RU1074361C

RU1074361C - Vent electric motor

Info

Publication number: RU1074361C
Authority: RU
Inventors: С.В. Зыкин; В.П. Брагин; А.И. Буньков
Original assignee: Зыкин Станислав Владимирович
Priority date: 1982-09-28
Filing date: 1982-09-28
Publication date: 1995-06-09

Description

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в устройствах, где необходимы двигатели высокой надежности. The invention relates to the field of electrical engineering and can find application in devices where high reliability engines are needed.

Известен вентильный электродвигатель (ВД), имеющий статорную обмотку из трех секций. Вращение ротора этого двигателя осуществляется за счет последовательного возбуждения секций обмотки. Сигналы, наводимые при вращении ротора, снимаются с секций статорной обмотки и используются в качестве сигналов положения ротора, подаваемых на мультивибраторы. Мультивибраторы соединены между собой по кольцевой схеме и предназначены для управления секциями статорной обмотки. Однако данный ВД не надежен в работе, поскольку в нем отсутствует узел, определяющий положение ротора, и схема запуска двигателя. Known valve motor (VD) having a stator winding of three sections. The rotation of the rotor of this motor is due to the sequential excitation of the sections of the winding. The signals induced during the rotation of the rotor are removed from the stator winding sections and are used as rotor position signals supplied to multivibrators. Multivibrators are interconnected in a ring pattern and are designed to control sections of the stator winding. However, this VD is not reliable in operation, since it does not have a node that determines the position of the rotor, and the engine starting circuit.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к изобретению является ВД. Этот ВД содержит узел амплитудно-временного преобразования (АВП), преобразующий ЭДС, наведенную от вращения ротора в силовых секциях во временной интервал, который соответствует принятому углу коммутации. The closest in technical essence and the problem to be solved by the invention is VD. This VD contains an amplitude-time conversion unit (WUA) that converts the EMF induced from the rotation of the rotor in the power sections into a time interval that corresponds to the adopted switching angle.

Короткие импульсы с выхода узла АВП тактируют кольцевой счетчик, который управляет узлом усиления мощности и схемой выборки напряжения, наведенного в неподключенной секции двигателя. При возбуждении одной секции напряжение снимается с выбранной незапитанной секции, интегрируется и сравнивается с опорным напряжением. В случае его превышения на выходе узла АВП формируется короткий импульс, сдвигающий на один разряд кольцевой счетчик, возбуждается следующая секция, а интегратор возвращается в исходное состояние. Таким образом, узел АВП, связывающий секции ВД с кольцевым счетчиком и состоящий из последовательно связанных ключей выборки напряжения, суммирующего усилителя, ключей выборки полярности, инвертора, выпрямителя, интегратора, компаратора, формирователя коротких импульсов, дифференцирующей цепи, определяет оптимальное положение ротора независимо от скорости вращения. Для запуска двигателя на один из входов интегратора подается напряжение смещения, которое обеспечивает формирование коротких импульсов с выхода узла АВП на интервале времени, когда отсутствуют сигналы на входе узла АВП (ротор остановлен или вращается с малой скоростью). Short pulses from the output of the WUA unit clock the ring counter, which controls the power amplification unit and the voltage sampling circuit induced in the unconnected section of the engine. When one section is energized, the voltage is removed from the selected non-powered section, integrated and compared with the reference voltage. If it is exceeded, a short pulse is generated at the output of the WUA node, shifting the ring counter by one bit, the next section is excited, and the integrator returns to its original state. Thus, the WUA assembly linking the VD sections to the ring counter and consisting of series-connected voltage selection keys, a summing amplifier, polarity selection keys, an inverter, a rectifier, an integrator, a comparator, a short pulse shaper, and a differentiating circuit determines the optimal position of the rotor regardless of speed rotation. To start the engine, a bias voltage is applied to one of the integrator inputs, which ensures the formation of short pulses from the output of the WUA node at a time interval when there are no signals at the input of the WUA node (the rotor is stopped or rotates at low speed).

