RU2235411C1

RU2235411C1 - Device for controlling direct-current motor speed

Info

Publication number: RU2235411C1
Application number: RU2002131784/09A
Authority: RU
Inventors: нов В.П. Уль (RU); В.П. Ульянов
Original assignee: Ульянов Владимир Петрович
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-08-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; electric drives for portable actuating mechanisms in all industries.

SUBSTANCE: proposed device designed for use in electric drives of various actuating mechanisms such as dental drilling machines and portable units for drilling under transient conditions, as well as for engraving to set desired speed of dc drive motor and to hold it within comprehensive range has motor speed setting cascade in which transistor shorts out control resistor by means of its conductive emitter-collector junction in presence of working pulse thereby eliminating impact of motor armature control current on pulse length shaping control circuit; diode connected to mentioned resistor prevents ingress of negative wave of motor armature internal voltage in absence of control pulse thereby ensuring control voltage build-up across capacitor of speed maintaining cascade during space between control pulses.

EFFECT: reduced space requirement, enhanced economic efficiency and safety of device.

1 cl, 5 dwg

Description

Устройство для регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электропривода преимущественно для переносных исполнительных механизмов в любых отраслях народного хозяйства, например для бормашины в стоматологии, в переносных устройствах для сверления в нестационарных условиях и для граверных работ.A device for controlling the rotational speed of a DC motor relates to electrical engineering and can be used as an electric drive mainly for portable actuators in any sectors of the economy, for example, for a drill in dentistry, in portable devices for drilling in unsteady conditions and for engraving.

Известны устройства регулирования угловой скорости якоря электродвигателя либо изменением амплитуды управляющего напряжения, непрерывно подводимого к якорю, либо путем изменения времени, в течение которого подводится номинальное напряжение.Known devices for controlling the angular speed of the motor armature either by changing the amplitude of the control voltage continuously supplied to the armature, or by changing the time during which the rated voltage is applied.

Известно “Устройство для регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока” по авторскому свидетельству №1753571 А1, МПК 5 Н 02 Р 5/06, от 01.11.89, содержащее двухполупериодный выпрямитель, регулирующий тиристор, синхронизированный генератор пилообразного напряжения, источник образцового напряжения с потенциометрическим делителем напряжения на выходе, компаратор, усилитель, дополнительный источник образцового напряжения и узел выделения ЭДС обмотки якоря.It is known “Device for controlling the rotational speed of a direct current electric motor” according to copyright certificate No. 1753571 A1, IPC 5 N 02 P 5/06, dated 01.11.89, containing a half-wave rectifier, regulating a thyristor, a synchronized sawtooth voltage generator, a reference voltage source with a potentiometric divider the output voltage, a comparator, an amplifier, an additional source of exemplary voltage and an EMF extraction unit for the armature winding.

В данном устройстве напряжение с выхода двухполупериодного выпрямителя в момент открытия регулирующего тиристора через силовой диод прикладывается к обмотке якоря электродвигателя.In this device, the voltage from the output of a half-wave rectifier at the moment of opening the control thyristor through a power diode is applied to the winding of the motor armature.

Длительность открытого состояния регулирующего тиристора определяется моментом включения питания усилителя, мощностью конвертора и наступлением равенства ЭДС обмотки якоря и текущего значения полуволны выпрямленного напряжения двухполупериодного выпрямителя. Для стабилизации частоты вращения в данном устройстве предусмотрен дополнительный источник образцового напряжения. Его напряжение сравнивается в компараторе с ЭДС обмотки якоря в те промежутки времени, когда через силовой диод не передается энергия в электродвигатель. При такой регулировке велика зависимость выходных параметров от параметров питающего напряжения, т.е. напряжения сети. Устройство громоздко, предназначено для работы в стационарных условиях, его сложно настроить.The duration of the open state of the regulating thyristor is determined by the moment the amplifier is turned on, the power of the converter, and the equality of the EMF of the armature winding and the current value of the half-wave of the rectified voltage of the half-wave rectifier. To stabilize the speed in this device provides an additional source of exemplary voltage. Its voltage is compared in the comparator with the EMF of the armature winding at those times when energy is not transmitted to the electric motor through the power diode. With this adjustment, the output parameters are very dependent on the parameters of the supply voltage, i.e. mains voltage. The device is bulky, designed to work in stationary conditions, it is difficult to configure.

Также известен “Электропривод постоянного тока” по патенту РФ 2092963, МПК 6 Н 02 Р 5/418, от 29.05.96 года, содержащий коллекторный электродвигатель тока, якорная обмотка которого шунтирована диодом и через силовой ключ включена в диагональ выпрямительного моста; стабилизатор напряжения, вход которого подключен к инвертирующему входу компаратора, выход компаратора соединен со входом силового ключа; задатчик частоты вращения, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора. Это устройство позволяет регулировать стабильность частоты вращения электродвигателя в диапазоне, установленном задатчиком. Такие устройства под нагрузкой, необходимой в стоматологии, работают очень непродолжительное время (1-1,5 минуты) из-за перегрева.Also known is the “DC Electric Drive” according to the patent of the Russian Federation 2092963, IPC 6 Н 02 Р 5/418, dated May 29, 1996, containing a collector current motor, the anchor winding of which is shunted by a diode and is connected to the diagonal of the rectifier bridge through a power switch; a voltage stabilizer, the input of which is connected to the inverting input of the comparator, the output of the comparator is connected to the input of the power switch; speed controller, the output of which is connected to the non-inverting input of the comparator. This device allows you to adjust the stability of the rotational speed of the motor in the range set by the master. Such devices under the load required in dentistry, work for a very short time (1-1.5 minutes) due to overheating.

