора, второй вывод третьего ключа мостового инвертора соединен с первым выводом четвертого ключа мостового инвертора, второй вывод четвертого ключа мостового инвертора соединен со вторым выводом второго ключа мостового инвертора и с первым входом датчика тока двигателя, второй выход которого соединен с первым выходом двигателя постоянного тока,

входы управления первого, второго, третьего и четвертого ключей мостового инвертора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами драйвера управления ключами мостового инвертора, вход которого соединен с первым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вывод первого резистора схемы слива соединен с первым выводом первого ключа схемы слива, вход управления которого соединен со вторым выходом блока управления мостовым инвертором,

второй вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом второго датчика температуры, четвертый вход блока управления мостовым инвертором соединен с клеммой «Вх2» сигнала управления, пятый вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока питания мостового инвертора, шестой вход блока управления мостовым инвертором соединен с выходом датчика тока двигателя,

пятый выход блока управления мостовым инвертором соединен со вторым входом блока управления конверторными каскадами, первый вход которого соединен с первым датчиком температуры, третий, четвертый и пятый входы блока управления конверторными каскадами соединены соответственно с сигнальными выходами датчиков тока первого, второго и третьего конверторных каскадов, клемма «Вх1» сигнала управления соединена с шестым входом блока управления конверторными каскадами, четвертый выход блока управления конверторными каскадами соединен с входом управления блока включения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй фильтр питания мостового инвертора, дроссель с двумя обмотками, два диода, три конденсатора, блок обработки сигналов датчиков, блок обдува, второй резистор и второй ключ схемы слива, третий резистор, блок управления конверторными каскадами выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока конверторных каскадов и алгоритма тестирования начального состояния устройства, а количество конверторных каскадов определяется необходимой выходной мощностью устройства управления двигателем постоянного тока,

при этом второй фильтр питания мостового инвертора первым входом соединен с общей точкой соединения входа первого фильтра питания мостового инвертора, клеммой «0», и вторым выходом выпрямителей конверторных каскадов, третьи выходы которых соединены между собой и со вторым входом второго фильтра питания мостового инвертора, выход которого (клемма «-») соединен со вторым входом датчика тока питания мостового инвертора, первый выход которого соединен с первым входом блока обработки сигналов датчиков, а второй выход соединен с первым выводом второго резистора схемы слива и вторым входом блока обработки сигналов датчиков, третий вход которого соединен первым выходом двигателя постоянного тока, второй выход которого соединен общей точкой с клеммой «Вых1», с третьим входом блока управления мостовым инвертором и с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен общей точкой с первым выводом третьего конденсатора, четвертым входом блока обработки сигналов датчиков и с клеммой «0», причем второй вывод третьего конденсатора соединен общей точкой со вторым и четвертым ключами мостового инвертора и первым входом датчика тока двигателя,

первый выход блока обработки сигналов датчиков соединен с первым входом блока управления мостовым инвертором, а второй выход блока обработки сигналов датчиков соединен с клеммой «Вых2»,

второй вывод второго резистора схемы слива соединен с первым выводом второго ключа схемы слива, вторые выводы первого и второго ключей схемы слива соединены между собой и с клеммой «0», вход управления второго ключа схемы слива соединен с третьим выходом блока управления мостовым инвертором, четвертый выход которого соединен с входом блока обдува,

общая точка соединения выводов первого и второго ключей мостового инвертора соединена с катодом первого диода и с первым выводом первого конденсатора, анод первого диода соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод которого соединен общей точкой со вторым выводом первого конденсатора и с клеммой «0», первый вывод второй обмотки дросселя и первый вывод второго конденсатора соединены с клеммой «0», причем второй вывод второй обмотки дросселя соединен с катодом второго диода, анод которого и второй вывод второго конденсатора соединены с общей точкой соединения третьего и четвертого ключей мостового инвертора.