Система управления двигателем с электронной коммутацией

 

Использование: в бесколлекторных электроприводах, у которых двигатель содержит постоянные магниты. Сущность: система управления обеспечивает прямое интегрирование ЭДС вращения незапитанной обмотки двигателя с помощью разностного интегратора и ликвидации интегрирования ЭДС самоиндукции незапитанной обмотки, возникающей при рассеянии накоплений в ней реактивной энергии магнитного поля, с помощью формирователя импульса сброса. Введение триггера Шмитта увеличивает помехоустойчивость устройства. Наличие резистора запуска и выполнение разностного интегратора на интегральном операционном усилителе Нортона позволяет резко повысить чувствительность системы определения положения ротора, повысить КПД устройства и надежность устройства с его одновременным упрощением и удешевлением. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бесколлекторных электроприводах, у которых ротор двигателя содержит постоянные магниты.

Известен вентильный электропривод, содержащий двигатель с постоянными магнитами, содержащий три секции обмотки, реверсивный инвертор, три компаратора напряжения, логический блок формирования импульсов синхронизации [1] Известный вентильный двигатель обладает малой надежностью из-за невозможности самозапуска двигателя, малой помехоустойчивости компараторов, а также полного нарушения процессов коммутации при колебательном характере процесса рассеивания реактивной энергии в отключенной секции, что имеет место в подавляющем большинстве электродвигателей.

Известен вентильный электропривод, содержащий синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов, якорная обмотка которого подключена через инвертор к источнику постоянного тока, блок управления, резистивный делитель напряжения, компаратор напряжения, один вход которого соединен со средним выводом делителя напряжения, схему пуска, схему ИЛИ [2] Известный вентильный электропривод обладает следующими недостатками: малой надежностью из-за низкой помехоустойчивости компаратора; малым коэффициентом полезного действия из-за неоптимального момента коммутации; трудность запуска и управления из-за косвенного определения ЭДС вращения при помощи делителя напряжения, а не выделения ЭДС незапитанной обмотки в чистом виде; невозможностью работы при наличии коммутационных импульсов от рассеяния реактивной энергии переключаемых обмоток, которые всегда присутствуют при работе вентильных двигателей.

Известна схема управления электродвигателем с электронной коммутацией, имеющим многоступенчатую обмотку, в которой на одну из секций возбуждение не подается. В схеме имеется твердотельный усилитель с межэлектронной проводимостью, соединенный с обмоткой, в которой индуктируется противоЭДС, для преобразования противоЭДС в незапитанной фазе обмотки в соответствующий выходной ток, интегратор, подсоединенный к выходу усилителя, для интегрирования выходного тока, чтобы получить выходное напряжение, пропорциональное интегралу напряжения, возникающего в фазе обмотки, компаратор для сравнения выходного напряжения интегратора с величиной, соответствующей взаимному угловому проложению, подходящему для коммутации, при достижении равенства генерируется сигнал синхронизации в момент коммутации [3] Известная схема управления обладает следующими недостатками: малой надежностью из-за наличия усилителя с межэлектродной проводимостью, преобразующего потенциал выводов незапитанной обмотки в напряжение, пропорциональное ЭДС вращения ввиду вносимых им нелинейных искажений и малого динамического диапазона; малой помехоустойчивостью ввиду наличия компаратора.

В качестве прототипа выбран двигатель с электронной коммутацией, содержащий двигатель и систему управления, причем система управления двигателем с электронной коммутацией, который содержит m-фазную обмотку якоря, имеющую общую точку соединения m первых выводов фаз и m вторых выводов фаз, состоит из амплитудно-временного преобразователя, содержащего m+1 информационных входов, соединенных с m вторыми выводами фаз двигателя, блок из m ключей выборки, интегратор и устройство возврата интегратора в первоначальное состояние, причем управляющие входы блока ключей выборки соединены с управляющими входами амплитудно-временного преобразователя, m-резрядный кольцевой счетчик, усилитель мощности, регулятор тока, узел защит, вторичный источник питания, причем выход амплитудно-временного преобразователя соединен с входом m-разрядного кольцевого счетчика, m выходов которого соединены с m управляющими входами амплитудно-временного преобразователя и m входами усилителя мощности, m выходов усилителя мощности соединены с m вторыми выводами фаз, выход регулятора тока соединен с m первыми выводами фаз, вход регулятора тока соединен с выводом силового питания, выход узла защит соединен с управляющим входом усилителя мощности, выход вторичного источника питания соединен с выводами питания амплитудно-временного преобразователя, m разрядного кольцевого счетчика, усилителя мощности, узла защит, регулятора тока [4] Однако при реализации прототипа возникают проблемы: малая надежность из-за малого динамического диапазона и малой чувствительности систем усиления и преобразования сигналов ЭДС вращения, ограниченных принятой структурой устройства; невозможность работы в широком диапазоне нагрузок на валу из-за коммутационных помех в ходе процессов рассеяния реактивной энергии обмоток двигателя; малый КПД и момент при малых оборотах двигателя из-за больших искажений сигнала в промежуточных каскадах амплитудно-временного преобразователя; невозможность работы в широком диапазоне скоростей вращения; большая сложность и стоимость; долгий и ненадежный запуск и возможность выхода из синхронизма при запуске из-за принятого алгоритма запуска и низкой чувствительности систем к входному сигналу.