Наиболее близким по технической сущности является “Электропривод постоянного тока” по патенту РФ 2042258, МПК 6 Н 02 Р 5/418, от 18.05.93 года, состоящий из выпрямительного блока, содержащего выпрямитель напряжения сети, и регулирующего блока, содержащего генератор частоты управляющих импульсов, стабилизатор напряжения, двигатель. В электропривод дополнительно введены второй выпрямительный мост, компаратор и делитель напряжения. Это устройство позволяет плавно регулировать частоту вращения электродвигателя при питании его от сети переменного тока, преимущественно в бытовых условиях, где требуется плавное регулирование частоты вращения от нуля до максимальной. Но это устройство невозможно применить в стоматологии, т.к. оно не может обеспечить необходимый диапазон (от 3000 до 25000 об/мин) скорости вращения двигателя.The closest in technical essence is “DC electric drive” according to the patent of the Russian Federation 2042258, IPC 6 Н 02 Р 5/418, dated 05/18/93, consisting of a rectifier unit containing a network voltage rectifier, and a control unit containing a control pulse frequency generator , voltage stabilizer, motor. A second rectifier bridge, a comparator and a voltage divider are additionally introduced into the drive. This device allows you to smoothly control the frequency of rotation of the electric motor when it is powered from an alternating current main, mainly in domestic conditions where smooth control of the rotation speed from zero to maximum is required. But this device cannot be used in dentistry, because it cannot provide the necessary range (from 3000 to 25000 rpm) of engine speed.

Задачей предлагаемого технического решения является создание компактного, электробезопасного, экономичного устройства для установки необходимой частоты вращения электродвигателя постоянного тока и ее удержания, с большим диапазоном частот вращения для переносных исполнительных механизмов, применяемых в любых отраслях народного хозяйства, преимущественно в безрукавных бормашинах для использования в стационарных и нестационарных условиях.The objective of the proposed technical solution is to create a compact, electrically safe, economical device for setting the required rotational speed of the DC motor and its retention, with a large range of rotational speeds for portable actuators used in any sectors of the economy, mainly in sleeveless drills for use in stationary and unsteady conditions.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство для регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока, содержащее выпрямительный блок 0, двигатель 9, двухполупериодный выпрямитель напряжения сети 1 и регулирующий блок 10, состоящий из генератора 5 частоты управляющих импульсов, стабилизатора напряжения 7, в выпрямительный блок 0 введен импульсный преобразователь 2 сетевого напряжения в импульсное, в котором минусовые выводы конденсаторов 14, 16, вывод диода 21, эмиттер транзистора 20, выводы обмотки II трансформатора 63, резисторов 26 и 28 соединены с отрицательным выводом моста 13 двухполупериодного выпрямителя напряжения сети 1, между собой соединены отрицательный вывод конденсатора 15, положительный вывод конденсатора 16, выводы резистора 17 и обмотки I трансформатора 62, другой вывод обмотки I соединен с выводами диодов 18, 21, эмиттером транзистора 19, коллектором транзистора 20 и выводом обмотки III трансформатора 63; другой вывод обмотки III через резистор 22 соединен с базой транзистора 19; база транзистора 20 соединена с эмиттером транзистора 24 и через резистор 23 с выводом обмотки II трансформатора 63; коллектор транзистора 24 соединен с выводами резистора 25 и конденсатора 27; выводы обмотки I трансформатора 63 через резистор 29 соединены с выводами обмотки II трансформатора 62, а выводы обмотки III трансформатора 62 - с мостом 30 двухполупериодного выпрямителя 3 импульсного напряжения, который соединен с управляющими контактами 32 педали 4.The problem is solved due to the fact that the device for controlling the rotational speed of the DC motor containing the rectifier block 0, the motor 9, a half-wave rectifier of the mains voltage 1 and the regulating block 10, consisting of a generator 5 of the frequency of the control pulses, the voltage regulator 7, in the rectifier block 0, a pulse converter 2 of the mains voltage to pulse is introduced, in which the negative terminals of the capacitors 14, 16, the output of the diode 21, the emitter of the transistor 20, the terminals of the winding II of the transformer 6 3, the resistors 26 and 28 are connected to the negative terminal of the bridge 13 of the half-wave rectifier of the network 1, the negative terminal of the capacitor 15, the positive terminal of the capacitor 16, the terminals of the resistor 17 and the winding I of the transformer 62 are connected, the other terminal of the winding I is connected to the terminals of the diodes 18, 21, the emitter of the transistor 19, the collector of the transistor 20 and the output of the winding III of the transformer 63; another terminal of winding III through a resistor 22 is connected to the base of transistor 19; the base of the transistor 20 is connected to the emitter of the transistor 24 and through a resistor 23 with the output of the winding II of the transformer 63; the collector of the transistor 24 is connected to the terminals of the resistor 25 and the capacitor 27; the terminals of the winding I of the transformer 63 through a resistor 29 are connected to the terminals of the winding II of the transformer 62, and the terminals of the winding III of the transformer 62 are connected to the bridge 30 of the half-wave pulse voltage rectifier 3, which is connected to the control contacts 32 of the pedal 4.

В регулирующий блок 10 введены перестраиваемый генератор 6 длительности управляющего импульса, усилитель постоянного тока 8 с выходным каскадом, каскад 11 поддержания числа оборотов, каскад 12 установки числа оборотов, при этом к выводам электродвигателя 9 подключен делитель из резисторов 54 и 55, к подвижному выводу переменного резистора 55 подключен диод 57 каскада 12 установки числа оборотов, к другому выводу диода 57 через резистор 58 подключена база транзистора 61 каскада 11 поддержания числа оборотов, коллектор транзистора 61 которого подсоединен через конденсатор 36 к выходу с микросхемы И-НЕ 40 перестраиваемого генератора 6 длительности управляющего импульса, резистор 59 через конденсатор 60, а также эмиттер транзистора 61 каскада 11 поддержания числа оборотов подключены к корпусу; к выводу резистора 55 подключен коллектор транзистора 53 каскада 12 установки числа оборотов, эмиттер которого соединен с корпусом, а его база через резистор 51 - с выводом с микросхемы И-НЕ 40 перестраиваемого генератора 6 длительности управляющего импульса.A tunable generator 6 of a control pulse duration, a direct current amplifier 8 with an output stage, a cascade 11 for maintaining the speed, a cascade 12 for setting the speed are introduced into the control unit 10, while a divider of resistors 54 and 55 is connected to the terminals of the electric motor 9, to the movable terminal of the variable the resistor 55 is connected to the diode 57 of the speed setting stage 12, the base of the transistor 61 of the speed maintenance stage 11 is connected to the other output of the diode 57 through the resistor 58, the collector of the transistor 61 of which is connected Yen through the capacitor 36 to the output from the chip AND 40 NOT tunable generator 6 of the control pulse duration, the resistor 59 through the capacitor 60, as well as the emitter of the transistor 61 of the cascade 11 maintain the speed connected to the housing; the collector of the transistor 53 of the speed setting stage 12 is connected to the output of the resistor 55, the emitter of which is connected to the housing, and its base is connected through the resistor 51 to the output of the tunable generator 6 of the control pulse duration from the NAND 40 chip.

