RU2173931C1 - Device for automatic control over dc brushless motor - Google Patents

Device for automatic control over dc brushless motor

Info

Publication number
RU2173931C1
RU2173931C1 RU2000104263A RU2000104263A RU2173931C1 RU 2173931 C1 RU2173931 C1 RU 2173931C1 RU 2000104263 A RU2000104263 A RU 2000104263A RU 2000104263 A RU2000104263 A RU 2000104263A RU 2173931 C1 RU2173931 C1 RU 2173931C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
feedback
inputs
comparator
Prior art date
Application number
RU2000104263A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ю.Т. Кукушкин
С.С. Николаев
Ю.Г. Шерстняков
Original Assignee
Кукушкин Юрий Тимофеевич
Николаев Сергей Сергеевич
Шерстняков Юрий Георгиевич
Filing date
Publication date
Application filed by Кукушкин Юрий Тимофеевич, Николаев Сергей Сергеевич, Шерстняков Юрий Георгиевич filed Critical Кукушкин Юрий Тимофеевич
Application granted granted Critical
Publication of RU2173931C1 publication Critical patent/RU2173931C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: technical result of invention consists in development of circuit for automatic control over brushless motor that provides for conditions of retunable stabilized rotational speed and stable operation of motor during start and variation of load torque. Device for realization of invention has rotor position pickup, regulator of pulse length, electronic switch and feedback circuit. Feedback circuit is inserted with former of voltage setting, regulator of depth of feedback and integrator and outputs of feedback circuit are connected to inputs of comparators inserted into regulator of pulse length which outputs are connected to inputs of electronic switch of armature windings of motor via detectors. EFFECT: improved functional reliability of device. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области средств автоматизации и робототехники и может быть использовано как в этих областях, так и в ряде других, где в качестве исполнительного элемента применяются управляемые бесколлекторные двигатели. The invention relates to the field of automation and robotics and can be used both in these areas and in a number of others, where controlled brushless motors are used as an actuating element.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока представляет собой электромеханическую систему, в которой магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами, расположенными на роторе, а якорные обмотки размещаются на статоре. Коммутация обмоток якоря машины осуществляется управляемым коммутатором по сигналам датчика положения. Наличие электронного блока управления, с помощью которого реализуются возможности регулирования параметрами рабочих характеристик двигателя, бесконтактный способ передачи энергии в якорные обмотки и ряд других факторов обуславливает перспективность использования бесколлекторных двигателей в технике [1 - 3]. A DC brushless motor is an electromechanical system in which the magnetic flux of the excitation is created by permanent magnets located on the rotor, and the anchor windings are placed on the stator. Switching the windings of the armature of the machine is carried out by a controlled switch according to the signals of the position sensor. The presence of an electronic control unit, with which it is possible to regulate the parameters of the engine’s performance, a non-contact way of transferring energy to the armature windings and a number of other factors makes it possible to use brushless motors in technology [1 - 3].

В качестве примера можно привести двигатель по заявке ФРГ N 2927958, кл. H 02 К 29/02, где для регулирования скорости используется тахогенератор, или двигатель по патенту Великобритании N 21022222 от 13.07.82 г., в котором коррекция механической характеристики осуществляется за счет переключения якорных обмоток по сигналу, поступающему от датчика скорости. Известна схема управления бесколлекторного двигателя по патенту России N 1748607, кл. H 02 К 29/14, в котором для стабилизации скорости используется широтно-импульсная модуляция токов якорных обмоток. Длительность коммутирующих импульсов формируется с использованием управляемого датчика положения, на один из входов которого поступает сигнал обратной связи по скорости. Недостатком подобной схемы является ее низкая надежность, связанная с конструктивной и схемной сложностью реализации подобного датчика и необходимостью компенсации в нем дестабилизирующих факторов. As an example, we can cite the engine according to the application of Germany N 2927958, class. H 02 K 29/02, where a tachogenerator or engine according to UK patent N 21022222 of 07.13.82, in which the correction of the mechanical characteristic is carried out by switching the anchor windings according to the signal from the speed sensor, is used to control the speed. A known control circuit of a brushless motor according to the patent of Russia N 1748607, class. H 02 K 29/14, in which pulse-width modulation of the currents of the armature windings is used to stabilize the speed. The duration of the switching pulses is formed using a controlled position sensor, one of the inputs of which receives a speed feedback signal. The disadvantage of such a scheme is its low reliability, associated with the structural and circuit complexity of the implementation of such a sensor and the need to compensate for destabilizing factors in it.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство управления бесколлекторным двигателем по авторскому свидетельству СССР N 256038, кл. H 02 К 29/06. Это устройство включает: датчик положения ротора, усилители на мультивибраторах, регуляторы длительности импульсов по числу якорных обмоток двигателя, электронный коммутатор и цепь обратной связи по скорости, в котором сигнал обратной связи по скорости формируется с помощью дополнительной обмотки в трансформаторе одного из мультивибраторов усилителя, выпрямителя и элементов регулятора длительности импульсов. Сигнал с выхода регулятора длительности импульсов подается на второй мультивибратор усилителя и изменяет интервал времени его открытого состояния, тем самым осуществляя широтную модуляцию коммутирующих импульсов. Closest to the proposed technical solution is a brushless motor control device according to the USSR copyright certificate N 256038, cl. H 02 K 29/06. This device includes: a rotor position sensor, amplifiers on multivibrators, pulse width controllers according to the number of motor windings, an electronic switch and a speed feedback circuit, in which a speed feedback signal is generated using an additional winding in the transformer of one of the multivibrators of the amplifier, rectifier and elements of the pulse duration controller. The signal from the output of the pulse duration controller is fed to the second multivibrator of the amplifier and changes the time interval of its open state, thereby performing latitudinal modulation of the switching pulses.

