Реверсивный вентильный электродвигатель

 

РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЖКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные задатчик скорости , элемент сравнения, предварительный усилитель, синусно-косинусный датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора постоянного TOKaj выход .которого через блок изменения знака соединен со входом элемента сравнения, а также блок определения направления вращения , содержащий два релейных элемента , входы которых связаны с выходом датчика положения ротора, а выходы соединены с соответствующими входами дешифратора, выход которого, в свою очередь, подключен к управлякяцему входу блока изменения знака, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности стабилизации скорости, он дополнительно снабжен блоком определения знака напряжения и двумя последовательно соединенными блоками умножения и фильтрами нижних частот, выходы которых подключены ко входам соответствующих релейных элементов, причем (Л первые входы блоков умножения соединены с .соответствукщими выходами синусно-косинусного датчика положения ротора, а вторые входы объедине§ ны и соединены через блок определения знака напряжения со входом синусно-косинусного датчика положения ротора. 00 о 9 О ;о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

4««4

РЕСПУБЛИН

0% (11) ц11 Н 02 К 29 02 Н 02 P 6/02 с

t.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4 AOTOPCtlOMV 44444TKllhCTOV

ВЮ ««

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ блок определения направления вращения, содержащий два релейных элемента, входы которых связаны с выходом датчика положения ротора, а выходы соединены с соответствующими входами деши9ратора, выход которого, в свою очередь, подключен к управляющему входу блока изменения знака, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности стабилизации скорости, он дополнительно снабжен блоком определения знака напряжения и двумя последовательно соединенными блоками умножения и фильтрами нижних частот, выходы которых подключены ко входам соответ- Я ствующнх релейных элементов, причем первые входы блоков умножения соединены с соответствующими выходами синусно-косинусного датчика положения ротора, а вторые входы объедине- Я

Мю ны и соединены через блок определения знака напряжения со входом синусно-косинусного датчика положения ротора. (21) 3630903/24-07 (22) 10. 08. 83 (46) 30. 12.84. Бюл. В 48 (72) Ю.П. Лукин, А.Г. Иикеров и Г.Е. Хоха ..(53) 621.313 ° 13.014.2,621.382 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР и 197313, кл. С 01 Р 3/46, 1966.

2. Михалев А.С. и Ииловзоров В.П.

Следящие системы с бесконтактными двигателями постоянного тока. И., "Энергия", 1979, с. 57-62.

; (54)(57) РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные задатчик скорости, элемент сравнения, предварительный усилитель, синусно-косинусный датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора постоянного тока, выход .которого через блок изменения знака соединен со входом элемента сравнения, а также

1132329

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к электрическим двигателям постоянного тока с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов. Оно предназначено для использования преимущественно в электрических машинах, работающих в качестве реверсивных исполнительных двигателей систем управления объек- 10 тов различного назначения со стабилизированной скоростью вращения.

Известен также реверсивный вентильный электродвигатель с нереверсивным тахогенератором постоянного тока и блоком изменения знака, управление которым осуществляется от логического блока определения направления вращения электродвигателя f1) .

Недостатком этого электродвигателя является наличие дополнительного датчика положения ротора электродвигателя, входящего в блок определения направления вращения. 25

Наиболее близким по назначению и технической сущности является реверсивный вентильный электродвигатель, в котором определение направления вращения электродвигателя 30 осуществляется по сигналам основного датчика положения ротора вентильного электродвигателя.

Известный вентильный электродвигатель содержит, последовательно соединенные задатчик скорости, элемент сравнения, предварительный уси- . литель, синусно-косинусный датчик положения ротора (ДПР) с выходами на постоянном токе, полупроводниковый 40 коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного. тахогенератора постоянного тока, выполненного, например, на базе синхронного генератора и выпрямителя выход которого через блок изменения знака соединен с вторым входом элемента сравнения.

Кроме того, электродвигатель содержит блок определения направления вращения, состоящий из дешифратора, выход которого подключен к управляющему входу блока изменения знака; а входы подсоединены через два однополярных релейных элемента и к синусному и косинусному выходам ДПР соответственно, которые подключены также через коммутатор к двум соответствующим секциям и обмотки якоря синхронной машины, расположенной на статоре, а ротор синхронного двигателя кинематически связан с ДПР (2).