Предлагаемое техническое решение позволяет достичь такого технического результата, как повышение надежности, значительное расширение динамического диапазона системы слежения за положением ротора, повышение коэффициента полезного действия, возможности работы в широком диапазоне скоростей вращения, значительное повышение помехоустойчивости к коммутационным помехам, возникающим при рассеянии реактивной энергии обмоток двигателя, упрощение и удешевление электропривода, ускорение времени запуска до времени запуска коллекторного двигателя с аналогичными параметрами, полной ликвидации срыва слежения за положением ротора, возможности работы в широком диапазоне нагрузок на валу двигателя, что позволяет внедрить вентильный электродвигатель в большое число устройств бытовой техники.

Технический результат достигается тем, что в систему управления двигателем с электронной коммутацией, который содержит m фазную обмотку якоря, имеющую общую точку соединения m первых выводов фаз и m вторых выводов фаз, состоящую из амплитудно-временного преобразователя, содержащего m+1 информационных входов, соединенных с m вторыми выводами фаз двигателя и общей точкой соединения m первых выводов фаз двигателя, блок из m ключей выборки, интегратор и устройство возврата интегратора в начальное положение, причем управляющие входы блока ключей выборки соединены с управляющими входами амплитудно-временного преобразователя, m разрядный кольцевой счетчик, усилитель мощности, регулятор тока, узел защит, вторичный источник питания, причем выход амплитудно-временного преобразователя соединен с входом m-разрядного кольцевого счетчика, m выходов которого соединены с m управляющими входами амплитудно-временного преобразователя и с m входами усилителя мощности, m выходов усилителя мощности соединены с m вторыми выводами фаз, выход регулятора тока соединен с m первыми выводами фаз, вход регулятора тока соединен с m первыми выводами фаз, вход регулятора тока соединен с выводом силового питания, выход узла защит соединен с управляющим входом усилителя мощности, выход вторичного источника питания соединен с выводами питания амплитудно-временного преобразователя, m-разрядного кольцевого счетчика, усилителя мощности, узла защит, регулятора тока, в амплитудно-временной преобразователь введены m+1 идентичных резисторов, резистор запуска, m диодов, ограничитель напряжения, триггер Шмитта, интегратор выполнен разностным, а устройство возврата интегратора в начальное состояние выполнено в виде формирователя импульса сброса, причем первые выводы m идентичных резисторов соединены порознь с m информационными входами амплитудно-временного преобразователя, первый вывод m плюс первого идентичного резистора соединен с m плюс первым информационным входом амплитудно-временного преобразователя, связанным с общей точкой соединения m первых выводов фаз, вторые выводы m идентичных резисторов соединены с m входами блока ключей выборки, выход блока ключей выборки соединен с первым входом разностного интегратора, второй вывод m плюс первого идентичного резистора соединен с вторым входом разностного интегратора, выход разностного интегратора соединен с входом триггера Шмитта, выход триггера Шмитта соединен с входом формирователя импульса сброса, выход формирователя импульса сброса соединен с входом сброса разностного интегратора и с выходом амплитудно-временного преобразователя, аноды m диодов соединены с вторыми выводами m идентичных резисторов, катоды m диодов соединены с входом ограничителя напряжения, первый вывод резистора запуска соединен с первым входом разностного интегратора, второй вывод резистора запуска соединен с выводом питания, к тому же разностный интегратор содержит токоразностный интегральный операционный усилитель Нортона, конденсатор, ключ сброса, причем первый вход разностного интегратора соединен с неинвертирующим входом токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона, второй вход разностного интегратора соединен с инвертирующим входом токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона, с первым выводом ключа сброса и первым выводом конденсатора, выход токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона соединен с вторыми выводами конденсатора, ключа сброса и с выходом разностного интегратора, управляющий вход ключа сброса соединен с входом сброса разностного интегратора, к тому же формирователь импульса сброса содержит первый логический элемент НЕ, причем вход первого логического элемента НЕ соединен с входом формирователя импульса сброса, выход первого логического элемента НЕ соединен с катодом диода, анод диода соединен с первым выводом конденсатора, с первым выводом резистора и с входом триггера Шмитта, второй вывод конденсатора соединен с общим проводом, второй вывод резистора соединен с положительным выводом питания, выход триггера Шмитта соединен с положительным выводом питания, выход триггера Шмитта соединен с входом второго логического элемента НЕ, выход второго логического элемента НЕ соединен с выходом формирователя импульса сброса.

