SU1132329A1 - Реверсивный вентильный электродвигатель - Google Patents

Abstract

РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЖКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные задатчик скорости , элемент сравнени , предварительный усилитель, синусно-косинусный датчик положени  ротора, полупроводниковый коммутатор, двухфазную син- хронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора посто нного TOKaj выход .которого через блок изменени  знака соединен со входом элемента сравнени , а также блок определени  направлени  вращени , содержащий два релейных элемента , входы которых св заны с выходом датчика положени  ротора, а выходы соединены с соответствующими входами дешифратора, выход которого, в свою очередь, подключен к управл к цему входу блока изменени  знака, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  точности стабилизации скорости, он дополнительно снабжен блоком определени  знака напр жени  и двум  последовательно соединенными блоками умножени  и фильтрами нижних частот, выходы которых подключены ко входам соответствующих релейных элементов, причем (Л первые входы блоков умножени  соединены с .соответствукщими выходами синусно-косинусного датчика положени  ротора, а вторые входы объедине§ ны и соединены через блок определени  знака напр жени  со входом синусно-косинусного датчика положе- ни  ротора. 00 о 9 О ;о

Description

1 11

Изобретение относитс  к электрическим машинам, а именно к электрическим двигател м посто нного тока с бесконтактной коммутацией, осуществл емой с помощью полупроводниковых приборов. Оно предназначено дл  использовани  преимущественно в электрических машинах, работающих в качестве реверсивных исполнительных вигателей систем управлени  объектов различного назначени  со стабилизированной скоростью вращени .

Известен также реверсивный венильный электродвигатель с нереверсивным тахогенератором посто нного тока и блоком изменени  знака, управление которым осуществл етс  от логического блока определени  направлени  вращени  электродвигател  l1 .

Недостатком этого электродвигаел   вл етс  наличие дополнительного датчика положени  ротора элекродвигател , вход щего в блок опреелени  направлени  вращени .

Наиболее близким по назначению технической сущности  вл етс  реерсивный вентильный электродвигатель , в котором определение направени  вращени  электродвигател  существл етс  по сигналам основного датчика положени  ротора вентильного электродвигател .

Известный вентильный электродвигатель содержит, последовательно соединенные задатчик скорости, элемент сравнени , предварительньй усилитель , синусно-косинусный датчик положени  ротора (ДПР) с выходами на посто нном токе, полупроводниковьй коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора посто нного тока, вьтолненного, например , на базе синхронного генерат;ора и выпр мител  выход которого через блок изменени  знака соединен с вторым входом элемента сравнени . Кроме того, электродвигатель содержит блрк определени  направлени  вращени , состо щий из дешифратора, выход которого подключен к управл ющему входу блока изменени  знака, а входы подсоединены через два однопол рных релейных элемента и к синусному и косинусному выходам ДПР соответственно, которые подключены также через коммутатор к двум со2329Z

ответствующим секци м и обмотки  кор  синхронной машины, расположенной на статоре, а ротор синхронного двигател  кинематически св 5 зан с ДПР а .

Недостатком этого известного вентильного электродвигател   вл етс  низка  точность стабилизации скорости, вызываема  нестабш:1ьностью

10 работы блока определени  направлени  вращени  при изменении знака ошибки.

В известном вентильном.электродвигателе уменьшение напр жени 

15 уставки может сопровождатьс  не уменьшением, а увеличением скорости поскольку при изменении зна- . ка рассогласовани  одновременно мен ют знак напр жени  на обоих вы20 ходных каналах датчика, что вызывает по вление ложного сигнала на выходе блока определени  направлени  вращени . Дп  обеспечени  стабильной работы электродвигател  необходимо умень5 шение добротности (усилени ) в замкнутом контуре регулировани  скорое- . ти, что приводит к снижению точности стабилизации скорости.

Цель изобретени  - увеличение

Q точности стабилизации скорости реверсивного электродвигател  путем повьнпени  устойчивости замкнутого контура регулировани .