Основными недостатками известного решения являются: сложность схемы формирования коммутирующих импульсов в устройстве управления бесколлекторным двигателем и наличия в нем большого количества трансформаторов, что снижает надежность устройства управления и практически исключает возможность его интегрального исполнения. Отсутствие в устройстве элементов электронной настройки параметров цепи обратной связи сужает область его применения. The main disadvantages of the known solution are: the complexity of the circuit for generating switching pulses in the control device of a brushless motor and the presence of a large number of transformers in it, which reduces the reliability of the control device and virtually eliminates the possibility of its integral design. The absence in the device of elements of electronic adjustment of the parameters of the feedback circuit narrows its scope.

Целью настоящего предложения является устранение указанных недостатков прототипа и расширение области применения бесколлекторных двигателей за счет обеспечения возможностей коррекции механических характеристик двигателя с помощью управляемой обратной связи. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, содержащем датчик положения ротора, регуляторы длительности импульсов по числу якорных обмоток двигателя, электронный коммутатор и цепь обратной связи, содержащей схему формирования сигнала по скорости, в цепь обратной связи дополнительно введены схема сравнения, формирователь напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения, регулятор глубины обратной связи и интегратор. Каждый регулятор длительности импульсов выполнен в виде двух управляемых компараторов, детектора с обратно включенным диодом и детектора с прямо включенным диодом. Вход схемы формирования сигнала по скорости подключается к одному из выходов регулятора длительности импульсов, а ее выход подключен к первому входу схемы сравнения, второй вход схемы сравнения подключен к выходу формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания схемы сравнения, выход схемы сравнения подключен к первому входу регулятора глубины обратной связи, второй вход которого подключен ко второму выходу формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения, выход регулятора глубины обратной связи через интегратор и резисторы подключен к первому входу второго управляемого компаратора и ко второму входу первого управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов. К первому и второму входам формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения, подключены внешние источники управляющих сигналов. Выходы датчика положения ротора, выполненного в виде датчика угла, через резисторы подключены к первым входам первого и второго управляемых компараторов соответствующего регулятора длительности импульсов. Вторые входы вторых управляемых компараторов объединены и подключены к общей шине устройства автоматического управления бесколлекторным двигателем. Выход первого управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов через детектор с обратно включенным диодом подключен к соответствующему первому входу электронного коммутатора, выход второго управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов через детектор с прямо включенным диодом подключен ко второму соответсвующему входу электронного коммутатора, выходы электронного коммутатора подключены к соответствующим входам якорных обмоток двигателя, вторые входы якорных обмоток объединены и подсоединены к общей шине устройства управления бесколлекторным двигателем. The purpose of this proposal is to eliminate these disadvantages of the prototype and expand the scope of brushless motors by providing the ability to correct the mechanical characteristics of the motor using controlled feedback. This goal is achieved by the fact that in the device for automatic control of a brushless DC motor containing a rotor position sensor, pulse width controllers according to the number of motor armature windings, an electronic switch and a feedback circuit containing a speed signal generation circuit, an additional circuit is introduced into the feedback circuit comparison, a voltage driver defining a threshold for the comparator of the comparison circuit, a feedback depth regulator and an integrator. Each pulse duration controller is made in the form of two controlled comparators, a detector with a back-on diode and a detector with a directly-connected diode. The input of the signal conditioning circuit for speed is connected to one of the outputs of the pulse width controller, and its output is connected to the first input of the comparison circuit, the second input of the comparison circuit is connected to the output of the voltage driver determining the threshold of the comparison circuit, the output of the comparison circuit is connected to the first input of the depth controller feedback, the second input of which is connected to the second output of the voltage driver, which determines the threshold of the comparator of the comparison circuit, the output of the depth regulator atnoy communication via an integrator and the resistors connected to the first input of the second comparator and managed to the second input of the first comparator of each managed control pulse duration. External sources of control signals are connected to the first and second inputs of the voltage driver, which determines the response threshold of the comparator of the comparison circuit. The outputs of the rotor position sensor, made in the form of an angle sensor, are connected through resistors to the first inputs of the first and second controlled comparators of the corresponding pulse duration controller. The second inputs of the second controlled comparators are combined and connected to a common bus of the device for automatic control of a brushless motor. The output of the first controlled comparator of each pulse width controller through a detector with a back-on diode is connected to the corresponding first input of the electronic switch, the output of the second controlled comparator of each pulse width controller through a detector with a directly connected diode is connected to the second corresponding input of the electronic switch, the outputs of the electronic switch are connected to the corresponding inputs of the armature windings of the motor, the second inputs of the armature windings are combined and connected us to the common bus brushless motor control device.

Работа устройства поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 - 4. The operation of the device is illustrated by the drawings depicted in FIG. 14.

