Устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК H02P6/22 H02P6/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока с бесконтактной коммутацией секций якорной обмотки, и может быть использовано в различных системах автоматики.

Известные технические решения обладают низкими энергетическими характеристиками и малой надежностью..

Так, известен управляемый вентильный электродвигатель, содержащий два задающих генератора, узел реверса (коммутатор), преобразователь однофазного напряжения, фазорасщепитель, логические лементыРАВНОЗНАЧНОСТЬили

НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, усилитель мощности (инвертор) и синхронный двигатель, питаемый напряжением от т-фаэного инвертора с постоянной частотой.

Недостатками указанного технического решения являются плохая пусковая характеристика, обусловленная вхождением двигателя в синхронизм, в связи с чем недопустимым является осуществление ограничения тока при пуске и перегрузке двигателя,- низкие энергетические характеристики, особенно при малых нагрузках, а осуществление питания обмотки широтно-модулированными напряжением приводит к дополнительным потерям в меди и на транзисторах усилителя мощности; низкая надежность.

Известна система управления статорной обмоткой бесщеточного двигателя постоянного тока, которая содержит многофазную (трехфазную) статорную обмотку, многополюсный ротор, датчик положения ротора, выполненный йа трех элементах Холла, сигналы которых формируются в последовательность импульсов (напр$)жений), фаза которых может инвертироваться в зависимости от полярности входного сигнала управления, средство возбуждения -обмотки статора током, величина которого соответствует абсолютному значению входного сигнала управления, и узел управления (компаратор), обеспечива ющий реверсивное вращение двигателя в зависимости от полярности управляющего напряжения.

Управление силовыми транзисторами усилителя мощности, регулирующими ток возбуждения статорной обмотки, осуществляется по силовым цепям усилителя, а так как выходные транзисторы усилителя работают в линейном режиме, то это ведет к увеличению энергопотребления, снижению надежностм.

Известен двигатель постоянного тока с многофазной обмоткой и блоком коммутации, управляемый от датчиков Холла, который содержит четырехлучевую статорную обмотку, датчик положения ротора, выполненный на двух элементах Холла, выходные

сигналы которых формируются в две поЪледовательности импульсов, подаваемые на декодер, с выхода которого четыре последовательности сигналов со сдвигом в 90 зл.град. подаются на силовые транзисторы,

0 коммутирующие статорную обмотку.

Реверсирование направления вращения осуществляется изменением полярности на вторых объединенных входах двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

5 ИЛИ.

Недостатками данного технического решения являются: низкий коэффициент использования меди статорной обмотки за счет питания каждой секции в течение 1 /4

0 периода, что ведет к увеличению массогабаритных параметров двигателя; большая пульсация частоты вращения, обусловленная в 90 эл.град. коммутационными интервалами; отсутствует защита двигателя при

5 его пуске или перегрузке, что ведет к снижению надежности..

Наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности устройство содержит мостовой каскад возбудителя на транзисторах равного типа проводимости, выходы которого подключены к секциям статорной обмотки; три последовательности сигналов с датчика положения ротора подаются на входы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, по объединенным вторым входам которых осуществляется реверсирование направления вращения; декодер, входы которого соединены с выходами логических элементов ИСКЛЮQ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выходы - с транзисторами мостового возбудителя (усилителя); измерительный резистор, включенный между общим входом силовых транзисторов возбудителя и общей шиной питания; компаратор напряжения, один из входов которого подключен к измерительному резистору, другой - к опорному напряжению, а выход соеэ1нен с управу1яющим входом то кеограничительного транзистора.

0 Эмиттер-коллёкториые переходы токоограничительного транзистора включены в цепь питания первых трех транзисторов управления силовых ключей анодной шины возбудителя.

5 При превышении сигналом с измерительного резистора уровня опорного напряжения компаратор обеспечивает режим отсечки токоограничитепьному транзистору, в результате чего протекание тока возбуждения через статорную обмотку

прекращается. При сигнале с измерительного резистора меньше уровня опорного напряжения кампаратор устанавливает токоограничительный транзистор в режим насыщения и двигатель работает на естественной характеристике.

Недостатками данного технического решения являются высокое токопотребление за счет потерь в токоограничительном транзисторе, включенном последовательно в цепи питания транзисторных каскадов возбудителя, а также невысокая надежность.

Целью изобретения.является уменьшение энергопотребления и повышение надежности.