Поставленна  цель достигаетс 

5 тем, что в реверсивном вентильном электродвигателе, содержащем последовательно соединенные задатчик скорости , элемент сравнени , предварительный усилитель, синусно-косинусО ный датчик положени  ротора, полупроводниковьй коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора посто нного тока, выход которого

через блок изменени  знака соединен со входом элемента сравнени , а также блок определени  напрз.влени  вращени , содержаш Ий два рел:ейных элемента, входы которых св заны с

0 выходом положени  ротора, выходы их соединены с соответствукицими входами дешифратора, выход которого, подключен к управл кщему входу блока изменени  знака, дополнительно

5 снабжен блоком определени  1нака напр жени  и двум  последовательно соединенными блоками умноже1ш  и фильтрации нижних частот, в1|Коды

которых подключены ко входам соответствующих релейных, элементов, причем первые входы блоков умножени  соединены с соответствующими выходами синусно-косинусного датчика положени  ротора, а вторые входы объединены и соединены через блок определени  знака напр жени  со входом синусно-косинусного датчика положени  ротора.

На фиг.1 представлена функциональна  схема реверсивного вентильного электродвигател  на фиг.2, 3 и 4 - части принципиальной электрической схемы функциональных блоков, реверсивного вентильного электродвигатели; на фиг.5 и 6 принципиальна  электрическа  схема дешифратора, на фиг. 7 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства .

Рев.ерсивный вентильный электродвигатель содержит (фиг.1) последовательно соединенные задатчик 1 скорости, элемент 2 сравнени , предверительный усилитель 3, синусно-косинусный датчик 4 положени  ротора (ДПР) с выходами на посто нном токе (выполненный, например, в виде двух датчиков Холла или синусно-косинусного вращающегос  трансформатора с модул тором на входе) перед первичной обмоткой и двум  фазочувствительными выпр мител ми, подключенными к его вторичным обмоткам, полупроводниковый коммутатор 5, двухфазную синхронную мапгану 6 и датчик 7 скорости в виде нереверсивного тахогенеpaTopia посто нного тока, выход которого через блок 8 изменени  знака соединен со входом элемента 2 сравнени . Электродвигатель содержит, кроме того, блок 9 определени  направлени  вращени , состо щий из дещифратора 10, выход которого подключен к управл к цему входу блока 8 изменени  знака, а входы подсоединен к выходам двух релейных элементов 11 и 12, ДПР 4 своими выходами 13 и 14 через усилитель 5 св зан с фазами 15 и 16 синхронной машины б, на роторе 17 которой, содержащем посто нный магнит, расположен тахогенератор 7.

В отличие от известного электродвигател  блок 9 определени  направлени  вращени  дополнительно снабжен блоком 18 определени  знака (фазы) входного напр жени  U« .ЦПР 4

и двум  блоками 19 и 20 умножени , выходы которых соединены соответственно через фильтры 21 и 22 нижних частот со входами релейных элементов 11 и 12, причем первые входы блоков 19 и 20 умножени  подключены к соответствующим выходам ДПР 4, а вторые входы объединены и соединены через блок 18 определени  знака напр жени  со входом ДПР 4.

Датчик 7 скорости может быть выполнен в виде синхронного тахогенератора , подключенного к выпр мителю Кроме того, может быть применена схема фиг.2, не требующа  дополнительной электрической машины (тахогенератора ). В этом случае секции 15 и 16 обмотки  кор  синхронного двигател  6 имеют средние точки, соединенные с общей шиной 23, а выходы 24-27 подключены к соответствующим выходам однопол рных усилителей 28-31 посто нного тока, вход щих в коммутатор 5, входы которых: подключены к выходам ДПР 4 дл  усилителей 28 и 30 непосредственно, а дл  усилителей 29 и 31 через инверторы 32 и 33. В этом случае датчик 7 скорости выполн етс  в .виде выпр мител  фазных ЭДС на диодах 34-37, нагруженного на RC- или LC-фильтр 38.

Блок 8 изменени  знака (фиг.З) содержит операционный усилитель 39 с единичным коэффициентом усилени , оба входа которого соединены с выходом датчика 7 скорости, а неинвертирующий вход соединен так се с общей ШИНОЙ 23 через ключ, выполненный на транзисторе 40. База транзистора через компаратор 41, снабженный потенциометром 42 дл  регулировки порога срабатывани , подключена к выходу дешифратора 10.

