коммутатор для двухфазного бесколлекторного двигателя

Формула изобретения

1. Коммутатор для двухфазного вентильного двигателя, содержащий первый и второй транзисторы, первые выходные выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой и второй фазным обмоткам двигателя соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а вторые выходные выводы - для подключения к общей шине источника питания, входной вывод первого транзистора подключен к выводу первого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания, а входной вывод второго транзистора подключен к выводу второго резистора, другой вывод которого подключен к первому выходному выводу первого транзистора, отличающийся тем, что первый выходной вывод второго транзистора подключен к выводу первого резистора, подключенному к входному выводу первого транзистора через дополнительно введенный конденсатор.

2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что входной вывод первого транзистора подключен к точке соединения упомянутого конденсатора с выводом первого резистора через дополнительно введенный третий резистор.

3. Коммутатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что второй резистор подключен к первому выходному выводу первого транзистора через дополнительно введенный второй конденсатор, при этом точка соединения второго резистора со вторым конденсатором подключена к выводу дополнительно введенного четвертого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам управления двухфазными бесколлекторными двигателями.

На роторе бесколлекторного вентильного двигателя расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток возбуждения, а обмотки якоря расположены на статоре. Питание обмоток статора осуществляется таким образом, что между ее намагничивающей силой и потоком возбуждения сохраняется смещение в 90 градусов. При вращающемся роторе такое положение может сохраняться в результате переключения обмоток статора в определенные моменты времени и с заданной последовательностью. Эта задача решается с помощью устройств управления - коммутаторов.

Известен коммутатор для вентильного двигателя, содержащий датчик положения ротора, в качестве которого может быть использован датчик Холла, подключенный к транзистору, регулирующему токи в обмотках двигателя. Для работы таких устройств требуется значительное напряжение, а использование датчика Холла усложняет конструкцию коммутатора, так как для его размещения требуется значительная площадь, высокая точность установки и напряжение питания выше определенного минимального уровня.

Наиболее близким решением, решающим ту же задачу, является коммутатор, содержащий первый и второй транзисторы, одни выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой и второй фазным обмоткам двигателя, соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а другие - для подключения к общей шине источника питания, вход первого транзистора предназначен для подключения через резистор к шине питания, а вход второго предназначен для подключения через второй резистор к общей точке подключения первого резистора к первой фазной обмотке. Коммутатор также содержит датчик Холла, воздействующий на транзисторы для регулирования токов в обмотке двигателя. Недостатком такого коммутатора является также невозможность использования его при напряжении менее 1...2 В, поскольку отсутствуют интегральные схемы с датчиками Холла с таким низким уровнем напряжения питания.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является расширение ассортимента конструкций коммутаторов и расширение функциональных возможностей коммутатора.

Этот технический результат достигается тем, что в коммутаторе для двухфазного вентильного двигателя, содержащем первый и второй транзисторы, первые выходные выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой и второй фазным обмоткам двигателя, соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а вторые - для подключения к общей шине источника питания, входной вывод первого транзистора подключен к выводу первого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания, а входной вывод второго транзистора подключен к выводу второго резистора, другой вывод которого подключен к первому выходному выходу первого транзистора, первый выходной вывод второго транзистора подключен к выводу первого резистора, подключенному к входному выводу первого транзистора, через дополнительно введенный конденсатор. При этом входной вывод первого транзистора может быть подключен к точке соединения конденсатора с выводом первого резистора через дополнительно введенный третий резистор. Кроме того, второй резистор может быть подключен к первому выходному выводу первого транзистора через дополнительно введенный второй конденсатор, при этом точка соединения второго резистора со вторым конденсатором подключена к выводу дополнительно введенного четвертого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема коммутатора с несимметричной емкостной связью, нагруженного на двухфазный бесколлекторный двигатель; на фиг. 2 - схема коммутатора с улучшенным режимом пуска; на фиг.3 - принципиальная схема коммутатора с симметричными емкостными связями.

Коммутатор 1 (фиг. 1) состоит из первого 2 и второго 3 транзисторов, первые выходные выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой 4 и второй 5 фазным обмоткам двигателя 6, соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а вторые выходные выводы подключены к общей шине. Входной вывод первого транзистора 2 подключен к выводу первого резистора 7, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания, а входной вывод второго транзистора 3 подключен к выводу второго резистора 8, другой вывод которого подключен к первому выходному выводу первого транзистора 2. Дополнительный конденсатор 9, соединяющий первый выходной вывод второго транзистора 3 с выводом первого резистора 7, связанным с входным выводом первого транзистора 2, замыкает петлю положительной обратной связи, охватывающей нагрузочный контур коммутатора и обеспечивающей режим самовозбуждения коммутатора в пусковой период в номинальном режиме работы двигателя. При большом коэффициенте взаимной связи фазных обмоток 4 и 5 двигателя 6 с целью исключения нежелательного высокочастотного режима самовозбуждения может быть использован прием шунтирования транзисторов 2 и 3 коммутатора 1 конденсаторами 10 и 11.