Использование данного изобретения в системах автоматики является более экономичным с точки зрения энергопотребления за счет исключения токоограничительного транзистора из цепи питания транзисторных каскадов коммутатора и более надежным за счет осуществления управления двигателем по логическим цепям, а также использования в качестве узла ограничения тика управляемого генератора серии импульсов.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для управления бесконтактным двигателем постоянного тока, содержащем мостовой коммутатор на транзисторах разного типа проводимости с выходами для подключения к якорной обмотке бесконтактного двигателя; датчик положения ротора бесконтактного двигателя, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовЫх логических элементов ИКЛЮЧАЮЩЕЕ HJjIH, вторые входы которых подключены к выходу задатчика направления вращения; декодер, выходами соединенный с управляющими входами мостового коммутатора, силовые входы которого соединены с источником питания; измерительный резистор, включенный между одним из силовых входов мостового коммутатора и общей шиной источника питания; узел токоограничения. указанный узел токоограничения выполнен в виде управляемого генератора серии импульсов, введены три логических элемента ЗИЛИ-НЕ и узел управления частотой вращения, первые входы логических элементов ЗИЛИ-НЕ соединены с выходами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы логических элементов ЗИЛИНЕ объединены и подключены к выходу управляемого генератора серии импульсов, вход которого соединен с общей точкой измерительного резистора и упомянутого силового входа мостового коммутатора, а объединенные третьи входы логических элементов ЗЙЛИ-НЕ через вновь введенный

переключатель связаны с выходом узла управления частЬтой вращения и общей шиной источника питания.

На фиг.1 представлена структурно-фун5 кциональная схема устройства для управления бесконтактным двигателем постоянного тока; на фиг.2 приведен пример выполнения мостового трехфазного коммутатора на транзисторах; на фиг.З 0 эпюры .напряжений на выходах основных функциональных узлов устройства при отсутствии ограничения тока; на фиг.4 - эпюры напряжений на выходах основных функциональных узлов устройства при наличии ограничения тока; на фиг.5 г временная зависимость пускового тока двигателя; на фиг.б - пример выполнения управляемого генератора серии импульсов.

Устройство содержит мостовой коммутатор 1 на транзисторах с выходами для подключения к якорной обмотке 2 двигателя 3; датчик 4 положения ротора, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых логических элементов

5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, вторые обьединенные входы которых подключены к выходу задатчика 6 направления вращения, а выходы соединены с первыми входами трех логических элементов ЗИЛИ-НЕ 7. Вторые

0 объединенные входы логических элементов 7 подключены к выходу узла 8 токоограничения, выполненного в виде управляемого генератора серии импульсов, а третьи объеди(енные входы логических элементов

5 ЗИЛИ-НЕ 7 через переключатель подключены к общему выводу узла 9 управления частотой вращения, выполненного в виде, например, электронного устройства с выходом напряжений О (низкого) или 1 (высокого) уровней; декодер 10, входы которого соединены с выходами логических элементов ЗИЛИ-НЕ 7, а выходы - с входами мостового коммутатора 1. первый из силовых входов которого соединен с первой шиной

5 источника питания непосредственно, а второй связан с вторым выводом источника питания через измерительный резистор 11 и непосредственно соединен с входом узла 8 токоограничения.

0Устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока в зависи- . мости от положения переключателей, функционально относящихся к узлам б и 9, может работать в следующих режимах: 1)

5 при отсутствии ограничения тока; 2) в {эежиме ограничения тока; 3) в режиме управления частотой вращения.