Введение в заявляемое устройство m+1 идентичных резисторов и разностного интегратора повышает чувствительность системы управления, резко расширяет динамический диапазон и снижает чувствительность к внешним помехам, поскольку ликвидирует зависимость системы управления от входа в режим ограничения суммирующего усилителя, поскольку сигнальные входные токи даже на этапе запуска значительно выше токов смещения и утечек.

Введение разностного интегратора и триггера Шмитта значительно увеличивает надежность работы устройства и удешевляет его, поскольку позволяет убрать суммирующий усилитель, инвертор, прецизионный выпрямитель, компаратор и тем самым вносимые ими динамические и статистические искажения сигнала ЭДС вращения.

Резкое повышение чувствительности системы управления приближает динамические характеристики двигателя к его коллекторному аналогу.

Введение формирователя импульса сброса приводит к резкому повышению надежности системы и к осуществлению работы в широком диапазоне скоростей вращения и нагрузок на валу двигателя, поскольку ЭДС самоиндукции, возникающая на отключаемой обмотке из-за рассеяния реактивной энергии, не допускается к интегрированию разностным интегратором, т.к. на время существования импульса ЭДС самоиндукции формирователь импульса сброса замыкает ключ разностного интегратора.

Введение резистора запуска позволяет создать начальный входной ток при отсутствии ЭДС вращения, вызывающий искусственную коммутацию на этапе запуска, что позволяет легко закрутить двигатель.

Введение m диодов и источника напряжения ограничения позволяет не допускать перенапряжения на разомкнутых ключах блока ключей выборки, что позволяет надежно использовать устройство при практически любых напряжениях на входе амплитудно-временного преобразователя.

Решений со сходными признаками в научно-технической литературе и патентной документации не обнаружено, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретательский уровень.

На фиг. 1 изображена функциональная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 таблица логических состояний системы; на фиг. 3 схематично изображен двигатель с фазными обмотками в разрезе; на фиг. 4 временные диаграммы в момент пуска; на фиг. 5 временные диаграммы в установившемся режиме.

Предложенная система управления вентильным двигателем содержит амплитудно-временной преобразователь 1, который имеет информационные входы 2-4, соединенные порознь с раздельными выводами фазных обмоток двигателя, в рассматриваемом случае число фаз m 3, информационный вход 5, соединенный с соединенными выводами фазных обмоток двигателя, управляющие входы 6-8, выход 9, вывод питания 10, идентичные резисторы 11-14, соединенные первыми выводами с информационными входами 2-5 соответственно, диоды 15-17, аноды которых соединены порознь с вторыми выводами резисторов 11-13, катоды соединены с входом ограничителя напряжения 18, блок ключей выборки 19, который содержит входы 20-22, соединенные порознь с анодами диодов 15-17 соответственно, управляющие входы 23-25, соединенные порознь с управляющими входами 6-8 амплитудно-временного преобразователя соответственно, выход 26, ключи выборки 27-29, первые выводы которых соединены порознь с входами блока ключей выборки 19, вторые выводы которых соединены с выходом 26 блока ключей выборки, резистор запуска 30, первый вывод которого соединен с выходом 26 блока ключей выборки, второй вывод соединен с положительным выводом источника питания, разностный интегратор 31, содержащий первый вход 32, второй вход 33, вход сброса 34, выход 35, токоразностный интегральный операционный усилитель Нортона 36, конденсатор 37, ключ сброса 38, причем первый вход 32 соединен с выходом 26 блока ключей выборки 19 и с неинвертирующим входом токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона, второй вход 33 соединен с вторым выводом резистора 14, с инвертирующим входом токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона и с первыми выводами конденсатора 37 и ключа сброса 38, управляющий вход которого соединен с входом сброса 34, вторые выводы конденсатора 37 и ключа сброса 38 соединены с выходом токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона, с выходом 35 разностного интегратора, который соединен с входом триггера Шмитта 39, формирователь импульса сброса 40, который содержит вход 41, соединенный с выходом триггера Шмитта 39, выход 42, первый логический элемент НЕ 43, вход которого соединен с входом 41, выход соединен с катодом диода 44, анод которого соединен с входом триггера Шмитта 47, с первыми выводами резистора 45 и конденсатора 46, второй вывод резистора 46 соединен с положительным выводом источника питания, второй вывод конденсатора 46 соединен с общим проводом, выход триггера Шмитта 47 соединен с входом второго логического элемента НЕ 48, выход которого соединен с выходом 42, с выходом 9 амплитудно-временного преобразователя 1, с входом сброса 34 разностного интегратора, кольцевой счетчик 49, содержащий вход 50, выходы 51-53, вывод питания 54, причем вход 50 соединен с выходом 42 формирователя импульса сброса 40, пассивный разветвитель 55, содержащий входы 56-58 и выходы 59-64.

