Устройство для управления электродвигателем постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления электроприводом постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. Цель изобретения - повышение надежности за счет исключения режима сквозных токов. Ввдение узла цифровой задержки и формирователя импульсов управления позволяет исключить возможность протекания сквозных токов ввиду того, что импульсы управления, поступающие на эмиттер-базовые переходы транзисторных ключей мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя, не перекрываются в момент переключения, а длительность бестоковых пауз может устанавливаться оптимальной. Кроме того, данное устройство позволяет использовать один генератор импульсов как для заполнения реверсивного счетчика, так и для формирования периода широтно-импульсной модуляции, что повышает надежность работы устройства. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РеспУБлик (19) (11) (st)s Н 02 P 5/16

APCTBEHHbllll КОМИТЕТ

ОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

НТ СССР

ГОСУ

ПО И

ПРИ

ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ст»»»

К А (54)

ЭЛЕ

ТОКА (57) И кеи авто

TQPCKOMY .СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4 (22) 1 (46) 2 (71) М (72) А ман и (53) 6 (56) Е

ЛГУ, Г элект разов с. 58, 12500/24-07 .08.87 .11,90. Бюл. N 43 инский радиотехнический институт

В.Николаев, С.И.Защитин, Ф,В.ФурГ, В.Овод-Марчук

1.316.718.5 (088.8) оров.)О.Н. Системы привода роботов."

982. с.30. рис.14. рман-Галкин С.Г. и др, Цифровые оприводы с транзисторными преобателями. — Энергоатомиздат, 1986, ис.3-19.

СТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

РОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО обретение относится к электротехниб, использовано в цифровых системах тического управления электроприво1

И нике вых с элект ротно

Ц ности токов.

Н схема двига функц держк форми фиг. 4 вателя функц обретение относится к электратехможет быть использовано в цифростемах автоматического управления оприводом постоянного тока с шиимпульсными преобразователями. ль изобретения — повышение надеж-. а счет исключения режима сквозных фиг. 1 представлена структурная устройства для управления электроелем постоянного тока; на фиг. 2— ональная схема узла цифровой за; на фиг, 3 — функциональная схема рователя импульсов управления; на — функциональная схема преобразокода во временной интервал; на фиг. 5— оная:ная схема мостового. транзи-! дом постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. Цель изобретения— повышение надежности за счет исключения режима сквозных токов. Введение узла цифровой задержки и формирователя импульсов управления позволяет исключить возможность протекания сквозных токов ввиду того, что импульсы управления, поступающие на эмиттер-базовые переходы транзисторных ключей мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя, не перекрываются в момент переключения, а длительность бестоковых пауз может устанавливаться оптимальной.

Кроме того, данное устройство позволяет использовать один генератор импульсов как для заполнения реверсивного счетчика, так и для формирования периода широтно-импульсной модуляции, что повышает. надежность работы устройства. 6 ил, сторного широтно-импульсного преобразователя; на фиг. 6 — временные диаграммы работы устройства при Nsx 0(а) и Nnx <0(б).

Устройство для управления электродвигателем постоянного тока содержит генератор 1 импульсов, выход которого подключен к первому и третьему входам соответственно узла 2 цифровой задержки и преобразователя 3 кода во временной интервал, второй вход которого объединен с вторым входом узла 2 цифровой задержки, вторым входом формирователя 4 импульсов управления и подключен к шине "Начальная установка". Первый вход преобразователя 3 кода во временной интервал соединен с вторым выходом регистра 5 кода управления, вход записи регистра 5 кода управления яв1608776 ляется шиной "Запись", à его информационные входы — соответствующими шинами кода управления, первый выход регистра 5 кода управления подключен к первому входу распределителя 6 импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом формирователя 4 импульсов управления, а первый, второй, третий и четвертый выходы распределителя 6 импульсов подключены к соответствующим входам мостового транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7, Первый и третий входы формирователя 4 импульсов управления соединены соответственно с выходами преобразователя 3 кода во временной интервал и узла 2 цифровой задержки, к третьему входу которого подключен второй выход формирователя 4 импульсов управления.

