RU2068611C1

RU2068611C1 - Valve-type adjustable electric motor

Info

Publication number: RU2068611C1
Application number: RU94004021A
Authority: RU
Inventors: В.И. Катаев; А.А. Волокитин; А.А. Лаптев; В.Ф. Шалагинов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа - Электромашиностроительный завод "Лепсе"; Конструкторское бюро "Электропривод"
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1996-10-27

Abstract

FIELD: electric drives. SUBSTANCE: shift register 14 of valve-type adjustable motor affording coupling between control signal shaping unit 10 and switches of semiconductor commutator 4 controlled by signals arriving from rotor position sensor 8 has at least two bits. Clock input of shift register 14 is connected to output of master oscillator 19. EFFECT: simplified design due to elimination of some assemblies in control system, improved mass and size characteristics, elimination of individual adjustment of control channels, all this improving motor reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с вентильными электродвигателями. The invention relates to electrical engineering and can be used in electric drives with valve motors.

Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления которого подключен к выходу задатчика сигналов управления (авторское свидетельство СССР N 1283928, кл. H 02 P 6/02, 1987 г). Known is an adjustable valve electric motor containing an electric machine with an anchor winding connected to the output of a semiconductor switch, the key control circuit of which is connected to the output of the rotor position sensor via the switch key generation unit, the additional control input of which is connected to the output of the control signal setter (USSR copyright certificate N 1283928, CL H 02 P 6/02, 1987).

Недостатком этого электродвигателя является низкая надежность, т.к. при наличии нескольких не согласованных во времени управляющих сигналов, поступающих на ключи коммутатора (датчик положения ротора, задатчик сигналов управления, который может включать в себя регулятор тока, ШИМ- и модулятор, задатчик режимов "Пуск" и "Стоп" и т.д.), а также при наличии случайных помех на входе цепей управления коммутатора существует возможность прихода управляющего сигнала, например, на выключение силового ключа в момент, когда ключ находится в стадии открывания. The disadvantage of this electric motor is its low reliability, as if there are several control signals that are not coordinated in time and arrive at the switch keys (rotor position sensor, control signal adjuster, which may include a current regulator, PWM and modulator, "Start" and "Stop" mode adjuster, etc. ), as well as in the presence of random interference at the input of the switch control circuits, there is the possibility of a control signal coming, for example, to turn off the power switch at the moment when the switch is in the opening stage.

Такая последовательность управляющих сигналов может привести к выходу из строя ключа, т.к. он будет находиться в активном режиме недопустимо длительное время, за которое будет превышена предельно допустимая мощность, рассеиваемая транзистором ключа при нахождении в активном режиме. Such a sequence of control signals can lead to failure of the key, because it will be in active mode for an unacceptably long time, during which the maximum permissible power dissipated by the transistor of the key will be exceeded when it is in active mode.

Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления которого подключен к выходу задатчика сигналов управления, причем по крайней мере один выход блока формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления соответствующего ключа коммутатора через регистр сдвига, информационный вход и выход которого подключены соответственно к выходу блока формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи управления соответствующего ключа, а тактирующий вход связан с выходом задающего генератора. (Авторское свидетельство СССР N 1711300, кл. H 02 K 29/06, 1992 г.). Known adjustable valve electric motor containing an electric machine with an anchor winding connected to the output of a semiconductor switch, the key control circuit of which is connected to the output of the rotor position sensor through the unit for generating key management signals of the switch, the additional control input of which is connected to the output of the control signal setter, and at least at least one output of the switch key generation signal generation block is connected to the control circuit of the corresponding com utatora through the shift register, the data input and output of which are respectively connected to the output unit for generating key switch and control signals corresponding to key control circuit, and a timing input connected to the output of the master oscillator. (USSR author's certificate N 1711300, class H 02 K 29/06, 1992).

Недостатком такого электродвигателя является сложность конструкции, повышенные массогабаритные показатели управляющей части электродвигателя. The disadvantage of this electric motor is the complexity of the design, increased weight and dimensions of the control part of the electric motor.

Увеличение числа элементов управляющей части снижает надежность электродвигателя. Наличие одновибратора в каждом канале управления весьма неудобно, т. к. их времязадающие цепи обладают низкой надежностью и плохо поддаются миниатюризации, требуют индивидуальной настройки. Особенно это проявляется когда стремятся обеспечить регламентированное включение и защиту от помех всех ключей коммутатора в многофазном вентильном электродвигателе. An increase in the number of elements of the control part reduces the reliability of the electric motor. The presence of a single vibrator in each control channel is very inconvenient, because their timing circuits have low reliability and are difficult to miniaturize, require individual settings. This is especially true when they strive to provide regulated switching on and protection from interference of all switch keys in a multiphase valve electric motor.