Введение в схему дополнительного резистора 12, соединяющего входной вывод первого транзистора 2 с общей точкой соединения дополнительного конденсатора 9 с первым резистором 7 (фиг.2), расширяет диапазон регулирования скважности и улучшает пусковой режим коммутатора.

Наиболее благоприятный режим со скважностью, равной 2, обеспечивается схемой коммутатора с симметричными емкостными связями (фиг.3), содержащей второй дополнительный резистор 13, один из выводов которого соединен с выводом резистора 8, связанным с первым выходным выводом первого транзистора 2, а другой вывод резистора 13 предназначен для подключения к шине источника питания, и второй дополнительный конденсатор 14, соединяющей первый выходной вывод первого транзистора 2 с точкой соединения резисторов 8 и 13.

Коммутатор работает следующим образом. При подаче напряжения на шину источника питания вначале происходит заряд конденсаторов 9, 10 и 11, которые обуславливают нарастание потенциалов на входах обоих транзисторов 2 и 3. Первым открывается транзистор, входной потенциал которого раньше превысит входной пороговый уровень, равный для биполярных транзисторов 0,6...0,7В. В схеме на фиг. 1 первым может открыться транзистор 2, входной потенциал которого определяется суммарным напряжением на конденсаторах 9 и 11. Снижение падения напряжения на открытом транзисторе 2 передается через резистор 8 на вход второго транзистора 3 и последний переходит в режим отсечки, а нарастающее напряжение на закрытом транзисторе 3 передается через конденсатор 9 на вход первого транзисторы и он переходит в режим насыщения. В результате в фазной обмотке 4 двигателя 6, подключенной через транзистор 2 к источнику питания, возникает ток, возбуждающий силовой магнитный поток, который взаимодействует с полем постоянных магнитов ротора двигателя 6.

Создание вращающего момента обусловлено положением ротора на момент включения транзистора 2. Наиболее неблагоприятный случай имеет место при положении ротора в "мертвой точке" или вблизи ее, когда противоположные полюса ротора и катушек обмотки 2 двигателя 6 оказываются совмещенными: они притягиваются и ротор "затормаживается" в этом положении на весь период открытого состояния транзистора 2. По мере заряда конденсатора 9 через обмотку 5 двигателя 6 и транзистор 2 входной ток транзистора 2 снижается. Последний выходит из режима насыщения, падение напряжения на выходных выводах растет и в момент достижения его входного порогового уровня второй транзистор 3 открывается. Снижение падения напряжения на втором транзисторе 3 передается через конденсатор 9 на вход первого транзистора 2, и его запирание ускоряется. Происходит лавинообразный процесс переключения транзисторов: первый транзистор 2 переходит в режим отсечки, а второй 3 - в режим насыщения. При этом силовой ток в первой обмотке 4 прерывается, и к источнику питания подключается вторая обмотка 5 двигателя 6. Ток обмотки 5 возбуждает магнитный поток противоположного направления. В результате в момент включения второго транзистора 3 совмещенными оказываются уже одноименные полюса катушек обмотки 5 и ротора двигателя 6, они отталкиваются друг от друга и возникает вращающий момент. Вращение ротора приводит к изменению результирующего магнитного патока и возникновению в обмотках 4 и 5 ЭДС самоиндукции, величина которой пропорциональна скорости вращения ротора. В обмотке 5 под действием напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции формируется силовой ток, изменяющийся по гармоническому закону, а ЭДС самоиндукции обмотки 4, включенной согласно с обмоткой 5, формирует ток управления транзистором 3.