Узел 2 цифровой задержки (фиг.2) содержит, например, три логических элемента

2И вЂ” НЕ 8 — 10, логический элемент 2ИЛИ 11, три логических элемента 2И 12-14, триггер

15, вычитающий счетчик 16, инвертор 17, напряжение управления 18 на выходе триггера 15, напряжение 19 на выходе вычитающего счетчика 16, импульсные последовательности 20 и 21 с выходов соот-. ветственно элементов 2И-НЕ 9 и 10.

Формирователь 4 импульсов управления (фиг.3) содержит два инвертора 22 и 23, четыре логических элемента 2И вЂ” НЕ 24 — 27, четыре триггера 28-31, последовательности широтно-модулированных импульсов 32 и

33, поступающих на первый вход формирователя 4 импульсов управления, четыре импульсных последовательности 34 — 37, сформированных по принципу поочередного управления на прямых выходах соответственно триггеров 28 — 31, Преобразователь 3 кода во временной интервал (фиг;4) содержит инвертоды 38 и 39, логические элементы 2И 40-42, логический элемент 2И вЂ” НЕ 43, логический элемент ЗИ-НЕ 44, триггеры 45 и 46, реверсивный счетчик 47, напряжение управления

48 — 50 соответственно на суммирующем. вычитающем и входе разрешения записи реверсивного счетчика 47, последовательности 51 и 52 импульсов управления на прямых выходах соответственно триггеров 45 и 46, а также значение кода 53 на выходе реверсивного счетчика 47, Мостовой реверсивный транзисторный широтно-импульсный преобразователь 7 (фиг.5) содержит четыре транзисторных ключа ТК1 — ТК4 54 — 57, электродвигатель 58 постоянного тока, напряжение управления

59-62 транзисторными ключами соответственно ТК1-ТК4, выходное напряжение 63 мостового реверсивного транзисторного

55 широтно-импульсного преобразователя 7 на входе электродвигателя 58 постоянного тока.

Устройство работает следующим образом.

В регистре 5 кода управления хранится код управляющего сигнала Nex, подаваемого на вход устройства управления электродвигателем постоянного тока, который преобразуется в широтно-модулированные импульсы, Знак кода управления хранится в старшем разряде, а в остальных разрядах хранится модуль числа в прямом коде. Запись кода в регистр 5 кода управления-осуществляется при подаче на его вход записи положительного перепада импульса по шине "Запись". Максимально возможнОе значение кода управления, преобразуемое устройством, определяется следующим образом: IN )MI = 2"-1-Кз, где n=m-1; Кз— значение кода временной задержки, которое определяется временем тз рассасывания избыточных носителей в базе отключающегася транзисторного ключа и частотой treH следования импульсов с генеРатоРд 1 имп lflbcoB: К3=131ген, m РазРЯд ность регистра 5 кода управления, При этом период широтно-модулированного сигнала определяется:

n — 1 г шим— гген

Преобразователь 3 кода во временной интервал преобразует модуль кода управления INex I = йшнм + К3 в две последовательности широтно-модул и рован ных импульсов, которые поступают на вход. формирователя 4 импульсов управления.

На второй вход формирователя 4 импульсов управления поступают две последовательности импульсов длительности 1з узла 2 цифровой задержки. Формирователь 4 импульсов управления формирует четыре последовательности широтно-модулированных импульсов, необходимых для реализации поочередного управления транзисторными ключами мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя

7. Распределитель 6 импульсов реализует реверсивное управление, осуществляя коммутацию ключей мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7 в зависимости от поступающего на его первый вход знакового разряда кода управления с первого выхода регистра

5 кода управления. Узел 2 цифровой задержки формирует две последовательности импульсов временной задержки длительноКэ стью tg =, которые используются при ген