Этот ВД обладает существенными недостатками. Напряжение смещения, подаваемое на вход интегратора и определяющее начальные условия запуска двигателя, совершенно недостаточно для надежного пуска ВД. Это напряжение, являясь необходимым условием запуска, обеспечивает на интервале разгона двигателя на выходе узла АВП лишь непрерывную последовательность коротких импульсов с постоянной скважностью. ВД обладает конечной электромеханической постоянной. Поэтому уже на начальном этапе разгона (даже, если ротор начал вращение в правильном направлении) из-за постоянной скважности выходных импульсов узла АВП и инерционности ротора происходит, как правило, выход ротора из оптимального положения. При этом ток двигателя резко растет и ротор останавливается. Если же выбирать величину вращения на входе интегратора такой, при которой можно обеспечить на выходе узла АВП последовательность импульсов с большой скважностью, то двигатель, начав разгоняться, так и не достигнет номинальной скорости вращения, поскольку при этом сигналы на входе узла АВП малы по величине и существенно не изменят заряда на емкости интегратора, а значит и не изменят скорости двигателя. Если при пуске двигателя ротор начинает вращение в неправильном направлении, то через несколько тактов коммутации он останавливается, ток двигателя резко растет и запуск срывается. This VD has significant drawbacks. The bias voltage supplied to the input of the integrator and determining the initial conditions for starting the engine is completely insufficient for reliable starting of the VD. This voltage, being a necessary condition for starting, provides only a continuous sequence of short pulses with a constant duty cycle in the engine acceleration interval at the output of the WUA. VD has a finite electromechanical constant. Therefore, already at the initial stage of acceleration (even if the rotor began to rotate in the right direction), due to the constant duty cycle of the output pulses of the WUA assembly and the inertia of the rotor, the rotor usually leaves the optimal position. In this case, the motor current rises sharply and the rotor stops. If you choose a rotation value at the input of the integrator such that it is possible to provide a pulse sequence with a high duty cycle at the output of the WUA node, then the engine, starting to accelerate, will not reach the nominal rotation speed, since the signals at the input of the WUA node are small and they will not significantly change the charge on the capacity of the integrator, and therefore will not change the speed of the engine. If, when starting the engine, the rotor starts to rotate in the wrong direction, then after a few switching cycles it stops, the motor current rises sharply and the start breaks down.

К тому же, при принятом алгоритме коммутации силовых секций в трехсекционном ВД существует вероятность возникновения сквозных токов в мостовом инверторе (усилителе мощности), что снижает надежность работы двигателя в номинальном режиме. In addition, with the adopted algorithm for switching power sections in a three-section VD, there is a possibility of through currents in the bridge inverter (power amplifier), which reduces the reliability of the motor in nominal mode.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности работы двигателя. The aim of the present invention is to increase the reliability of the engine.

Поставленная цель достигается тем, что в ВД, содержащем m-секционную обмотку якоря, концы секций которой связаны с информационными входами узла АВП, состоящего из последовательно связанных по входу-выходу ключей выборки напряжения, суммирующего усилителя, ключей выборки полярности, инвертора, выпрямителя, интегратора, компаратора, формирователя коротких импульсов и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом n-разрядного кольцевого счетчика с шифратором, выходы которого связаны с входами узла выборки и усилителя мощности, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами узла АВП и концами секций, а для запуска двигателя используется постоянное напряжение смещения, подаваемое на один из входов интегратора. В узел АВП, между выходом интегратора и входом компаратора, введены регулятор тока и ключ с интегрирующей цепью, между началами силовых секций и входами блокировки шифратора указанного счетчика и ключа с интегрирующей цепью введен узел повторного запуска, состоящий из последовательно связанных согласующего устройства, порогового устройства и формирователя длинных импульсов, причем вход ключа с интегрирующей цепью, связанного с цепью "Пуск двигателя", соединен с указанным напряжением смещения, подаваемым на интегратор, а выход интегрирующей цепи соединен с управляющим входом регулятора. Таким образом, скважность выходных импульсов компаратора обратно пропорциональна напряжению интегрирующей цепи на интервале разгона двигателя. This goal is achieved by the fact that in the VD containing the m-section winding of the armature, the ends of the sections of which are connected to the information inputs of the WUA unit, consisting of voltage sampling keys, summing amplifier, polarity sampling keys, inverter, rectifier, integrator, sequentially connected to the input-output , a comparator, a shaper of short pulses and a differentiating circuit, the output of which is connected to the input of an n-bit ring counter with an encoder, the outputs of which are connected to the inputs of the sampling unit and power amplifier, odes are connected respectively to the control inputs node WUA and the ends of the sections and is used to start the engine a constant bias voltage applied to one input of the integrator. A current regulator and a key with an integrating circuit are introduced into the WUA node, between the integrator’s output and the comparator’s input, a restart unit consisting of series-connected matching devices, a threshold device, is inserted between the beginnings of the power sections and the blocking inputs of the encoder of the specified counter and the key with the integrating circuit shaper of long pulses, and the input of the key with an integrating circuit associated with the circuit "Start the engine" is connected to the specified bias voltage supplied to the integrator, and the output integrator a chain guide coupled to the control input of the regulator. Thus, the duty cycle of the output pulses of the comparator is inversely proportional to the voltage of the integrating circuit in the interval of acceleration of the engine.

