Устройство для управления четырехфазным двигателем переменного тока

 

ОПИСАHИЕ(8861

Союз Советскмк Социалистические

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИ ТЮЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт. свмд-еу (22) Заявлено 24.03.80 (21) 2898463/24-07 с прмсоеднненмеет заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 30. 11.81. Бюллетень,лв 44 (5l)M. Кл.

Н 02 P 7/62

Вкударетеенный квинтет

СССР (53) УДК621.313. . 13- 1.33.3-52 5 (088. 8) ао делам иаебретеинй н открытий

Дата опубликования описания 01. 12.8 1

1 (72) Авторы изобретения

М. Н. Глазов и Э. С. Никулин (7I) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХФАЗНЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управлению четырехфазным двигателем переменного тока, например шаговым, от входного напряжения пропорционального частоте, и может быть использовано в следящих системах с шаS гсвыми двигателями.

Иеаестно устройство для управления шаговыми двигателями, которые наряду с усилителями мощности, регуляторами напряжения и распределителями импульсов содерто жат в качестве самостоятельных узлов усилители рассогласования и генераторы управ ляемой частоты, позволяющие регулировать скорость вращения двигателя в зависимости or управляющего напряжения tl) .

$S

Недостаток устройства - сложность, обусловленная использованием большого числа аналоговых элементов для реали.зации усилителэй рассогласования и управляемых генераторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, для управлэния четырехфазным пвигателэм переменного тока, содержащее усилители мощности, двухвхоцовой интегратор с переключателэм на инвертирующем входе, снабженным цепями управления, релейный элемент, усилитель с изменением .знака коэффициента передачи, операционный усилитель с диодным ключом и входную шину Е22

Недостаток этого устройства состоит в относительной сложности его аналоговой части, включающей наряду с масштабным усилителэм, релэйным элэментом и другими узлами три операционных усили теля и восемь точных резисторов, определяющих зависимость частоты от входного напряжения и влияющих на стабильность частоты, что снижает надежность, точность и увеличивает энергопотребление.

Кроме того, на частоту и скважность выходных импульсов, кроме других факто, ров, оказывают дестабитвтзирующее влияние изменения коэффициента передачи масштабного усилителя, обусловленные

1тестабильностью сопротивлений соответI

3 886 ствующих резисторов, н дрейф нуля операционного усилителя, что приводит к увеличению погрешности устройства.

Цель изобретения - упрощение схемы и повышение точности.

Указанная цель достигается за счет .того, что устройство для управления четырехфазным двигателем переменного то ка содержит дополнительный транзисторный ключ, соединяющий входную шину с входом переключателя, и инвертор, соединен-. ный входом с выходом режйного элемента, а выходом - с одной из цепей управления переключателя, причем выход операционного усилителя соединен с входом транзисторного ключа, а цепь обратной связи включает в себя два последова ,тельно соединенных с диодом резистора, общая точка соединения которых подключена к неинвертирующему . входу интегратора.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство содержит четыре усилителя мощности 1-4, подключенные соот ветственно к 1 - 1У обмоткам управжния (фазам) шагового двигателя (ШД),,инверторы 5 и 6, регулятор 7 напряжения с задающим входом (входом уставки 8) и входом обратной связи 9, двухвходовой интегрирующий усилитель lp с с конденсатором ll в обратной связи и резистором 12 на инвертирующем входе, переключатеж, 13 на МОП-транзисторах

14 и 15 с каналами одной проводимости, релейный элемент 16, усилитель 17 с изменением знака коэффициента передачи, выполненный на операционном усилителе

18, резисторах 19 - 22, диодах 23 и

24 и транзисторе 25, и диодный ключ ее

26 на операционном усилитеж 27 с входным резистором 28, подключенным к источнику входного;напряжения (входной

nil) Uj, и цепью основной обратной связи, состоящей из последовательно соединенных резисторов 29 и 30 и диода 31.

Усилитель 27 охвачен также цепью нелинейной отрицательной обратной связи через посждовательно включенные стабилггрон 32 и диод 33; Выход двухвходового интегратора 10 подключен к входам режйного,эжмента 16 и усилители 17, выходы которых соединены непосредственно с усилителями мощности 1 и 3 и через инверторы 5 и 6 с усилителями мощ- ности 2 и 4.

