Устройство для управления двигателем переменного тока

 

О П И С А Н И Е (,782117

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

1 .и р (61) Дополнительное к авт, свил-ву (51)M. Кл.

3H 02 Р 7/62 (22) ЗаЯвлено 26.12. 78 (21) 2702729/24-07 с присоединением заявки ¹

Геаудерстванный квинтет

СССР ио делам изобретений и открытий (23) П риорктет

Опубликовано 23.11.80. Бюллетень №43 (53) УДК.621.313, 13-133.3-525 (088.8) Дата опубликования описания 26.11.80 и ф* ЧАЮ% (72) Авторы изобретения

М. H. Глазов и Э, С. Никулин

I

-,);,!

C (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротех-:. нике, а именно к управлению двигателем переменного тока, например шаговйм от входного напряжения, пропорпионального частоте, и может быть использовано в следящих системах с шаговыми двигателями.

1Ьвестны устройства для управления шаговыми двигателями, которые наряду с усилителями мощности, регуляторами напряжения и распределителями импультО сов содержат в качестве самостоятельных узлов усилители рассогласования и гейераторы управляемой частотй позволя- клпие регулировать скорость двигателя в

I !5 зависимости от управляющего напряже нии jl).

Недостатком таких устройств являет ся сложность, обусловленная использованием большого числа аналоговых элементов для реализадии усилйтелей рассогла сования и управляемых генераторов.

Наиболее близким по технической cymности к предлагаемому является устройство для управления двигателем переменного тока, содержащее четыре усилителя мощности, коммутирующих фазы двигателя, масштабный усилитель, двухвходовой интегратор, репейный элемент, усилитель с ключом изменения знака, коэффипиенты передачи и источнин аходного сигнала (2j.

Недостатками этого устройства являются сложность, обусловленная необходимостью введения согласуютпих элементов для связи с регуляторами напряжения на фазах двигателя, несимметрия фазных напряжений, и нелинейность зависимости частоты от входного напряжения, что снижает точность отработки двигателем ш аг0B, Бель изобретения - упрощение и повышение точности отработки шагов двигателя.

Указанная пель достигается за счет того, что устройство для управления двигателем переменного тока содержит подключенный к источнику входного сигнала

1 операдионный усилитель с последсватель3 . .7 но соедийеннйяй дйбдМ и резистором в цепи отрицательной обратйой связи и резистором в цепи положительной обратной связи и йерекпючатепь, выход которого соединен с инвертирующим входом инте ратора, сигнальный вход — с выходом масштабного усилителя, управляющий вход - с выходом релейного элемента.

Выход операционного усилителя подключен к цейи упрйвлейяя ключа изменения знака, а общая точка диода и резистора цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя подключейа к дополнительному входу масштабного усилителя.

Такое выполнение устройства обеспечивает упрощение согласования отдельных элементов и улучшает симметрию фазных йайряженйй, формируемых устройством и линейносгь зависимости частоты от вели чины входного напряжения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы," на фиг. 3 — статическая характеристика операционного усилителя с обратными связями.

Устройство (фиг. 1) содержит четыре усилители мощности 1, 2, 3, 4 подкпю ченйые соответственно к 2, Ш, Ц и XY обмоткам управления (фазам) двигателя, инверторы 5, 6, регулятор напряжения 7 с задающим входом (входом установки)

8 и входом обратной связя 9, двухвходовой интегрирующий усилитель 10 с . конденсатором 11 в обратной связи, резистивным делителем 12, 13 на неинвертирующем входе 14 и резистором 15 на инвертирующем*входе 16, репейный элемент 17, усилитель 18 с транзисторным ключом 19 aas» иэмейения знака его коэффициента передачи, и резистивным дели- телем 20, 2 1 на йФинвефФйрующем входе.