Выводы а и b микросхемы И-НЕ 41 соединены между собой и с коллектором транзистора 61 и через резистор 64 с корпусом; вывод с микросхемы И-НЕ 41 соединен с выводом а микросхемы И-НЕ 43 генератора 5 частоты управляющих импульсов; вывод с микросхемы И-НЕ 43 которого соединен с выводом b этой микросхемы через резистор 44 и выводами а, b микросхемы И-НЕ 42 этого генератора 5; вывод b микросхемы 43 генератора 5 частоты управляющих импульсов через конденсатор 33 соединен с выводом с микросхемы И-НЕ 42 и через конденсатор 34 - с выводом а микросхемы И-НЕ 40 перестраиваемого генератора 6 длительности управляющего импульса; вывод а микросхемы И-НЕ 40 через резистор 35 подключен к стабилизирующему диоду стабилизатора напряжения 7, вывод с микросхемы И-НЕ 40 соединен через резистор 49 с базой управляющего транзистора 52, при этом после подачи напряжения питания через управляющие контакты 32 педали 4 на усилитель постоянного тока 8, стабилизатор 7 напряжения сформированный импульс генератора 6 длительности управляющего импульса прикладывается к базе транзистора 52 усилителя постоянного напряжения 8 и открывает транзистор 47 этого усилителя постоянного напряжения для подачи управляющего импульса на двигатель 9, амплитуда которого определяется напряжением двухполупериодного выпрямителя 3 импульсного напряжения.The findings a and b of the AND-NOT 41 chip are interconnected with the collector of the transistor 61 and through the resistor 64 with the housing; the output from the AND-41 chip is connected to the output of the AND-NOT 43 chip of the generator 5 of the frequency of the control pulses; the output from the AND-NOT 43 chip which is connected to the output b of this chip through a resistor 44 and the terminals a, b of the AND-NOT 42 chip of this generator 5; the output b of the microcircuit 43 of the generator 5 of the frequency of the control pulses through a capacitor 33 is connected to the output from the microcircuit I-NOT 42 and through the capacitor 34 to the output a of the microcircuit I-NOT 40 of the tunable generator 6 of the duration of the control pulse; the output of the I-NOT 40 microcircuit through the resistor 35 is connected to the stabilizing diode of the voltage stabilizer 7, the output from the I-NOT 40 microcircuit is connected through the resistor 49 to the base of the control transistor 52, and after applying the supply voltage through the control contacts 32 of the pedal 4 to the constant amplifier current 8, voltage stabilizer 7, the generated pulse of the generator 6 of the control pulse duration is applied to the base of the transistor 52 of the constant voltage amplifier 8 and opens the transistor 47 of this constant voltage amplifier for odachi driving pulse to the motor 9, whose amplitude is determined by the voltage full-wave rectifier 3, a pulse voltage.

Использование преобразователя сетевого напряжения в импульсное, требуемой для управления двигателем величины позволяет сделать устройство компактным и электробезопасным за счет применения малогабаритных импульсных трансформаторов и наличия гальванической развязки. При этом обеспечивается стабильная работа всего устройства при значительных колебаниях напряжения в сети.Using a converter of mains voltage to a pulse, required for engine control, allows the device to be compact and electrically safe due to the use of small-sized pulse transformers and the presence of galvanic isolation. This ensures the stable operation of the entire device with significant voltage fluctuations in the network.

Такое устройство очень удобно применять в переносных исполнительных механизмах, используемых в любых отраслях народного хозяйства, например в безрукавных бормашинах для применения в стоматологии в стационарных и нестационарных условиях.Such a device is very convenient to use in portable actuators used in any sectors of the economy, for example in sleeveless drills for use in dentistry in stationary and non-stationary conditions.

Выбранная высокая частота 30 кГц импульсного генератора позволяет оба трансформатора выполнить с малыми размерами, что обеспечивает портативность устройства.The selected high frequency 30 kHz pulse generator allows both transformers to be small in size, which ensures portability of the device.

Применение гальванически развязанного импульсного тока для питания двигателя постоянного тока позволяет увеличить цикл работы до 12 минут, а под нагрузкой до 7 минут, по сравнению с аналогами уже в несколько раз, что очень важно при работе бормашины.The use of a galvanically isolated pulse current to power a DC motor allows you to increase the cycle up to 12 minutes, and under load up to 7 minutes, compared with analogs already several times, which is very important when working with a drill.

Применение гальванической развязки от напряжения сети позволяет устройству работать при колебаниях сети от 160 до 240 B и обеспечивает электробезопасность при эксплуатации, что тоже очень важно в стоматологии.The use of galvanic isolation from the mains voltage allows the device to work with mains fluctuations from 160 to 240 V and provides electrical safety during operation, which is also very important in dentistry.