Недостатком этого известного вентильного электродвигателя является низкая точность стабилизации скорости, вызываемая нестабнльностью работы блока определения направления вращения при изменении знака ошибки.

В известном вентильном. электродвигателе уменьшение напряжения уставки может сопровождаться не уменьшением, а увеличением скорости поскольку при изменении зна-, ка рассогласования. одновременно меняют знак напряжения на обоих выходных каналах датчика, что вызывает появление ложного сигнала на выходе блока определения направления вращения. Дпя обеспечения стабильной работы электродвигателя необходимо уменьшение добротности (усиления) в замкнутом контуре регулирования скорос-. ти, что приводит к снижению точности стабилизации скорости.

Цель изобретения — увеличение точности стабилизации скорости реверсивного электродвигателя путем повышения устойчивости замкнутого контура регулирования.. Поставленная цель достигается тем, что в реверсивном вентильном электродвигателе, содержащем последовательно соединенные задатчик скорости, элемент сравнения, предварительный усилитель, синусно-косинусный датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора постоянного тока, выход которого через блок изменения знака соединен со входом элемента сравнения, а также блок определения направления вращения, содержащий два релейних элемента, входы которых связаны с выходом положения ротора, выходы их соединены с соответствуняцими входами дешифратора, выход которого. подключен к управляющему входу блока изменения знака, дополнительно снабжен блоком определения знака напряжения и двумя последовательно соединенными блоками умножения и фильтрации нижних частот, выходы

3 11323 ! которых подключены ко входам соответствующих релейных элементов, причем первые входы блоков умноже.ния соединены с соответствующими выходами синусно-косинуснога датчика положения ротора, а вторые входы объединены и соединены через блок определения знака напряжения со входом синусно-косинусного датчика положения ротора. 10

На фиг. 1 представлена функциональная схема реверсивного вентильного электродвигателя на фиг.2, 3 и 4 — части принципиальной . электрической схемы функциональных блоков, реверсивного вентильного электродвигателя, на фиг.5 и 6— принципиальная электрическая схема

- дешифратора; на фиг.7 — временные диаграммы, поясняющие работу устрой- 2б ства.

Реверсивный вентильный электродвигатель содержит (фиг.1) последовательно соединенные задатчик 1скорости, элемент 2 сравнения, пред- 25 варительный усилитель 3, синусно-косинусный датчик 4 положения ротора (ДПР) с выходами на постоянном токе (выполненный, например, в.виде двух датчиков Холла или синусно-косинусного вращающегося трансформатора с модулятором на входе) перед первичной обмоткой и:двумя фазочувствительными выпрямителями, подключенными к его вторичным обмоткам, полупроводниковый коммутатор 5, двухфазную синхронную машину 6 и датчик 7 скорости в виде нереверсивного тахогенератора постоянного тока, выход кото" рого через блок 8 изменения знака 4О соединен со входом элемента 2 сравнения. Электродвигатель содержит, кроме того, блок 9 определения направления вращения, состоящий из дешифратора 10, выход которого под- 45 ключен к управляющему входу блока 8 изменения знака, а входы подсоединены к выходам двух релейных элементов 11 и 12,. ДПР 4 своими выходами 13 и 14 через усилитель 5 связан с фазами 15 50 и 16 синхронной машины 6, на роторе

17 которой, содержащем постоянный магнит, расположен тахогенератор 7.

В отличие от известного электродвигателя блок 9 определения направ- 55 ления вращения дополнительно снабжен блоком 18 определения знака (фазы) входного напряжения U ÖÏÐ 4, 29 4 и двумя блоками 19 и 20 умножения, выходы которых соединены соответственно через фильтры 21 и 22 нижних частот со входами релейных элементов 11 и 12, причем первые входы блоков 19 и 20 умножения подключены к соответствующим выходам ДПР 4, а вторые входы объединены и соединены через блок 18 определения знака напряжения со входом ДПР 4.

Датчик 7 скорости может быть выполнен в виде синхронного тахогенератора, подключенного к выпрямителю.