На фиг. 1 изображены естественная механическая характеристика двигателя (прямая CD) и семейство искусственных механических характеристик (CAB, CA'B') при различных значениях установочного напряжения, определяющего порог срабатывания цепи обратной связи. In FIG. Figure 1 shows the natural mechanical characteristic of the engine (direct CD) and the family of artificial mechanical characteristics (CAB, CA'B ') at various values of the installation voltage, which determines the feedback threshold.

На фиг. 2 изображена блок-схема устройства автоматического управления бесколлекторным двигателем для варианта с двухфазной якорной обмоткой. In FIG. 2 shows a block diagram of a device for automatic control of a brushless motor for a variant with a two-phase anchor winding.

На фиг. 3 показаны варианты временных диаграмм коммутирующих импульсов при изменении величины сигнала обратной связи U. In FIG. 3 shows options for timing diagrams of switching pulses when changing the value of the feedback signal U.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы напряжений на выходе элементов устройства автоматического управления бесколлекторным двигателем. In FIG. 4 shows time diagrams of voltages at the output of elements of a device for automatic control of a brushless motor.

Автоматическое управление бесколлекторным двигателем осуществляется за счет совместной обработки сигналов, поступающих с датчика положения ротора и цепи обратной связи. Использование регулируемой обратной связи позволяет изменять параметры механической характеристики в соответствии с требуемым законом управления. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока, не охваченного обратной связью, описывается известным уравнением вида n = n0 - k1M, или М (n0-n)/k1, где n0 - число оборотов холостого хода, М - момент двигателя, k1 - коэффициент жесткости механической характеристики двигателя. При введении в схему управления двигателем сигнала обратной связи (см. приложение ниже), корректирующего длительность рабочих импульсов, механическая характеристика видоизменяется и приобретает вид
M = [(n0-n)/k1][l - k2(n-nос)], при n ≥ nос,
где k2 - коэффициент глубины обратной связи:, nос - число оборотов двигателя, при превышении которого в цепь регулирования начинает поступать корректирующий сигнал.
The brushless motor is automatically controlled by jointly processing the signals from the rotor position sensor and the feedback circuit. Using adjustable feedback allows you to change the parameters of the mechanical characteristics in accordance with the required control law. The natural mechanical characteristic of a DC motor not covered by feedback is described by a well-known equation of the form n = n 0 - k 1 M, or M (n 0 -n) / k 1 , where n 0 is the idle speed, M is the engine moment , k 1 - coefficient of rigidity of the mechanical characteristics of the engine. When a feedback signal is introduced into the engine control circuit (see the appendix below), which corrects the duration of the working pulses, the mechanical characteristic changes and takes the form
M = [(n 0 -n) / k 1 ] [l - k 2 (nn os )], for n ≥ n os ,
where k 2 is the coefficient of feedback depth :, n os is the number of engine revolutions, above which the correction signal begins to enter the control circuit.

Механические характеристики двигателя для различных значений nос приведены на фиг. 1. Как видно из графика, при числе оборотов n < nос двигатель работает в режиме неуправляемого двигателя, при n ≥ nос - переходит в режим стабилизации (участок AB). Параметры k и nос регулируются путем изменения напряжения, подаваемого на управляющие входы формирователя напряжения установки.The mechanical characteristics of the engine for various values of nos are shown in FIG. 1. As can be seen from the graph, at a speed of n <n os, the engine runs in an uncontrolled engine mode, for n ≥ n os - it goes into stabilization mode (section AB). The parameters k and n os are regulated by changing the voltage supplied to the control inputs of the voltage generator of the installation.

Устройство автоматического управления бесколлекторного двигателя в общем случае имеет m каналов управления по числу фаз якорных обмоток, и, следовательно, используемый в устройстве датчик положения ротора должен иметь m выходов, аналогично электронный коммутатор 2m входов и m выходов. A brushless motor automatic control device generally has m control channels by the number of phases of the armature windings, and therefore, the rotor position sensor used in the device must have m outputs, similarly to an electronic switch 2m inputs and m outputs.

В качестве датчика положения используются датчики угла, выходной сигнал которых определяется угловым рассогласованием положения ротора относительно статора. Для этих целей наиболее целесообразно использовать индуктивные или емкостные датчики. Возможно использование датчиков Холла, или вращающихся трансформаторов. Преимуществом таких датчиков является то, что величина выходного сигнала однозначно определяется угловым рассогласованием статора и ротора и не зависит от скорости вращения ротора и других факторов. Выходной сигнал в зависимости от угла рассогласования описывается либо синусоидой, либо последовательностью знакопеременных равнобоких импульсов. Angle sensors are used as a position sensor, the output signal of which is determined by the angular mismatch of the position of the rotor relative to the stator. For these purposes, it is most advisable to use inductive or capacitive sensors. It is possible to use Hall sensors, or rotating transformers. The advantage of such sensors is that the value of the output signal is uniquely determined by the angular mismatch of the stator and rotor and does not depend on the rotor speed and other factors. The output signal, depending on the angle of mismatch, is described either by a sinusoid or by a sequence of alternating isosceles pulses.