Причем внутри вход 56 соединен с выходами 59, 62, вход 57 соединен с выходами 61, 63, вход 58 соединен с выходами 60, 64, причем выходы 59, 60, 61 соединены с управляющими входами 6-8 амплитудно-временного преобразователя, выходы 62-64 соединены с входами 66-68 усилителя мощности 65, при этом выход 51 кольцевого счетчика 49 соединяется с управляющим входом 6 амплитудно-временного преобразователя 1 и с входом 66 усилителя мощности 65, выход 52 кольцевого счетчика 49 соединяется с управляющим входом 7 амплитудно-временного преобразователя 1 и с входом 67 усилителя мощности 65, выход 53 кольцевого счетчика 49 соединяется с управляющим входом 8 амплитудно-временного преобразователя 1 и с входом 68 усилителя мощности 65, содержащего управляющий вход 69, вывод питания 70, выходы 71-73, однополупериодный инвертор на транзисторах 74-76, диоды 77-79, устройство ограничения напряжения 80, устройство раскачки 81, содержащее входы 82-84, соединенные порознь с входами 66-68 соответственно, выходы 85-87, соединенные порознь с базами транзисторов 74-76 соответственно, эмиттеры которых соединены с общим проводом, коллекторы соединены порознь с выходами 73, 72, 71 и анодами диодов 79, 78, 77 соответственно, катоды диодов соединены с входом устройства ограничения напряжения 80, вход блокировки 88, соединенный с управляющим входом 69 усилителя мощности, вывод питания 89, соединенный с выводом питания 70 усилителя мощности 65, узел защит 90, содержащий вывод питания 91 и выход 92, соединенный с управляющим входом 69 усилителя мощности 65, регулятор тока 93, содержащий вход 94, соединенный с выводом силового питания, выход 95, вывод питания 96, вторичный источник питания 97, содержащий вход 98, выход 99, соединенный со следующими выводами питания: 10 амплитудно-временного преобразователя 1, 54 кольцевого счетчика 49, 70 усилителя мощности 65, 91 узла защит 90, 96 регулятора тока 93.

На фиг. 1 показан также двигатель 100, содержащий статор 101 с фазными обмотками 102-104, раздельные выводы которых соединены с выходами 71- 73 усилителя мощности 65 и информационными входами 2-4 амплитудно-временного преобразователя 1, а соединенные выводы соединены с входом 5 амплитудно-временного преобразователя 1 и выходом 95 регулятора тока 93, ротор с постоянными магнитами 105, находящийся с обмотками в тесной магнитной связи.

Устройство работает следующим образом. Пусть на устройство подано напряжение силового источника питания +U_сил. При этом на выходе 99 вторичного источника питания 98 появляется напряжение + U. Конденсатор 46 начинает заряжаться от начального напряжения, равного нулю. При этом на выходе 42 формирователя импульсов 40 устанавливается напряжение логической единицы, ключ 38 замкнут и на выходе 35 разностного интегратора 31 присутствует напряжение, близкое к нулю. После заряда конденсатора 46 до верхнего порогового напряжения триггера Шмитта 47 на выходе 42 устанавливается напряжение логического нуля, ключ 38 размыкается.

На выходе кольцевого счетчика 49 устанавливается случайная комбинация состояний, одна из показанных на фиг. 2, например, на выходе 51 логическая единица, при этом на выходах 52, 53 в соответствии с фиг. 2, устанавливаются логические нули. При подаче сигнала ПУСК при отсутствии аварийных ситуаций открывается транзистор 74 и через обмотку 102 протекает пусковой ток, ограниченный регулятором тока 93. Замыкается ключ 27, подключенный к резистору 11, который в свою очередь соединен с незапитанной обмоткой 104.

Пусть ротор 105 до момента включения случайным образом занимает такое положение, в котором он остается после включения питания, т.е. такое, в котором совпадают результирующие векторы магнитной индукции полей статора и ротора (1-1 и 10-10 на фиг.3).

Поскольку ротор неподвижен, электродвижущая сила обмотки 104 равна нулю где W число витков обмотки 104; Φ_p величина номинального потока поля ротора через обмотку 104.

На выходе 35 токоразностного операционного усилителя Нортона 36 появляется напряжение, определяемое по формуле: где U_нач начальное напряжение близкое к нулю;
C₃₇ величина емкости конденсатора 37;
i₃₂ ток неинвертирующего входа токоразностного операционного усилителя Нортона 36;
i₃₃ ток инвертирующего входа токоразностного операционного усилителя Нортона 36.

