Устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока

Устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(19) (II) ГОСУДАРСТВЕН.(ЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С д

СР бЭ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4489885/07 (22) 03.10.88 (46) 15.02.92. Бюл. f4 6 (71) Научно-производственное объединение

"Энергия" (72) С.И.Григорьев, Э.Г.Кузнецов и В.К.Ковалев (53) 62-83:621.313. t3,014(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hL 738059, кл. H 02 К 29/00, 1980.

Патент США f4 4066935, кл. Н 02 К 29/00, 1978.

Заявка ФРГМ 2403432, кл. Н 02 К 29/02, 1975, Проспект фирмы РАР$Т МОТОЯЕЧ KG, . ФРГ, 1986.

{54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим. машинам постоянного тока с бесконтактной коммутацией секций якорной обмотки, и может быть

У (sI)s H 02 К 29/06, Н 02 Р 6/02 использовано в качестве исполнительных устройств в различных системах автоматики. Целью изобретения является.уменьшение энергопотребления и повышение надежности. Для этого в устройстве узел токоограничения 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 импульс» ных нагрузок) происходит циклическое, с частотой работы управляемого генератора отключение источника питания обмоток 2 бесконтактного двигателя. 6 ил.

1713038

Недостатками указанного технического. 20

35

55

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам постоянного тока с бесконтактной коммутацией секций якорной обмотки, и может быть использовано s 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 элементы РАВНОЗНАЧНОСТЬ или

НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, усилитель мощности (инвертор) и синхронный двигатель, питаемый напряжением от m-фазного инвертора с постоянной частотой. решения являются плохая пусковая характеристика, обусловленная вхождением двигателя s 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 на трех элементах Холла, сигналы которых форми. руются в последовательность импульсов (напряжений), фаза которых может инвертироааться в зависимости от полярности вход-. ного сигнала управления, средство возбуждения. обмотки статора током, величина которого соответствует абсолютному значению входного сигнала управления, и узел управления (компарэтор), обеспечивающий 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 тэк как выходные транзисторы усилителя работают в линейном режиме, то это ведет к увеличению энергопотребления, снижению надежности.

Известен двигатель постоянного тока с многофазной обмоткой и блоком коммута5

I ции, управляемый от датчиков Холла, который содержит четырехлучевую статорную обмотку, датчик положения ротора, выполненный на двух элементах Холла, выходные сигналы которых формируются в две последовательности импульсов, подаваемые на декодер, с выхода которого четыре последовательности сигналов со сдвигом в 90 зл.град, подаются на силовые транзисторы, коммутирующие статорную обмотку.

Реверсирование направления вращения осуществляется изменением полярности на вторых объединенных входах двух логических элементов ИСКЛ ЮЧАЮЩЕ Е

ИЛИ.

Недостатками данного технического решения являются: низкий коэффициент использования меди статорной обмотки зэ счет питания каждой секции а течение 1/4 периода, что ведет к увеличению массогэбаритных параметров двигателя; большая пульсация частоты вращения, обусловленная в 90 эл.град. коммутационными интервалами; отсутствует защита двигателя при

его пуске или перегрузке, что ведет к снижению надежности.

Наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности устройство содержит мостовой каскад возбудителя на транзисторах разного типа проводимости, выходы которого подключены к секциям статорной обмотки; три последовательности сигналов с датчика положения ротора подаются нэ входы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, по объединенным вторым входам которых осуществляется реверсироаание направления вращения; декодер, входы которого соединены с выходами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выходы — с транзисторамимостоаого возбудителя (усилителя); измерительный резистор, включенный между общим входом силовых транзисторов возбудителя и общей виной питания; компаратор напряжения, один из входов которого подключен к измерительному резистору, другой — к опорному напряжению, а выход соединен с управляющим входом,токоограничительного транзистора.

Змиттер-коллекторные переходы T0Koofра ничительного транзистора включены в цепь питания первых трех транзисторов уп равления силовых ключей анодной шины возбудителя.

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

1713038 прекращается. При сигнале с измерительного резистора меньше уровня опорного напряжения компаратор 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 тока 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 двухаходовых логических элементов ИКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛ И, 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. укаэанный 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 ЗИЛИ-НЕ через вновь введенный переключатель связаны с выходом узла управления частотой 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.3—

10 эпюры .напряжений на выходах основных функциональных узлов устройства при отсутствии ограничения тока; на фиг.4 — эпюры напряжений на выходах основных функциональных узлов устройства при на15 личии ограничения тока; на фиг,5 —, временная зависимость пускового тока двигателя; на фиг.6 — пример выполнения управляемого генератора серии импульсов.

