Устройство для управления четырехфазным двигателем переменного тока Советский патент 1981 года по МПК H02P7/62 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХФАЗНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

изобретение относится к электротехнике а именно к управлению четырехфазным двигателем переменного тока, например шаговым, от входного напряжения пропорционального частоте, и меже т быть использовано в следящих системах с шаговыми двигателями. Известно устройство для управления шаговыми двигателями, которые наряду с усилителями мощности, регуляторами напря жения и распределителями импульсов содер жат в качестве самостоятельных узлов усилители рассогласования и генераторы управ ляемой частоты, позволяющие регулировать скфость вращения двигателя в зависимости от управляющего напряжения 1} . Недостаток устр1рйства - сложность, обусловленная использованием большого числа аналоговых элементов для реали.зации усилителей рассогласования и управляемых генераторов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, для управления четырехфазным овигателем переменного тока, содержащее усилители мощности,, двухвходовой интег- . рагор с переключателем на инвертирующем входе, снабженным цепями управления, релейный элемент, усилитель с изменением знака коэффициента передачи, операционный усилитель с диодным ключом и входную шину Г21 . Недостаток этого устройства состоит в относительной сложности его аналоговой части, включающей наряду с масштабным усилителем, релэйным элементом я другими узлами три операционных усил теля и восемь точнь1Х резисторов, опредеЛ5ПОЩИХ зависимость частоты от входного напряжения и влияющих на стабильность частоты, что снижает надежность, точность и увеличивает энергопотребление. Кроме того, на частоту и скважность выходных импульсов, кроме других факто,ров, сказываютдестабилизирующее влияние изменения коэффициента передачи масштабного усилителя, обусловленнье нестабильностью сопротивлений соотве Гствующих резисторов, и дрейф нуля onepaциoннo o усилителя, что приводит к увеличению погрешности устройства. Цель изобретения - упрощение схемы И повышение точности. Указанная цель достигается за счет ;Того, что устройство для управления чётырехфазным двигателем переменного тока содержит дополнительный транзисторны ключ, соединяющий входную шину с входом переключателя, и инвертор, соединенный входом с выходом репейного элемента, а выходом - с одной из цепей управления переключателя, причем выход операционного усилителя соединен с входом транзисторного ключа, а цепь обратной связи включает в себя два последовательно соединенных с диодом резистора, общая точка соединения которых подключена к «едавёртирующему/, входу интеграНа фиг, 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы. Устройство содержит четыре усилителя мощности 1-4, подключенные соответственно к 1 - 1У обмоткам управления (фазам) шагового двигателя (ШД), ,йнверторы..5 и 6, регулятор 7 напряжения с задающим входом (входом устаЬки 8) и входом обратной связи 9, двухвходовой интегрирукмций усилитель IQ с с конденсатором 11 в обратной связи и резистором инвертирующем входе, дареключагель. 13 на МОП-транзисторах 14 и 15 с Каналами одной проводимости релейный элемент16, усилитель 17 с из менением знака коэф(} шиента передачи, выполненный на операционном усилителе 18, резисторах 19 - 22, диодах 23 и 24 и транзисторе 25, и диодный ключ 26 на операционном усилителе 27 с вход ным резистором 28, подключенным к источнику входного .напряжения (входной uJHHe)Ujj и цепью основной обратной связи, состоящей из последовательно соединенных резисторов 29 и 30 и диода 31. Усилитель 27 охвачен также цепью нелинейной отрицательной обратной связи через последовательно включенные стабилитрон 32 и диод 33. Выход двухвходового интегратора 10 подключен к входам релейного .