Ток неинвертирующего входа токоразностного операционного усилителя Нортона:

где U₇₁ напряжение на выводе 71 усилителя мощности относительно общего провода;
R₁₁ величина сопротивления резистора 11;
U_пит. напряжение питания амплитудно-временного преобразователя;
R₃₀ величина сопротивления резистора 30.

Ток инвертирующего входа токоразностного операционного усилителя Нортона:

где U₉₅ величина напряжения на выходе 95 регулятора тока 93 относительно общего провода;
R₁₄ величина сопротивления резистора 14.

Поскольку, как предполагалось выше, ротор неподвижен и электродвижущая сила вращения обмотки 104 равна 0, то в момент пуска U₇₁ U₉₅.

Величины сопротивлений резисторов 11-14 равны, поэтому в момент пуска при заданных начальных условиях:

Напряжение на выходе 35 медленно нарастает до тех пор, пока не достигнет верхнего порога срабатывания триггера Шмитта 39 U_верх.. Пока напряжение на выходе 35 медленно нарастает, на выходе триггера Шмитта 39 держится уровень логического нуля, на катоде диода 44 формирователя импульса сброса 40 держится уровень логической единицы, конденсатор 46 заряжен до напряжения, большего верхнего порога срабатывания триггера Шмитта 47, на выходе 42 формирователя импульса сброса держится уровень логического нуля. После достижения напряжением на выходе 35 верхнего порога срабатывания U_верх., триггер Шмитта 39 переключается, на его выходе появляется напряжение логической единицы, на катоде диода 44 появляется напряжение логического нуля, конденсатор 46 разряжается.

Как только напряжение на конденсаторе 46 достигнет нижнего порога срабатывания U_ниж. триггера Шмитта 47, на выходе 42 появляется уровень логической единицы, при этом замыкается ключ сброса 38 и разряжается конденсатор 37. При разряде конденсатора 37 до уровня нижнего порога срабатывания триггера Шмитта 39 на катоде диода 44 появляется уровень логической единицы, начинается заряд конденсатора 46. Но ключ сброса 38 замкнут до тех пор, пока напряжение на конденсаторе 46 не достигнет величины U_верх Время, в течение которого замкнут ключ 38, определяется по формуле:

При появлении на выходе 42 положительного фронта напряжения кольцевой счетчик 49 переключается, на выходе 52 появляется напряжение логической единицы, на выходах 51, 53 появляется напряжение логического нуля в соответствии с фиг.2. Транзистор 74 выключается, транзистор 75 включается. При этом замыкается ключ 29 блока ключей выборки 19, обрабатывается сигнал с незапитанной обмотки 102. Поскольку обмотка 102 была только что запитана, в ней накопилась реактивная энергия и в течение определенного времени по цепи вывод 95-обмотка 102-диод 79-устройство ограничения напряжения течет ток, при этом в ней возникает ЭДС самоиндукции на время Т. Это время определяется по формуле:

где L₁₀₂ индуктивность обмотки 102;
R₁₀₂ активное сопротивление обмотки 102;
U_огр напряжение ограничения устройства 80;
i(0) ток обмотки 102 в момент запирания транзистора 74.

Напряжение U_огр устройства 80 выбирается таким образом, чтобы не допустить пробоя транзисторов 74-76 и, как правило, является достаточно стабильным, ток обмотки i(0) принципиально ограничен регулятором тока на уровне пускового тока. Поэтому, учитывая некоторую затухающую колебательную апериодическую составляющую исчезновения энергии в обмотке 102, для недопущения интегрирования ЭДС самоиндукции τ_сброса (формула 6) выбирается по формуле:

где U_огр величина напряжения ограничения;
i_max максимальная величина тока обмотки 102.

Поскольку индуктивности обмоток двигателя, их активные сопротивления почти идентичны, напряжение ограничения, максимальный ток являются вполне определенными величинами, то выбранная по формуле (8) величина сброса надежно предохраняет устройство от ложного срабатывания по импульсу ЭДС самоиндукции во всех режимах работы двигателя.

После занятия вектором магнитной индукции магнитного поля статора положения 2-2 (фиг. 3) вследствие запитки обмотки 103 вектор магнитного поля ротора стремится совместиться с вектором магнитного поля статора, и ротор начинает двигаться по направлению, показанному стрелкой на фиг.3.

При этом в обмотке 102 наводится ЭДС вращения по формуле (1):

где e_вр102 мгновенная величина ЭДС вращения;
W₁₀₂ количество витков обмотки 102;
Φ_p магнитный поток ротора через обмотку 102. В формуле (2):

где U₇₃ напряжение на выводе 73 относительно общего провода питания.