Выход операционного усилителя 27 подклочен к базе транзистора 25, выполня

182 4 ющего функции ключа изменения знака коэффициента передачи усилителя 17. Выход цвухвходового ийтегратора 10 соецннен с входами операционного усилителя 18 через диодный ограничитель, выполненный на резисторе 19 и диодах 23 и 24.

Инвертнрующий вход интегратора 10 через резистор 12 соединен с выхоцом переключателя 13, один вход которого (транзистор 15) соединен с общей шиной, а ,другой вход (транзистор 14) — с выходом диодного ключа (точкой соединения диода 31 и резистора 30 в цепи отрицатежной обратной связи операционного усилителя 27) и с.задающим входом 8 регулятора напряжения 7.

Кроме того, в устройство введены транзисторный ключ 34, выполненный на

МОП-транзисторе и соединяющий источ

-ник входного . сигнала Ойдо с входом переключателя, 13, и инвертор 35 на МОПтранзисторе 36, управляющий электроц (затвор) которого соединен с выходом релейного элемента «6, а два, другие эжктрода (исток и сток) подключены к входу и соответствующей цепи управжния перключателя 13 (затвору транзистора 14). Цепь управления транзисторного ключа 34 соединена с выходом операционного усилителя 27, а неинвертирующий вход интегратора «О подключен к точке соединения резисторов 29 .и 30 и диодного ключа 26.

Направление включения диодов 31 и 33 и стабилитрона 32 в диодном ключе 26 соответствует использованию в переключателе 13, инверторе 35 и транзисторном ключе 34 МОП-транзисторов с каналом р-типа, При этом режйный эжмент 16 имеет прямую статическую характеристику (без инверсии). Для МОП гранзис торов с каналом П типа направжние вклю-, чения указанных диодов и стабилитрона необходимо изменить на противоположное, а режйный элемент 10 должен обладать инверсной статической характеристикой.

Устпойство работает. следующим обра-зом.

В исходном состоянии при Ug =О напряжение О на выходе диодного ключа

26 практически равно нулю (Ug< =О) и определяется смещением нуля операционного усилителя 27. Действительно, если смещение нуля, приведенное к выходу усилителя. 27, положительно, то .происходит .открывание диода 31, и усилитель 27 охватывается обратной связью через диод

3l и последовательно включенные резис886 182 где Я вЂ” ЭДС смещения и входной ток операционного усилителя 27;

" и "И,g> - сопротивления резисто-1Ф ров 28 — 30.

Если.же смещение нуля на выходе усилителя 27 отрицательно, то диод 31 закрыт, и усигагтель 27 охватывается нелинейной обратной связью через диод 33 и стаби!

5 литроп 32, в результате чего на выходе усилителя устанавливается отрицатеиное, напряжение, примерно равное опорному напряжению -0 стабилитрона 32 (Uj> U>

Это напряжение не попадает на выход ди» одного ключа, поскольку диод 31 смеща20 ется напряжением Ug> в непроводящем направлении. В то же время ключ на

МОП-транзистре 34 под действием отрицательного напряжения ОО7 замыкает25 ся, подключая источник входного сигнала 0 к входу переключателя 13 так, что Ц1 = Ugy = О.

Таким образом, . независимо от смещения нуля операционного усилителя 27

30 и состояний диодного и транзисторного ключей 26 и 34 напряжение на входе переключателя 13 при отсутствии входного сигнала равно.нулю. На регулятор

7 напряжения поступает нулевая установка, а потому напряжение питания об моток управления двигателя устанавливается в соответствии с некоторым минимальным значением, BBQBBaeMbIM смещением 0с и обеспечивающим создание требуемого фиксирующего момента на валу двигателя. В частном случае напряжение0 может быть равно нулю.

