устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока
Классы МПК: | H02P6/06 устройства для регулирования числа оборотов одного двигателя, основанные на сравнении измеренной скорости вращения с заданным физическим параметром, причем результат сравнения используется для регулирования |
Автор(ы): | Кукушкин Ю.Т., Николаев С.С., Шерстняков Ю.Г. |
Патентообладатель(и): | Кукушкин Юрий Тимофеевич, Николаев Сергей Сергеевич, Шерстняков Юрий Георгиевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-02-23 публикация патента:
20.09.2001 |
Изобретение относится к бесколлекторным двигателям постоянного тока. Технический результат заключается в разработке схемы автоматического управления бесколлекторным двигателем, обеспечивающей режимы перестраиваемой стабилизированной скорости вращения двигателя и устойчивую его работу при запуске и колебаниях нагрузочного момента. Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматического управления двигателем, содержащее датчик положения ротора, регулятор длительности импульсов, электронный коммутатор и цепь обратной связи, в цепь обратной связи введены схема сравнения, формирователь напряжения установки, регулятор глубины обратной связи и интегратор, а выходы цепи обратной связи подсоединены к входам введенных в регулятор длительности импульсов компараторов, выходы которых через детекторы подключены к входам электронного коммутатора якорных обмоток двигателя. 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
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.Описание изобретения к патенту
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. 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]. 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. 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. 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. 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. Работа устройства поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 - 4. 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. На фиг. 2 изображена блок-схема устройства автоматического управления бесколлекторным двигателем для варианта с двухфазной якорной обмоткой. На фиг. 3 показаны варианты временных диаграмм коммутирующих импульсов при изменении величины сигнала обратной связи U. На фиг. 4 представлены временные диаграммы напряжений на выходе элементов устройства автоматического управления бесколлекторным двигателем. 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 видM = [(n0-n)/k1][l - k2(n-nос)], при n
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173024/8805.gif)
где k2 - коэффициент глубины обратной связи:, nос - число оборотов двигателя, при превышении которого в цепь регулирования начинает поступать корректирующий сигнал. 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
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173024/8805.gif)
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173931/2173931-2t.gif)
где U - напряжение питания,
n - число оборотов двигателя,
Rя - сопротивление в цепи якоря,
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173023/934.gif)
CE, CM - постоянные двигателя. Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току якоря,
M=CM
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173023/934.gif)
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. M=Mн.у.[1+f(x)],
где Mн.у. - момент, развиваемый неуправляемым двигателем,
x - управляющий фактор. 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
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173931/2173931-3t.gif)
где
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173324/964.gif)
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173324/964.gif)
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173324/964.gif)
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173324/964.gif)
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173931/2173931-4t.gif)
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. В этом случае механическая характеристика двигателя описывается уравнением
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173931/2173931-5t.gif)
![устройство автоматического управления бесколлекторным двигателем постоянного тока, патент № 2173931](/images/patents/298/2173931/2173931-6t.gif)
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.
Класс H02P6/06 устройства для регулирования числа оборотов одного двигателя, основанные на сравнении измеренной скорости вращения с заданным физическим параметром, причем результат сравнения используется для регулирования