Но из фиг.1:
U₇₃=U₉₅ + e_вр102
Как указано выше, резисторы 11-14 идентичны, т. е. R₁₁ R₁₂ R₁₃ R₁₄ R, поэтому:

Поэтому формулу (2) можно записать, как:

Величина R выбирается значительно меньше R₃₀, поэтому второе слагаемое под знаком ∫ в формуле 10 невелико по сравнению с e_вр.

Тогда формулу (10) можно записать как:

ПотокΦ_p через незапитанную обмотку из формулы (1) за определенное время Т:

Из сопоставления формул (11) и (12) видно, что U₃₅ является аналогом Φ_p магнитного потокаΦ_p(T), а U_нач аналогом Φ_нач(O).

Таким образом, определенному значению U₃₅ соответствует Φ_p(T) относительно Φ_нач(O), обычно в качестве Φ_p(T) выбирается точка нейтральной коммутации, при этом угол между векторами магнитных полей ротора и статора составляет 30 механических градусов при одной паре полюсов ротора и трехфазной обмотке статора.

При достижении вектором магнитной индукции ротора положения 20-20 (фиг. 3) напряжение U₃₅=U_верх.

Для этого из формул (11) и (12) постоянные времени интегрирования выбираются по формуле:

Если желательна запаздывающая или опережающая коммутация, C₃₇·R выбирается в зависимости от Φ_p(T) при этом для запаздывающей коммутации Φ_p(T) меньше, а для опережающей соответственно больше Φ_p(T) для случая нейтральной коммутации.

После достижения ротором положения 20-20 происходит переключение счетчика 49, включается транзистор 76, вектор поля статора занимает положение 3-3. Вектор поля ротора поворачивается вслед за вектором поля статора. При этом до достижения эквивалентным вектором поля ротора положения 21-21 магнитный поток ротора через фазную обмотку 103 нарастает, в положении вектора поля ротора 21-21 магнитный поток поля ротора через обмотку 103 максимален, при дальнейшем движении ротора магнитный поток через обмотку 103 убывает.

Из формулы (1)

следует, что при соответствующем выборе направления намотки при нарастании потока e_вр< 0, при Φ = Φ_max e_вр 0, e_вр > 0 при убывании потока.

Из принципа действия разностного интегратора на токоразностном операционном усилителе Нортона следует, что, если i₃₃> i₃₂ (фиг.1), а U₃₅0 (что происходит, если e_вр <0), U₃₅ не меняется. Изменение напряжения U₃₅ при U₃₅ 0 происходит в том случае, если i₃₂ > i₃₃, т. е. e_вр > 0.

Таким образом, при запитанной обмотке 104 изменение напряжения на выходе 35 разностного интегратора на токоразностном операционном усилителе Нортона 31 от U_нач 0 происходит тогда и только тогда, когда эквивалентный вектор поля ротора проходит положение 21-21 и стремится занять положение 30-30.

На фиг. 4 видно что e_вр < 0 при t t₀ (при этом Φ_p < Φ_max, нарастание потока) и e_вр 0 при t t₁ (при этом Φ_p = Φ_max и e_вр > 0 при t t₂ (при этом Φ_p < Φ_max, убывание потока).

Таким образом, в формуле (13)Φ_p(O)поток, при котором ЭДС вращения равна нулю, т. е. максимальный поток, Φ_p(T) поток, при котором происходит переключение тока в фазных обмотках статора, при этом t=t₂ (фиг. 4).

Угловое расстояние между t₀ и t₁ составляет 30 эл. градусов, а между t₁ и t₂ 90 эл. градусов (механические и электрические градусы для ротора с 1 парой полюсов совпадают).

В дальнейшем ротор переходит во вращение с постоянной скоростью, вектор поля статора последовательно проходит состояние (1-1)-(2-2)-(3-3), а вектор поля ротора движется вслед за ним. При этом повторяются все вышеописанные процессы. Токи и напряжения обмоток в установившемся режиме показаны на фиг. 5.

Следует отметить, что в момент пуска момент электромагнитных сил превышает момент сил сопротивления, поэтому ротор двигателя движется с ускорением, U₃₅ быстрее достигает величины U_верх, далее происходят процессы переключения обмоток двигателя, установка начального напряжения U_нач и последующее интегрирование ЭДС e_вр.

При любом изменении нагрузки происходит изменение

и, следовательно, времени достижения напряжением U₃₅ величины U_верх, поэтому система четко осуществляет определение положения ротора в любой момент времени, начиная с момента пуска с максимальным периодом коммутации Т_max.