Выход интегрирующего уб@лителр 10 подключен к релейному элементу 17 и к усйпитейю 18. Выходы peaeNiaro элемен та 17 и усилителя 18 соединены непосредс пзенно с усилителями мощности 1, 3 и через инверторы 5, 6 - с усилителями мощности 2, 4.

В состав устройства управления входят также масштабный усилитель 22 с входным резйстором 23 и резистором обратной связи 24, а также операционный усипитепь 25, в цепь отри ЙМпьной обрат ной связи которого включены последовательно соединенные диод 26 и резистор

27. Входной резиСтор 28 усилителя 25

" подключен к источййку входного напряже ния Оц . Выход операционного усилителя 25 подключен к пепй управления((ба82117 4 за) транзисторного ключа 19 и к допоп .нительному входу (резистор 29) масштабного усилителя 22.

Кроме того, в устройство управления входит переключатель 30 на полевых транзисторах 31, 32 с каналами противо» положной проводимости. Выход 33 переключателя 30 соединен с инвертирующим . входом 16 интегрирующего усилителя 10, 1а первый вход 34 переключателя 30 подключен к масштабному усилителю 22 и задающему входу 8 регулятора напряже" ния 7, второй вход 35 переключателя соединен с общей точкой схемы, а управ д ляющий вход (за1воры; транзисторов 31, 32} подключен к выходу релейного эле"мента 17. Резисторы 36, 37 образуют цепь положительной обратной связи опера ционного усилителя. 25.

Устройство работает следующим обра зом.

В исходно состоянии при U = 0 напряжение на выходе масштабного усилителя 22 равно нулю. На регулятор нар пряжения 7 поступает нулевая уставка,. что соочветствует напряжению питания обмоток двигателя, равному некоторому минимальному значению, обеспечивающему создание требуемого фиксирующего момента на валу двигателя. В зависимос ти от состояния релейного элемента 17 переключатель 30 подключает инвертирующий вход 16 интегрирующего усилителя

10 либо к выходу масштабного усилителя

22, либо к общей точке схемы. Вспедсч вие смещения нуля интегрирующий ycsasтвпь 10 переходит в состояние положительного или отрицательного насыщения„ причем это состояние интегратора не изменяется при переключении репейного элемента 17. Под действием собственно го смещения нуля операционный усилитель 25 находится либо в состоянии отрицательного насьпцения, либо в линейном; режиме с малым положительным напряжением на выходе. В зависимости от состояния операционного усилители 25 транзисторный ключ 19 устанавливается в замкнутое ипи разомкнутое положение, в результате чего выходное напряжение интегрирующего усипятепя 10 npeaamrpyет на том или ином входе усилители 18.

Независимо от.,положения ключа 19 усилитель, 18 переходит 8 насыщенное состояние. Таким образом, в исходном сосSS тоянии устройство управления находится, в устойчивом положении, при котором две яз четырех фаз шагового двигателя подключены. к источнику регулируемого

5 7821 напряжения Up, в то время как две другив фазы отключены от источника.

В этам состоянии шаговый двигатель неподвижен

Работу устройства при подаче постоян но1.о входного напряжения lJ иллюстрируют временные диаграммы на фиг. 2.

При положитепьном напряжении U gg (фиг. 2, a) на выходе операционного усилителя 25 возникает отрицательное напря- 1 жение, которое запирает диод 26, размы-: кая цепь отрицательной обратной связи (см. статическую характеристику усилителя 25 на фиг. 3). Это напряжение открывает транзисторный ключ 19, в резупьта- ts те чего сигнап с интегратора воздейству-, ет только на неиивертирующий вход усилите» пя 18, и, следовательно, проходит на выход этого усилителя без изменения фазы.

Поскопьку диод 26 закрыт, выходное напряжение операционного усилителя 25 не поступает на масштабный усилитель 22, н напряжение на выходе усилителя 22

Ьпределяется выражением.