Рассмотрим работу устройства для случая двухфазного бесколлекторного двигателя фиг. 2, в котором датчик положения ротора формирует сигнал синусоидальной формы. Оно содержит датчик положения ротора 1, регуляторы длительности импульсов 2 и 3, электронный коммутатор 4 и цепь обратной связи 5. Регулятор длительности импульсов первого канала 2 включает: первый управляемый компаратор 6, второй управляемый компаратор 7, детектор с обратно включенным диодом 8, детектор с прямо включенным диодом 9. Регулятор длительности импульсов второго канала 3 включает: первый и второй управляемые компараторы 10 и 11, детектор с обратно включенным диодом 12, детектор с прямо включенным диодом 13. Цепь обратной связи 5 содержит: схему формирования сигнала по скорости 14, схему сравнения 15, формирователь напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения 16, регулятор глубины обратной связи 17 и интегратор 18. На фиг. 2 также изображены не входящие в устройство автоматического управления якорные обмотки двигателя 19. В этом варианте исполнения двигателя на статоре размещаются две якорные обмотки, смещенные относительно друг друга в пространстве на 90o. Условно эти обмотки называют синусной и косинусной. Датчик положения ротора 1 имеет два выхода. По первому выходу датчика положения формируется сигнал, пропорциональный синусу угла рассогласования, по второму - косинусу.Consider the operation of the device for the case of a two-phase brushless motor of FIG. 2, in which the rotor position sensor generates a sinusoidal waveform. It contains a rotor position sensor 1, pulse width controllers 2 and 3, an electronic switch 4 and a feedback circuit 5. The pulse width controller of the first channel 2 includes: a first controlled comparator 6, a second controlled comparator 7, a detector with a back-on diode 8, a detector with directly connected diode 9. The pulse width controller of the second channel 3 includes: the first and second controlled comparators 10 and 11, a detector with a back-on diode 12, a detector with a directly connected diode 13. Feedback circuit 5 contains: a signal generation circuit for speed 14, a comparison circuit 15, a voltage driver defining a threshold for the comparator of the comparison circuit 16, a feedback depth regulator 17, and an integrator 18. FIG. 2 also shows the anchor windings of the motor 19 that are not included in the automatic control device. In this embodiment of the engine, two anchor windings are placed on the stator, offset by 90 ° from each other in space. Conventionally, these windings are called sine and cosine. The rotor position sensor 1 has two outputs. A signal is generated at the first output of the position sensor, which is proportional to the sine of the mismatch angle, and at the second, the cosine.

При включении двигателя цепь обратной связи 5 блокирована, поэтому двигатель работает в неуправляемом режиме. Его механическая характеристика соответствует естественной характеристике двигателя постоянного тока. Работа управляемых компараторов 6, 7, 10 и 11 как в управляемом, так и в неуправляемом режиме проходит одинаковым образом. Для исключения появления сквозных токов в электронном коммутаторе 4 в моменты перекоммутации якорных обмоток двигателя на выход интегратора 18 возможна подача напряжения вольтдобавки. Это напряжение, складываясь с сигналом обратной связи, разделяет моменты отключения одной из якорных обмоток и включение другой. При разгоне двигателя увеличивается напряжение на выходе схемы формирования сигнала по скорости 15. Когда скорость вращения двигателя достигает значения nос (фиг. 1), сигнал, вырабатываемый схемой формирования сигнала по скорости 14, вызывает срабатывание компаратора, входящего в схему сравнения 15. Момент срабатывания определяется сигналом, поступающим с формирователя напряжения 16, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения. С этого момента включается цепь обратной связи и ее сигнал, снимаемый с выхода интегратора 18, начинает поступать на входы управляемых компараторов 6, 7 первого регулятора длительности импульсов 2, а также на входы компараторов 10, 11 второго регулятора длительности импульсов 3.When the engine is turned on, the feedback circuit 5 is blocked, so the engine operates in uncontrolled mode. Its mechanical characteristic corresponds to the natural characteristic of a DC motor. The operation of the controlled comparators 6, 7, 10 and 11 in both managed and uncontrolled modes is the same. To exclude the appearance of through currents in the electronic switch 4 at the moments of switching of the armature windings of the motor to the output of the integrator 18, voltage boosting is possible. This voltage, combined with the feedback signal, separates the moments of disconnection of one of the armature windings and the inclusion of another. When the engine accelerates, the voltage at the output of the signal conditioning circuit at a speed of 15 increases. When the engine speed reaches a value of nos (Fig. 1), the signal generated by the signal conditioning circuit at speed 14 causes the comparator to go into the comparison circuit 15. determined by the signal from the voltage shaper 16, which determines the threshold of the comparator of the comparison circuit. From this moment, the feedback circuit is turned on and its signal, taken from the output of the integrator 18, begins to flow to the inputs of the controlled comparators 6, 7 of the first pulse width controller 2, and also to the inputs of the comparators 10, 11 of the second pulse width controller 3.

В устройстве автоматического управления бесколлекторного двигателя для коррекции механической характеристики используется широтно-импульсная модуляция напряжений, питающих якорные обмотки. Модуляция осуществляется с помощью регуляторов длительности импульсов 2 и 3 по сигналам, поступающим от датчика положения ротора 1 и от цепи обратной связи 5. При изменении уровня сигнала обратной связи меняется интервал времени, в течение которого протекает рабочий ток в якорных обмотках, а следовательно, средний за период электромагнитный момент, развиваемый двигателем. На фиг. 3 показано, как изменяется интервал открытого состояния одного из плеч компаратора при изменении напряжения обратной связи. In the automatic control device of a brushless motor, pulse-width modulation of the voltage supplying the armature windings is used to correct the mechanical characteristic. The modulation is carried out using the pulse duration controllers 2 and 3 according to the signals received from the rotor position sensor 1 and from the feedback circuit 5. When the feedback signal level changes, the time interval during which the operating current in the armature windings flows, and therefore the average for the period the electromagnetic moment developed by the engine. In FIG. Figure 3 shows how the interval of the open state of one of the shoulders of the comparator changes when the feedback voltage changes.