Технической задачей является упрощение конструкции, улучшение массогабаритных показателей и увеличение надежности путем исключения одновибраторов, обладающих низкой надежностью, плохо миниатюризируемых и требующих индивидуальной настройки, а также схем "Запрет". The technical task is to simplify the design, improve overall dimensions and increase reliability by eliminating single vibrators that have low reliability, poorly miniaturized and require individual settings, as well as the "Prohibition" schemes.

Поставленная задача достигается тем, что в вентильном электродвигателе, содержащем электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления указанного блока подключен к выходу задатчика сигналов управления, причем, по крайней мере, один выход блока формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления соответствующего ключа коммутатора через по крайней мере одноразрядный регистр сдвига, информационный вход и выход которого подключены соответственно к выходу блока формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи управления соответствующего ключа, а тактирующий вход связан с выходом задающего генератора, дополнительно регистр сдвига выполнен, не менее чем двухразрядным, с тактирующим входом, непосредственно подключенным к выходу задающего генератора. The problem is achieved in that in a valve electric motor containing an electric machine with an anchor winding connected to the output of a semiconductor switch, the key control circuit of which is connected to the output of the rotor position sensor via the switch key generation signal generating unit, the additional control input of this unit is connected to the output of the master control signals, and at least one output of the switch key management signal generating unit is connected to the control circuit I have the corresponding switch key through at least a one-bit shift register, the information input and output of which is connected respectively to the output of the switch key management signal generation block and to the control circuit of the corresponding key, and the clock input is connected to the output of the master oscillator, additionally, the shift register is made, at least than two-bit, with a clock input directly connected to the output of the master oscillator.

Сопоставительный анализ с прототипом, показывает, что заявляемое устройство отличается применением регистра сдвига не менее чем двухразрядного и тем, что выход задающего генератора непосредственно подключен к тактирующему входу регистра сдвига. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by the use of a shift register of at least two bits and the fact that the output of the master oscillator is directly connected to the clock input of the shift register.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не позволило выделить в них признака, отличающего заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Избирательский уровень". Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty." Comparison of the proposed solution with the prototype and other technical solutions in this technical field did not allow us to distinguish in them the feature that distinguishes the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "Electoral level" is met.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 временная диаграмма напряжений в узлах схемы фиг.1; на фиг.3 функциональная схема примера реализации электродвигателя с регистрами сдвига в каждом канале управления ключами коммутатора. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a functional diagram of a valve motor; figure 2 is a timing diagram of the voltage in the nodes of the circuit of figure 1; figure 3 is a functional diagram of an example implementation of an electric motor with shift registers in each channel of the switch key management.

В качестве примера рассмотрим электродвигатель с трехфазной обмоткой и нереверсивным питанием секции обмотки якоря. As an example, we consider an electric motor with a three-phase winding and non-reversible power supply to the armature winding section.

Вентильный регулируемый электродвигатель (фиг.1) содержит электрическую машину 1 с якорной обмоткой 2, подключенной к выходу 3 полупроводникового коммутатора 4, цепи управления 5-7 ключей которого соединены с выходом 8 датчика 9 положения ротора через блок 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход 11 управления которого подключен к выходу задатчика 12 сигналов управления, причем по крайней мере один выход 13 блока 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления 5 соответствующего ключа коммутатора через регистр сдвига 14, информационный вход 15 и выход 16 которого подключены соответственно к выходу 13 блока 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи 5 управления соответствующего ключа, а тактирующий вход 17 к выходу 18 задающего генератора 19. The adjustable valve motor (Fig. 1) contains an electric machine 1 with an anchor winding 2 connected to the output 3 of the semiconductor switch 4, the control circuit of 5-7 keys of which are connected to the output 8 of the rotor position sensor 9 through the switch control signal generation unit 10, additional the control input 11 of which is connected to the output of the setter 12 of the control signals, and at least one output 13 of the block 10 of the formation of the key management signals of the switch is connected to the control circuit 5 corresponding its key switch through shift register 14, data input 15 and output 16 of which are connected respectively to the outlet 13 of forming unit 10 switches the switch control signals to the circuit 5 and the appropriate key management, and timing input 17 to the output 18 of the master oscillator 19.

