Устройство для управления двигателем переменного тока Советский патент 1984 года по МПК H02P6/00 H02P8/40 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управле ния двигателями переменного тока. Известны устройства для управлени многофазными электродвигателями, содержащие коммутатор, генератор та товых импульсов, делители частоты, счетчик, дешифратор, блок-задатчик фазового сдвига управляющих импульсов и два элемента ИЛИ, обеспечиваю щие вращение двигателя в направлени зависящем от того, на какой из . входов коммутатора поступают импуль сы генератора. При этом скорость вр щения двигателя определяется частотой генератора тактовых импульсов Cl Недостатком таких устройств явля ется сложность, особенно, когда требуется изменение скорости двигат ля в широких пределах. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой ство управления двигателем переменно го тока, содержащее двухвходовой инт ратор на операционном усилителе с переключателем на инвертирующем входе и резистивным делителем на неинг вертирующем входе, релейный элемент компаратор на операционном усилителе с резистивным делителем на неинвер.тирующем входе и ключом на неинвертирующем входе, инверторы и усилители, подключены к релейному элементу и компаратору 2. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает работу двигателя в режиме единичных шагов, поскольку интегратор изменяет свое состояние под действием смещения нуля, присущегооперационному усилителю. Вследствие этого релейный элемент и компаратор в общем случае могут изменить свои состояния после снятия входного сигнала в результате чего двигатель делает один или два дополнительных шага. Это вызывает появление ошибки в сиетеме, что в ряде случаев исключает возможность применения известного устройства. Так, например, в системах программного управления, когда требуется обеспечить точное пёремеще ние исполнительного устройства и чис ло шагов двигателя должно строго соответствовать заданному числу управляющих импульсов, применение известного устройства становится невозможным, так как после каждого импульса управления возникает ошибка в один шаг, причем при движение в од ном направлении имеет место накопление ошибок. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства управления двигателем переменного тока путем обеспечения.режима единичных шагов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления двигателем переменного тока, содержащее двухвходовой интегратор на переменном усилителе с переключателем на инвертирующем входе и резистивным делителем на неинвертирующем входе, релейный элемент, компаратор на операционном усилителе с резистивным делителем на неинвертирующем входе и ключом на инвертирующем входе, инверторы и усилители, подключенные крелейному элементу и компаратору, введены дополнительный релейный элемент, дифференцирующие цепи с разделительными диодами на выходах, шины сигналов единичных шагов и задания направления вращения, дифференциальный усилитель и три ключа, первый и второй из которых соединяют входы дифференциального усилителя с делителем напряжения на выходе компаратора, а третий ключ - выход дифференциального усилителя с инвертирующим входом интегратора, причем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом дополнительного релейного элемента, входы которого подклвочены к выходам дифференцирующих цепей и шине сигнала единичных шагов, а управляющие входы первого и второго ключей соединены с цепью управления ключа на инвертирующем входе компаратора и подключены к шине задания направления вращения двигателя. На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы , поясняющие его работу. Устройство (фиг. 1) содержит . двухвходовой интегратор на операционном усилителе 1 с переключателем на инвертирующем входе, построенном на МОП-транзисторах 2 и 3 с каналами противоположной проводимости, и делителем напряжения на резисторах 4 и 5 на неинвертирующем входе. К к выходу интегратора подключен релейный элемент б, управляющий переключателем на МОП-транзисторах 2 и 3 и компаратор на операционном усилителе 7 с цепью положительной обратной связи на резисторах 8 и 9 и с ключом на МОП-транзисторе 10 на инвертирующем входе операционного усиителя 7. Релейный элемент 6 и компаратор 7 подключены к инверторам 11 и 12. Выходы релейного элемента 6, компаратор 7 и инвертор 11 и 12 через усилители 13 - 16 подключены к обмоткам 1-1У управления двигателя;В устройство дополнительно ввеены релейный элемент 17, четыре ифференцирующие цепи 18-21 с разелительными диодами на выходах, ины сигнала единичных шагов U2 и адания направление вращения Uj , ифференциальный усилитель 22 с первым и вторым ключами 23 и 24 на выходах и третьим ключом 25 на выходе и делитель напряжения на резис торах 26 и 27. Выходы компаратора 7 через резистивный делитель 26 и 27 и ключи 23 и 24 подключены к дифференциальному усилителю 22, а выход дифференциального усилителя 22 через ключ 25 и ограничивающий резис тор 28 подключен к инвертирующему входу интегратора на операционном усилителе 1. Устройство работает следующим об разом, В исходном состоянии релейный элемент 17 находится в состоянии отрицательного насыщения, благодаря чему ключ 25. замкнут и интегратор 1 охвачен отрицательной обработкой связью через дифференциальный усилитель 22. При этом на входах усили теля 22 осуществляется сравнение сигналов с выхода интегратора 1 (напряжение Uj, подключено непосредственно к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 22) и с выхода резистивного делителя 26 и 27 (напряжение U подключается че рез один из открытых ключей 23 и 24 vK ссютветствующему входу усилителя 22). При положительном напряжении Uj, когда ключ 10 замкнут, напряжение U-, на выходе компаратора 7 и на ряжение Кд делителя 26-27 совпадают по знаку с выходным напряжением U интегратора. В этом случае напряжен Од через замкнутый ключ 24 поступае на инвертирующий вход дифференциаль ного усилителя 22. При выходны напряжение U-, и ид компаратора 7 и делителя 26-27 противоположны позн ку напряжению интегратора 0, и сиг нал UA через замкнутый ключ 23 проходит на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 22. За сче глубокой отрицательной обратной свя (при достаточно большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя 22) при замкнутом ключе 25 обеспечивается фиксация выходного напряжения интегратора и, на уровне UQ или -Uo( фиг.2) . Таким образом, в исходном состоя НИИ напряжение U, на выходе интегратора постоянно, релейный элемент 6 и компаратор 7 не переключаются, поэтому две из четырех обмоток двигателя находятся под током, а две другие обесточены и двигатель непод вижен. Рассмотрим работу устройства при наличии управляющего сигнала на входе U2 (Фиг.2а,5,8). в зависимости от характера сигнала U2 устройство, может работать в режиме непрерывного или импульсного.управл ния. В режиме непрерывного управления на неинвертирующий вход операционного усилителя 17 поступает потенциальный сигнал (положительное напряжение ), который переводит операционный усилитель в состояние положительного насыщения и удерживает его в этом состоянии независимо от наличия импульсов, поступающих на инвертирующий вход усилителя 18 с выходов дифференцирующих цепей 1821. В этом случае ключ 25 устанавливается в разомкнутое состояние, благодаря чему разрывается отрицательная обратная связь, охватывающая интегратор 1, и при наличии положительного напряжения Ц в схеме возникают устойчивые колебания. Действительно, пусть в начальный момент времени на выходе интегратора напряжение Up и релейный элемент 6 находится в состоянии отрицательного насыщения, при котором транзистор 2 открыт, а транзистор 3 закрыт. Положительное напряжение (J поступает в этом случае на оба входа интегратора 1 и доминирует на инвертирующем входе, так как на неинвертирующем входе оно ослабляется резистивным делителем 4-5. Под действием U., напряжение и, начинает уменьшаться от начального значения о до отрицательного порога переключения iL релейного элемента 6. В момент, когда 11 U , происходит опрокидывание релейного элемента 6 и он переходит в состояние положительного насыщения при котором транзистор 2 закрывается, а транзистор 3 открывается. После этого напряжение U., поступает только на неинвертирующий вход интегратора, вс ледствие происходит изменение направления интегрирования и выходное напряжение U, интегратора начинает возрастать. Процесс возрастания происходит до тех пор, пока напряжение (J не достигнет положи-тельного порога переключения и релейного элемента 6 . При U U релейный элемент вновь устанавливается в состояние отрицательного насыщения, котором транзистор 2 открыт, а транзистор 3 закрыт.В результате происходит очередное изменение направлени.