Аналогично выполнены и блики 19 20 умножени . Они содержат (фиг.4) операционный усилитель 43 с единичным коэффициентом усилени , оба входа которого соединены с соответствующим выходом дар 4, а неинвертирующий вход соединен также с общей шиной 23 через ключ, выполненны на транзисторе 44. База транзистора 44 соединена с выходом блока 18 определени  знака напр жени , выполненного на компараторе 45.

Фильтры 21 и 22 нижних частот могут быть выполнены в виде RC3 (фиг.4) или LC-фильтров, а релейные элементы 11 и 12, например, в виде компаратора 46, выход которого чере пороговый элемент (диод 47) подключен к базе транзистора 48j коллектор которого соединен со входом депгафратора 10. Дешифратор 10 (фиг.5) собран, например, на четырех D-триггерах 49-52, пр мые и инверсные (отмечены кружком) выходы которых объединены соответственно на элементах И 53 и 54. Инверсные выходы этих элементов соединены через разностные преобразователи 55 и 56 соответственно с R- и S-вх дами RS-триггера 57. В входы тригге ров 49 и 50 соединены со входными шинами q - 58 и Ь - 59 непосредственно , а D-входы триггеров 51 и 52 через инверторы 60 и 61, выходы которых образуют пшны си d - 62 и 63, С-входы триггеров 49-52 соединены через разностные преобразователи 64-67 соответственно с шинами о|,Ь,с и с) 58, 59, 62 и 63. Выход RS-триггера 57 подключен к пе вому входу элемента И 68, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами элементов И, 53 и 54, а выход подключен .через первьй вход элемента ИЛИ, 69 к выходу дешифратора 10. Второй вход элемента ИЛИ 69 соединен с выходом элемента И 53 через инвертор 70. Разностные преобразователи 5,.5 а также 64-67 предназначены дл  формировани  коротких положительных импульсов на выходах при по влении положительных импульсов на входах они могут быть построены, например, на двух логических элементах: инверторе 71 и элементе И, 72 (фиг.6) выход первого из которых соединен с первым входом второго элемента 72 через RC-цепь 73 и 74, второй вход которого соединен с входами первого элемента 71 и подключен к входу рассматриваемого преобразовател . Выходом 2того разностного преобразо вател -  вл ет-:  выход элемента И 72 В качестве разностного преобразовател  может быть также использована стандартна  микросхема (например типа 134ХЛ2). Условием правильной работы вентильного электродвигател   вл етс  выбор посто нной времени Т| фильт29 ров. 2 1 нижних частот из неравенства « , где Т - период изменени  гармонических напр жений, определ емый скоростью вращени  электродвигател ; - врем  срабатывани  блоков 19 и 20 умножени  при изменении знака напр жени  ошибки . Вентильньм электродвигатель работает следующим, образом. Сигнал уставки скорости U,. (фиг.1), вьработанный задатчиком 1 скорости, сравниваетс  в элементе 2 сравнени  с напр жением обратной св зи Uj,.. . Полученный при этом сигнал ошибки поступает через предварительньш усилитель 3 на вход ДПР 4, в результате чего на его выходах образуютс  напр жени  Ug и Up измен ющиес  по гармоническому закону, но сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. град. Пройд  через полупроводниковый коммутатор 5 (фиг.1 и 2), эти напр жени  поступают в секции 15 и. 16 обмотки статора синхронной маошны 6, образу  в его расточке статора вращающеес  поле, взаимодействие которого с полем, создаваемым посто нными магнитами ротора 17, образует посто нный вращающий момент электродвигател , привод щий его ротор 17 во вращение. При этом фазные ЭДС, наводимые в секци х 15 и 16 статора (фиг.2) снимаютс  через диоды 34-37 датчика 7 скорости и поступают через фильтр 38 на вход блока 8 изменени  знака в виде отрицательного напр жени , модуль среднего значени  которого lUgc,), пропорционален скорости вращени  ротора 17 электродвигател . При соответствующем О состо нии на выходе дешифратора 10, компаратор 41 (фиг.З) имеет на выходе положительное напр жение вследствие положительного смещени  на его неинвертирукщем входе. Если предположить,, что ключ, собранный на транзисторе 40, открьшаетс  напр жением отрицательной пол рности и закрываетс  напр жением положительной пол рности , то при О состо нии на выходе дешифратора 10 ключ 40 закрытj поэтому операционный усилитель 39 работает в неинвертирующем ре;киме и напр жение обратной св зи Й, имеет отрицательную пол рность. При 1 состо нии на выходе дешифратора 10 формируетс  положительное напр жение, при этом ключ 40 открыт операционный усилитель 39 работает в инвертирующем режиме и напр жение обратной св зи Ug, имеет положительную пол рность. При вращении двигател  6 по часо вой стрелке напр жени  U на выходах ДПР 4 (фиг.1) имеют вид гармонических напр жений (фиг.7 а,б). Пр этом напр жение ошибки Ug и входное напр жение Ug. ДПР 4 имеют положительную пол рность. Если предположить , что ключ, собранный на транзисторе 44 (фиг.4) открываетс  напр жением отрицательной пол рности и закрываетс  напр жением положительной пол рности, а ключ, собранный на транзисторе 48, наоборот, открываетс  напр жением положительной пол рности и закрьгоаетс  напр ж нием отрицательной пол рности, то при .