Устройство для управления и стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока

 

Изобретение относится к устройствам для регулирования и стабилизации скорости электродвигателей постоянного тока. Технический результат - повышение степени технологичности изготовления данного устройства. Устройство содержит блок питания, орган управления, блок сравнения, преобразователь сигнала, датчик скорости, усилитель мощности, блок управления усилителем мощности, электродвигатель, при этом орган управления выполнен в виде делителя напряжения, в одно плечо которого включен резистор, а в другое - фоторезистор, снабженный для изменения его сопротивления светонепроницаемой шторкой, блок сравнения выполнен на двух транзисторах разной проводимости, преобразователь сигнала датчика скорости выполнен по схеме эмиттерного повторителя на одном транзисторе, датчик скорости выполнен состоящим из светодиода, фототранзистора и закрепленной на валу электродвигателя круговой шторки с щелями, усилитель мощности выполнен на тиристоре, а блок управления усилителем мощности выполнен в виде релаксационного генератора на двух транзисторах с зарядным конденсатором. 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к устройствам для регулирования и стабилизации скорости электродвигателя постоянного тока.

Известно устройство (см. описание изобретения к авторскому свидетельству N 163667, кл. H 02 P), содержащее мост постоянного тока, в одно из плеч которого включена обмотка якоря двигателя, а диагональ соединена с блоком регулирования, выполненным по схеме магнитно-транзисторного усилителя с выходной обмоткой, включенной в цепь питания двигателя при этом последовательно с переходом эмиттер-база триода первого каскада усилителя включен стабилитрон.

Недостатками этого устройства является наличие нестандартных деталей, большие габариты и вес.

Другим известным средством подобного назначения является устройство, содержащее выпрямитель, нагруженный на обмотку возбуждения, соединенные последовательно якорь двигателя и тиристор, и релаксационный генератор на полупроводниковом переключающем приборе с зарядным конденсатором, включенным через реостат-регулятор скорости и диод параллельно тиристору. (См. Тиристоры. Технический справочник. Под редакцией В. Н. Лабунцова. Пер. с англ. М.: Энергия, 1971, с. 255, рис. 10 - 5).

Недостатком этого устройства является невысокая точность регулирования, проявляющаяся в существенной зависимости скорости двигателя от напряжения сети и нагрузки на его валу.

Наиболее близким (т. е. прототипом) по технической сути и достигаемому результату является приведенное в описании изобретения к авторскому свидетельству N 15453184 кл. H 02 P 5/16 устройство, состоящее из электродвигателя, подключенного к блоку питания через усилитель мощности, выполненного в виде тиристора, датчика скорости, содержащего катушку индуктивности и кольцеобразный многополюсный магнит, закрепленный на валу электродвигателя (таходатчик), блока сравнения на одном транзисторе, между эмиттером и коллектором которого включен конденсатор, органа управления, выполненного на оптроне со шторкой, механически соединенной с педалью, блока управления, усилителем мощности, представляющего собой линейный преобразователь напряженности в частоту, формирователя импульсов, состоящего из резистора и диода.

Недостатком приведенного устройства является его высокая себестоимость из-за наличия датчика скорости в виде кольцеобразного многополюсного магнита и катушки индуктивности (таходатчик) нестандартной конструкции.

Целью предлагаемого технического решения является повышение степени технологичности изготовления устройства.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройство-прототип (см. описание изобретения к авторскому свидетельству N 1545318), содержащее электродвигатель, подключенный к блоку питания через усилитель мощности, выполненный в виде тиристора, датчик скорости, блок сравнения, орган управления, блок управления усилителем мощности, введен преобразователь сигнала датчика скорости, выполненный по схеме эмиттерного повторителя на одном транзисторе, при этом датчик скорости выполнен состоящим из светодиода с ограничительным резистором, фототранзистора и закрепленного на валу электродвигателя круговой шторки со щелями, причем датчик скорости, закрепленный на корпусе электродвигателя, расположен так, что шторка находится между светодиодом и фототранзистором, при этом выход датчика скорости соединен со входом преобразователя сигнала датчика скорости, орган управления выполнен в виде оптоэлектронной пары, состоящей из светодиода с ограничительным резистором, делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенных резистора и фоторезистора, снабженного для изменения его сопротивления светонепроницаемой шторкой, обеспечивающей изменение оптической связи между светодиодом и фоторезистором, блок сравнения выполнен на двух транзисторах разной проводимости, включенных последовательно и соединенных между собой эмиттерами, при этом база первого транзистора соединена с выходом органа управления, а база второго соединена с выходом преобразования сигнала датчика скорости, блок управления усилителем мощности выполнен в виде релаксационного генератора на двух транзисторах с зарядным конденсатором, причем вход упомянутого генератора соединен с выходом блока сравнения, а выход соединен с управляющим электродом упомянутого тиристора, на котором выполнен усилитель мощности.