Повышение надежности ВД без датчиков положения (ДП) достигается за счет применения в узле АВП ключа с интегрирующей цепью и активного резистора, обеспечивающих на интервале разгона двигателя плавное уменьшение скважности выходных импульсов узла АВП, а также за счет применения узла повторного запуска, обеспечивающего надежный пуск двигателя при неправильном начальном вращении ротора или его заклинивании. Improving the reliability of the VD without position sensors (DP) is achieved through the use of a key with an integrating circuit and an active resistor in the WUA unit, which ensure a smooth decrease in the duty cycle of the output pulses of the WUA unit, as well as through the use of the restart unit, which ensures reliable engine start with incorrect initial rotation of the rotor or its jamming.

На фиг.1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 принципиальная схема электродвигателя; на фиг.3 эпюры управляющих сигналов для алгоритма коммутации силовых ключей в трехсекционном двигателе с реверсивным питанием секций и межкоммутационным периодом α_к π/3. В таблице приведен алгоритм коммутации силовых секций трехсекционного ВД без ДП, обеспечивающий за шесть тактов кольцевого счетчика оборот ротора в πрад.Figure 1 presents a block diagram of a valve motor; figure 2 circuit diagram of the electric motor; figure 3 plots of control signals for the switching algorithm of the power switches in a three-section engine with reversible section power and inter-switching period α _to π / 3. The table shows the algorithm for switching the power sections of a three-section VD without a DP, which provides for the rotation of the rotor in πrad for six clock cycles of the ring counter.

ВД содержит узел амплитудно-временного преобразования 1, кольцевой счетчик с шифратором 2, узел выборки 3, усилитель мощности 4, обмотку электродвигателя 5, узел повторного запуска 6, ключи выборки напряжения 7-9, ключи выборки полярности 10, 11, суммирующий усилитель 12, инвертор 13, выпрямитель 14, интегратор 15, регулятор тока 16, ключ с интегрирующей цепью 17, компаратор 18, формирователь коротких импульсов 19, дифференцирующую цепь 20, кольцевой счетчик 21, шифратор 22, согласующее устройство 23, пороговое устройство 24, формирователь длинных импульсов 25 (фиг.1, фиг.2). The VD contains an amplitude-time conversion unit 1, a ring counter with an encoder 2, a sample unit 3, a power amplifier 4, a motor winding 5, a restart unit 6, voltage selection keys 7-9, polarity selection keys 10, 11, a summing amplifier 12, inverter 13, rectifier 14, integrator 15, current regulator 16, key with an integrating circuit 17, comparator 18, short pulse shaper 19, differentiating circuit 20, ring counter 21, encoder 22, matching device 23, threshold device 24, long pulse shaper 25 (f D.1, Figure 2).