Применение импульсного управления для поддержания требуемого момента вращения якоря позволяет производить регулирование в большом диапазоне частот вращения электродвигателя путем изменения времени, в течение которого к якорю подводится номинальное напряжение, т.е. изменением длительности питающего импульсного напряжения эмиттер - коллектор транзистора каскада поддержания числа оборотов под действием Е, амплитуды, ЭДС обмотки якоря двигателя (положительные полуволны), накапливаемого конденсатором того же каскада между рабочими импульсами тока возбуждения якоря.The use of pulse control to maintain the required moment of rotation of the armature allows regulation in a large range of frequencies of rotation of the electric motor by changing the time during which the rated voltage is applied to the armature, i.e. by changing the duration of the supplying pulse voltage, the emitter is the collector of the transistor of the cascade of maintaining the speed under the action of E, amplitude, EMF of the armature of the motor armature (positive half-waves) accumulated by the capacitor of the same cascade between the working pulses of the armature excitation current.

Применение предложенной схемы каскада установки числа оборотов вращения вала двигателя, где транзистор этого каскада, при наличии рабочего импульса, своим открытым переходом эмиттер - коллектор шунтирует регулировочный резистор, исключая возможность воздействия тока управления якоря двигателя на схему управления формирования длительности импульса, а диод, подключенный к данному резистору, исключает возможность проникновения отрицательной волны ЭДС якоря двигателя во время отсутствия управляющего импульса, обеспечивает получение управляющего напряжения на конденсаторе каскада поддержания числа оборотов в паузах между импульсами управления.Application of the proposed cascade circuit for setting the speed of rotation of the motor shaft, where the transistor of this cascade, in the presence of a working impulse, by its open transition, the emitter - collector shunts the control resistor, eliminating the possibility of the control armature control current acting on the control circuit for forming the pulse duration, and the diode connected to this resistor, eliminates the possibility of penetration of a negative wave EMF of the motor armature during the absence of a control pulse, provides control voltage on the capacitor of the cascade of maintaining the number of revolutions in the pauses between the control pulses.

Устройство для регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока изображено на чертежах, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства, на фиг.2 - принципиальная схема, на фиг.3 - зависимость длительности импульсов управления от сопротивления перехода эмиттер - коллектор, на фиг.4 - зависимость R_эк от напряжения на конденсаторе 60 каскада поддержания числа оборотов, на фиг.5 изображены эпюры токов и напряжений в точках, указанных на блок - схеме на фиг.1.A device for controlling the rotational speed of a DC motor is shown in the drawings, where Fig. 1 shows a block diagram of a device, Fig. 2 is a circuit diagram, Fig. 3 is a diagram illustrating the dependence of a control pulse duration on an emitter-collector junction resistance; 4 - dependence of R _ec on the voltage on the capacitor 60 of the cascade of maintaining the number of revolutions, figure 5 shows the diagrams of currents and voltages at the points indicated on the block diagram of figure 1.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, которое состоит из выпрямительного блока 0 и регулирующего блока 10.Figure 1 shows a block diagram of a device that consists of a rectifier unit 0 and a control unit 10.

Выпрямительный блок 0 содержит: 1 - двухполупериодный выпрямитель сети 220 B, 2 - импульсный преобразователь постоянного напряжения в импульсное 30 кГц с одновибратором запуска, 3 - двухполупериодный выпрямитель 30 кГц, 4 - педаль включения; регулирующий блок 10 содержит: 5 - генератор частоты управляющих импульсов якоря электродвигателя, 6 - перестраиваемый генератор длительности управляющего импульса, 7 - стабилизатор напряжения 5 B, 8 - усилитель постоянного тока с выходным каскадом, 9 - двигатель, 11 - каскад поддержания числа оборотов, 12 - каскад установки числа оборотов.Rectifier block 0 contains: 1 - a half-wave rectifier of a 220 V network, 2 - a pulsed DC-to-pulse converter of 30 kHz with a one-shot trigger, 3 - a half-wave rectifier of 30 kHz, 4 - a pedal of inclusion; control unit 10 contains: 5 - a frequency generator for the control pulses of the motor armature, 6 - a tunable generator for the duration of the control pulse, 7 - a voltage regulator 5 B, 8 - a DC amplifier with an output stage, 9 - an engine, 11 - a cascade for maintaining the speed, 12 - cascade of setting the speed.

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема устройства. Выпрямительный блок 0 содержит каскады: двухполупериодный выпрямитель 1, где диодный мост 13, конденсатор фильтра 14; импульсный преобразователь 2 на 30 кГц на транзисторах 19, 20, импульсных трансформаторах 62 и 63, резисторах 17, 23, 29, конденсаторах 15, 16, диодах 18, 21 с одновибратором запуска на транзисторе 24, резисторах 25, 26, 28, конденсаторе 27. Они соединены следующим образом: минусовые выводы конденсаторов 14, 16, диода 21, эмиттера транзистора 20, обмотки II трансформатора 63, резисторов 26 и 28 соединены с отрицательным выводом моста 13, выводы конденсатора 15, резистора 17, диода 18, коллектора транзистора 19, резистора 25 - с положительным выводом моста 13, между собой соединены отрицательный вывод конденсатора 15 и положительный вывод конденсатора 16, выводы резистора 17 и обмотки I трансформатора 62, другой вывод обмотки I соединен с выводами диодов 18, 21, эмиттером транзистора 19, коллектором транзистора 20 и выводом обмотки III трансформатора 63, другой вывод обмотки III через резистор 22 соединен с базой транзистора 19, база транзистора 20 - с эмиттером транзистора 24 и через резистор 23 с выводом обмотки II трансформатора 63; коллектор транзистора 24 соединен с выводами резистора 25 и конденсатора 27; выводы обмотки I трансформатора 63 через резистор 29 соединены с выводами обмотки II трансформатора 62, а выводы обмотки III трансформатора 62 - с мостом 30 двухполупериодного выпрямителя 3 импульсного напряжения, который соединен с управляющими контактами 32 педали 4, которая осуществляет связь между выпрямительным блоком 0 и регулирующим блоком 10.Figure 2 shows a circuit diagram of a device. Rectifier block 0 contains cascades: a half-wave rectifier 1, where the diode bridge 13, the filter capacitor 14; 30 kHz pulse converter 2 on transistors 19, 20, pulse transformers 62 and 63, resistors 17, 23, 29, capacitors 15, 16, diodes 18, 21 with a single-shot trigger on transistor 24, resistors 25, 26, 28, capacitor 27 They are connected as follows: negative terminals of capacitors 14, 16, diode 21, emitter of transistor 20, winding II of transformer 63, resistors 26 and 28 are connected to the negative terminal of bridge 13, terminals of capacitor 15, resistor 17, diode 18, collector of transistor 19, resistor 25 - with a positive terminal of bridge 13, interconnected about the negative terminal of the capacitor 15 and the positive terminal of the capacitor 16, the terminals of the resistor 17 and winding I of the transformer 62, the other terminal of the winding I is connected to the terminals of the diodes 18, 21, the emitter of the transistor 19, the collector of the transistor 20 and the terminal of the winding III of the transformer 63, the other terminal of the winding III through the resistor 22 is connected to the base of the transistor 19, the base of the transistor 20 is connected to the emitter of the transistor 24 and through the resistor 23 with the output of the winding II of the transformer 63; the collector of the transistor 24 is connected to the terminals of the resistor 25 and the capacitor 27; the terminals of the winding I of the transformer 63 through a resistor 29 are connected to the terminals of the winding II of the transformer 62, and the terminals of the winding III of the transformer 62 are connected to the bridge 30 of the half-wave pulse voltage rectifier 3, which is connected to the control contacts 32 of the pedal 4, which communicates between the rectifier block 0 and the control block 10.