1608776 форм дава котор сз. Ге для импу димо

П

"Нач фрон

47,з

15,2

"1" в ется

16.уэ перв расп налы упра пода мост пульс кого

46 и чаль ние т импу ного чик зафи обра рено чик устан вход

К ет на ние т

При э пров сыс начи реве

52 вы

42, и ет тр разр вход цифр раба ключ открь уров

2ИЛ гер 1 самы гене вычи новл ровании четырех импульсных послеельностей, управляющие импульсы х разнесены во времени на величину ератор 1 импульсов предназначен ормирования последовательности ьсов стабильной частоты fie>, необходля тактирования работы устройства. и поступлении импульса по шине льная установка" (фиг.6) его передним ом обнуляется реверсивный счетчик писывается логический "0" в триггеры, 30, 45 и 46, записывается логическая риггеры 29 и 31, а также осуществляапись кода Кз в вычитающий счетчик а 2 цифровой задержки, При этом на й, второй, третий и четвертый входы еделителя 6 импульсов поступают сиг4-37 соответственно, а с его выходов— ляющие напряжения 59 — 62 (фиг.б) ы на транзисторные ключи ТК1 — ТК4 вого транзисторного широтно-имного преобразователя?. Сигнал высоровня с инверсного выхода триггера окончании импульса по шине "Наая установка" разрешает прохождектовых импульсов f«e с генератора 1 ьсов на вычитающий вход реверсивчетчика 47. Так как реверсивный счет7 работает на вычитание и в нем сирован нулевой код. на его выходе ного переноса образован импульс пеа. Этим импульсом в реверсивный счет7 производится запись кода I Ne>

11, записывает логическую "1" в триги открывает элемент 8, разрешив тем прохождение тактовых импульсов с атора 1 импульсов на счетный вход ающе о счетчика 16,- в котором устан код Кз.

20

30

При фиксации нулевого кода на вычитающем счетчике 16 на его выходе обратного переноса образован импульс 19 переноса, который поступает через открытый элемент

12 на вход записи вычитающего счетчика 16. а также сбрасывает триггер 15 в нулевое состояние. Тем самым с прямого выхода триггера 15 через открытый элемент 9, проинвертировавшись, через время тз на второй вход элемента 26 поступает сигнал высокого уровня. При этом на вход установки в единицу триггера 30 поступает сигнал низкого уровня и триггер 30 устанавливается в единичное состояние. Элемент 14 закрывается сигналом низкого уровня с инверсного выхода триггера 30. При этом на входах логического элемента 2ИЛИ 11 имеются сигналы, низкого уровня, а сигнал низкого уровня с его выхода запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент 8, . Узел 2 цифровой задержки опять выключается из работы.

Суммирование в реверсивном счетчике

47 продолжается до появления импульса переполнения с его выхода переполнения.

Этот импульс записывает в реверсивный счетчик 47 значение кода INox I, переключает триггер 46 в нулевое состояние, переключив тем самым генератор 1 импульсов с суммирующего на вычитающий вход реверсивного счетчика 47, и переключает триггер

45, работающий в счетном режиме, в новое (единичное) состояние, Сигнал низкого уровня с прямого выхода триггера 46 закрывает элементы 41 и 42, при этом сигналом низкого уровня с выхода элемента 42 .сбрасывается в "0" триггер 30, а на первом входе элемента 27 установлен разрешающий сигнал высокого уровня. В этот момент в работу включается узел 2 цифровой задержки.

На выходе элемента 14 появляется сиг. нал высокого уровня, который аналогично описанному устанавливает триггер 15 в единичное состояние и разрешает прохождение импульсов с генератора 1 импульсов через элемент 8 на счетный вход вычитающего счетчика 16. Тем самым триггер 15 удерживается в единичном состоянии в течение времени э=:Кз/f«e, а при этом на вторых входах элементов 9 и 10 имеется сигнал высокого уровня. Сигнал высокого уровня на первом входе элемента 9 сохраняется, а следовательно, на выходе элемента 9 имеется сигнал низкого уровня, запрещающий переключение триггера 31 в единичное состояние.

Таким образом, триггеры 30 и 31 находятся B течение времени тз в нулевом со.стоянии. При фиксации нулевого кода в . вычитающем счетчике 16 импульс с его вы 1608776 хода обратного переноса переключает триггер 15 и перезаписывает код Кз в вычитающий счетчик 16. При этом на втором входе элемента 27 установлен сигнал высокого уровня, а триггер 31 переключен в . единичное состояние. Таким образом, включение триггера 31 после выключения триггера 30 происходит с задержкой на время 1з.

Именно с этих триггеров импульсы управления через распределитель 6 импульсов поступают. на транзисторные ключи одной вертикали мостовога реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7, . При фиксации.в реверсивном счетчике

47 нулевого кода на его выходе обратного переноса образован импульс переноса.