положительном знаке напр жени  Ugn ключ 44 закрыт, операционный усилитель 43 работает в неинвертирующем режиме, поэтому при положительной полуволне напр жени  Ug формируетс  положительный импульс напр жени  UQ на выходе релейного элемента 11 (Лиг.76 ), а при отрицательной полуволне напр жени  Не,, напр жение UQ, на выходе релейного элемента 11 близко к нулю, так как ключ 48 открыт (фиг.78). Аналогичным образом работает и последовательна  цепь, состо ща  из блока 20 умножени  (фиг.4), фильтра 22 нижних частот и релейно го элемента 12, При изменении знаков напр жений ошибки Ut и входного напр жени  Ug в момент t с положительного на от цательный ключ 44 открываетс  (фиг.4) операционный усилитель 43 работает в инвертирующем.режиме и положительные импульсы напр жени  на выходе релейного элемента 11 бу дут по вл тьс  уже при отрицательн полуволне напр жени  Ug (фиг.7&) поэтому вид и последовательность импульсов напр жений UQ и Uj не изменитс  (фиг.7Ь,г), несмотр  на изменение знака напр жени  ошибки, и будет определ тьс  только направ лением вращени  двигател  6. Возмо ма  неопределенность выходного напр жени  блоков 19 и 20 умножени  при прохождении напр жени  U чер 9 8 нуль устран етс  фильтрами 21 и 22, которые предотвращают кратковременные ложные срабать1вани  релейных элементов 11 и 12 в момент изменени  знака ощибки. Разностные преобразователи 55, 56 и 64-67, вход щие в состав дешифратора 10 (фиг.5), работают следующим образом. При нулевом сигнале на входе конденсатор 74 (фиг.6) зар жен до напр жени , соответствующего логической 1, на выхот де инвертора 71, однако на выходе элемента И 72 имеетс  нулевое напр жение , вследствие нулевого напр жени  на его втором входе. При по влении на входе разностного преобразовател  сигнала логической 1 на выходе элемента И 72 также по вл етс  сигнал 1, который, однако , через врем  ZD смен етс  сигналом О из-за разр да конденсатора 74 до О, уровн  сигнала на выходе инвертора 71. Таким образом, по вление длинных импульсов на входах разностных преобразователей сопровождаетс  короткими импульсами на его выходах (фиг.7;к дл  разностного преобразовател  66). Дешифратор 10 работает следующим образом. При вращении двигател  6 по часовой стрелке на шинах а и 1,с и ci 58-63 (фиг.5) формируетс  последовательность импульсов d-с- Ь-а-J ... (фиг.7 Ь-е), что переводит все D-триггеры 49-52 в состо ние О на пр мых выходах и 1 на инверсных. Следовательно, инверсные выходы элементов И 53 и 54 имеют состо ни  1 и О соответственно и выходной элемент 69 находитс  в состо нии О, (что соответствует отрицательному знаку напр жени  UQJ,) вследствие сигнала на выходах элементов 68 и 70. При этом RS-триггер 57 находитс  в произвольном состо нии О или 1. При изменении направлени  враще- ни  двигател  6, т.е. при его вращении против часовой стрелки последовательность импульсов на шинах 58-63 принимает вид (3-q..., что сразу приводит к изменению состо ни  одного из D-триггеров 49-52, т.е. по влению сигнала 1 на его пр мом выходе и О на инверсном. Следовательно, на выходах обоих элементов И, 53 и 54 по в тс  сигна .91 лы 1. Нетрудно убедитьс , что сигналы 1 на выходах элементов 53 и 54 всегда одновременно по вл ютс  при реверсе в любом направлении двигател  6. В рассматриваемом случае реверса в сторону вращени  против часовой стрелки измен етс  состо ние эпеыента 54с О на 1, что приводит к по влению короткого импульса на выходе разностного преобразовател  56 и установке RS-триг гера в состо ние 1. Следовательно на всех входах элемента И 68 по вл  ютс  1, что вызывает по вление сигнала 1 на выходе дешифратора и следовательно, изменению знака напр жени  обратной св зи U с отрицательного на положительный.. При дальнейшем вращении двигател  6 про тив часовой стрелки через врем  Т после реверса (когда последует не менее 4-х импульсов последовательности й-1 -с-J dl ...) все D-триггеры 49-52 переход т в состо ние 1 на пр мых выходах, что приводит к по влению на выходах элементов И 53 и 54 сигналов О и 1 соответственно и сигнала О на выходе эле мента 68. Однако на выходе дешифратора сохран етс  сигнал 1 за счет 1 сигнала на выходе инвертора 70. Аналогичньм образом осуществл етс  работа де1Ш1фра1ора 10 при реверсе в сторону вра.щени  по часовой стрелке. Таким образом, сигнал на выходе дешифратора всегда соот 910 ветствует направлению вращени  двН гател  6, а врем  изменени  сигнала на выходе дешифратора 10 не. превышает Т/4 - четверти периода изменени  гармонических напр жений и g и Uc При этом изменение знака сигнала ошибки в отличие от известного электродвигател  не сопровождаетс  ложными изменени ми сигнала на выходе дешифратора 10. Положительный эффект от изобретени  заключаетс  в повьапении стабильности контура регулировани  скорости вращени  путем устранени  возможности ложного изменени  знака на11р жени  обратной св зи при изменении знака сигнала ошибки. Это позвол ет увеличить добротность (усиление) в замкнутом контуре регулировани  и тем самым повысить точность стабилизации скорости. Применение данного электродвигател  позвол ет повысить более чем в 8 раз добротность контура регулировани  скорости по сравнению с известным и, следовательно, во столько же раз пота1сить точность стабилиза ции скорости при изменении момента нагрузки и коэффициентов элементов вентильного электродвигател  от воздействи  климатш ес:ких факторов. Кроме того, в вентильном электродвигателе может быть упрощена.по сравнению с известным, схема датчика положени  ротора (ДПР). ,