Кроме того, может быть применена схема фиг.2, не требующая дополнительной электрической машины (тахогенератора). В этом случае секции

15 и 16 обмотки якоря синхронного двигателя 6 имеют средние точки, соединенные с общей шиной 23, а выходы 24-27 подключены к соответствующим выходам однополярных усилителей 28-31 постоянного тока, входящих в коммутатор 5, входы которых подключены к выхоцам ДПР 4 для усилителей 28 и 30 непосредственно, а для усилителей 29 и 31 через инверторы 32 и 33. В этом случае датчик 7 скорости выполняется в .виде выпрямителя фазных ЭДС на диодах 34-37, нагруженного на

RC- или LC-фильтр 38.

Блок 8 изменения знака (фиг.3) содержит операционный усилитель 39 с единичным коэффициентом усиления, оба входа которого соединены с выходом датчика 7 скорости, а неинвертирующий вход соединен также с общей шиной 23 через ключ, выполненный на транзисторе 40. База транзистора через компаратор 41, снабженный потенциометром 42 для регулировки порога срабатывания, подключена к выходу дешифратора 10.

Аналогично выполнены и блоки 19 и

20 умножения. Они содержат (фиг.4) операционный усилитель 43 с единичным коэффициентом усиления, оба входа которого соединены с соответствующим выходом ДПР 4, а неинвертирующий вход соединен также с общей шиной 23 через ключ, выполненный на транзисторе 44. База транзистора

44 соединена с выходом блока 18 определения знака напряжения, выполненного на компараторе 45.

Фильтры 21 и 22 нижних частот могут быть выполнены в виде RC3 11 (фиг. 4) или ЬС-фильтров, а релейные элементы 11 и 12, например, в виде компаратора 46, выход которого через пороговый элемент (диод 47) подключен к базе транзистора 48, коллектор которого, соединен со входом дешифратора 10. Дешифратор 10 (фиг.5) собран, например, на четырех D-триггерах 49-52, прямые и инверсные (отмечены кружком) выходы которых объединены соответственно на элементах И 53 и 54. Инверсные выходы этих элементов соединены через разностные преобразователи

55 и 56 соответственно с R- u S-входами RS-триггера 57. D-входы триггеров 49 и 50 соединены со входными шинами с1 — 58 и 1 — 59 непосредственно, а D-входы триггеров 51 и

52 через инверторы 60 и 61, выходы которых образуют шины с и d — 62 и 63, С-входы триггеров 49-52 соединены через разностные преобразователи 64-67 соответственно с шинами с1,Ъ,с и о 58, 59, 62 и 63.

Выход RS-триггера 57 подключен к первому входу элемента И 68, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами элементов И, 53 и 54, а выход подключен .через первый вход элемента ИЛИ, 69 к выходу дешифратора 10. Второй вход элемента ИЛИ 69 соединен с выходом элемента И 53 через инвертор

70.

Разностные преобразователи 55,.56, а также 64-67 предназначены для формирования коротких положительных импульсов на выходах при появлении положительных импульсов на входах они могут быть построены, например, на двух логических элементах: инверторе 71 и элементе И, 72 (фиг.6), выход первого из которых соединен с первым входом второго элемента 72 через RC-цепь 73 и 74, второй вход которого соединен с входами первого элемента 71 и подключен к входу рассматриваемого преобразователя.

Выходом "=того разностного преобразователя являет:я выход элемента И 72.

В качестве разностного преобразователя может быть также использована стандартная микросхема (например . типа 134ХЛ2).

Условием правильной работы вентильного электродвигателя является выбор постоянной времени Т, фильт32329

55 ров: 2 1 и 2," нижних частот из неравенства t > « Т 4< <, где Т вЂ” период

Т изменения гармонйческих напряжений, определяемый скоростью вращения электродвигателя; г „ — время срабатывания блоков 19 и 20 умножения при изменении знака напряжения ошибки.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Сигнал уставки скорости U (фиг.1), выработанный задатчиком 1 скорости, сравнивается в элементе 2 сравнения с напряжением обратной связи У