элемента 16 и усилителя 17, выходы которых соединены непосредствен но с усилителями мощности 1 и 3 и через инверторы 5 и 6 с усилителями мощкости 2 и 4. Выход операционного усилителя 27 по клочен к базе транзистора 25, выполняющего 4уакции ключа изменения знака Коэффициента пере/ичи усилителя 17. Выход двухвходового интегратора 10 соединен с входами оп ационного усилителя 18 через диодный ограничитель, выполненный на резисторе 19 и диодах 23 и 24. Инвертирующий вход интегратора 10 через резистор 12 соединен с выходом переключателя 13, один вход которого (тран зистор 15) соединен с общей шиной, а угой вход (транзистор 14) - с выходом диодного Ключа (точкой соединения диода 31 и резистора ЗО в цешг отрицательной обратной связи операционного усилителя 27) и с .задающим входом 8 реГулятфа напряжения 7. Кроме того, в устройство введены транзисторный ключ 34, выполненный на МОП-транзисторе и соединяющий источгНик входного: сигнала Uex с входом переключателя, 13, и инвертор 35 на МОПтранзисторе 36, управляющий электрод (затвср) которого соединен с выходом релейного элемента 16, а два. гфугие э;ектрода (исток и сток) подклнэчены к вхооу и соответствующей цепи управления перключателя 13 (затвфу транзистора 14). Цепь управления транзисторного ключа 34 соединена с выходом one- рационного усилителя 27, а неинвертирующий вход интегратора 10 подключен к точке соединения резисторов 29 и ЗО и диодного ключа 26. Направление включения диодов 31 и 33 и стабилитрона 32 в диодном ключе 26 соответствует испольасжанию в перекЛю чателе 13, инверторе 35 и транзисторном ключе 34 МОП-транзисторов с каналом р-типа. При этом репейный элемент 16 имеет прямую статическую характеристику (без инверсий). Для МОП-транзисторов с каналом ti-типа направление вкл(о-, чения указанн ах диодов и стабилитрона необходимо изменить на противоположное, а релейный элемент 10 должен обладать инверсной статичюсКой характеристикой. Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии 1фи Uftx 0 напряжение Ujig на выходе шюдкого ключа 26 практически равно нулю ( UQJJ 0) и определяется смещением нуля операционного усилителя 27. Действительно, если смещение нуля, приведенное к выходу уси лителя 27, положительно, то происх эдит открывание диода 31, и усилитель 27 охватывается обратной связью через диод 31 и последовательно включенные резис- 5,6 торы 29 и 30. При этом выходное напря жение диодного ключа J)V.,гo}° и где g к i - ЭДС смещения и Bxo ной ток операционно усилителя 27; ,Rn9;R,- сопротивления резист iB isv 30 28 зо -Всли,же смещение нуля на выходе усил теля 27 отрицательно, то диод 31 закры и усилитель 27 охватьюается нелинейной обратной связью через диод 33 и стабиЛйтрон 32, в результате чего на выходе усилителя устанавливаегся отрицательное напряжение, приме|эно равное опорному напряжению -Uj, стабилитрона 32 ( напряжению -UQ стабилитрона 32 (Un-ftU ят Это напряжение не попадает на выход ди одного ключа, поскольку диод 31 смещается напряжением в непроводящем направлении. В то же время ключ на МОП-транзистре 34 под действием отрицательного напряжения замыкается, подключая источник входного сигаала Ugy к входу переключателя 13 так, 0. Таким образом, независимо от смещения нуля операционного усилителя 27 и состояний диодного и транзисторного Ключей 26 и 34 напряжение на входе переключателя 13 при отсутствии входного сигнала равно нулю. На регулятор 7 напряжения поступает нулевая установка, а потому напряжение питания о5моток управления двигателя устанавливается в соответствии с некоторым минимальным значением, задаваемым смещением UCM и обеспечивающим создание тре емого фиксирующего момента на ва яу двигателя. В частном атучае напряжение может быть равно нулю. В зависимости от состояния релейного элемента 16 перключатель 13 подключает инвертирующий вход интегратора 10 либр к выходу диодного ключа 26 либо к общей шине. Вследствие смещения нуля, присущего операционному усилителю, интегратор 1О переходит в состоя.