25 4

0 gg Р, 4х

2Ъ где Rg,824- сопротивления резисторов

23, 24. Напряжение 0 ®служит уставкой дпя регулятора напряжения 7, благо 30 даря чему напряжение обмоток регулируется пропорционштьно входному сигналу

Предположим, что репейный элемент

17 находится в состоянии положительного насыщения, при котором транзистор

31 закрыт, а транзистор 32 открыт, т.е. перекпючатещ, 30 соединяет инвертирующий вход интегрирующего усилителя 10 с общей точкой схемы. В этом случае отрицательное напряжение $22 поступа- 4й ет только на неинвертирующий вход 14 интегрйрующего усилители 10. Под действием этого напряжения выходной сигнал; интегрирующего усилитепи линейно умвньшаетси до тех пор, пока не дости-,ц гнет отрицательного порога цервкпючвния релейного элемента 17. После этого репейный элемент 17 переходит в состо-. ание отрицательного насыщения и переключатель 30 переходит в положение, при котором инвертирующий вход 16 инвертирующего усилителя 10 подключает ся к выходу масштабного усилители 22 (транзистор 31 открывается, а транзистор 32 SaKpbIBReTcR) Р этом ttotloKeHHE переключателя 30 напряжение .) поступает на оба входа интегрирующего усилитвпя 10, обеспечивая перезаряд интегрирующего конденсатора 11 и увеличе17 6

ыив выходного напряжения интегрирующего усипитепя 10. В момент времени, кот да выходное напряжение интегратора достигнет положительного уровня переключения релейного элемента 17, последний вновь переходит в состояние положительного насыщения, возвращая переключатель

30 в положение, при котором инвертирующий вход интегрирующего усилители подключается к общей точке схемы и напряжение (.) поступает только на неинверти22 рующий вход интегрирующего усилителя

10. Таким образом, под дейстием напря-.. жения 0 2 в схеме возникает периодический процесс, в результате которого выходное напряженке интегрирующего усилителя изменяется по пилообразному закону в пределах ширины петли гистерезиса, релейного эпемента 17. При равенстве сопротивлений резисторов 12, 13 в схеме имеют место симметричные автоколебания с одинаковой длительностью положительных и отрицательных полупвриодов (скважность импульсов 2). Частота автоколебаний определяется соотношением (!24! 240ьх

4Я С„

Ф где К„g>> К24- соответственно соцротивпеййе резисторов, 15, 23 и 24,,",- - емкость конденсатора

1 1. Следовательно, частота прямо пропорциональна входному напряжению О у, . Сигнал с выхода репейного элемента 17 поступает на усилитель мощности 1 непосредственно и через инвертор 5 на усилитель мощности 2. Два другие усилителя мощности (3 и 4) получают сигнал с усилителя 18, который при U tt> О и замкнутом. ключе

19 работает в режиме усипителя - огра ничителя без изменения фазы выходного напряжения интегратора 10. Как видно из временных диаграмм на фиг. 2а, на выходе усилителя 18 формируются импульсы прямоугольной формы, совпадающие по частоте с выходным напряжением репейного эпемента 17 и опережающие его по фазе на угол В.j2.. B этом случае обмотки управления двигателя переключаются в последовательности П-Х, Х- ХУ, ТУ-Ш, Ш-11, 11-Х и т; д..

Работа схемы при отрицательном входном напряжении (фиг. 2,б) происходит аналогичным образом с той лишь разни цей, что при этом транзисторный ключ

19 разомкнут и усилитель 18 работает вращения двигателя прямо пропорциональна этому напряжению. Баагодаря ис ольэсванию переключатепя 30 на инвертирующем входе интегратора достигается существенное -уменьшение влияния входных тохса интегрирующего усилителя на частоту и скважность импульсов управления, т. е. в конечном счете повышается точ- аос Tb устройства. Это дает возможнос 1ь также осуществлять ппавную регулировку частоты в широких пределах за счет изменения только одного резистора на входе интегратора, что улучшает технологичность схемы.