Назначение и работа отдельных элементов цепи обратной связи 5 следующие. Схема формирования сигнала по скорости 14 подключается своим входом к одному из выходов регуляторов длительности импульсов 2 или 3, выходной сигнал которых представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной скорости вращения двигателя. С выхода схемы формирования сигнала по скорости 14 снимается последовательность импульсов, частота которых соответствует частоте входных импульсов, а следовательно, скорости вращения двигателя. The purpose and operation of the individual elements of the feedback circuit 5 is as follows. The signal generating circuit for speed 14 is connected by its input to one of the outputs of the pulse width regulators 2 or 3, the output signal of which is a sequence of rectangular pulses with a frequency proportional to the engine speed. From the output of the signal conditioning circuit at a speed of 14, a sequence of pulses is taken, the frequency of which corresponds to the frequency of the input pulses, and hence the engine speed.

Схему формирования сигнала по скорости 14 можно реализовать (как вариант) с помощью последовательно включенных детектора, дифференцирующей цепочки и одновибратора. Сигнал на выходе дифференцирующей цепочки представляет последовательность коротких импульсов, соответствующих переднему фронту импульсов, поступающих после детектирования с выхода регулятора длительности импульсов. Эти импульсы поступают на вход одновибратора, который преобразует их в последовательность импульсов постоянной амплитуды и длительности. The signal generation circuit for speed 14 can be implemented (as an option) using a series-connected detector, a differentiating chain, and a single-shot. The signal at the output of the differentiating chain represents a sequence of short pulses corresponding to the leading edge of the pulses arriving after detection from the output of the pulse duration controller. These pulses are fed to the input of a single-shot, which converts them into a sequence of pulses of constant amplitude and duration.

Схема сравнения 15 может состоять из интегратора, компаратора и ключа. В этом варианте исполнения сигнал, поступающий с выхода схемы формирования сигнала по скорости 14 на первый вход схемы сравнения 15, подается на ключ и интегратор. В интеграторе из последовательности импульсов формируется постоянное напряжение, пропорциональное скорости вращения двигателя. Это напряжение поступает на компаратор, где сравнивается с напряжением, поступающим на схему сравнения 15 по ее второму входу с первого выхода формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения 16. При срабатывании компаратора вырабатывается сигнал, открывающий ключ. С этого момента сигнал, вырабатываемый схемой формирования сигнала по скорости 14, начинает проходить через схему сравнения 15 к первому входу регулятора глубины обратной связи 17. На второй вход регулятора глубины обратной связи 17. выполненного в виде делителя с изменяющимся коэффициентом деления, поступает сигнал со второго выхода формирователя напряжения 16. Выходной сигнал с регулятора глубины обратной связи 17 поступает на вход интегратора 18, выходное напряжение которого при этом начинает изменяться в соответствии с сигналом обратной связи. Это напряжение через резисторы поступает на входы управляемых компараторов 6, 7, 10, 11. The comparison circuit 15 may consist of an integrator, a comparator and a key. In this embodiment, the signal coming from the output of the signal conditioning circuit at a speed of 14 to the first input of the comparison circuit 15 is fed to a key and an integrator. In the integrator, a constant voltage proportional to the engine speed is formed from a sequence of pulses. This voltage is supplied to the comparator, where it is compared with the voltage supplied to the comparison circuit 15 at its second input from the first output of the voltage shaper, which determines the threshold of the comparator of the comparison circuit 16. When the comparator is activated, a signal is generated that opens the key. From this moment, the signal generated by the signal conditioning circuit at speed 14 begins to pass through the comparison circuit 15 to the first input of the feedback depth adjuster 17. The second input of the feedback depth adjuster 17. made in the form of a divider with a variable division ratio, receives a signal from the second the output of the voltage shaper 16. The output signal from the feedback depth regulator 17 is fed to the input of the integrator 18, the output voltage of which starts to change in accordance with the feedback signal tie. This voltage is supplied through the resistors to the inputs of the controlled comparators 6, 7, 10, 11.

Параметры порога срабатывания схемы сравнения 15 и коэффициента передачи регулятора глубины обратной связи 17 определяются внешними источниками по входам 1 и 2 формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения 16, или, как вариант, может быть изменено с помощью переменных резисторов в этом формирователе. Регулятор глубины обратной связи 17 обеспечивает требуемый уровень сигнала обратной связи в режиме перестраиваемой стабилизированной скорости или в случаях необходимости коррекции механической характеристики. The parameters of the response threshold of the comparison circuit 15 and the transfer coefficient of the feedback depth regulator 17 are determined by external sources at the inputs 1 and 2 of the voltage shaper, which determines the response threshold of the comparator of the comparison circuit 16, or, as an option, can be changed using variable resistors in this shaper. The feedback depth controller 17 provides the required level of the feedback signal in the tunable stabilized speed mode or, if necessary, the correction of the mechanical characteristics.