Регулирующий блок 10 содержит каскады: генератор частоты 5 управляющих импульсов на микросхемах И-НЕ 42, 43, резисторе 44, конденсаторе 33; перенастраиваемый генератор 6 управляющих импульсов на микросхемах И-НЕ 40, 41, резисторах 64, 35, конденсаторах 34, 36; стабилизатор напряжения 7 (параметрический) 5 B на стабилизирующем диоде 37, резисторе 39, конденсаторе 38; усилитель 8 постоянного тока с выходным каскадом на транзисторах 52, 48, 47, резисторах 45, 46, 49, 50; двигатель 9; каскад 11 поддержания числа оборотов на транзисторе 61, резисторах 58, 59, конденсаторе 60 и каскад 12 установки числа оборотов на транзисторе 53, диоде 57, резисторах 51, 54, 55.The control unit 10 contains the following cascades: a frequency generator 5 of control pulses on NAND chips 42, 43, a resistor 44, a capacitor 33; a reconfigurable generator of 6 control pulses on AND-NOT 40, 41 microcircuits, resistors 64, 35, capacitors 34, 36; voltage stabilizer 7 (parametric) 5 V on a stabilizing diode 37, resistor 39, capacitor 38; DC amplifier 8 with an output stage on transistors 52, 48, 47, resistors 45, 46, 49, 50; engine 9; cascade 11 of maintaining the speed at the transistor 61, resistors 58, 59, the capacitor 60 and cascade 12 of setting the speed at the transistor 53, diode 57, resistors 51, 54, 55.

Каскады соединены следующим образом: к выводам электродвигателя 9 подключен делитель из резисторов 54 и 55, к подвижному выводу переменного резистора 55 подключен диод 57 каскада 12 установки числа оборотов, к другому выводу диода 57 через резистор 59 подключена база транзистора 61 каскада 11 поддержания числа оборотов, коллектор транзистора 61 которого подсоединен через конденсатор 36 к выходу с микросхемы И-НЕ 40 перестраиваемого генератора 6 длительности управляющего импульса, резистор 59 через конденсатор 60, а также эмиттер транзистора 61 каскада 11 поддержания числа оборотов подключены к корпусу; к выводу резистора 55 подключен коллектор транзистора 53 каскада 12 установки числа оборотов, эмиттер которого соединен с корпусом, а его база через резистор 51 - с выводом с микросхемы И-НЕ 40 перестраиваемого генератора 6 длительности управляющего импульса; выводы а и b микросхемы И-НЕ 41 соединены между собой и с коллектором транзистора 61 и через резистор 64 с корпусом; вывод с микросхемы И-НЕ 41 соединен с выводом а микросхемы И-НЕ 43 генератора 5 частоты управляющих импульсов, вывод с микросхемы И-НЕ 43 которого соединен с выводами b этой микросхемы через резистор 44 и выводами а, b микросхемы И-НЕ 42 этого генератора 5; вывод b микросхемы 43 генератора 5 частоты управляющих импульсов через конденсатор 33 соединен с выводом с микросхемы И-НЕ 42 и через конденсатор 34 с выводом а микросхемы И-НЕ 40 перестраиваемого генератора 6 длительности управляющего импульса; вывод а микросхемы И-НЕ 40 через резистор 35 подключен к стабилизирующемуся диоду стабилизатора напряжения 7; вывод с микросхемы И-НЕ 40 соединен через резистор 49 с базой управляющего транзистора 52.The cascades are connected as follows: a divider of resistors 54 and 55 is connected to the terminals of the electric motor 9, a diode 57 of the speed setting circuit 12 is connected to the movable output of the variable resistor 55, the base of the transistor 61 of the cascade 11 of maintaining the speed is connected to the other output of the diode 57 through the resistor 59, the collector of the transistor 61 which is connected through a capacitor 36 to the output from the chip NAND 40 tunable generator 6 of the control pulse, the resistor 59 through the capacitor 60, as well as the emitter of the transistor 61 of the cascade 11 maintain the speed connected to the housing; the collector of the transistor 53 of the speed setting stage 12 is connected to the output of the resistor 55, the emitter of which is connected to the housing, and its base is connected through the resistor 51 to the output of the tunable generator 6 of the control pulse duration from the NAND 40 chip; the findings a and b of the AND-41 chip are interconnected with the collector of the transistor 61 and through the resistor 64 with the housing; the output from the AND-41 chip is connected to the terminal a of the AND-NOT 43 chip of the control pulse frequency generator 5, the output from the AND-NOT 43 chip of which is connected to the terminals b of this chip through the resistor 44 and the terminals a, b of the AND-NOT 42 chip of this generator 5; the output b of the microcircuit 43 of the generator 5 of the frequency of the control pulses through a capacitor 33 is connected to the output from the microcircuit AND 42 and through the capacitor 34 to the output of the microcircuit AND 40 NOT tunable generator 6 of the duration of the control pulse; the output of the AND-NOT 40 microcircuit through a resistor 35 is connected to a stabilizing diode of a voltage stabilizer 7; the output from the chip AND 40 is connected through a resistor 49 to the base of the control transistor 52.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Напряжение сети 220 B, выпрямленное мостом 13 и отфильтрованное конденсатором 14, прикладывается к одновибратору на транзисторе 24, который запускается и выдает импульс запуска на транзистор 20 импульсного преобразователя 2. Импульс “+” полярности поступает на базу транзистора 20 и он запускается. Начинает разряжаться конденсатор 16 по цепи - обмотка I трансформатора 62, переход коллектор - эмиттер транзистора 20. Второе плечо работает аналогично. После полного разряда конденсатора 16 ток начинает течь в обратном направлении за счет энергии, накопленной в сердечнике трансформатора 62. Выходной трансформатор 62 включен в эмиттерную цепь транзисторов 19, 20 и имеет хорошо изолированную обмотку III от обмоток I, II, чем обеспечивается гальваническая развязка от сети питания 220 B. Количество витков этой обмотки трансформатора обеспечивает требуемое напряжение для выходного импульсного выпрямительного моста 30.The mains voltage 220 V, rectified by the bridge 13 and filtered by the capacitor 14, is applied to a single vibrator on the transistor 24, which is triggered and generates a trigger pulse on the transistor 20 of the pulse converter 2. The “+” polarity pulse is supplied to the base of the transistor 20 and it starts. The capacitor 16 begins to discharge in the circuit — the winding I of the transformer 62, the collector-emitter junction of the transistor 20. The second arm works the same way. After the capacitor 16 is completely discharged, the current begins to flow in the opposite direction due to the energy stored in the core of the transformer 62. The output transformer 62 is included in the emitter circuit of the transistors 19, 20 and has a well-insulated winding III from the windings I, II, which ensures galvanic isolation from the network power supply 220 V. The number of turns of this transformer winding provides the required voltage for the output pulse rectifier bridge 30.