Схема трехфазного мостового коммутатора, приведенная на фиг.2, имеет управляющие входы Uyi...Uy6 и силовые 7171303относительно анодной и катодной шин питания. Транзисторы коммутатора 1 выполняют функцию силовых ключей. Диоды, шунтирующие коллектор-эмиттерные переходы силовых транзисторов, предназначе-5 ны для их защиты в момент запирания от действия ЭДС самоиндукции, возникающей в якорной обмотке 2 двигателя 3. фазы которой подсоединены к соответствующим выходам F1...F3 коммутатора 1.10 Эпюры напряжений на выходе основных узлов устройства в зависимости от углового положения (Qt)poTopa двигателя при отсутствии ограничения тока и управления/ частотой вращения, приведенные на фиг.З,15 соответствуют работе бесконтактного двигателя на естественной характеристике и работе устройства в первом режиме. На фиг.За представлены эпюры напряжений на выходах датчика 4 положения ротора, вы-20 полненного, например, на магнитоуправляемых элементах. Эти напряжения имеют форму меандра с длительностью импул1э ;а напряжения в ISO зл.град. и сдвинуты по фазе одно относительно другого на 120 зл.25 град. При наличии логического нуля на вторых объединенных входах логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 их выходные напряжения, изображенные на30 фиг.Зб, повторяют напряжения, приведенныенаф4г.3а. В первом режиме работы устройства на вторых и третьих объединенных входах гических элементов ЗИЛИ-НЕ 7 Иапряже-3S ние имеет низкий уровень (фиг.3в). С учетом выполняемой ими ФУНКЦИИ у x1vx2vx3 О) напряжение на выходе каждого из указанных логических элементов 7 представляет40 Собой напряжение, инвертированное относительно входного. Напряжения, изображенные на фиг.З, являются входными для декодера 10, а напряжения на фиг.Зд. е выходными. Йтим характеризуется логиче-45 екая функция декодера 10, который может быть выполнен, например, с использованием двоично-десятичного дешифратора, трёх логических элементов 2ИЛИ-НЕ и трех логическихэлементов 2ИЛИ. При этомнапряже-50 ния на выходах элементов 2ИЛИ-НЕ формируются в соответствии с приведенными на фиг.Зд, а напряжения на выходах элементов 2ИЛИ - в соответствии с приведенными на фиг.Зе.55 С учетом приведенной Н8 фиг.2 схемы коммутатора 1 и эпюр напряжений (фиг.3д,е) открытое состояние каждого из транзисторов соответствует углу в 120 эл.град. При этом транзисторы одного типа 88 проводимости открываются са сдвигом п6 фазе в 120 эл.град.. а транзисторы разного типа проводимости, включенные последовательно, со сдвигом по фазе в 180 зл.град. Такая зависимость между напря кениями на выходе датчика и положения ротора и напряжениями на выходе декодра 10, а соответственно, коммутатора 1 позволяет обеспечить вращающий момент двигателя 3 и является характерной для работы бесконтактных двигателей. При наличии на выходе задатчика 6 направления вращения высокого уровня напряжения и сохранении начальными других условий зпюры напряжений, изображенные на фиг.Зб, г, д, е, сдвигаются на 180 зл.град. (инвертируются), что приводит к изменению направления вращающего момнета двигателя. Эпюры напряжений, изображенные на фиг.За.б, справедливы и для других режимое работы устройства, В режиме ограничения тока устройство работает при пуске или перегрузке двигателя, когда падение напряжения на измерительном резисторе 11 превышает уровень ограничения. В зтом случае на выходе управпяемого Генератора 8 формируются импульсы напряжения высокого уровня (фиг.4а). При этом напряжения на выходе элементов ЗИЛИ-НЁ 7 {фиг.4б) и на выходах декодера Ш(фиг.4в,г) йвляются запирдющими для транзисторов ксммутатора 1, при закрытом состоянии которых якорная обмотка 2 отключается от источника питания, На фиг.5 представлена временная зависимость тока в якорной обмотке 2 двигателя 3 при его пуске и наличии ограничения тока, При низком уровне напряжения на выходеуправляемогогенератора В якорная обмотка 2 подключена к источнику питания через верхний и открытые транзисторы разных плеч мостового коммутатора 1 И из «ерительный резистор 11, при этом ток в обмотке нарастает по экспоненте в соответствии с выражением , .... , х Un - Ерр. , .. 2Рф + Н ) -i . . щё (и - начальный ток а обмотке при ее невключении к источнику питания: Евр - ЭДС вращения двигателя, пропорциональная его частоте вращения; Т1-постоянная времени нарастания тока в обмотке двигателя, т (2Рф+К ); 1 т 1ф-1лндукт1лвнос ьу1акг1лв оесопротивление одной фазы обмотки;

R сумма сопротивлений измерительного резистора, внутреннего сопротивления источника питания и эквивалентного сопротивления двух открытых транзисторов.

При появлении высокого уровня напряжения на выводе управляемого генератора 8 якорная обмотка 2 отключается от источника питания, а под действием ЭДС самоиндукции ток в обмотке, сохраняя свое направление, замыкается через один из верхних и один из нижних диодов, измерительный резистор 11 и источник питания с частичной рекуперацией энергии, При этом ток в обмотке уменьшается по экспоненте, опись1ваемой выражением

1 . - + ВР О -1,, ч /. )га Л (2НфЧр + )Л (

где 1нч- начальный ток в обмотке двигателя при ее отключении от источника питания;

ai/o падение напряжения на диоде в прямом направлении;

Ry.- сумма сопротивлений измерительного резистора 11 и внутреннего сопротивления источника питания;

Т2 21ф/(2Яф + RJ.) - постоянная времени спадания тока в обмотке двигателя.