/7 е

От дешифратора W

ftK

lUoc

К 5лок1 в иэмененс/ 

знака 0UJ.2

/

/

а

/%/

э

ffnAue/tftfti екорае м/

«

г-т.

55(56MS7)

f.

Выход

VJ.

.J

Фиг.6

Ua

S

y

Od

V

PUT. л

Claims (1)

1. • РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные задатчик скорости, элемент сравнения, предварительный усилитель, синусно-косинусный датчик положения ротора, полупроводниковый коммутатор, двухфазную синхронную машину и датчик скорости в виде нереверсивного тахогенератора постоянного тока; выход .которого через блок изменения знака соединен со входом элемента сравнения, а также блок определения направления вращения, содержащий два релейных элемента, входы которых связаны с выходом датчика положения ротора, а выходы соединены с соответствующими входами дешифратора, выход которого, в свою очередь, подключен к управляющему входу блока изменения знака, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности стабилизации скорости, он дополнительно снабжен блоком определения знака напряжения и двумя последовательно соединенными блоками умножения и фильтрами нижних частот, выходы которых подключены ко входам соответствующих релейных элементов, причем первые входы блоков умножения соединены с соответствующими выходами синусно-косинусного датчика положения ротора, а вторые входы объединены и соединены через блок определения знака напряжения со входом синусно-косинусного датчика положе- ния ротора.