Устройство содержит мостовой комму20 татор 1 на транзисторах с выходами для подключения к якорной обмотке 2 двигателя

3; датчик 4 положения ротора, выходы которого соединены с первыми входами двухаходовых логических элементов

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

30 объединенные входы логических элементов

7 подключены к выходу узла 8.токоограничения, выполненного в виде управляемого генератора серии импульсов, а третьи объеди 1енные входы логических элементов

35 ЗИЛИ-НЕ 7 через переключатель подключены к общему выводу узла 9 управления частотой вращения, выполненного в виде, например, электронного устройства с выходом напряжений "0" (низкого) или "1" (высо40 кого) уровней; декодер 10, входы которого соединены с выходами логических элемен- . тов ЗИЛИ-НЕ 7, а выходы — с входами мостового коммутатора 1, первый из силовых входов которого соединен с первой шиной

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

50 Устройство для управления бесконтактным двигателем постоянного тока в зависи- . мости от положения переключателей, функционально относящихся к узлам 6 и 9, может работать в следующих режимах: 1)

55 при отсутствии ограничения тока; 2) в режиме ограничения тока; 3) в режиме управления частотой вращения.

Схема трехфазного-мостового коммутатора, приведенная на фиг.2, имеет управляющие входы Uy>...Uó6 и силовые

1713038 относительно анодной и катодной шин питания. Транзисторы коммутатора 1 выполняют функцию силовых ключей. Диоды, шунтирующие коллектор-эмиттерные переходы силовых транзисторов, предназначены для их защиты в момент запирания от действия ЭДС самоиндукции, возникающей в якорной обмотке 2 двигателя 3, фазы которой подсоединены к соответствующим выходам И...F3 коммутатора 1.

Эпюры напряжений на выходе основных узлов устройства в зависимости От угло ваго положения (И1)ротора двигателя при отсутствии ограничения тока и управления частотой вращения, приведенные на фиг,Ç, соответствуют работе бесконтактиого двигателя на естественной характеристике и работе устройства в первом режиме. На фиг.За представлены эпюры напряжений на выходах датчика 4 положения ротора, выполненного, например, на магнитоуправляемых, элементах. Эти напряжения имеют

1 форму меандра с длительностью импульса напряжения в 180 эл.град. и сдвинуты по фазе одно относительно другого на 120 эл. град.

При наличии логического нуля на вторых обьединенных входах логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 их выходные напряжения, изображенные на фиг.36, повторяют напряжения, приведенные на фиг.За.

В первом режиме рабаты устройства на вторых и третьих объединенных входах логических элементов ЗИЛИ-НЕ 7 напряжение имеет, низкий уровень (фиг.Зв). С учетом выполняемой ими функции у= x1vx2vx3 (1) напряжение на выходе каждого из указанных логических элементов 7 представляет собой напряжение, инвертированное относительно входного. Напряжения, - изображенные на фиг.3, являются входными для декодера 10, а напряжения на фиг.Зд, е— выходными. Этим характеризуется логическая функция декодера 10, который может быть выполнен, например, с использованием двоично.-десятичного дешифратора,трех логических элементов 2ИЛИ-HE и трех логических элементов 2ИЛИ, При этом напряжения на выходах элементов 2ИЛИ-HE формируются в соответствии с приведенными на фиг.Зд. а напряжения на выходах элементов 2ИЛИ вЂ” в соответствии приведенными на фиг.Зе.

С учетом приведенной на фиг.2 схемы коммутатора 1 и эпюр напряжений (фиг.Зд,е) открытое состояние каждого из транзисторов соответствует углу в 120 эл,град. При этом транзисторы одного типа проводимости открываются се сдвигом по фазе в 120 эл.град., а транзисторы разного типа проводимости, включенные последовательно, со сдвигом по фазе в 180 эл.град.

5 Такая зависимость между напряжениями на выходе датчика и положения ротора и напряжениями на выходе декодра 10, а соответственно, коммутатора 1 позволяет обеспечить вращающий момент двигателя 3

10 и является характерной для работы бесконтактных двигателей.

При наличии на выходе задатчика 6 направления вращения высокого уровня напряжения и сохранении начальными других

15 условий эпюры напряжений, изображенные на фиг.36, r, д. е, сдвигаются на 180 эл,град. (инвертируются), что приводит к изменению направления вращающего момнета двигателя.

20 . Эвюры напряжений, изображенные на фиг,За.б, справедливы и для других режимов работы устройства, B режиме ограничения тока устройство работает при пуске или перегрузке двигате25 ля, когда падение напряжения на измерительном резисторе 11 превышает уровень ограничения. В этом случае на выходе управляемого генератор 8 формируются импульсы напряжения высокого уровня

30 (фиг.4а). При этом напряжения на выходе элементов ЗИЛИ-HE 7(фиг.46) и на выходах „, декодера 10(фиг.4в,г) являются запираю щими для транзисторов коммутатора 1, при закрытом состоянии которых якорная об35 метка 2 отключается. от источника питания.

На фиг.5 представлена временная зависимость тока в якорной обмотке 2 двигателя3 при его пуске и наличии ограничения тока.