По сигналу "пуск двигателя" напряжение смещения поступает через ключ на интегрирующую цепь 17, емкость которой начинает медленно заряжаться. По мере заряда этой емкости сопротивление регулятора тока 16 уменьшается, поэтому скважность импульсов, формируемых компаратором 18, плавно уменьшается от Q_max (соответствует начальным условиям запуска двигателя) до Q_ном (соответствует номинальной скорости вращения). В исходном положении все разряды кольцевого счетчика 21 обнулены, кроме последнего разряда α*. Инверсным состоянием последнего разряда через разблокированный шифратор 22 сигналы управления поступают на пятый и четвертый входы усилителя мощности 4 и на соответствующие входы узла выборки 3 (фиг.2). Последний формирует сигнал выборки напряжения α, который открывает ключ 7, и сигнал выборки полярности "+", который открывает ключ 11. При этом ток от источника питания "+Е_пит." протекает через третью и вторую силовые секции двигателя. Этот ток создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем ротора. Ротор начинает поворачиваться и при этом наводит в первой (незапитанной) секции ЭДС Е₁, которая через открытый ключ 7 поступает на усилитель 12 и далее через ключ 11 (открытый сигналом "+"), выпрямитель 14 интегрируется интегратором 15. Если интеграл наведенной ЭДС достигает уровня порогового напряжения Е_n1, которое подается на компаратор 18, то это означает, что ротор двигателя занял определенное положение (точнее магнитные оси ротора ориентированы соответственным образом по отношению к секциям двигателя). При этом выходным сигналом формирователя 19 интегратор 15 приводится в исходное состояние, а дифференцирующая цепь 20 выдает импульс на тактовый вход счетчика 21. Логическая "1" из последнего разряда счетчика 21 переносится в первый разряд β*, поэтому с выхода шифратора на узел 4 поступает управляющий сигнал на включение следующей пары силовых секций двигателя (пятый и второй входы узла 4), а с выхода узла выборки формируются сигналы "I" и "-", которые открывают соответственно ключи 8 и 10. На этом такте коммутации ток протекает через третью и первую силовые секции, а ЭДС наводится во второй секции. При этом знак этой ЭДС меняется, поэтому для ее нормального детектирования требуется инверсия (инвертор 13). После детектирования, интегрирования и сравнения Е₂ с выхода узла АВП поступает сигнал на подключение следующей пары силовых секций. Этот алгоритм повторяется через каждые шесть тактов кольцевого счетчика 21 и за двенадцать тактов осуществляется полный оборот четырехполюсного ротора (см. таблицу). Изменение скорости вращения ротора вызывает изменение времени интегрирования наведенной ЭДС (т.к. при этом меняется амплитуда этой ЭДС) и соответствующее изменение выходной частоты.The signal "engine start" bias voltage is supplied through the key to the integrating circuit 17, the capacity of which begins to slowly charge. As the charge of this capacity, the resistance of the current regulator 16 decreases, therefore, the duty cycle of the pulses generated by the comparator 18 gradually decreases from Q _max (corresponds to the initial conditions for starting the engine) to Q _nom (corresponds to the nominal rotation speed). In the initial position, all bits of the ring counter 21 are reset, except for the last bit α *. The inverse state of the last discharge through the unlocked encoder 22 control signals are fed to the fifth and fourth inputs of the power amplifier 4 and to the corresponding inputs of the sample node 3 (figure 2). The latter generates the voltage selection signal α, which opens the switch 7, and a selection signal polarity "+", which opens the switch 11. In this case, the current from the power supply "+ E _pit." Flows through the third and second motor power section. This current creates a magnetic field that interacts with the magnetic field of the rotor. The rotor begins to rotate and at the same time induces in the first (non-powered) section of the EMF E ₁ , which through the public key 7 enters the amplifier 12 and then through the key 11 (opened by the "+" signal), the rectifier 14 is integrated by the integrator 15. If the integral of the induced EMF reaches the threshold voltage level E _n1 , which is supplied to the comparator 18, this means that the rotor of the motor has taken a certain position (more precisely, the magnetic axis of the rotor is oriented accordingly with respect to the sections of the motor). In this case, the integrator 15 is brought to the initial state by the output signal of the former 19, and the differentiating circuit 20 gives a pulse to the clock input of the counter 21. Logical "1" from the last bit of the counter 21 is transferred to the first bit β *, therefore, the control goes from the encoder to node 4 a signal to turn on the next pair of power sections of the engine (fifth and second inputs of node 4), and signals “I” and “-” are generated from the output of the sampling node, which open keys 8 and 10, respectively. At this switching stroke, the current flows through the third and first si sections, and EMF is induced in the second section. In this case, the sign of this EMF changes, therefore, for its normal detection, inversion is required (inverter 13). After detection, integration and comparison of E ₂ from the output of the WUA node, a signal is received to connect the next pair of power sections. This algorithm is repeated every six clock cycles of the ring counter 21, and for a total of twelve clock cycles a four-pole rotor is completely rotated (see table). A change in the rotor speed causes a change in the integration time of the induced EMF (since the amplitude of this EMF changes) and a corresponding change in the output frequency.