При этом импульс передается через обмотку II трансформатора 62, соединенную через сопротивление 29 с первичной обмоткой I трансформатора 63, через третью обмотку III трансформатора 63, одним концом соединенную с первичной обмоткой трансформатора 62, вторым концом через сопротивление 22 - с базой транзистора 19, тем самым открывая его по цепи - конденсатор 16, диод 21, обмотка I трансформатора 62, при этом импульс, который передается через обмотку II трансформатора 62 на первичную обмотку трансформатора 63 и через третью обмотку III трансформатора 63, через сопротивление 22 на базу транзистора 19, открывает его. Циклы повторяются, импульсный генератор начинает стабильно и уверенно генерировать импульсы равной длительности, частота которых равна 30 кГц.In this case, the pulse is transmitted through the winding II of the transformer 62, connected through a resistance 29 to the primary winding I of the transformer 63, through the third winding III of the transformer 63, connected at one end to the primary winding of the transformer 62, and the second end through the resistance 22 to the base of the transistor 19, thereby opening it in a circuit - capacitor 16, diode 21, winding I of transformer 62, while the pulse that is transmitted through the winding II of transformer 62 to the primary winding of transformer 63 and through the third winding III of transformer 63, through rotivlenie 22 of the transistor 19 base, opens it. The cycles are repeated, the pulse generator begins to stably and confidently generate pulses of equal duration, the frequency of which is 30 kHz.

Переменное напряжение 30 кГц поступает на диодный мост 30, выпрямляется и отфильтровывается конденсатором 31 и напрямую, через контактную группу 32 педали 4 осуществляет подачу питающего напряжения на усилитель постоянного тока 8, стабилизатор напряжения 7, который питает каскады 5, 6. При этом после подачи напряжения питания через управляющие контакты 32 педали 4 на усилитель постоянного тока 8, стабилизатор 7 напряжения сформированный импульс генератора 6 длительности управляющего импульса прикладывается к базе транзистора 52 усилителя постоянного напряжения 8 и открывает транзистор 47 этого усилителя постоянного напряжения для подачи управляющего импульса на двигатель 9, амплитуда которого определяется напряжением двухполупериодного выпрямителя 3 импульсного напряжения.An alternating voltage of 30 kHz is supplied to the diode bridge 30, rectified and filtered by a capacitor 31, and directly, through the contact group 32 of the pedal 4, supplies the supply voltage to the DC amplifier 8, the voltage stabilizer 7, which feeds the stages 5, 6. Moreover, after applying the voltage power supply through the control contacts 32 of the pedal 4 to the DC amplifier 8, the voltage stabilizer 7, the generated pulse of the generator 6 of the control pulse duration is applied to the base of the transistor 52 of the amplifier standing voltage 8 and opens the transistor 47 of this constant voltage amplifier to supply a control pulse to the motor 9, the amplitude of which is determined by the voltage of the half-wave rectifier 3 of the pulse voltage.

В основу работы регулирующего блока 10 положена зависимость числа оборотов якоря двигателя постоянного тока 9 от длительности импульсов управляющего напряжения, приложенного к якорю двигателя.The operation of the control unit 10 is based on the dependence of the number of revolutions of the armature of the DC motor 9 on the pulse duration of the control voltage applied to the armature of the motor.