Работа регуляторов длительности импульсов 2 и 3 осуществляется следующим образом. Сигнал с выхода датчика положения ротора 1 (фиг. 4а) через резисторы поступает на первые (инвертирующие) входы управляемых компараторов 6 и 7, 10 и 11, входящих соответственно в регуляторы длительности импульсов 2 и 3. Одновременно с выхода цепи обратной связи поступает управляющее напряжение на вторые (неинвертирующие) входы компараторов 6 и 10, а также на первые входы компараторов 7 и 11. The work of the regulators of the duration of pulses 2 and 3 is as follows. The signal from the output of the rotor position sensor 1 (Fig. 4a) is fed through resistors to the first (inverting) inputs of the controlled comparators 6 and 7, 10 and 11, which are respectively included in the pulse width controllers 2 and 3. At the same time, a control voltage is supplied from the output of the feedback circuit to the second (non-inverting) inputs of the comparators 6 and 10, as well as to the first inputs of the comparators 7 and 11.

Компараторы 6 и 10 срабатывает в моменты, когда напряжения на их входах совпадают. На выходе компаратора устанавливается либо положительное, либо отрицательное напряжение в зависимости от того, какое из этих напряжений по входу 1 или входу 2 компараторов имеет большее значение. Временная диаграмма этого напряжения представлена на фиг. 4б. Comparators 6 and 10 are triggered when the voltages at their inputs match. Either positive or negative voltage is set at the output of the comparator, depending on which of these voltages is of greater importance at input 1 or input 2 of the comparators. A timing diagram of this voltage is shown in FIG. 4b.

Компараторы 7 и 11 имеет несколько иную схему подключения, в нем оба сигнала и с датчика положения 1, и с выхода цепи обратной связи 5 поступают на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход при этом заземлен. Поэтому срабатывание компараторов 7 и 11 происходит в те моменты, когда на их инвертирующих входах сигналы взаимно компенсируются. Временная диаграмма напряжения на выходе компараторов представлена на фиг. 4в. Comparators 7 and 11 has a slightly different connection scheme, in it both signals from the position sensor 1 and from the output of the feedback circuit 5 are fed to the inverting input. The non-inverting input is earthed. Therefore, the operation of the comparators 7 and 11 occurs at those moments when the signals at their inverting inputs are mutually compensated. A timing diagram of the voltage at the output of the comparators is shown in FIG. 4c.

Напряжения с выхода компараторов 6 и 7 поступают на детекторы 8 и 9, представляющих собой выпрямители, собранные на базе обратно включенного и прямо включенного диодов. Напряжения на их выходах представлены на временных диаграммах фиг. 4г, 4д. The voltages from the output of the comparators 6 and 7 are supplied to the detectors 8 and 9, which are rectifiers assembled on the basis of the back-connected and directly-connected diodes. The voltages at their outputs are shown in the time diagrams of FIG. 4g, 4d.

Импульсы напряжения, поступающие с выхода детектора 8 и детектора 12, подаются на первые входы соответствующих каналов электронного коммутатора 4, а на вторые входы электронного коммутатора 4 подаются импульсы напряжения с выходов детекторов 9 и 13. В результате на первом выходе электронного коммутатора формируется напряжение питания синусной якорной обмотки двигателя (фиг. 4е). Аналогично обеспечивается рабочий режим и на косинусной якорной обмотке по второму выходу электронного коммутатора. Схема электронного коммутатора 4 зависит от используемого источника питания. Наиболее просто эта задача решается при использовании двухполярного источника питания со средней заземленной точкой. В этом случае якорные обмотки одними своими концами подключаются к соответствующим выходам электронного коммутатора, а вторыми к общей заземленной точке устройства. Сигналы управления, поступающие последовательно к входам 1 и 2, 1' и 2' коммутатора, коммутируют соответствующие его плечи, подключая к якорным обмоткам то положительное, то отрицательное напряжение (фиг. 4е) и тем самым меняя направление тока в якорных обмотках. Для двигателей, имеющих m-фазную якорную обмотку, используется коммутатор, имеющий 2m входов и m выходов. Работа коммутатора в этом случае проходит по той же схеме. Voltage pulses from the output of the detector 8 and detector 12 are supplied to the first inputs of the corresponding channels of the electronic switch 4, and voltage pulses from the outputs of the detectors 9 and 13 are applied to the second inputs of the electronic switch 4. As a result, a sinus supply voltage is generated at the first output of the electronic switch motor anchor winding (Fig. 4e). Similarly, the operating mode is also provided on the cosine anchor winding along the second output of the electronic switch. The circuit of the electronic switch 4 depends on the power source used. This problem is most easily solved by using a bipolar power source with an average grounded point. In this case, the anchor windings are connected at one end to the corresponding outputs of the electronic switch, and the second to the common ground point of the device. The control signals arriving in series to the inputs 1 and 2, 1 'and 2' of the switch commute its respective shoulders, connecting either positive or negative voltage to the armature windings (Fig. 4e) and thereby changing the direction of the current in the armature windings. For motors with an m-phase anchor winding, a switch is used that has 2m inputs and m outputs. The operation of the switch in this case proceeds in the same way.

Использование предлагаемого технического решения позволит расширить области возможного применения бесколлекторных двигателей и повысить их надежность. Анализ имеющейся технической информации показал, что на данный момент не известно аналогичное решение с приведенным составом существенных признаков (блоков и связей между ними). Это позволяет сделать вывод о соответствии материалов заявки критерию новизны технического решения задачи. Using the proposed technical solution will expand the scope of possible applications of brushless motors and increase their reliability. The analysis of the available technical information showed that at the moment a similar solution with the given composition of essential features (blocks and connections between them) is not known. This allows us to conclude that the application materials meet the criterion of the novelty of the technical solution to the problem.