40 . При низком уровне напряжения на выходе управляемогогенератора 8 якорная обмотка 2 подключена к источнику питания через верхний и нижний открытые транзисторы разных плеч мостового коммутатора

45 1 и измерительный резистор 11, при этом ток в обмотке нарастает по экспоненте в .сеответствиис выражением

50 " " 2 Кф+й

fg = н + — "— — - - 1"a, где 1я — начальный ток в обмотке при ее подключении к источнику питания;

Евр — ЭДС вращения двигателя, про55 порциональная его частоте вращения;

Т1- постоянная времени нарастания тока в обмотке двигателя, Т1 2(ф/(2Кф+ К . );

Еф и Вф- индуктивность и активное сойротивление одной фазы обмотки;

1713038

R — сумма сопротивлений измерительЕ ного резистора. внутреннего сопротивления источника питания и эквивалентного сопротивления двух открытых транзисторов.

При появлении высокого уровня напряжения на выходе 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, описываемой выражением (""+E " + й)(1 — I. ç

2йф RT, где 1я .— начальный ток в обмотке двигателя

1 . при ее отключении от источника питания;

ILUTE — падение напряжения на диоде в прямом направлении;

R —. сумма сопротивлений измерительХ ного резистора 11 и внутреннего сопротивления источника питания;

Т2 2бф/(2Яф + R ) — постоянная времеви спадания тока в обмотке двигателя.

Пример выполнения управляемого генератора серии импульсов приведен на фиг.6, Генератор выполнен на базе однопорогового компэратора ОА. Элементы R5, С2 выполняют функцию внешних связей и являются элементами коррекции. Прямой вход компаратора соединен с резистором

12 связи, указанным выше. Элементы RÇ и

С1 выполняют роль фильтра. Инвертирующий вход коипараторэ соединен со средней точкой делителя напряжения на резисторах

R1, R2, напряжение на котором стабилизируется с помощью стабилитрона VD1 и резистора R4. При этом падение напряжения на резисторе.R2 является опорным напряжением (U0 ) генератора, а падение напряжения. на измерительном резисторе— входным напряжением (U») генератора, определяющим напряжение на прямом входе компаратора. Управляемый генератор 8 возбуждается благодаря наличию внутренних распределенных R» и С н параметров микросхемы, а также наличию обратных связей на RS, С2 внешних элементах при условии Овх >Мог. При этом длительность (г) импульсов напряжения высокого уровня нэ выходе генератора определяется из выражения

t (Свя + C2)85/Rsg (4), а частота (фтенератора — параметрами элементов 12, Я5, С2 и имеет прямую зависимость от входного напряжения генератора.

45 щее мостовой коммутатор на транзисторах разного типа проводимости с выходами для

50 подключения к якорным обмоткам бескон10

С учетом приведенных выше выражений для нарастания и спадания тока обмотки 2 двигателя 3 с увеличением частоты и уменьшением длительности импульсов напряжения 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.

Для ограничения тока двигателя нэ заданном уровне заполнение / = е f (! ) импульсов генератора 8 при его возбуждении выбирается таким, чтобы при Esp " 0 приращение тока за время т было меньше по абсолютной величине приращения тока за время паузы. При этом генератор 8 работает в режиме циклического срыва генерации, а поддержание заданного уровня 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 обьединенных третьих входах 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.

Формула изобретения

Устройство для управления бесконтакт-. ным,двигателем постоянного тока, содержатактного двигателя, датчик положения ротора бесконтактного двигателя, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы которых подключены к выходу задэтчика направления вращения, декодер,выходами соединенный с управляющими входами мостового коммутатора, силовые входы которого сое1713038

1КВ/40

Zing nP заир тис/г//-каи

2V Жал.-ЮФ мгик/и-uriI// динены с источником питания, измерительный резистор; включенный между одним из силовых входов мостового коммутатора и общей шиной источника питания, узел токоограничения, отличающееся тем,что, 5 с целью уменьшения энергопотребления и повышения надежности, узел токоограничения выполнен в виде управляемого генераторэ серии импульсов и введены три логических элемента ЗИЛИ-НЕ и узел уп- 1l0 рэвления частотой вращения, первые входы логических элементов ЗИЛИ-ИЕ соединены с выходами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; вторые входы логических элементов ЗИЛИ-HE обьединены и подключены к выходу управляемого генератора серии импульсов, вход которого соединен с общей точкой измерительного резистора и упомянутого силового входа мостового коммутатора, а обьединенные третьи входы логических элементов ЗИЛИ-НЕ через вновь введейный переключатель связаны с выходом узла управления частотой вращения и общей шйной источника питания.

1713038

1713038

Составитель С,Григорьев

Техред М.Моргентал Корректор А.9саулемко

Редактор А.Маковская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 541 Тираж Подписное

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5