Этим импульсом в реверсивный счетчик 47 производится очередная запись кода Nax !. поступающего на его информационные входы с второго выхода регистра 5 кода управления. Кроме того, импульс переноса поступает на вход установки в единичное состояние триггера 46. Сигнал высокого уровня с прямого выхода триггера 46 разрешает прохождение тактовых импульсов с генератора 1 импульсов через элемент 43 на суммирующий вход реверсивного счетчика 47, а сигнал низкого уровня с инверсного выхода триггера 46 запрещает их прохождение через элемент 44 на вычитающий вход реверсивного счетчика 47. Кроме того, сигнал

52 высокого уровня через открытый элемент

41, пройдя через инвертар 22, устанавливает триггер 29 в нулевое состояние и подается разрешающий высокий уровень на первый вход элемента 24. Но включения триггера 28 не происходит, так как на втором входе элемента 24 установлен в этот момент сигнал низкого уровня с выхода узла 2 цифровой задержки, Б момент переключения триггера 29 в . нулевое состояние на оба входа элемента 13 поступают сигналы высокого уровня с инверсных выходов триггеров 28 и 29. Логическая "1" с выхода элемента 13, пройдя через логический элемент 2ИЛИ 11, запись|вает логическую "1" в триггер 15 и открывает элемент 8, разрешив тем самым прохождение тактовых импульсов на счетный вход вычитающего счетчика 16, в котором к этому моменту зафиксирован код Кз. Процессы в узле 2 цифровой задержки протекают аналогично описанным. Через время тз после выключения триггера 29 на второй вход элемента 24 поступает сигнал высокого уровня с узла 2 цифровой задержки и триггер 28 переключается в единичное состояние, а узел 2 цифровой задержки выключается иэ

35 в единичное состояние, В этот момент все элементы описанной части схемы пришли в состояние, рассмотренное ранее. Реверсивный счетчик 47 теперь работает на вычитание. Дальнейшая работа описанной части схемы повторяется и происходит аналогично.

Таким образом, на выходе формирователя 4.импульсов управления формируются четыре последовательности 34-37 широтномодулированных импульсов, сформированных па принципу поочередного управления.

При некотором знаке входного сигнала

Nsx управляющие импульсы 59 и 62 длитель щим ностью t<=(1+ y) Т им, где y = — „, Т®им =

2 1

=Ишим ген — относительная продолжительность подключения электродвигателя 58 постоянного тока к источнику питания,— подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи (ТК1, ТК4) со сдвигом на полпериода (фиг,6), а управляющие импульсы 60 и 61 длительностью t2 (1-у)Тшим также со сдвигом на полпериода подаются на транзисторные ключи противоположной диагонали (ТК2, ТКЗ). В этом случае на интервале уТшим электродвигатель 58 постоянного тока подключен к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1+TegM нагрузка (электродвигатель 58 постоянного тока) закарочена с помощью верхних или нижних работы до момента выключения одного из включенных триггеров (триггеры 28 и 31).

Суммирование в реверсивном счетчике

47 продолжается до появления импульса

5 переполнения с его выхода переполнения.

Этот импульс записывает в реверсивный счетчик 47 значение кода INax !, переключает триггер 46 в нулевое состояние, переключив тем самым генератор 1 импульсов с суммирующего на вычитающий вход реверсивного счетчика 47, и переключает триггер

45 в новое (нулевое) состояние. При этом сигналами с прямого и инверсного выходов триггера 45 закрывается элемент 41 и открывается элемент 42. На выход элементов

41 и 42.проходят сигналы низкого уровня с прямого выхода, триггера 46.

Сигналом низкого уровня с выхода элемента 41 сброшен в "0" триггер 28 (при этом в работу включается узел 2 цифровой задержки), а на первом входе элемента 25 устанавлен разрешающий сигнал высокого уровня. На втором его входе. сигнал высокого уровня с выхода узла 2 цифровой задер25 жки появится через время тз и триггер 29 установлен в единичное состояние сигналом низкого уровня по его входу установки

1608776

10 т в а м и р и с и пряжения на выходе. Управляющие на-,„25 ряжения транзисторных ключей одной фамоста ТК1, ТКЗ и ТК2, ТК4 постоянно аходятся в противофазе, при этом транзиорные ключи переключаются через перивыходного напряжения 2 Тш м. Этим 30 остигаются одинаковые условия работы олупроводниковых приборов в схеме мосcot.o реверсивного транзисторного шиотно-импульсного преобразователя.