Библиографические данные. Bibliographic data.

1. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. - Л.: Наука, 1973 г. 1. Ovchinnikov I.E., Lebedev N.I. Contactless DC motors. - L .: Science, 1973.

2. Косулин В.Д., Михайлов Г.Б. и др. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов. - Л.: Энергоиздат, 1998 г. 2. Kosulin V.D., Mikhailov G.B. and others. Low-power valve motors for industrial robots. - L .: Energoizdat, 1998.

3. Цаценкин В.К. Безредукторный автоматизированный электропривод с вентильными двигателями. - M.: МЭИ, 1991 г. 3. Tsatsenkin V.K. Gearless automated electric drive with valve motors. - M .: MPEI, 1991

Приложение. Application.

Механическая характеристика двигателя, охваченного обратной связью. The mechanical characteristic of a feedback motor.

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока описывается уравнением вида

Figure 00000002

где U - напряжение питания,
n - число оборотов двигателя,
Rя - сопротивление в цепи якоря,
Φ - поток возбуждения,
CE, CM - постоянные двигателя.The natural mechanical characteristic of a DC motor is described by an equation of the form
Figure 00000002

where U is the supply voltage,
n is the engine speed,
R i - resistance in the chain of the anchor,
Φ is the excitation flux,
C E , C M - engine constants.

Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току якоря,
M=CM Φ Iя,
при этом предполагается, что величина тока якоря не меняется в пределах одного оборота. Момент, развиваемый двигателем, можно варьировать, если в пределах оборота изменять величину тока якоря с помощью его модуляции.
The moment developed by the motor is proportional to the armature current,
M = C M Φ I i ,
it is assumed that the magnitude of the armature current does not change within one revolution. The moment developed by the engine can be varied if, within a revolution, the value of the armature current is changed using its modulation.

M=Mн.у.[1+f(x)],
где Mн.у. - момент, развиваемый неуправляемым двигателем,
x - управляющий фактор.
M = M n.o. [1 + f (x)],
where M n.o. - moment developed by an uncontrolled engine,
x is the control factor.

Управление током в якорной обмотке можно реализовать с помощью той или иной модуляции тока. С точки зрения наибольшей экономичности и простоты реализации наиболее предпочтительной является ШИМ, когда отношение длительности импульсов якорной обмотки к максимально возможной определяется управляющим фактором, например текущим значением числа оборотов двигателя. Так как в этом случае момент, развиваемый двигателем, определяется длительностью импульсов, можно записать соотношение

Figure 00000003

где τ - длительность импульса тока в управляемом двигателе,
τ0 - длительность импульса при отсутствии управляющего сигнала.Current control in the armature winding can be implemented using one or another modulation of the current. From the point of view of maximum efficiency and ease of implementation, PWM is most preferable when the ratio of the pulse duration of the armature winding to the maximum possible is determined by a controlling factor, for example, the current value of the engine speed. Since in this case the moment developed by the engine is determined by the pulse duration, we can write the relation
Figure 00000003

where τ is the duration of the current pulse in the controlled motor,
τ 0 - pulse duration in the absence of a control signal.

Считая, что τ = τ(l-k2n), что справедливо при линейном управлении, получаем механическую характеристику управляемого двигателя в виде

Figure 00000004

Анализ этих характеристик показывает, что, хотя механическая характеристика двигателя, охваченного обратной связью, обладает большей жесткостью, чем исходная, она не удовлетворительна, так как рабочий момент двигателя при тех же габаритно-весовых характеристиках в номинальном режиме оказывается существенно заниженным. Напрашивается вывод - обратная связь должна быть сильной, но задержанной, т.е. включаемой, когда двигатель разгоняется до числа оборотов, близкого к номинальному.Assuming that τ = τ (lk 2 n), which is true for linear control, we obtain the mechanical characteristic of the controlled engine in the form
Figure 00000004

An analysis of these characteristics shows that, although the mechanical characteristic of the motor covered by the feedback has greater rigidity than the initial one, it is not satisfactory, since the working moment of the engine with the same overall weight and weight characteristics in the nominal mode is significantly underestimated. The conclusion suggests itself - the feedback should be strong, but delayed, i.e. included when the engine accelerates to a speed close to the nominal.

В этом случае механическая характеристика двигателя описывается уравнением

Figure 00000005

Figure 00000006

Как видно из фиг. 1 двигатель, охваченный задержанной обратной связью, может обеспечить стабильную скорость вращения в широком диапазоне колебаний момента нагрузки. В то же время, меняя значение установленного числа оборотов, можно регулировать номинальное значение стабилизированной скорости.In this case, the mechanical characteristic of the engine is described by the equation
Figure 00000005

Figure 00000006

As can be seen from FIG. 1 motor covered by delayed feedback can provide a stable rotation speed in a wide range of oscillations of the load moment. At the same time, changing the value of the set speed, you can adjust the nominal value of the stabilized speed.