В зависимости от состояния релейного элемента 16 перключатель 13 подключает инвертнрующий вход интегратора 10 либо к выходу диодного ключа 26, либо к общей шине. Вследствие смещения нуля, присущего операционному усилите-

mo, интегратор 10 переходит в состоя.Ние положительного или отрицательного насыщения, причем это состояние не изменяется при переключении релейного элемента 16. Соответственно усилитель 17 также находится в насьпцении. где Q

При постоянном входном напряжении, когда Ug =-09Х-Сопев, ток 13 также постоянен и напряжение U> уменьшается по линейному закону. В момент времени t выходное напряжение интегратора достигает отрицательного порога переключенйя

01 релейного элемента 16, и он переходит в состояние отрицательного насыще»

55 ния. При этом происходит открывание транзисторов 15 и 36 и закрывается .транзистор 14 (на затвор транзистора 14

5 торы 29 и 30. При этом выходное напряжение диодного ключа. 29 ЗО

" ь= 1 "в Р в"" )"

18 /

В исходном состоянии устройство управления находится в устойчивом (затор.моженном) состоянии, при котором две из етырех фаз двигагеля подключены к ис4 точнику регулируемого напряжения 0О, в то время как две другие фазы отключены от источника. В этом состоянии шаговый двигатель неподвижен.

Рассмотрим работу устройства при подаче. постоянного входного напряжения 0

Sx

Пусть напряжение0 „отрицательное, т.е.

U x < 0 (фиг. 2), тогда на выходе опера« ционного усилителя 27 устанавливается положительное напряжение, диод 31 открывается, замыкая цепь отрицательной обратной связи Операционного усилителя

27. При этом диодный ключ 26 работает в режиме инвертирования входного сигнала m при 19+"9О = а 2ь= U

При положительном напряжении 0, ко- торое превышает напряжение Ugg на вежечину падения напряжения на диоде .31, транзисторы 34 и 25 находятся в закры том состоянии. Поэтому на вход переключателя 13 поступает положительное напряжение Ugg с выхода диодного ключа

26. При равенстве сопротивлений резисторов 29 и 30 (keg-- R o ) напряжение на неинвертнрующем входе интегратора

10 равно по величине половине входного напряжения, т.е.; Ц = — =Uqx

° ° ° + 1

Пусть релейный элемент 16 находитсч в состоянии положительного насыщения °

Тогда транзистор 15 закрыт. В этом случае транзистор 36 также закрыт, поскольку выходное напряжение 0 режйного элемента 16 превышает напряжение U26 (во всем диапазоне изменения сигнала должно .ВыпОлнятьсЯ условие 0 3 Ugg) °

Следовательно, транзистор 14 открыт и. напряжение через резистор 12 доступе» ет на инвертнрующий вход интегратора

10. Через резистор 12 и конденсатор 11 течет ток заряда j g конденсатора, под действием которого выходное напряжение интегратора 0 уменьшается, Ток

1 о ь- о ь о ь

1 1 й

182 8 выключеarro+ зисторе 25 напряжение на верт ру щем входе операаионного усилителя 18 прева лирует над напряжением на неинвертиру юшем входе, поскольКу на неинвертирующем входе включен резистивный делитель напряжения 20 и 22.

Как..видно из временных диаграмм на фиг. 2, на выходе усилителя 17 формнру ется напряжение прямоугольной формы, совпадающео по частоте с выходным напряженнем интегратора и сдвинутое относительно выходного напряженна релейного элемента 16 на угол — (основание по фазе). В этом случае обмотки управления ШД переключаются в последовательности Z-ll,ll ill,!П- 1Ч,1Ч-.j,?- и, harp соответствует прямому вращению двигателя.

Работа схемы при положительном вхор ном напряжении О х-р О (фнг. 2, б) происходют аналогичным образом с той лишь разницей, что диодный ключ 26 разомкнут, а транзисторный ключ 25 замкнут.

При этом на вход перекшочателя 13 поступает полсюкительное входное напряжение

Ugy через замкнутый транзисторный ключ

34. Действительно, при ljg)() 0 операционный усилитель 27 охватывается нелиней ной отрицательной обратной связью через диод 33 и стабилнтрон 32, в результате чего на. выходе усилителя 27 возникает отрицательное напряжение, определяемое опорным напряжением U стабили грона 27 (Ug7 Uo). Это напряжение, как. отмечалось выше, закрывает диод 31, разрывая цепь отрицательной обратной связи через резисторы 29 и 30. В то . же время отрицательнм напряжение Ugy открывает транзистор 34 и входной сигнал UgX поступает на вход переключате«я 13 так, что Utr U <.