Для надежного запуска ВД используется постоянное напряжение смещения Е_см, подаваемое на один из входов интегратора 15, ключ с интегрирующей цепью 17, активный резистор 16, а также узел повторного запуска 6. Напряжение смещения, ключ с интегрирующей цепью 17 и активный резистор 16 обеспечивают плавный разгон ВД от нулевой скорости до номинальной так, как описано выше. Пpи разгоне ротор двигателя непрерывно и плавно достигает оптимального положения (т.е. такого, при котором ток двигателя на достигнутой скорости минимален), что невозможно без использования узлов 16 и 17, обеспечивающих плавное уменьшение скважности выходных импульсов узла АВП на интервале разгона двигателя. Пусть ротор в начальный момент пуска начал вращение в неправильном направлении. Кольцевой счетчик тактируется в одном направлении.To reliably start the VD, a constant bias voltage of E _cm is applied to one of the inputs of the integrator 15, a key with an integrating circuit 17, an active resistor 16, and a restart unit 6. The bias voltage, a key with an integrating circuit 17 and an active resistor 16 provide a smooth acceleration of the VD from zero speed to rated speed, as described above. During acceleration, the engine rotor continuously and smoothly reaches the optimal position (i.e., at which the motor current at the achieved speed is minimal), which is impossible without the use of nodes 16 and 17, which provide a smooth decrease in the duty cycle of the output pulses of the WUA node over the interval of engine acceleration. Let the rotor at the initial moment of start start rotation in the wrong direction. The ring counter is clocked in one direction.

Поэтому ротор через несколько тактов останавливается, ток двигателя резко растет (т.к. ротор находится не в оптимальном положении) и с узла ограничения тока (на чертежах не показан) через шифратор на верхние транзисторы узла 4 поступают импульсы, отключающие эти транзисторы от источника питания "+Е_пит.".Therefore, the rotor stops after a few clocks, the motor current rises sharply (because the rotor is not in the optimal position) and from the current limiting unit (not shown in the drawings) pulses are received through the encoder to the upper transistors of node 4, disconnecting these transistors from the power source "+ E _pit .".

При этом потенциал средней точки силовой обмотки (начала силовых секций соединены) будет уменьшаться. На это изменение потенциала срабатывает пороговое устройство 24, выходной сигнал которого поступает на формирователь длинных импульсов 25, отключающий через шифратор верхние транзисторы усилителя мощности 4 от источника питания, и блокирующий ключ с интегрирующей цепью 17. Ротор двигателя после этого отключения, благодаря инерции, займет другое положение, из которого, как только снимется блокировка шифратора и ключа с интегрирующей цепью, будет произведен повторный запуск двигателя. Настройкой согласующего устройства 23 и выбором величины порога Е₂ добиваются того, чтобы узел повторного запуска 6 не срабатывал от короткого броска пускового тока, а реагировал только на неправильное вращение ротора в момент пуска двигателя или же на заклинивание ротора.In this case, the potential of the midpoint of the power winding (the beginning of the power sections are connected) will decrease. This potential change is triggered by a threshold device 24, the output signal of which is supplied to a long pulse shaper 25, which disconnects the upper transistors of the power amplifier 4 from the power source through an encoder and a blocking key with an integrating circuit 17. After this shutdown, the motor rotor will take another the position from which, as soon as the lock of the encoder and the key with the integrating circuit is released, the engine will restart. By adjusting the matching device 23 and selecting the threshold value E _{2, it is} ensured that the restart unit 6 does not operate from a short inrush current, but only responds to improper rotation of the rotor at the time of starting the engine or to jamming of the rotor.

Для исключения сквозных токов в усилителе мощности 4 применено рациональное тактирование кольцевого счетчика 21, что также повышает надежность работы ВД (фиг.2 и 3). To exclude through currents in the power amplifier 4, rational clocking of the ring counter 21 is used, which also increases the reliability of the VD (figure 2 and 3).

Claims

VENTILY MOTOR, containing m section winding of the armature, the ends of the sections of which are connected to the information inputs of the amplitude-time converter, consisting of series-connected voltage-sampling keys, summing amplifier, polarity sampling keys, inverter, rectifier, integrator, comparator, short-circuit former pulses and a differentiating circuit, the output of which is connected to the input n
a bit ring counter with an encoder, the outputs of which are connected to the inputs of the sampling unit and the power amplifier, the outputs of which are connected to the control inputs of the amplitude-time converter and the ends of the armature winding sections, characterized in that, in order to increase the reliability of the engine, in the amplitude-time a current regulator and a key with an integrating circuit are introduced between the integrator’s output and the comparator’s input, and between the beginnings of the power sections and the blocking inputs of the counter encoder and the integrating key a reentry unit is introduced in the circuit, consisting of a sequentially connected matching device, a threshold device, and a long pulse shaper, the key input with an integrating circuit connected to one of the integrator inputs, and the output of the integrating circuit connected to the control input of the current regulator.