Из формулы (5):

Период T_max выбирается таким образом, чтобы за время T_max ротор двигателя при заданном пусковом токе, моменте сопротивления и моменте инерции нагрузки успел переместиться в положение, при котором угол между векторами полей статора и ротора составляет менее 90 мех. градусов, поскольку пуск начинается в синхронном режиме вращения. В этом заключается основной недостаток данного типа электропривода.

Если в момент пуска угол между векторами магнитных полей был меньше 180 мех. градусов (см. фиг.3), то вектор поля ротора начинает догонять вектор поля статора по направлению вращения, поскольку момент на валу положителен. При этом вследствие перемещения ротора в незапитанной обмотке сразу наводится ЭДС e_вр > 0, и ротор быстро разгоняется.

Если же в момент пуска угол между векторами полей статора и ротора был больше 180 мех. градусов (на фиг.1), то момент вращения в момент пуска отрицателен, и ротор в начальный момент перемещается против направления вращения, при этом e_вр < 0, поэтому до тех пор, пока ротор не успокоится и вектор поля ротора не займет положение, совпадающее с положением вектора поля статора, переключения тока не происходит. Поэтому двигатель уверенно запускается при любом начальном расположении векторов полей ротора и статора. При этом невозможно вращение в неправильном направлении.

Заявляемое устройство обладает значительными преимуществами по сравнению с известными.

Вычисление текущей величины магнитного потока непосредственно в первом каскаде амплитудно-временного преобразователя с помощью разностного интегратора на токоразностном операционном усилителе Нортона позволяет резко повысить чувствительность системы к ЭДС вращения и уверенно переключать обмотки как при самых малых, так и при самых больших скоростях вращения двигателя, то есть практически реально получить динамический диапазон скоростей >(2000 3000), при этом не требуется искусственно разгонять двигатель до скоростей, при которых ЭДС вращения достигает величины, при которой амплитудно-временной преобразователь, построенный как в прототипе, способен ее обрабатывать.

Ликвидируется целая совокупность каскадов, искажающих сигнал ЭДС вращения: суммирующий усилитель, выпрямитель, ключи выборки полярности, инвертирующий усилитель.

Интегрированию подвергается полная ЭДС вращения, какая бы большая по величине она не была, а не малая ее часть, как в прототипе, ограниченная напряжением питания микросхем.

Формирование входного сигнала с помощью только четырех постоянных резисторов позволяет применять систему в любых электроприводах с любым напряжением питания, поскольку при размыкании ключей блока выборки ток через резисторы замыкается в источнике ограничения напряжения.

Применение вышеописанного формирователя импульса сброса позволяет легко и надежно исключить из интегрирования импульса ЭДС самоиндукции обмоток в широком диапазоне нагрузок, что является основным критерием работоспособности электродвигателей без датчиков положения ротора, и еще более повышает надежность системы.

Применение данного устройства исключает вращение двигателя в неправильном направлении, поскольку устройство высокочувствительно к полярности входного сигнала, начиная с момента пуска, и в случае неправильного вращения в момент пуска двигатель сначала полностью останавливается, а затем начинает вращаться в правильном направлении.

Применение данного устройства позволяет сильно удешевить систему управления вентильным двигателем с ротором-магнитом и сделать возможным его широкое внедрение в устройства бытовой техники.

Введение резистора запуска позволяет после остановки двигателя вновь автоматически запустить его из любого положения без дополнительных устройств, что также удешевляет систему и увеличивает надежность электропривода, в котором она применяется.

Применение разностного интегратора на операционном усилителе Нортона позволяет легко выделять и сразу интегрировать малый разностный сигнал между синфазными сигналами относительно общего провода питания практически любой сколь угодно большой величины без каких-либо дополнительных устройств наиболее простым и удобным способом, что также увеличивает надежность и уменьшает стоимость системы.

Кроме того, непосредственное интегрирование ЭДС вращения с помощью разностного интегратора резко увеличивает чувствительность системы определения положения ротора и позволяет обрабатывать ЭДС вращения на фоне синфазных обмоток двигателя и потенциала незапитанной обмотки, причем величина этих потенциалов относительно общего провода питания может быть любой.

Величина сигнала переключения на выходе разностного интегратора постоянна и не зависит от скорости, не ограничивает динамический диапазон системы определения положения ротора.

Обратное вращение ротора исключено, так как система осуществляет слежение за положением ротора с момента запуска двигателя и реагирует только на интеграл от ЭДС вращения только одной полярности.

Введение триггера Шмитта и формирователя импульса сброса позволяет повысить помехоустойчивость амплитудно-временного преобразователя и в целом повысить надежность бесколлекторного электропривода.

Формирователь импульса сброса позволяет полностью исключить возможность интегрирования ЭДС самоиндукции, что резко увеличивает надежность системы.

Чрезвычайная простота амплитудно-временного преобразователя с использованием разностного интегратора, триггера Шмитта, формирователя импульса сброса и четырех идентичных резисторов позволяет резко удешевить бесколлекторный электропривод и делает возможным его широкое внедрение в бытовую технику.