ние положительного или отрицательного насыщения, причем это состояние не изменяется при переключении релейного элемента 16. Соответственно усилитель iV7 также находится в насьшхении. В исходном состоянии устройство управления находится в устойчивом (затор моженном) состоянии, при котором две и четырех фаз двигателяподключены к ис2гочнику регулируемого напряжения Up в го время как две другие фазы отключены от источника. В этом состоянии шаговый двигатель неподвижен. Рассмотрим работу устройства при пода, постоянного входного напряжения Uav Пусть на пряжение и отрицательное, т.Ъ. ( (фиг. 2), тогда на выхоое опера ционного усилителя 27 устанавливается - У-илиг-«ля / устанавл.шается положительное напряжение, диод 31 ог«Рывается. замыкая цепь отрицательной операционного усил1 еля - ри этом диодный ключ 26 рабо режиме инвертирования входного сигнала и при (К1 положительном напряжении U « оторое превышает напряжение UQ, на вел№™ напряжения на диоде .31. транзисторы 34 и 25 находятся в закрь том состоянии. Поэтому на вход переключателя 13 поступает положительное напряжение , с выхода диодного ключа 26. При равенстве сопротившний резисторов 29 и ЗО (R 19 50 напряжение на неинвертирующем входе интегратора 1О равно по величине половине входного :и- напряжения, т.е. 4.- о 1 1 Пусчъ релейный э рцент 16 находится в состоянии положительного насыщения. Тогда транзистор 15 закрыт. В этом сдучае транзистор 36 также закрыт, поскольку выходное напряжение U релейного элемента 16 превышает напряжение Uj (во всем диапазоне изменения сигнала должно .выполняться условие и :5U2{,). , Следовательно, транзистор 14 открыт и напряжение через резистор 12 поступ ет на инвертирующий вход интегратора 10. Через резистор 12 и конденсатор II течёт ток заряда j конденсатора, под действием которого выходное напряжение интегратора и уменьшаете. Ток Uft. Ur аьЧЧь , . где .- сопротивление резистора 12. При постоянном входном напряжении, когда U| j -Ugjj: C.one-t, ток 13 также постоянен и напряжение и„ уменьшается по линейному закону. В момент времени t выходное напряжение интегратора Достигает отрицательного порога переключения релейного элемента 1б, и он переходит в состо5шие отрицательного насыщения. При происходит открывание транзисторов 15 и 36 и закрывается транзистор 14 (на затвор транзистора 14 через открытый транзистор 36 поступает положительное выходное напряжение пиопногоключа 26). В результате переключатель 13 по{к:оеаиняет инвертирующий вход интегратора 10 к обшей шине, отклю i чая его от выхода диодного ключа 26, Поа действием положительного напряжения Jf На неивертирующем входе выходное напряжение интегратсфа Ю начинает увеличиваться по линейному закону, поскольк конденсатор 11 перезаряжается постоянны по величине током-IP . Ток перезаряда конденсатора УПЬ Так как токи заряда и разряда коноенсатора 11 равны по величине то нарастания и уменьшения напряжения Уц одинаковы. Нарастание напряжения 0 про исхоишт 00 тех пор, пока оно не достигне положительного порога переключения Uj ре лейного элемента 16 (момент времени tn на временной диаграмме). После этого ре лейный элемент 16 скачком переходит в сосгояние положительного насыщения воэ вращая переключатель 13 в положение, при котором инвертирукхаий вход интеграт ра 10 вновь подключается к выходу диоп кого ключа 26 и начинается очередной 1ШКЛ заряда конденсатора 11. Таким офазом, под действием выхоо. ногр напряжения Uj диодного ключа 26 в схеме возникает периодический процесс, в результате которого выходное нагряжение интеграторе; изменяется по пилообраэЬому закону в пределах ширины петли гис терезиса л релейного элемента 16 ( л )1). При равенстве сопротивлений резисторов 29 и 30 и одинаковых ток ах зарява 1 и разряда р в схеме имеют место симметричные колебания с равными олятельностями положительных и отрицательных 1юд}Г|1ериодов, причем частота