Формул"а изобретения

Устройство для управления двигателем переменного тока, содержащее четыре усилителя мощности, коммутирующих фа-. зы двигателя, масштабный усилитель, двухвходовой интегратор, репейный weмент, усилитель с кпючом изменения знака коэффициента: передачи и источник вход погосигналк отпича ющэеся тем, что, с цепью упрощения и повьппения точности отработки шагов двигатели, содержит подключенный к источнику входного сигнапа операционный усилитель" с последовательно соединенными диодом и ре-. зистором в цепи отрицатепьной обратной связи, резистором в цепи положительной обратной связи и переключатель, выход

3$ которого соединен с инвертирующим входам интегратора, сигнальный вход - с выходом масштабного усилитепя, управпяющий вход - с выходом релейного эпе мента, выход операционного усилитепя

1подкпю4ен к цепи управления ключа изменения знака, а общая точка диода и реэйстора цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя подкпючена z дополнительному входу масштабного усилители.

Источники информации, нринятые во внимание при экспертизе

1. Дискретный епектропривод с mhroвыми двнгатэпйми. Под ред. М. Г. Чили кина, М., Энергия" 1971, с, 213-244, 2. Авторское свидетельство СССР по заявке M 2921764/24-07, Кп. Н 02 Р 8/00, 1976. и аба"

И.У.

7 --" 782117

2 7

:в - режйЯе усйлйтеля - ограничителя с инвертировайием вйасодного напряжения интегрирующего усилитепя 10. Дейстяи- " " тейьно, если сопфотйИ ейия

Я,z> резисторов 27, 28 и 23, 29

1 вмбрвйы из успавия Кщ в, то

Ига выходное. напряжения масштабного усищи- теля 22 -ойредепяб%:я выражением

10 24 24 .

--:Q a — — U + 21 24

° — U = — О

928 6Х-РЯ.Ъ В)

1$

Следовательно, напряжение IJ g> остается отрицательным -и схема работает в " " режйме симметричных автоколебаний, как

= " "и в "paocM0TpeHHGM "вьппе "случае.

Б то же время при U <Îîïåðaëèoí-. ный усилитель 25 переходит в линейный

"j%kNLi-вследствие замыкайия цепи отрицательной обратной связй (отпирания диода 26), что имеет "место-йрй равен- сже напряжений на вхбдах операционщ>го усилителя 25, когда отрицательное " йапрййейие, постуйаюп1ее на инвертирующий вход усилитепя 25, сравнивается с напряжейием, действующим на его неин"вертирующем входе. При достаточно малой ширийе петли гистереэиса, Ь пе

peag операцйонного усй)йтеля 25 в линейный режим происходит вблизи 1rpis— входного напряжения 0щ . Поскопьку выходйое напряжейие операционного усилйтепя 25 становится попожительным, транзис торнйй ключ 1.9" закрйвается.

При этом выходной сйгнап интегрирукице-. го усилителя 10 йоСтуйает на оба входа усипитепя 18, прйчбм Йа Йнвертирующий вход ьтот сигнал поступает беэ осааббпейия. Поэтому усилитель 38 осуществляет инвертйрование йайряжения интегратора

10. В результате оа1о Жй" управления шагового -двигателя пефейщочаются в пос ледовательности Х-П, 13-4Й, Ш-ХУ, D -Х, Х-П; "и" т . д., ecm обеспечивается

"изменение йаправййййя вращения двигате Таким образ ","4фбйи аемое устройство обеспечиВаЖ йэменейие направления

""вфййеййя двйгатейя -ii+ йзменении знака входного напряжейия„прйчем скорость

78211 7

Составитель 3. Горник

Техред А.Ач Корректор 10. Макаренко

Редактор М. Габуда

Заказ 8164/71

Филиал ППП Патент, г., Ужгород, уй. Проекгнаи, 4

Тираж 783 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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