Пример выполнения управляемого генератора серии импульсов приведен на фиг.6. Генератор выполнен на базе однопорогового компаратора DA. Элементы R5, С2 выполняют функцию внешних связей и явлйются элементами коррекции. Прямой вход компаратора соединен с резистором 12 связи, указанным выше. Элементы R3 и С1 выполняют роль фильтра. Инвертирующий вход KOfwiapaTopa соединен со средней точкой делителя напряжения на резисторах R1, R2, напряжение на котором стабилизируется с помощью стабилитрона VO1 и резистора R4. При этом падение напряжения на резисторе R2 является опорным напряжением (Uor) генератора, а падение напряжения на измерительном резисторе ёходным напряжением (UBX) генератора, определяющим напряжение на прямом входе компаратора. Управляемый генератор 8 возбуждается благодаря наличию внутренних распределенных RBH и Свн параметров Микросхемы, а также наличию обратных связей на R5, С2 внешних элементах при Usx Uor. При этом длительность (г) импульсов напряжения высокого уровня нд выходе генератора определяется из выражения

r-()R5/R8н (4), в частота (f) генератора - параметрами элемен1Ч}В 12, R5, С2 и имеет прямую зависимость от входного напряжения генератора.

С учетом приведенных выше выражений для нарастания и спадания тока обмотки 2 двигателя 3 с увеличением частоты и уменьшением длительности импульсов на5 пряжения высокого уровня на выходе генератора 8 при его возбуждении амплитуда переменной составляющей тока уменьшается, однако при этом возрастают потери в транзисторах коммутатора при их переключении. Наклон касательной к кривой нарастания тока меньше наклона касательной к кривой спадания тока, и с увеличением ЭДС вращения разница в наклонах увеличивается.5 Для Ограничения тока двигателя на заданном уровне заполнение

y r-f(5)

импульсов генератора 8 гфй его возбуждении выбирается таким, чтобы при Евр О

0 приращение тока за время г было меньше по абсолютной величине приращения тока за время паузы. При этом генератор 8 рабо. тает в режиме циклического срыва генерации, а поддержание заданного уровня

5 ограничения тока по мере разгона двигателя происходит за счет увеличения времени нахождения генератора в режиме срыва генерации.. Узел 9 управления предназначен для управления частотой вращения при другом положении переключателя, функционально относящегося к узлу 9 управления по сравнению, с указанным на фиг.1, путем формирования на объединенных третьих входах

5 логических элементов ЗИЛИ-НЕ высокого уровня напряжения, в течение которого независимо от уровней напряжений на других входах напряжения на выходах элементов ЗИЛИ-НЕ 7 имеют низкий уровень и транзисторы коммутатора 1 находятся в закрытом состоянии. При этом обмотка 2 двигателя 3 отключена от источника питания, что соответствует режиму останова двигателя 3.

5 Формулаиз обретения

Устройство для управления бесконтактным,двигателем постоя-нного тока, содержащее мостовой коммутатор на транзисторах разного типа проводимости с выходами для

0 подключения к якорным обмоткам бесконтактного двигателя, датчик положения рото- i pa бесконтактного двигателя, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых логических элементов .ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы которых подключены к выходу задатчика направления вращения, декодер,выходами соединенный с управляющими входами мостового коммутатора, силовые входы которого соединеиы с источником питания, измерительный резистор, включенный между одним из силовых входов мостового коммутатора и общей шиной источника питания, узел токоогранйчения. отличающееся тем, что, с целью уменьшения энергопотреблений и повышения надежности, узел токоограничения выполнен в виде управляемого генера тора серии импульсов и введены три логических элемента ЗИЛИ-НЕ и узел упрдвлений частотой вращения, первые входы логических элементов ЗИЛИ-НЕ соединены

с выходами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛ И вторые входы логических элементов ЗИЛИ-НЕ объединены и подключены к выходу управляемого генератора серии импульсов, вход которого соединен с общей точкой из1 ерительного резистора и упомянутого силового входа мостового коммутатора, а объединенные третьи входы логических элементов ЗИЛИ-НЕ через вновь введенный переключатель связаны с выходом узла управления частотой вращения и общей шиной источника питания.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока с бесконтактной коммутацией секций якорной обмотки, vt может бытьиспользовано в качестве исполнительных устройств в различных системах автоматики. Целью изобретения является, уменьшение энергопотребления и повышение надежности. Для этого в устройстве узел токоогрюничения выполнен в виде управляемого генератора 8 серии импульсов, вход которого соединен с общей точкой измерительного резистора 11 и силового входа мостового коммутатора 1. Первые входы логического блока ЗИЛИ-НЕ 7 соединены с выходами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, их вторые входы объединены и подключены к выходу управляемого генератора 8 серии импульсов, а объединенные третьи входы через введенный переключатель связаны с выходом узла управления частотой вращения 9 и общей шиной источника питания. При нестационарных режимах (пуске, действии импульсных нагрузок) происходит циклическое, с частотой работы управляемого генератора отключение источника питания обмоток 2 бесконтактного двигателя. 6 ил./уг 14^L^—bil^Wоо>&00

/

m

i i

-Щ f f

9uz,S

Фи. в