Электрическая машина 1 может выполняться по типу синхронной, как с постоянными магнитами, так и с электромагнитным возбуждением. The electric machine 1 can be performed as synchronous, both with permanent magnets and with electromagnetic excitation.

Полупроводниковый коммутатора 4 может быть однополупериодным или двухполупериодным на полностью управляемых ключах, например, транзисторах, симисторах. The semiconductor switch 4 may be single-half or half-wave on fully controlled keys, for example, transistors, triacs.

Задатчик 12 сигналов управления может представлять собой, например, импульсный регулятор тока, ШИМ-модулятор, задатчик режимов "Вправо", "Влево", задатчик режимов "Пуск" и "Стоп" или их комбинацию, а также как показано в авторском свидетельстве СССР N 1711300. The controller 12 of the control signals can be, for example, a pulsed current controller, a PWM modulator, a controller of the modes "Right", "Left", a controller of the modes "Start" and "Stop" or a combination thereof, as well as shown in the USSR copyright certificate N 1711300.

Датчик положения ротора 8 может выполняться по любой известной схеме, например, индуктивный с подмагничиванием или на элементах Холла. The position sensor of the rotor 8 can be performed according to any known scheme, for example, inductive with magnetization or on the Hall elements.

Блок 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора служит для формирования управляющих воздействий на ключи коммутатора в зависимости от информации, поступающей с датчика положения ротора и задатчика сигналов управления. Блок 10 может быть выполнен как показано в авторских свидетельствах N 1283928 и N 1711300. Block 10 of the formation of control signals of the switch keys is used to generate control actions on the switch keys, depending on the information received from the rotor position sensor and the control signal setter. Block 10 can be made as shown in the copyright certificates N 1283928 and N 1711300.

Двухразрядный регистр 14 сдвига может представлять собой элементы памяти, например, два Д триггера, соединенных последовательно с объединенным тактирующим входом. The two-bit shift register 14 may be memory elements, for example, two D flip-flops, connected in series with a combined clock input.

Регистр может быть как двухразрядным и одноканальными, так и более разрядным и многоканальным. Максимальное число каналов может быть равно числу ключей полупроводникового коммутатора. The register can be either two-bit and single-channel, or more bit and multi-channel. The maximum number of channels may be equal to the number of keys of a semiconductor switch.

На фиг.1 представлен двухразрядный одноканальный регистр сдвига, выходом 16 которого является выход второго (старшего) разpяда. Figure 1 shows a two-bit single-channel shift register, the output 16 of which is the output of the second (senior) bit.

Генератор 19 импульсов может выполняться по любой известной схеме и по уровню выходных сигналов должен быть совместим с регистрами сдвига. The pulse generator 19 can be performed according to any known scheme and in terms of the level of output signals must be compatible with the shift registers.

Частота задающего генератора выбирается из условия, чтобы
T_зг • N (6 ^oC 8) (T_вкл + T_выкл),
где: T_зг длительность периода задающего генератора;
N число разрядов регистра сдвига;
T_вкл, T_выкл длительность включения и выключения полупроводникового ключа соответственно.The frequency of the master oscillator is selected from the condition that
T _sg • N (6 ^o C 8) (T _on + T _off ),
where: T _{zg the} duration of the period of the master oscillator;
N is the number of bits of the shift register;
T _on , T _{off the} duration of turning on and off the semiconductor key, respectively.

Для случая фиг.1:
2T_зг (6 ^oC 8) (T_вкл + T_выкл)
Например, для мощных составляющих биполярных переключательных транзисторов, таких как 2М5-80-5-1, ТКД165-250-4 2ТКД155-40-6 могут достигать, соответственно, 2,5 мкс и 15 мкс.For the case of figure 1:
2T _cg (6 ^° C 8) (T _on + T _off )
For example, for powerful components of bipolar switching transistors, such as 2M5-80-5-1, TKD165-250-4, 2TKD155-40-6 can reach, respectively, 2.5 μs and 15 μs.

T_зг (52,5 70) мкс
Вентильный электродвигатель работает следующим образом (см. фиг.2).T _sg (52.5 70) μs
Valve motor operates as follows (see figure 2).