Полученный при этом сигнал ошибки поступает через предварительный усилитель 3 на вход ДПР 4, в результате чего на его выходах образуются напряжения Пб и 0 7изменяющиеся погармоническому закону, но сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. град. Пройдя через полупроводниковый коммутатор 5 (фиг.1 и 2), эти напряжения поступают в секции 15 и 16 обмотки статора синхронной машины

6, образуя в его расточке статора вращающееся поле, взаимодействие которого с полем, создаваемым постоянными магнитами ротора 17, образует постоянный вращающий момент электродвигателя, приводящий его

> ротор 17 во вращение. При этом фазные ЭДС, наводимые в секциях 15 и

16 статора (фиг.2) снимаются через диоды 34-37 датчика.7 скорости и поступают через фильтр 38 на вход блока 8 изменения знака в виде отрицательного напряжения, модуль. среднего значения ноторого р ), пропорционален скорости вращения ротора 17 электродвигателя.

При соответствующем "0" состоянии на выходе дешифратора 10, компаратор 41 (фиг.3} имеет на выходе положительное напряжение вследствие положительного смещения на его неинвертирующем входе. Если предположить,. что ключ, собранный на транзисторе

40, открывается напряжением отри" цательной полярности и закрывается напряжением положителЬной полярности, то при "0" состоянии на выходе дешифратора 10 ключ 40 закрыт, поэтому операционный усилитель 39 работает в неинвертирующем режиме и напряжение обратной связи 1„ имеет отрицательную полярность.

При "1" состоянии на выходе дешиф1132329 ратора 10 формируется положительное напряжение, при этом ключ 40 открыт, операционный усилитель 39 работает в инвертирующем режиме и напряжение обратной связи Uo имеет положиос

5 тельную полярность.

При вращении двигателя 6 по часовой стрелке напряжения U на выходах ДПР 4 (фиг. 1) имеют вид гармонических напряжений (фиг.7 а,б). При 1Р этом напряжение ошибки Ug и входное напряжение U „ EgIP 4 имеют положительную полярность Если предположить, что ключ, собранный на транзисторе 44 (фиг.4) открывается на- 15 пряжением отрицательной полярности и закрывается напряжением положительной полярности, а ключ, собранный на транзисторе 48, наоборот, открывается напряжением положитель- 20 ной полярности и закрывается напряжением отрицательной полярности, то при .положительном знаке напряжения

U ключ 44 закрыт, операционный в усилитель 43 работает в неинверти- 25 рующем режиме, поэтому при положительной полуволне напряжения U> формируется положительный импульс напряжения Уо на выходе релейного элемента 11 (фиг.7 6 ), а при отри- Зр цательной полуволне напряжения U>„ напряжение U на выходе релейного элемента 11 близко к нулю, так как ключ 48 открыт (фиг.76 ) .

Аналогичным образом работает и последовательная цепь, состоящая из блока 20 умножения (фиг.4), фильтра 22 нижних частот и релейно. го элемента 12.

При изменении знаков .напряжений 40 ошибки Ug и входного напряжения Бз„ в момент t с положительного на отри1 цательный ключ 44 открывается (фиг.4) операционный усилитель 43 работает в инвертирующем режиме и 4> положительные импульсы напряжения на выходе релейного элемента 11 будут появляться уже при отрицательной полуволне напряжения U (фиг.7 Ь ), поэтому вид и последовательность N импульсов напряжений U и Ub не изменится (фиг.7 Ь,z) несмотря на изменение знака напряжения ошибки, и будет определяться только направлением вращения двигателя 6. Возмож- 55 ная неопределенность выходного напряжения блоков 19 и 20 умножения при прохождении напряжения Пя„ через нуль устраняется фильтрами 21 и 22, которые предотвращают кратковременные ложные срабатывания релейных элементов 11 и 12 в момент изменения знака ошибки. Разностные преобразователи 55, 56 и 64-67, входящие в состав дешифратора 10 (фиг.5), работают следующим образом. При нулевом сигнале на входе конденсатор 74 (фиг.6) заряжен до напряжения, соответствующего логической "1", на выход де инвертора 71, однако на выходе элемента И 72 имеется нулевое на- пряжение, вследствие нулевого напряжения на его втором входе. При появлении на входе разностного преобразователя сигнала логической "1" на выходе элемента И 72 также появляется сигнал "1", который, однако, через время о сменяется сигналом "0" из-за разряда конденсатора

74 до "0" уровня сигнала на выходе инвертора 71. Таким образом, появление длинных импульсов на входах разностных преобразователей сопровождается короткими импульсами на его выходах (фиг.7яс для разностного преобразователя 66).