Изменение длительности импульсов осуществляется за счет отрицательной обратной связи по напряжению, причем в качестве датчика используется электродвижущая сила, развиваемая обмоткой якоря в поле постоянного магнита возбуждения во время отсутствия управляющего напряжения на якоре после разгона якоря этим напряжением. В этот момент двигатель работает генератором и развивает напряжение, пропорциональное оборотам вращения якоря:The pulse duration is changed due to negative voltage feedback, and the electromotive force developed by the armature winding in the field of the permanent excitation magnet during the absence of the control voltage at the armature after the armature is accelerated by this voltage is used as a sensor. At this moment, the engine runs a generator and develops a voltage proportional to the rotation speed of the armature:

Е_я=СnФ,E _i = CnF,

где С - постоянная; Ф - магнитный поток; n - число оборотов.where C is a constant; F - magnetic flux; n is the number of revolutions.

Предлагаемое схемное решение позволяет использовать в промежутках между управляющими импульсами полученное напряжение Е_я для заряда конденсатора 60 каскада поддержания числа оборотов 11, потенциал которого прикладывается к базе транзистора 61 того же каскада через диод 57 с резистора установки 55 каскада установки числа оборотов 12, изменяя сопротивление перехода эмиттер - коллектор транзистора 61.The proposed circuit solution allows you to use the voltage E _i in the intervals between the control pulses to charge the capacitor 60 of the speed cascade 11, the potential of which is applied to the base of the transistor 61 of the same cascade through the diode 57 from the installation resistor 55 of the speed cascade 12, changing the transition resistance emitter - collector of transistor 61.

График изменения сопротивления перехода n-р-транзистора приведен на фиг.4.A graph of the transition resistance of the np transistor is shown in Fig.4.

Это сопротивление перехода транзистора 61 определяет работу перестраиваемого генератора длительности управляющего импульса 6: с увеличением напряжения на конденсаторе 60 сопротивление перехода уменьшается и длительность T_min импульса также уменьшается. В момент пуска двигателя, когда напряжение Е_я=0, сопротивление перехода максимальное и длительность управляющего импульса Т_mах максимальна, что способствует быстрому разгону якоря со значительным моментом вращения (смотри на фиг.3).This transition resistance of the transistor 61 determines the operation of the tunable generator of the duration of the control pulse 6: as the voltage across the capacitor 60 increases, the transition resistance decreases and the pulse duration T _min also decreases. At the time of starting the engine, when the voltage E _i = 0, the transition resistance is maximum and the control pulse duration T _{max is} maximum, which contributes to the rapid acceleration of the armature with a significant moment of rotation (see figure 3).

τ_min=(R62+R_эк)·С36; τ_mах=(R62+R_эк)·С36,τ _min = (R62 + R _ec ) · C36; τ _max = (R62 + R _ek ) · С36,

где τ_min - длительность импульсов при полностью открытом переходе эммитер - коллектор транзистора 61;where τ _min is the pulse duration for a fully open junction emitter - collector of transistor 61;

τ_max - длительность импульсов при полностью закрытом переходе эммитер - коллектор транзистора 61.τ _max - pulse duration with a completely closed transition emitter - collector of transistor 61.

После подачи напряжения питания на микросхемы И-НЕ 40, 42, 43 конденсатор 38 фильтрует полученное напряжение генератора частоты 5, выполненного на микросхемах 42, 43. Необходимый период следования порядка 0,25 мс устанавливается конденсатором 33 и резистором 44.After applying the supply voltage to the AND-40, 42, 43 microcircuits, the capacitor 38 filters the received voltage of the frequency generator 5, executed on the microcircuits 42, 43. The required repetition period of about 0.25 ms is set by the capacitor 33 and the resistor 44.

Перестраиваемый генератор 6 длительности на микросхемах И-НЕ 40, 41 запускается импульсом генератора частоты 5, причем длительность импульса, сформированного генератором 6, определяется емкостью конденсатора 36, сопротивлением резистора 64 и сопротивлением перехода коллектор - эмиттер транзистора 61, подключенного параллельно к входам а, b микросхемы И-НЕ 41 (смотри фиг.3, фиг.4) и корпусу.A tunable duration generator 6 on I-NOT 40, 41 microcircuits is triggered by the pulse of the frequency generator 5, and the duration of the pulse generated by the generator 6 is determined by the capacitance of the capacitor 36, the resistance of the resistor 64, and the collector-emitter junction resistance of the transistor 61 connected in parallel to inputs a, b microchips AND 41 (see figure 3, figure 4) and the housing.

Сформированный импульс генератора 6 прикладывается для управления через резистор 49 к базе транзистора 52 усилителя постоянного напряжения 8 и открывает транзистор 47, обеспечивая подачу управляющего импульса на двигатель 9. Транзистор 47 насыщен, и амплитуда управляющего импульса якоря постоянна и определяется напряжением выпрямительного устройства 3, а число оборотов двигателя 9 зависит от длительности управляющего напряжения, которое формируется генератором 6.The generated pulse of the generator 6 is applied to control through the resistor 49 to the base of the transistor 52 of the constant voltage amplifier 8 and opens the transistor 47, providing a control pulse to the motor 9. The transistor 47 is saturated, and the amplitude of the control pulse of the armature is constant and determined by the voltage of the rectifier 3, and the number engine speed 9 depends on the duration of the control voltage, which is generated by the generator 6.

Одновременно с генератора длительности 6 сформированный импульс подается через резистор 51 на транзистор 53, который при этом открывается до насыщения (сопротивление перехода эмиттер - коллектор транзистора 61 около 0). Он своим открытым переходом шунтирует резистор 55, исключая влияние управляющего напряжения якоря двигателя 9, поступающего через открытый транзистор 47, на каскад установки числа оборотов 12 и каскад поддержания оборотов 11.Simultaneously with a generator of duration 6, the generated pulse is fed through a resistor 51 to a transistor 53, which then opens to saturation (the resistance of the emitter-collector of the transistor 61 is about 0). He shunts the resistor 55 with his open junction, eliminating the influence of the control voltage of the armature of the motor 9 coming through the open transistor 47 on the cascade of setting the number of revolutions 12 and the cascade of maintaining revolutions 11.