При работе электродвигателя на цепи 5-7 управления ключей коммутатора 4 через блок 10 поступают сигналы с датчика положения ротора 8 и задатчика 12 управляющих сигналов, например, импульсного регулятора тока. Возможно появление сигналов помех, наводимых в элементах связи перечисленных элементов вентильного электродвигателя, например, в условиях производственных цехов, транспортных средств и т.д. Перечисленные сигналы действуют несогласованно, носят случайный характер. Сигнал помехи может иметь длительность, соизмеримую с временем включения или выключения ключа. Поэтому интервалы времени между последовательными поступлениями сигналов управления на цепи управления ключей могут быть меньше времени включения и выключения ключа. Вследствие этого транзистор может находиться в активном режиме, что снижает надежность работы ключа. When the electric motor is operating on the key control circuit 5-7 of the switch 4 keys, signals from the rotor 8 position sensor and control signal generator 12, for example, a pulsed current regulator, are received through block 10. Perhaps the appearance of interference signals induced in the communication elements of the listed elements of the valve motor, for example, in the conditions of production shops, vehicles, etc. These signals act inconsistently, are random in nature. The interference signal may have a duration commensurate with the time the key is turned on or off. Therefore, the time intervals between successive arrivals of control signals on the key control circuit can be less than the time the key is turned on and off. As a result, the transistor can be in active mode, which reduces the reliability of the key.

Для исключения такого режима работы силового ключа с цепью управления 5, управляющие сигналы U₁₃ подаются через двухразрядный регистр сдвига 14 на указанную цепь управления 5 с тактовой частотой, определяемой задающим генератором 19.To eliminate this mode of operation of the power switch with the control circuit 5, the control signals U ₁₃ are fed through a two-bit shift register 14 to the specified control circuit 5 with a clock frequency determined by the master oscillator 19.

Рассмотрим работу ключа с цепью управления 5, защищенного от помех и несогласованной подачи управляющих сигналов с датчика 8 положения ротора и с задатчика 12 управляющих сигналов. В момент времени t₁ (фиг.2) из блока 10 поступил сигнал U₁₃ на открытие ключа с цепью управления 5. В момент t₂ с приходом первого фронта импульса U₁₈ задающего генератора измененный сигнал U₁₃ поступает на выход первого разряда регистра сдвига, а в момент времени t₃ поступает на выход второго разряда регистра сдвига, который является выходом 16 регистра сдвига 14. Начиная с момента времени t₃ ключ с цепью управления 5 открыт. В момент времени t₄ управляющий сигнал U₁₃ исчезает на выходе 13 блока 10. С задержкой не более чем два периода задающего генератора эта информация поступает на цепь управления 5 и ключ закрывается в момент времени t₆.Consider the operation of the key with the control circuit 5, protected from interference and inconsistent supply of control signals from the rotor position sensor 8 and from the control signal setter 12. At time t ₁ (Fig. 2), signal U _{13 was} received from block 10 to open the key with a control circuit 5. At time t _2, with the arrival of the first edge of pulse U _{18 of the} master oscillator, the changed signal U ₁₃ is output from the first bit of the shift register, and at time t ₃ the output of the second digit of the shift register, which is the output 16 of the shift register 14. Beginning at time t _{3, the} key with the control circuit 5 is open. At time t _{4, the} control signal U ₁₃ disappears at the output 13 of block 10. With a delay of no more than two periods of the master oscillator, this information arrives at control circuit 5 and the key closes at time t ₆ .

Предположим, что в момент времени t₇ по сигналу с датчика положения ротора поступил сигнал на открытие ключа с цепью управления 5, а в момент времени t₉ задатчик 12 управляющих сигналов формирует на своем выходе сигнал об отключении электродвигателя от источников питания, например, в режиме "Стоп". Интервал времени между моментами t₇ и t₉ мал, и если ключ будет отрабатывать это управляющее воздействие, то не успев открыться, будет закрываться, попадая в активный режим работы недопустимо длительное время. Такое может произойти только с теми ключами, цепи 6 и 7 которых не защищены от подобных управляющих воздействий.Suppose that at time t ₇ a signal from the rotor position sensor received a signal to open the key with a control circuit 5, and at time t _{9 the} control signal generator 12 generates a signal on its output that the motor is disconnected from power sources, for example, in the mode "Stop". The time interval between the moments of t ₇ and t _{9 is} small, and if the key will work out this control action, then before opening, it will close, getting into the active mode of operation for an unacceptably long time. This can happen only with those keys whose circuits 6 and 7 are not protected from such control actions.