колебаний прямо пропорциональна Bxoq ному напряжению L где С - емкость конденсатора 11. Сигнал с выхода релейного элемента 16 поступает на усилитель мощности 1 вепосреоственно н на усилитель мсиднос№ 2 через инвертор 5. Два другие усяявтеяя мощности 3 и 4 подучают сигнал с усяштеля 17, который при разомкнутом ключе 25 работает в режиме усиштеля - ограничителя с инвертировавЭием выходного напряжения интегратора 10. Действительно, при выключенном транзисторе 25 напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 18 превалирует над напряжением на неинвертиру кяцем входе, посколыу на неинвертирую щем входе включен резистивный делитель напряжения 20 и 22. Как .видно из временных диаграмм на фиг. 2, ни выходе усилителя 17 формирую ется напряжение прямоугольной формы. совпадающее по частоте с выходаым напряжением интегратора и сдвинутое относительно выходного напряжения релейного элемента 16 на угол- (основание по фазе). В этом сдучае обмотки управления ШД переключаются в последовательности Г-II ni-U,ltl-W,1V-I ,Г-11 , что .соответствует прямому вращению двигатеда. Работа схемы при положительном напряжении Ugx 7 (3 (Ф б) происходит аналогичным образом с той лишь разницей, что диодный ключ 26 разомкнут, а транзисторный ключ 25 замкнут, При этом на вход переключателя 13 поступает положительное входное напряжение через замкнутый транзисторный ключ 34. Действительно, при Ug О операционный усилитель 27 охватывается нелиней)ной отрицательной обратной связью через диод 33 и стабилитрон 32, в резул тате чего на. выходе усилителз 27 возникает отрицательное напряжен, опредеЛ51емое опорным напряжением U стабилитрона 27 (Urj-yi Uo). Это напряжение как. отмечалось выше, закрьюает диод 31, разрывая цепь отрицательной обратной связи через резисторы 29 и ЗО. В то же время отрицательное напряжение открывает транзистор 34 и входной сигнал Ugx поступает на вход переключателя 13 так, что Un.t, Uj. Кроме того, благодаря тому, что при отрнцвтедьнрм напряжении транзистор 25 находится в. замкнутом положении, выходной сигнал интегратора 10 проходит только на наинвертирующий вход операционного усидателя 18. Поэтому уситгатель 17 форм1фует прямоугольное напряжение, с(жпадающее по фазе с выходным напряжением интегратораU и опережающее вьосодное напряжение решйного элемента 16 на угол . В результате обмотки управлэния ШД переключаются.. последовательности -П ,I-lV,W-lll. Ш-И,(фиг. 2), т.е. вращение двигателя изменяется на противоположное. Такнм образом, предлагаемое устрой ство обеспечивает изменение направления 9 вращения овигагеля при изменении знака входного сигнала, причем скорость вращения регулируется прямо пропорциональ но вхошому напряжению. По сравнению известньтм устройство отличается более простой и в то же время более точной и технологичной схемой. Формула изобретения Устройство для управления четырех- фазным двигателем переменного тока, с держащее усилители мощности, двухвходовой интегратор с переключателем на инвертирующем Bxoaej снабженным цепямиуправления, релейный элемент, усилитель с изменением знака коэффициента передачи, операционный усилитель с диодным ключом и входную шину, о т л и чающееся тем, что, с целью упрощения схемы и повышения точности. 210 введен дополнительный транзисторный ключ, соединяющий входную шину с входом переключателя, и инвертор, соединенный входом с выходом релейного элемента, а выходом - с одной из цепей управления переключателя, причем выход операционного усилителя соединен с входом транзисторного ключа, а цепь обратной связи включает в себя два последовате/ьно соединенных с диодо.м резистора, общая точка соединения которых подклн чена к неинвертирующему входу интегратора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под ред. М, Г. Чипикина. М., Энергия, 1971, с. 213-244. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2702729/24-О7; кл. Н О2 Р 7/62, 1978.

фиг.1