я интегрирования и процесс / повторяется. При равенстве сопротивлений резисторов 4 и 5 и одинаковых порогах переключения релейного элемента 6//UV-/U / / (в схеме устанавливаются симметричные колебания (амплитуды и длительности положительных и отрицательных полуволн треугольного напряжения U, одинаковы) . Интервал времени т t в течение которого напряжение и, изменяется от, U до U, определяется уравнением I -Л 2 R ч С где и - ширина петли гистерезиса релейного элемента 6; С - емкость интегратора} R сопротивление резистора на инвертирукщем входе интегр тора . Отсюда Аналогичньм образом можно найти интервал времени Т когда напряже ние UK изменяется от У до U. Соо ветствующее уравнение имеет вид i - 0,5Щ 1 R Z С Период колебаний и частота Как видно из временной диаграммы (фиг. 2,а,Б,) в установившемся режи напряжение U на выходе релейного элемента 6 опережает напряжение и и тегратора 1 на четверть периода (фа вый угол -j- ) . На выходе компаратор 7 формируется прямоугольное напряже ние U-,, которое опережает или от тает от Uj на угол у в зависимости о состояния ключа 10, т.е. в конечном счете от знака напряжения U . При положительном Uj, когда ключ 10 зам кнут, напряжение U, интегратора 1 поступает только на неинвертирующий вход компаратора 7, Поэтому напряже ние U-, совпадает по фазе с треуголь ( ным напряжением U, и, следовательно отстает OT.Uj на угол . При отрицательном U2 ключ 10 разомкнут и напряжение U поступает на оба входа компаратора 7. Поскольку сигнал на неинвертирующем входе ослабляется делителем 8-9, результирующее напряжение приложено к инвертирующему входу, и напряжение на выходе компа ратора U-, находится в противофазе с напряжением интегратора опережа ет напряжение U, на угол S.. Напряжения U и U используются для управления I и II обмотками двигателя, III и IV обмотки, рабо тающие в противофазе с обмотками I и II, получают управляющие сигналы с инверторов 11 и 12. Очевидно, что за период колебаний Т двигател делает четыре шага, а потому частота вращения двигателя составляет 4 т.е. f - пряма пропорциональна напряжению. Для останова двигателя необходимо перевести релейный элемент 17 в исходное состояние отрицательного насыщения. При этом происходит открывание, ключа 25, бследствие чего интегратор охватывается отрицательной обратной связью и на его выходе фиксируется напряжение, величина которого определяется выходным напряжением делителя 26-27 в момент подачи сигнала останова, а знак зависит от полярности напряжения Uj . Процесс останова двигателя в непрерывном и импульсном режимах работы устройства протекает одинаково. Таким образом, в режиме непрерывного управления предлагаемое устройство работает аналогично известному с той лишь разницей, что скорость двигателя и направление его вращения задается не одним сигналом, а двумя входными сигналами U и и, , а пуск и останов двигателя осуществляется по третьему сигналу U2 . Рассмотрим работу устройства в режиме единичных шагов (импульсное управление). В этом режиме на вход Uji поступает импульсный сигнал, на вход и задается постоянное напряжение, а на входе Uj по-прежнему действует напряжение постоянного тока той или иной полярности в зависимости от требуемого направления вращения двигателя. В исходном состоянии, как и в рассмотренном режиме непрерывного управления, релейный элемент 17 находится в состоянии отрицательного насыщения и ключ 25 замкнут. Пусть на выходе интегратора устанавливается начальное напряжение U, а релейный элемент 6 находится в состоянии положительного насыщения, вследствие чего ключ 2 разомкнут, а ключ 3 - замкнут. При поступлении положительного импульса на неинвертирующий вход релейного элемента 17 последний переходит в состояние положительного насыщения и ключ 25 размыкается. Под действием положительного напряжения на неинвертирующем входе выходное напряжение Uy интегратора 1 увеличивается (фиг.2в). Через время г , когда j (, происходит опрокидывание релейного элемента 6. При этом возникает положительный перепад напряжения на выходах инвертора 11 и усилителя 14, который проходит через дифференцирующую цепь 19 на инвертирующий вход релейного элемента 17, возвращая его в состояние отрицательного насыщения,. Вследствие этого ключ 25 замыкается и интегратор охватывается отрицательной обратной связью. Если , то ключ 10 замкнут и напряжения U компаратора 7 и U; интегратора 1 имеют одинаковые зцакк. Поэтому после замыкания кJJючa 25 на выходе интегратора 1 вновь устанавливается, положительное напряжение Уд, При этом компаратор 7 остается в исходном состоянии положительного насьадения, а релейный элемент 6 устанавливается в новое состояние отрицательного насыщения. При поступлении второго импульса выходное напряжение интегратора начинает уменьшаться. Этот пооцесс продолжается до тех пор, пока через время fj напряжение и„ не достигнет порога переключения U компаратора .7 В этот момент возникает положительны перепад напряжения на выходах инвертора 12 и усилителя 15. Дифференциру ющая цепь 20 формирует положительный импульс, возвращающий релейный элемент 17 в состояние отрицательного