По сравнению с прототипом предложенное устройство не содержит нестандартных радиоэлементов (таходатчик), за счет чего снижается себестоимость и повышается технологичность изготовления. Кроме этого таходатчик не позволяет обеспечить стабилизацию скорости вращения вала электродвигателя на малых оборотах из-за снижения ЭДС катушки индуктивности таходатчика.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, где приведена электрическая схема заявляемого технического решения, состоящего из блока 1 питания, органа 2 управления, блока 3 сравнения, преобразователя 4 сигнала датчика скорости, оптоэлектронного датчика 5 скорости, релаксационного генератора 6, усилителя 7 мощности и электродвигателя 8.

При этом блок питания 1 обеспечивает питание двигателя пульсирующим напряжением и постоянным напряжением для питания остальных блоков. Орган управления 2 содержит светодиод 9 с ограничительным резистором 10, делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных резистора 11 и фоторезистора 12, имеющего оптическую связь со светодиодом 9, изменяемую шторкой (не показана). Точка соединения резисторов 11, 12 соединена с базой транзистора 13 блока сравнения 3, состоящего из двух транзисторов 13 и 14, соединенных последовательно, и ограничительного резистора 15, причем транзисторы 13, 14 соединены между собой эмиттерами. База транзистора 14 соединена с выходом преобразователя 4, выполненного на одном транзисторе 16, включенном по схеме эмиттерного повторителя, в цепь эмиттера которого включен резистор 17, а нагрузкой которого является резистор 18 и конденсатор 19, соединенные параллельно, причем точка соединения коллектора транзистора 16 с нагрузкой является выходом преобразователя 4 сигнала.

Входная цепь преобразователя 4 сигнала состоит из резисторов 20, 21 и конденсатора 22, причем резистор 20 и конденсатор 22 объединены с базой транзистора 16, а другой вывод конденсатора 22, соединенного с резистором 21, является входом преобразователя 4 сигнала и соединен с коллектором фототранзистора 23 оптоэлектронного датчика 5 скорости, также состоящего из светодиода 24 и ограничительного резистора 25. Фототранзистор 23 имеет оптическую связь со светодиодом 24, которая перекрывается круговой светонепроницаемой шторкой (не показана) с щелями, укрепленной на валу электродвигателя 8.

Релаксационный генератор 6 состоит из транзисторов 26, 27, являющихся аналогом однопереходного транзистора, причем эмиттер транзистора 26 соединен с зарядным конденсатором 28 и выходом блока 3 сравнения, а база транзистора 26 соединена с коллектором транзистора 27 и со средней точкой делителя напряжения, выполненного на резисторах 29, 30. База транзистора 27 соединена с коллектором транзистора 26. Нагрузкой релаксационного генератора 6 является резистор 31, соединенный с эмиттером транзистора 27, точка соединения которых является выходом релаксационного генератора 6.

Управляющий электрод тиристора 32 усилителя 7 мощности соединен с выходом релаксационного генератора 6, а диод 33 катодом соединен к аноду тиристора 32, анод диода 33 соединен с входом релаксационного генератора 6. Электродвигатель 8 подключен к аноду тиристора 32 и к блоку 1 питания.

Функционирование предложенного устройства осуществляется следующим образом.

При увеличении оптической связи фоторезистора 12 и светодиода 9 (см. орган 2 управления) путем перемещения шторки (например, при нажатии на педаль электропривода швейной машины, не показано) уменьшается сопротивление фоторезистора 12, вызывая увеличение падения напряжения на резисторе 11. Это напряжение поступает на базу транзистора 13 и при достижении им величины, равной напряжению открывания транзисторов 13 и 14, последние открываются, вызывая тем самым протекание тока по цепи: положительный вывод блока 1 питания - переход коллектор - эмиттер транзистора 14 - переход эмиттер - коллектор транзистора 13 - резистор 15 - конденсатор 28 - общий провод. В результате начинает заряжаться конденсатор 28 и при достижении на нем напряжения, равного сумме напряжений на резисторе 30 и напряжения открывания транзистора 26 (напряжение на его переходе база - эмиттер), последний коллекторным током приоткрывает транзистор 27, вызывая тем самым в свою очередь увеличение напряжения база - эмиттер транзистора 26. В результате транзисторы 26, 27 лавинообразно открываются полностью и конденсатор 28 разряжается по цепи: конденсатор 28 - переход эмиттер - коллектор транзистора 26 - переход база - эмиттер транзистора 27 - управляющий электрод тиристора 32, шунтированный резистором 31 - общий провод. Разрядный импульс конденсатора 28 открывает тиристор 32, в результате чего импульс питающего напряжения блока 1 питания (например, выпрямленное напряжение сети 220 В) поступает на двигатель 8, одновременно конденсатор 28 дополнительно разряжается по цепи: конденсатор 28 - диод 33 - переход анод-катод открытого тиристора 32 - общий провод. В результате чего напряжение база-эмиттер транзистора 26 уменьшается, что влечет уменьшение его коллекторного тока, что в свою очередь уменьшает базовый и коллекторный ток транзистора 27. Шунтирование резистора 30 уменьшается, что в свою очередь уменьшает напряжение база-эмиттер транзистора 26 и он закрывается, коллекторный ток его прекращается, закрывая транзистор 27. Тиристор 32 остается открытым до конца периода питающего импульсного напряжения. При нулевом напряжении питания (в начальном периоде питающего напряжения) тиристор 32 закрывается, напряжение на его аноде увеличивается, прекращается шунтирование конденсатора 28 диодом 33 и цикл повторяется.