Claims (1)

Устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, содержащее датчик положения ротора, регуляторы длительности импульсов по числу якорных обмоток двигателя, электронный коммутатор и цепь обратной связи, содержащая схему формирования сигнала по скорости, отличающееся тем, что в цепь обратной связи дополнительно введены схема сравнения, формирователь напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения, регулятор глубины обратной связи и интегратор, а каждый регулятор длительности импульсов выполнен в виде двух управляемых компараторов, детектора с обратновключенным диодом и детектора с прямовключенным диодом, причем вход схемы формирования сигнала по скорости подключен к одному из 'выходов регулятора длительности импульсов, а ее выход подключен к первому входу схемы сравнения, второй вход схемы сравнения подключен к первому выходу формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения, выход схемы сравнения подключен к первому входу регулятора глубины обратной связи, второй вход которого подключен ко второму входу формирователя напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора схемы сравнения, выходы которого подключаются к внешним источникам установочного напряжения, выход регулятора глубины обратной связи через интегратор и резисторы подключен к первому входу второго управляемого компаратора и ко второму входу первого управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов, при этом каждый из выходов датчика положения ротора, выполненного в виде датчика угла, через резисторы подключен к первым входам первого и второго компараторов соответствующего регулятора длительности импульсов, второй вход второго управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов подключен к общей шине устройства автоматического управления, выход первого управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов через детекторы с обратновключенными диодами подключены к соответствующим первым входам электронного коммутатора, выход второго управляемого компаратора каждого регулятора длительности импульсов через детекторы с прямовключенными диодами подключены ко вторым входам электронного коммутатора, выходы электронного коммутатора подключены к входам соответствующих якорных обмоток бесколлекторного двигателя, а вторые входы якорных обмоток объединены и подключены к общей шине устройства автоматического управления двигателем. A device for automatic control of a brushless DC motor containing a rotor position sensor, pulse width controllers according to the number of motor windings, an electronic switch and a feedback circuit containing a speed signal generation circuit, characterized in that a comparison circuit and a shaper are additionally introduced into the feedback circuit voltage determining the threshold of operation of the comparator of the comparison circuit, a feedback depth regulator and an integrator, and each duration controller The pulses are made in the form of two controlled comparators, a detector with a reverse-connected diode and a detector with a direct-connected diode, and the input of the signal conditioning circuit for speed is connected to one of the outputs of the pulse duration controller, and its output is connected to the first input of the comparison circuit, the second input of the comparison circuit is connected to the first output of the voltage driver, which determines the threshold of the comparator of the comparison circuit, the output of the comparison circuit is connected to the first input of the feedback depth controller, the second the path of which is connected to the second input of the voltage driver, which determines the threshold of the comparator of the comparison circuit, the outputs of which are connected to external sources of the installation voltage, the output of the feedback depth controller through the integrator and resistors is connected to the first input of the second controlled comparator and to the second input of the first controlled comparator of each controller pulse duration, with each of the outputs of the rotor position sensor, made in the form of an angle sensor, through resistors it is connected to the first inputs of the first and second comparators of the corresponding pulse width controller, the second input of the second controlled comparator of each pulse width controller is connected to the common bus of the automatic control device, the output of the first controlled comparator of each pulse width controller is connected to the corresponding first inputs of the electronic switch through detectors with reverse-connected diodes , output of the second controlled comparator of each pulse duration controller Erez detectors pryamovklyuchennymi diodes are connected to second inputs of the electronic switch, the electronic switch outputs connected to inputs of respective armature coils brushless motor, and the second inputs of the armature coils are combined and connected to a common bus automatic engine control device.
RU2000104263A 2000-02-23 Device for automatic control over dc brushless motor RU2173931C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2173931C1 true RU2173931C1 (en) 2001-09-20

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510126C2 (en) * 2011-08-05 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Frequency-phase system to control speed of motor rotation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SU 782070 A, 25. II. 1980. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510126C2 (en) * 2011-08-05 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Frequency-phase system to control speed of motor rotation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6693407B2 (en) Controller and associated system and method for pulse-width-modulation switching noise reduction by voltage control
US5489831A (en) Pulse width modulating motor controller
US9231504B2 (en) Electrical control system
US4961038A (en) Torque estimator for switched reluctance machines
US4873463A (en) D.C. electric motor
US4574225A (en) Apparatus for accommodating inductive flyback in pulsed motor windings
US6580235B2 (en) Electric motor with two modes of power supply switching
US20070001636A1 (en) Torque controller in an electric motor
US5204604A (en) Linearizer for a switched reluctance generator
US6794839B1 (en) Precision motor control with selective current waveform profiles in separate stator core segments
GB2552663A (en) A method and controller for controlling an electric motor
EP2533415A2 (en) Motor control device
US5793169A (en) Method and apparatus for controlling static electronic components for phase switching in a three-phase brushless electric motor
US5661381A (en) Apparatus for external inductance sensing for variable-reluctance motor commutation
JPS5910159B2 (en) Step motor driving device
RU2173931C1 (en) Device for automatic control over dc brushless motor
US11476788B1 (en) Optimal open windings inverter for controlling three-phase AC motors
US9960719B1 (en) Variable frequency electrostatic drive
EP0637127A1 (en) Three-phase electronic inverter for variable speed motor and method of operating same
Hingmire et al. Simulation and Analysis Studies of Speed Control of Brushless DC Motor Using Hall Sensors
CN114365414A (en) Sensorless controller for electrostatic machine
JP2788024B2 (en) No-collection DC motor
Zigirkas et al. Intelligent speed controller for single-phase induction motors using fuzzy APWM
RU2724603C1 (en) Synchronous motor control method
CN110620459B (en) Driving circuit for operating BLDC motor