С момента спада ЭДС обмотки 4 до нуля, обусловленного прохождением вращающимся ротором "мертвой точки", входной ток транзистора 3 заметно уменьшается, и он выходит из режима насыщения. Как только падение напряжения на транзисторе 3 достигает порогового входного уровня, вновь открывается первый транзистор 2, в свою очередь снижение падения напряжения на первом транзисторе 2 ускоряет запирание второго транзистора 3. Происходит лавинообразное переключение транзисторов 2 и 3. Ток обмотки 5 прерывается, а ток обмотки 4 возбуждает магнитный поток противоположного направления. В результате с этого момента совмещенными оказываются вновь одноименные полюса катушек обмотки 4 и ротора двигателя 6. Под действием отталкивающих сил и инерции ротор двигателя продолжает вращаться в том же направлении, а ЭДС обмотки 5 формирует входной ток, который удерживает первый транзистор 2 в насыщенном состоянии в течение следующего полупериода гармонического колебательного процесса в силовой цепи. Последующие коммутации транзисторов 2 и 3 обусловлены изменением полярности ЭДС ненагруженной обмотки в момент прохождения вращающимся ротором двигателя "мертвой точки", когда снижение входного тока выводит проводящий транзистор из насыщенного состояния, а рост падения напряжения на нем приводит к отпиранию транзистора, находящегося в режиме отсечки, и лавинообразному процессу переключения транзисторов. Таким образом обеспечивается синхронное переключение транзисторов 2 и 3 коммутатора 1 в номинальном режиме работы двигателя.

Если в начальный период пуска ротор двигателя 6 находится в положении, когда магнитные полюса катушек обмотки с силовым током оказываются совмещенными с одноименными полюсами постоянных магнитов ротора, то уже на первом такте возникает максимальный вращающий момент и происходит "захват" коммутатором рабочей частоты. В промежуточном положении ротора вращающийся момент может оказаться незначительным и "захват" рабочей частоты на первом такте не произойдет. В этом случае ротор затормозится, остановиться в "мертвой точке", когда произойдет совмещение разноименных магнитных полюсов ротора и катушек с током. Но уже на втором пусковом такте при таком положении ротора возникает максимальный вращающийся момент и происходит "захват" рабочей частоты.

Однако в случае большой разницы постоянных времени цепей заряда и разряда конденсатора 9: зарядная цепь - источник питания, обмотка 5 и входная цепь транзистора 2; разрядная цепь - источник питания, резистор 7 и выходная цепь открытого транзистора 3, скважность работы коммутатора в пусковой период может оказаться столь высокой, что следующая коммутация транзисторов возникает раньше, чем произойдет "захват" рабочей частоты, что приводит к торможению вращающего ротора. Кроме того, в этой схеме может установиться несимметричный рабочий режим коммутатора 1 скважностью, не равной 2, который обуславливает меньший вращающий момент и скорость вращения двигателя. Таким образом могут возникнуть дополнительные трудности в выборе элементов схемы.

Резистор 12, введенный во входную цепь транзистора 2 (фиг.2), позволяет выравнить постоянные времени зарядной и разрядной цепей конденсатора 9, так как сопротивление зарядной цепи повышается, и тем самым исключить неблагоприятное влияние разброса параметров обмоток двигателя на пусковой и рабочий режимы коммутатора.

Наиболее строгий симметричный режим работы коммутатора со скважностью, равной 2, может обеспечить схема с дополнительно введенными резистором 13 и конденсатором 14 (фиг. 3). Она допускает большой разброс параметров как двигателя, так элементов схемы. В отличие от предыдущих устройств при подаче напряжения на шину источника питания вероятность отпирания первым для обоих транзисторов 2 и 3 коммутатора 1 оказывается одинаковой. На практике из-за незначительного разброса параметров один из транзисторов отпирается чуть раньше. Благодаря двум емкостным цепям положительной обратной связи, второй транзистор быстро переходит в режим отсечки, а первый - в режим насыщения. Так же, как и в первом устройстве (см. фиг. 1) на первом такте возможны либо режим "захвата" рабочей частоты, либо ротор затормаживается в "мертвой точке". В последнем случае режим "захвата" рабочей частоты происходит на втором такте. Параметры постоянной времени цепи заряда конденсаторов 12 и 14 выбираются одинаковыми так, чтобы частота коммутации транзисторов в пусковой период была на порядок ниже рабочей.

В рассмотренных устройствах не требуется контролировать положение ротора в пусковой период, коммутатор на первом такте сам устанавливает необходимое "стартовое" положение ротора. Контроль положения ротора в рабочем режиме осуществляется с помощью тех же обмоток двигателя в периоды, когда они оказываются практически обесточенными. Коммутатор автоматически поддерживает максимальную скорость вращения: чем больше скорость вращения, тем больше глубина положительной обратной связи, обусловленная конденсаторами 12 и 14.

При неожиданном торможении ротора из-за попадания во вращающуюся часть двигателя инородных тел или других причин коммутатор автоматически переходит в режим повторного запуска - режим генерации на низкой частоте. В результате с момента устранения причины торможения автоматически происходит запуск двигателя.

Рассмотренные выше схемы наиболее удобны для коммутации бесколлекторных двигателей вентиляторов, не требующих регулирования скорости вращения.