Высокая чувствительность системы определения положения ротора позволяет быстро раскрутить ротор, исключает искусственную раскрутку ротора без слежения за положением ротора, как в прототипе, и по существу делает идентичными динамические характеристики вентильного электропривода и его коллекторного аналога.

Таким образом, заявляемая система управления вентильного электропривода позволяет:
повысить чувствительность;
повысить надежность;
повысить помехоустойчивость;
повысить коэффициент полезного действия;
значительно упростить и удешевить электропривод;
внедрить вентильный электропривод в массовое производство изделий бытовой техники;
сделать идентичными динамические характеристики вентильного электропривода и его коллекторного аналога;
сделать прямое непосредственное интегрирование ЭДС вращения при любом сколь угодно большом напряжении питания вентильного двигателя;
полностью исключить возможность обратного вращения;
исключить возможность срабатывания от импульса самоиндукции, а не вращения.

Формула изобретения

1. Система управления двигателем с электронной коммутацией, который содержит m-ю фазную обмотку якоря, имеющую общую точку соединения m первых выводов фаз и m вторых выводов фаз, состоящая из амплитудно-временного преобразователя, содержащего m+1 информационных входов, соединенных с m вторыми выводами фаз и общей точкой соединения m первых выводов фаз двигателя, блок из m ключей выборки, интегратор и устройство возврата интегратора в начальное состояние, причем управляющие входы блока ключей выборки соединены с управляющими входами амплитудно-временного преобразователя, m разрядный кольцевой счетчик, усилитель мощности, регулятор тока, узел защит, вторичный источник питания, причем выход амплитудно-временного преобразователя соединен с входом m-го разрядного кольцевого счетчика, m выходов которого соединены с m управляющими входами амплитудно-временного преобразователя и m входами усилителя мощности, m выходов усилителя мощности соединены с m вторыми выводами фаз, выход регулятора тока соединен с m первыми выводами фаз, вход регулятора тока соединен с выводом силового питания, выход узла защит соединен с управляющим входом усилителя мощности, выход вторичного источника питания соединен с выводами питания амплитудно-временного преобразователя, m разрядного кольцевого счетчика, усилителя мощности, узла защит, регулятора тока, отличающаяся тем, что в амплитудно-временной преобразователь введены m+1 идентичных резисторов, резистор запуска, m диодов, ограничитель напряжения, триггер Шмитта, интегратор выполнен разностным, а устройство возврата интегратора в начальное состояние выполнено в виде формирователя импульса сброса, причем первые выводы m идентичных резисторов соединены порознь с m информационными входами амплитудно-временного преобразователя, первый вывод (m+1)-го идентичного резистора соединен с (m+1)-м информационным входом амплитудно-временного преобразователя, связанным с общей точкой соединения m первых выводов фаз, вторые выводы m идентичных резисторов соединены с m входами блока ключей выборки, выход блока ключей выборки соединен с первым входом разностного интегратора, второй вывод (m+1)го идентичного резистора соединен со вторым входом разностного интегратора, выход разностного интегратора соединен с входом триггера Шмитта, выход триггера Шмитта соединен с входом формирователя импульсов сброса, выход формирователя импульса сброса соединен с входом сброса разностного интегратора и с выходом амплитудно-временного преобразователя, аноды m диодов соединены с вторыми выводами m идентичных резисторов, катоды m диодов соединены с входом ограничителя напряжения, первый вывод резистора запуска соединен с первым входом разностного интегратора, второй вывод резистора запуска соединен с выводом питания.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что разностный интегратор содержит токоразностный интегральный операционный усилитель Нортона, конденсатор, ключ сброса, причем первый вход разностного интегратора соединен с неинвертирующим входом токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона, с первым выводом ключа сброса и первым выводом конденсатора, выход токоразностного интегрального операционного усилителя Нортона соединен с вторыми выводами конденсатора, ключа сброса и с выходом разностного интегратора, управляющий вход ключа сброса соединен с входом сброса разностного интегратора.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что формирователь импульса сброса содержит первый логический элемент НЕ, диод, конденсатор, резистор, триггер Шмитта, второй логический элемент НЕ, причем вход первого логического элемента НЕ соединен с входом формирователя импульса сброса, выход первого логического элемента НЕ соединен с катодом диода, анод диода соединен с первым выводом конденсатора, с первым выводом резистора, и с входом триггера Шмитта, второй вывод конденсатора соединен с общим проводом, второй вывод резистора соединен с положительным выводом питания, выход триггера Шмитта соединен с входом второго логического элемента НЕ, выход второго логического элемента НЕ соединен с выходом формирователя импульса сброса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5