насыщения. Под действием обратной связи на выходе интегратора 1 устанавливается отрицательное напряжение УО , поскольку выходное напряжение U-J компаратора 7 в данном случае отрицательно. Третий импульс вновь опрокидывает релейный элемент 17, обеспечивая раз мыкание ключа 25. Поскольку релейный элемент 6 находится в состоянии отрицательного насыщения, ключ 2 замкнут, а ключ 3 разомкнут, и выходное напряжение Un интегратора 1 уменьшается. Когда напряжение и достигает порога U, релейный элемент 6 переходит в состояние положительного насыщения и положительный перепад напряжения на выходе усилителя 13 через дифференцирующую цепь 18 возвращает релейный элемент 17 в состояние отрицательного насыщения. Благодаря включению обратной связи на выходе интегратора 1 устанавливает отрицательное напряжение - UQ При поступлении четвертого импуль са релейный элемент 17 в очередной раз переходит в состояние положитель ного насыщения, размыкая ключ 25. Выходное напряжение и„ интегратора увеличивается под действием положительного напряжения на его неинвертирующем входе. Когда напряжение и„ достигает порога переключения U компаратора 7, последний переходит в состояние положительного насыщения. Возникающий при этом положительный перепад напряжения на выходе усилителя 16 через дифференцирующую цепь 21 возвращает релейный элемент 17 в состояние отрицательного насыщения. В результате на выходе интегра тора 1 вновь устанавливается положительное напряжение Up и приподаче следующих импульсов процесс периодически повторяется. Аналогичным образом протекает работа устройства при отрицательном напряжении Uj, когда обеспечивается вращение двигателя в противоположном направлении. Отличие состоит лишь в том, что компаратор 7 инвертирует выходное напряжение интегратора U, . Поэтому в этом случае выходной сигнал компаратора 7 подключается к неинвертирующему входу усилителя 22 (при Uj О ключи 10 и 24 разомкнуты, а ключ 23 замкнут и противоположные по знаку сигналы U, и U сравниваются на одном входе усилителя 22). Таким образом, в режиме единичных шагов при поступлении управляющего импульса и релейный элемент 17 опрокидывается и разрывает цепь отрицательной обратной связи, охватывающей интегратор, в результате чегр выходное напряжение интегратора начинает изменяться до момента достижения порога переключения компаратора или релейного элемента. При этом на выходе соответствующей дифференцирующей цепи возникает импульс, возвращающий дополнительный релейный элемент в исходное состояние. Благодаря отрицательной обратной связи на выходе интегратора устанавливается положительное или отрицательное напряжение Up, лежащее в пределах ,U или зависимости от знака выходного напряжения коютаратора. В результате при поступлении каждого управляющего импульса-через время задержки ) происходит только одно переключение релейного элемента или компаратора (фиг. 2в, г) и двигатель делает один шаг (фиг. 2д) Таким образом, предлагаемое устройство обладает более шярокнмк функциональными возможностями, обеспечивая работу двигателя в режимах непрерывного управления и в режиме отработки единичных шагов. Это позволяет использовать предлагаемое устройство как в замкнутых (с обратной связью по положению), так и в разомкнутых системах управления.

ati

5:

ra

Л

О t. U4

г-т-Ос- О

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащее двухвходовой интегратор на операционнся усилителе с переключателем на инвертирующем входе и резистивным делителем на неинвертирующем входе, релейный элемент, компаратор на операционном усилителе с резистивным делителем на неинвертирукнцем входе и ключом на инвертирующем входе, инверторы и усилители, подключенные к релейному элементу и компаратору , отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения режима единичных шагов, в .него введены дополнительный релейный элемент, дифференцирующие цепи с разделительными диодами на выходах, шины сигналов единичных шагов и задания направления вращения, дифференциальный усилитель и три ключа, первый и второй из которых соединяют входы дифференциального усилителя с делителем напряжения на выходе компаратора, а третий ключ выход дифференциального усилителя с инвертирующим входом интегратора, причем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом дополнитель ного релейного элемента, входы кото9 рого подключены к выходам дифференцирующих цепей и шине сигнала единичных шагов, а управляющие входы первого и второго ключей соединены с цепью управления ключа на инвертирующем входе компаратора и подклю- . чены к шине задания направления вращения двигателя. 4 О) 00 СЛГ