За время, в течение которого тиристор 32 открыт, напряжение поступает на двигатель 8, в результате чего его ротор начинает вращаться вместе со шторкой со щелями (не показано). Во время прохождения щели на шторке между фототранзистором 23 и светодиодом 24 увеличивается оптическая связь между ними и фототранзистор открывается. В результате напряжение на резисторе 21 увеличивается и конденсатор 22 начинает заряжаться по цепи: положительный вывод блока 1 питания - переход эмиттер - коллектор фототранзистора 23 - конденсатор 22 - резистор 20 - общий провод. На базе транзистора 16 появляется импульс напряжения, спадающий по мере заряда конденсатора 22. Импульс тока, усиленный транзистором 16, заряжает конденсатор 19, включенный в его коллекторную цепь, причем импульс тока транзистора 16 не зависит от длительности импульса, формируемого фототранзистором 23, т.к. цепь заряда конденсатора 22 постоянна и определяется номиналами резистора 20 и конденсатора 22. При дальнейшем вращении вала двигателя 34 шторка перекрывает оптический канал между светодиодом 24 и фототранзистором 23 и последний закрывается. Напряжение на резисторе 21 падает и конденсатор 22 разряжается по цепи: резистор 21 - конденсатор 22 - резистор 20. В свою очередь конденсатор 19 незначительно разряжается на резистор 18. С увеличением числа оборотов двигателя 34 количества зарядных импульсов тока, поступающих на конденсатор 19, увеличивается и увеличивается напряжение на нем. То есть напряжение на конденсаторе 19 имеет прямо пропорциональную зависимость от частоты вращения двигателя. При достижении напряжения на конденсаторе 19, равного разности напряжений на резисторе 11 и напряжений переходов база-эмиттер транзисторов 13 и 14, последние начинают закрываться, вызывая уменьшение их коллекторных токов, что влечет за собой увеличение времени заряда конденсатора 28 и запаздывания по времени включения тиристора 32. Время нахождения во включенном состоянии тиристора 32 уменьшается, снижая при этом напряжение на двигателе 8. Этим достигается стабилизация скорости вращения двигателя 8, т.е. определенному положению органа управления 2 (например, определенному нажатию на педаль электропривода швейной машины) соответствует определенная скорость электродвигателя 8.

По сравнению с прототипом предложенное устройство содержит значительно меньшее число радиоэлементов, снижая себестоимость и повышая технологичность изготовления, что позволяет простыми средствами расширить его технические возможности.

Формула изобретения

Устройство для управления и стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока, содержащее блок питания, орган управления, блок сравнения, преобразователь сигнала датчика скорости, датчик скорости, усилитель мощности, блок управления усилителем мощности, при этом электродвигатель подключен к аноду тиристора усилителя мощности и блоку питания, орган управления выполнен в виде оптоэлектронной пары, состоящей из светодиода с ограничительным резистором, делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенных резистора и фоторезистора, шторки, обеспечивающей изменение оптической связи между светодиодом и фототранзистором, блок сравнения соединен с органом управления и с выходом преобразователя сигнала датчика скорости, вход преобразователя сигнала датчика скорости соединен с датчиком скорости, выход блока управления усилителя мощности соединен с управляющим электродом тиристора, а вход - с выходом блока сравнения, отличающееся тем, что датчик скорости выполнен состоящим из светодиода с ограничительным резистором и фототранзистора, оптическая связь между которыми перекрывается круговой светонепроницаемой шторкой с щелями, закрепленной на валу электродвигателя, блок сравнения выполнен из двух транзисторов разной проводимости, включенных последовательно и соединенных между собой эмиттерами, преобразователь сигнала датчика скорости выполнен по схеме эмиттерного повторителя на одном транзисторе, блок управления усилителем мощности выполнен в виде релаксационного генератора на двух транзисторах с зарядным конденсатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1