После прекращения отпирающего действия сформированного импульса генератором 6 транзисторы 47 и 48 закрываются, при этом управляющее напряжение, подаваемое напряжение с выпрямительного устройства 3 на якорь двигателя прекращается. Якорь двигателя вращается по инерции, вырабатывая (генерируя) Е_я - ЭДС, при этом шунтирование транзистором 53 резистора 55 прекращается и полученное напряжение Е через диод 57, своей положительной амплитудой через резистор 59 заряжает конденсатор 60 до соответствующей, определяемой установкой резистора 55, амплитуды, которая в дальнейшем определит согласно зависимости, изображенной на фиг.4, сопротивление перехода эмиттер - коллектор транзистора 61, а следовательно, и длительность управляющего импульса якоря двигателя.After the unlocking action of the generated pulse by the generator 6 ceases, the transistors 47 and 48 are closed, while the control voltage, the supplied voltage from the rectifier 3 to the motor armature is stopped. The motor armature rotates by inertia, generating (generating) E _i - EMF, while the shunting of the resistor 55 by the transistor 53 stops and the received voltage E through the diode 57, charges the capacitor 60 with the positive amplitude through the resistor 59 to the corresponding amplitude determined by the installation of the resistor 55, which will subsequently determine, according to the dependence shown in Fig. 4, the resistance of the emitter-collector junction of the transistor 61, and therefore the duration of the control pulse of the motor armature.

Удержание установленного числа оборотов обеспечивается отрицательной связью, описанной выше, т.е. Е_я прикладывается через резистор 55, диод 57, резистор 59 к конденсатору 60 и через зависимость сопротивления эмиттер - коллектор транзистора 61 удерживает установленные резистором 55 обороты.The retention of the set speed is ensured by the negative coupling described above, i.e. E _{I is} applied through a resistor 55, a diode 57, a resistor 59 to a capacitor 60, and through the dependence of the resistance of the emitter-collector of the transistor 61 holds the rotations set by the resistor 55.

Эпюры работы каскада установки и каскада поддержания числа оборотов двигателя приведены на фиг.5.The diagrams of the operation cascade of the installation and the cascade of maintaining the engine speed are shown in Fig.5.

Claims

A device for controlling the rotational speed of a DC motor containing a rectifier unit (0), a motor (9), a half-wave mains voltage rectifier (1) and a control unit (10), consisting of a generator (5) of a frequency of control pulses, a voltage stabilizer (7) characterized in that a pulse converter (2) of mains voltage to pulse is introduced into the rectifier unit (0), in which the negative terminals of the capacitors (14), (16), the output of the diode (21), the emitter of the transistor (20), the terminals of the winding ( Ii) transformer (63), resistor in (26) and (28) are connected to the negative terminal of the bridge (13) of a half-wave network voltage rectifier (1), the negative terminal of the capacitor (15), the positive terminal of the capacitor (16), the terminals of the resistor (17) and the windings (I ) of the transformer (62), the other terminal of the winding (I) is connected to the terminals of the diodes (18), (21), the emitter of the transistor (19), the collector of the transistor (20) and the terminal of the winding (III) of the transformer (63), the other terminal of the winding ( III) through a resistor (22) connected to the base of the transistor (19); the base of the transistor (20) - with the emitter of the transistor (24) and through the resistor (23) with the output of the winding (II) of the transformer (63), the collector of the transistor (24) is connected to the terminals of the resistor (25) and the capacitor (27), the terminals of the winding ( I) of the transformer (63) are connected through the resistor (29) to the terminals of the winding (II) of the transformer (62), and the terminals of the winding (III) of the transformer (62) to a bridge (30) of a half-wave pulse voltage rectifier (3), which is connected to control contacts (32) of the pedal (4), a tunable generator (6) of the control duration is introduced into the control unit (10) a pulse, a DC amplifier (8) with an output stage, a stage (11) for maintaining the speed, a stage (12) for setting the speed, while a divider of resistors (54) and (55) is connected to the motor terminals (9), to the movable the diode (57) of the cascade (12) for setting the speed is connected to the output of the variable resistor (55), the base of the transistor (61) of the cascade (11) for maintaining the speed is connected to the other output of the diode (57), the collector of the transistor (61) which is connected via a capacitor (36) to the output from the AND-NOT chip (40) of the tunable generator pa (6) of the control pulse duration, the resistor (59) through the capacitor (60), as well as the emitter of the transistor (61) of the cascade (11) of maintaining the number of revolutions are connected to the housing, the collector of the transistor (53) of the cascade is connected to the output of the resistor (55) ( 12) setting the speed, the emitter of which is connected to the housing, and its base through the resistor (51), with the output of the tunable generator (6) from the I-NOT chip (40) of the control pulse duration, the conclusions of a and b of the I-NOT chip (41) ) are interconnected with the collector of the transistor (61) and through the resistor (64) with the housing, you water from the AND-NOT chip (41) is connected to the terminal A of the AND-NOT chip (43) of the control pulse generator (5), the output from the AND-NOT chip (43) which is connected to terminal b of this chip through a resistor (44) and conclusions a, b of the AND-NOT chip (42) of this generator (5), terminal b of the chip (43) of the generator (5) of the frequency of the control pulses through the capacitor (33) is connected to the output from the AND-NOT chip (42) and through the capacitor ( 34) - with the output of the AND-NOT microcircuit (40) of the tunable generator (6) of the control pulse duration, the output of the AND-NOT microcircuit (40) through the resistor (35) It is connected to the stabilizing diode of the voltage stabilizer (7), the output from the AND-NOT microcircuit (40) is connected through a resistor (49) to the base of the control transistor (52), and after applying the supply voltage through the control contacts (32) of the pedal (4) to DC amplifier (8), voltage stabilizer (7), the generated pulse of the generator (6) of the control pulse duration is applied to the base of the transistor (52) of the DC amplifier (8) and opens the transistor (47) of this DC amplifier to supply a control pulse to the motor (9), the amplitude of which is determined by the voltage of the half-wave rectifier (3) of the pulse voltage.