Кроме того, благодаря тому, что при . отрицательном напряжении V y транзис. тор 25 находится в. замкнутом положе нии, выходной сигнал интегратора 10 проходит только На неннвертирующий вход операционного усилителя 18. Поэтому усилитель 17 формирует прямоугольное напряжение, совпадающее по фазе с вы ходным напряжением интегратора V „и

° опережающее выходное напряжение релейного эжмента 16 на угол + . В результата абиаткп упраяюппя Шй паракаачаютсян последовательностиТ-)l,?- IV, Я-!Ц, ill-ll, ll-I (фиг ° 2), т.е. вращение двигателя изменяется на противоположное. . Таким образом, предлагаемое устрой ство обеспечивает изменение направления

886 через открытый транзистор 36 поступает положительное выходное напряжение диодного ключа 26).-В реэульrare переклю чатель 13 подсоединяет инвертирующнй вход интегратора 10 к обшей шине, отклю- 5 ,чая et î or выхода диодного ключа 26, Под действием положительного напряжения . 0 на неивертирующем входе выходное напряжение интегратора 10 начинает увеличиваться по линейному закону, поскольку 1р конденсатор li перезаряжается постоянным по величине током 3p . Ток перезаряда конденсагора с U+

% Щч !

Так «ак токи заряда и разряда «онденсатора 1.1 равны по величине, то скорости. нарастания и уменьшения напряжения V н одинаковы. Нарастание напряжения V прон 2Р исходит до тех trop, пока оно не достигнет положитеа ного порога перекжочения U релейного элемента 16 (момент времен Ъ на временной диаграмме). После этого ре1 лейный элемент 16 скачком trepexorrrrr в состояние положительного насыщения, воэ

25 вращая переключатель 13 в положение, при котором инвертирующий вход интегратора 10 вновь подключается к выходу диод» ного ключа 26 и начинается очередной цикл заряда конденсатора 11.

Таким образом, под действием выход. ного напряжения 0 диодного каоча 26 в схеме. возникает периодический процесс,: в реэуи тате которого выходим напряже ние интегратора изменяется по пилообразному закону в пределах ширины петли гистерезиса д, релейного эжмента 16 (а= =lrg+IU

"Sx

Н„ где C - емкость конденсатора 11.

Сигнал с выхода релейного элемента

16 поступает на усилитеа мощности 1 непосредственно и на усилитель мощности 2 через ннвертор 5. Два другие уси« лителя мощности 3 и 4 получают сигнал с-yetrarrerrrr 17, который при 0«<0rr ра- Р эомкнутом ключе 25 работает в режиме усижтеля - ограничителя с инвертирова вием вы<одного напряжения интегратора

886 182

10 врашения двигателя при изменении знака

exoanor сигнала, причем скорость врашения регулируется прямо пропорционально входному напряжению. Г1о сравнению с известным устройство отличается более простой и в то же время более точной и технологичной схемой.

Формула изобретения

Устройство для управления четырехфазным двигателем переменного тока, содержащее усилители мошности, двухвхс довой интегратор с переключателем на инвертируюшем входе, снабженным цепями управления, релейный элемент, усилитель с изменением знака коэффициента передачи, операционный усилитель с диодным ключом и входную шину, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью упрошения схемы и повышения точности, введен дополнительный транзисторный ключ, соединяющий входную шину с входом переключателя, и инвертор, соединенный входом с выходом релейного элемента, а выходом — с одной из цепей управлния переключателя, причем выход операционного усилителя соединен с входом транзисторного ключа, а цепь обратной связи включает в себя два последоватеа :

)6 но соединенных с диодом резистора, обшая точка соединения которых подключена к неинвертируюшему входу интегратора.

1S Источники информ ации, принятые во внимание при экспертизе

1. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под ред. М, Г. Чиликина. М., Энергия, 1971, с. 213-244. ра 2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2702729 24-07 кл. Н 02 Р 7/62, 1978.

886 182 ) ъ 1 ъ ф

Составитель 3. Горник

Редактор С. Юско Техред И.Асталош Корректор M. Демчик

Э

Заказ 10555/74 Тираж 733 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам йзобретений и открытий

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

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