Дешифратор !О работает следующим образом.

При вращении двигателя 6 по часовой стрелке на шинах а и be. и

58-63 (фиг.5) формируется последовательность импульсов J --g- Ь-а-4 ... (фиг.7 Ь-e), что переводит все

D-триггеры 49-52 в состояние "0" на прямых выходах и ™1". на инверсных.

Следовательно, инверсные выходы элементов И 53 и 54 имеют состояния "1" и "0" соответственно и выходной элемент 69 находится в состоянии "0", (что соответствует отрицательному знаку напряжения

U ) вследствие "0" сигнала на выходах элементов 68 и 70. При этом

RS-триггер 57 находится в произвольном состоянии "0" или "1".

При изменении направления вращения двигателя 6, т.е. при его вращении против часовой стрелки последовательность импульсов на шинах 58-63 принимает вид а-Ь-e-j-g..., что сразу приводит к изменению состояния одного из D-триггеров 49-52, т.е. появлению сигнала "1" на его прямом выходе и "0" Hs инверсном.

Следовательно, на выходах обоих элементов И, 53 и 54 появятся сигна9 11 лы "1". Нетрудно убедиться, что сигналы "1" на выходах элементов 53 и 54 всегда одновременно появляются при реверсе в любом направлении . двигателя 6. В рассматриваемом случае реверса в сторону вращения против часовой стрелки изменяется состояние элемента 54 с "0" на "1", что приводит к появлению короткого импульса на выходе раэностного преобразователя 56 и установке RS-триггера в состояние "1". Следовательно, на всех входах элемента И 68 появляются "1", что вызывает появление сигнала "1" на выходе дешнфратора и, следовательно, изменению знака напряжения обратной связи Ub с отрицательного на положительный., При дальнейшем вращении двигателя 6 против часовой стрелки через время Т после реверса (когда последует не менее 4-х импульсов последовательности с1- Ь- с-4-д ...) все D-триггеры 49-52 переходят в состояние

"I" на прямых выходах, что приводит к появлению на выходах элементов И

53 и 54 сигналов "0" и "1" соответственно и сигнала "0" иа выходе элемента 68. Однако на выходе дешифратора сохраняется сигнал "1" за счет

"1" сигнала на выходе инвертора 70.

Аналогичньач образом осуществляется работа депыфратора 10 при реверсе в сторону вращения по часовой стрелке. Таким образом, сигнал на выходе дешифратора всегда соот

32329

)О ветствует направлению вращения двй= гателя 6, а время изменения сигнала на выходе дешифратора 10 не превышает Т/4 — четверти периода иэS ..менения гармонических напряжений

U и U . При этом изменение знака сигнала ошибки в отличие от известного электродвигателя не сопровождается ложными изменениями сигнала на выходе дешифратора 10.

Положительный эффект от изобретения заключается в повышении стабильности контура регулирования скорости вращения путем устранения возможности ложного изменения знака напряжения обратной связи при изменении знака сигнала ошибки. Это позволяет увеличить добротность (усиление) в замкнутом контуре регулирования и тем самым повысить точность стабилизации скорости.

Применение данного электродвигателя позволяет повысить более чем в 8 раз добротность контура регулирования скорости по сравнению с известным и, следовательно, во столько же раз повысить точность стабилиза- ции скорости при изменении момента нагрузки и коэффициентов передачи

30 элементов вентильного электродвигателя от воздействия климатических факторов.

Кроме того, в веитипьном электродвигателе может быть упрощена по сравнению с известным, схема датчика положения ротора (ДПР).

1132329

1132329

f7 6

3aepuwg 7i

ebtev

1132329

1132329.

Фиг.S (®6Ф-Ю

Фиг.ю

11323?9

Составитель А. Санталов

Техред М. Гергель Корректор Л. Пилипенко

Редактор А. Долинич

Заказ 9803/43

Тираж 666 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4