Для ключа с цепью управления 5 в момент времени t₈ вредная для ключа информация будет записана в первом разряде регистра сдвига, а в момент времени t₁₀ будет стерта, не поступив во второй разряд. Таким образом, опасный короткий импульс U₁₃ на цепь управления 5 ключом не пройдет. Аналогично будет отфильтрован и сигнал помехи. Наименьшая длительность управляющего сигнала на цепи 5 управления равна периоду запирающего генератора, который равен:
T_зг (3 ^oC 4) (T_вкл + T_выкл)
Мы рассмотрели случай, когда произведена защита только одной цепи управления ключом коммутатора 4. Аналогично может быть организована защита всех ключей коммутатора при использовании многоканального, по числу ключей, двухразрядного или более разрядного регистра сдвига. Тактирующие входы всех каналов работают синхронно. Пример реализации такого электродвигателя приведен на фиг.3.For a key with a control circuit 5 at time t _{8, information} harmful to the key will be recorded in the first bit of the shift register, and at time t _{10 it} will be erased without entering the second bit. Thus, a dangerous short pulse U ₁₃ to the key control circuit 5 will not pass. The interference signal will be filtered out similarly. The smallest duration of the control signal on the control circuit 5 is equal to the period of the locking generator, which is equal to:
T _sg (3 ^° C 4) (T _on + T _off )
We examined the case when only one key management circuit of the switch 4 is protected. Similarly, protection of all switch keys can be organized when using a multi-channel, in the number of keys, two-bit or more bit shift register. The clock inputs of all channels work synchronously. An example of the implementation of such an electric motor is shown in figure 3.

Использование изобретения позволяет обеспечить надежность работы электродвигателя на уровне, обеспечиваемом прототипом, за счет регламентации порядка поступления управляющих и случайных помеховых сигналов на ключ, при котором исключается прерывание процесса включения или выключения указанного ключа. Прерывание процесса включения или выключения ключа вызывает нахождение коммутационного элемента в активном режиме недопустимо значительное время. The use of the invention allows to ensure the reliability of the electric motor at the level provided by the prototype, due to the regulation of the order of receipt of control and random interference signals to the key, which eliminates the interruption of the process of turning on or off the specified key. Interruption of the process of switching the key on or off causes the switching element to be in active mode for an unacceptably long time.

В заявляемом техническом решении полезный результат достигается меньшими схемотехническими затратами, чем в прототипе. Исключаются схемы "Запрет" и одновибраторы на каждую цепь управления, которые обладают низкой надежностью, увеличивают массогабаритные показатели управляющей части электродвигателя, требуют индивидуальной настройки. In the claimed technical solution, a useful result is achieved by lower circuit costs than in the prototype. Excluded are the “Prohibition” schemes and single-vibrators for each control circuit, which have low reliability, increase the overall dimensions of the control part of the electric motor, and require individual settings.

Использование изобретения позволило упростить управляющую часть базового вентильного электродвигателя на основе коммутатора КВД60-270, улучшить ее массогабаритные показатели, исключить индивидуальную настройку времязадающих цепей одновибраторов, тем самым повысить надежность устройства. За счет исключения одновибраторов и логических схем "Запрет", массогабаритные показатели управляющей части вентильного электродвигателя улучшились на 12% а интенсивность отказов управляющей части базового электродвигателя снизилась с λ=0,792•10^-6 до l=0,708•10^-6.The use of the invention allowed to simplify the control part of the base valve electric motor based on the KVD60-270 switchboard, to improve its weight and size indicators, to exclude individual setting of timing oscillating single-vibrator circuits, thereby increasing the reliability of the device. Due to the exclusion of single-vibrators and “Prohibition” logic circuits, the overall dimensions of the control part of the valve electric motor improved by 12% and the failure rate of the control part of the base motor decreased from λ = 0.792 • 10 ^-6 to l = 0.708 • 10 ^-6 .

Claims

An adjustable valve motor containing a master oscillator, an electric machine with an anchor winding connected to the output of the semiconductor switch, the key control circuit of which is connected to the output of the rotor position sensor via the switch key control signal generation unit, the additional control input of this block is connected to the output of the control signal sensors, moreover, at least one output of the switch key management signal generation unit is connected to the control circuit, respectively key through the shift register, the information input and output of which is connected respectively to the output of the block for generating key management signals of the switch and to the control circuit of the corresponding key, characterized in that the shift register is made not less than two-digit, with a clock input connected to the output of the master oscillator .