Повышенная надежность работы уст- 35 ойства обеспечивается и за счет того, что лительность широтно-модулированного мпульса и период ШИМ формируются на еверсивном счетчике 47 от одного генераора 1 импульсов. исключая тем самым до- 40 олнительную схему синхронизации.

Анализ временных диаграмм (фиг.6) поазывает, что при практическом использоваии устройства импульсы управления, оступающие на эмиттер-базовые переходы 45 ранзисторных ключей мостового реверсивого транзисторного широтно-импульсного реобразователя, не перекрываются в моент переключения, при этом длительность естоковых пауз может в каждом случае ус- 50 анавливаться оптимальной (с учетом вреени рассасывания избыточных носителей в азах отключающихся транзисторных клюей, определяемого типом применяемых 55 м м и и р л с в и я т с в к н и з н с анзисторных ключей. При изменении знака одного сигнала N>< порядок управления динально расположенными транзисторныключами изменяется распределителем 6 пульсов на противоположный. При поочедном управлении на электродвигателе 58 стоянного тока формируются знакопооянные импульсы длительностьюу T»„, опорциональной сигналу на входе N», Таким образом, применение предлагаего устройства в цифровых системах автотического управления электроприводами зволяет преобразовывать в длительность пульсов коды управления, модуль котов изменяется от 0 до 2п-1 — Кз. Общее кочество возможных значений выходного гнала определяется разрядностью и рерсивного счетчика и равно 2". При этом и любом знаке входного сигнала в состоии переключения находятся все четыре анзисторных ключа мостового транзиорного широтно-импульсного преобразотеля, однако частота переключения ждого из них в два раза меньше частоты

20 транзисторов) путем регулирования времени тз (значение Кз в узле 2 цифровой задержки задается перемычками). Это позволяет производить эффективное исключение сквозных токов и тем самым обеспечивает повышенную надежность работы устройства для управления электродвигателем постоянного тока, Формула изобретения

Устройство для управления электродвигателем постоянного тока, содержащее регистр кода управления, мостовой реверсивный транзистор, широтно-импульсный преобразователь, выходная диагональ которого предназначена для подключения к якорной обмотке электродвигателя постоянного тока, генератор импульсов. преобразователь кода во временной интервал, распределитель импульсов, причем вход записи регистра кода управления является шиной "Запись", информационные входы регистра кода управления являются соответствующими шинами кода управления, первый выход регистра кода управления подключен к первому входу распределителя импульсов, выходы которого подключены к соответствующим входам мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя, второй выход регистра кода управления соединен с первым входом преобразователя кода во временной интервал, третий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения надежности за счет исключения режима сквозных токов, в него введены формирователь импульсов управления, узел цифровой задержки, первый вход которого подключен к выходу генератора импульсов, вторые входы формирователя импульсов управления, узел цифровой задержки и преобразователя кода во временной интервал объединены и подключены к шине "Начальная установка", а третий вход узла цифровой задержки подключен к второму выходу формирователя импульсов управления, первый выход которого соединен с вторым входом распределителя импульсов, выход преобразователя кода во временной интервал и выход узла цифровой задержки подключены соответственно к первому и третьему входам формирователя импульсов управления.

1608776

1608776

1608776

1608776

iiiiIiIiIiiiiiiiiii Ю iililililiiiiii 1 Ю,(Ь й!

IIIII !!!!!И!!! Ш1!1! I I

И!ИИИIИИИ lllllll lllllllllllll 1!И!!!1!ПИ!!1!1ИИ1111!11й11!1!Ю

160877б

Air e tlat КЪ а28 /ИЩИН1=10

У у

° е

18

И ь

° Ф

° И

° Ф

° ° à б2

Редактор M.Áëàíàð

Заказ 3623 Тираж 456 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

И

МУ

ЯФ

Составитель А.Палагутин

Техред М,Моргентал Корректор Т.Палий