Патент на изобретение №2331963

(54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в исполнительных системах различных механизмов на базе бесконтактных электродвигателей постоянного тока. Техническим результатом является уменьшение пульсаций движущего момента, повышение плавности движения и улучшение энергетических характеристик. Бесконтактный электропривод постоянного тока содержит электродвигатель, коммутатор, преобразователь «код-ШИМ», устройство формирования цифрового сигнала скорости, устройство формирования направления вращения, датчик положения, преобразователь сигнала обратной связи по положению в код, устройство определения ошибки по положению, устройство определения рассогласования по скорости, сумматор, счетчик тактов, устройство выделения модуля и устройство формирования кода управления на каждом такте. На выходе сумматор формируется сигнал угла поворота вала двигателя с учетом угла опережения включения, пропорционального скорости двигателя. Коммутатор содержит последовательно соединенные устройство деления на постоянный коэффициент, устройство определения номера зоны коммутации на каждом такте, дешифратор, логическое устройство и инвертор. Счетчик тактов осуществляет подсчет циклов работы с выдачей номера такта. Устройство деления на постоянный коэффициент формирует сигнал, целая часть которого несет информацию о номере зоны коммутации, а дробная – об относительном положении ротора внутри этой зоны. По этим сигналам, по сигналу направления вращения двигателя и номеру такта, устройство определения номера зоны коммутации на каждом такте определяет этот номер, дешифратор по его значению формирует кодовую комбинацию для управления ключами инвертора. Логическое устройство подключает сигналы управления к ключам на время действия импульса ШИМ, обеспечивая высокочастотное переключение коммутатора с одной зоны коммутации на другую. В результате уменьшаются пульсации результирующего вектора тока статора двигателя и движущего момента. Устройство выделения модуля управляющего сигнала, устройство формирования кода управления на каждом такте расширяют разрешающую способность преобразователя код-ШИМ, обеспечивая плавность работы электропривода на низких скоростях. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в исполнительных системах различных механизмов на базе бесконтактных электродвигателей постоянного тока.

Известна система управления бесконтактного двигателя постоянного тока (пат. РФ № 2098917), содержащая двигатель, инвертор, датчик положения ротора с цифровым преобразователем сигнала и микро-ЭВМ, реализующую алгоритмы управления при трогании двигателя, разгоне, торможении и в стационарном режиме. Недостатком системы управления является то, что данная система не может реализовать широкий диапазон регулирования скорости двигателя и плавность движения на малых скоростях из-за низкой информативности сигнала обратной связи по положению, определяемой наличием 3-х выходов датчика положения ротора.

Наиболее близким к изобретению является вентильный электропривод (а.с. СССР № 1829101), содержащий электродвигатель с датчиком положения ротора, преобразователь код-ШИМ, коммутатор, датчик положения исполнительного механизма, а также функциональные элементы, реализованные с использованием программного вычислителя: устройство определения ошибки по положению, устройство определения направления вращения, устройство определения рассогласования по скорости и устройство определения скорости двигателя с цифровым выходом. Недостатком электропривода является то, что он не позволяет отрабатывать заданные перемещения с высокой плавностью движения, т.к. система коммутации обмоток двигателя осуществляется по сигналам всего лишь трех элементов датчика положения ротора, что приводит пульсациям движущего момента и, как следствие, к неравномерному вращению на малых скоростях. Кроме этого, практическая реализация преобразователя код-ШИМ накладывает ограничение на величину минимального приращения ШИМ-сигнала, связанного с дискретностью кода и частотой ШИМа. Ограниченная величина минимального приращения ШИМ-сигнала не позволяет формировать малые приращения управляющих воздействий, необходимых для регулирования двигателя при движении на малых скоростях.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение пульсаций движущего момента и повышение плавности движения бесконтактного электропривода постоянного тока на низких скоростях, улучшение энергетических характеристик электропривода.

Технических результат достигается тем, что в бесконтактный электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, коммутатор, преобразователь «код-ШИМ», устройство формирования цифрового сигнала скорости, устройство формирования направления вращения, датчик положения, преобразователь сигнала обратной связи по положению в код, последовательно соединенные устройство определения ошибки по положению и устройство определения рассогласования по скорости, причем первый вход устройства определения ошибки по положению служит для подключения внешнего устройства задания входного кода, второй вход устройства определения ошибки по положению подключен к выходу преобразователя сигнала обратной связи по положению в код, выход устройства формирования цифрового сигнала скорости подключен ко второму входу устройства определения рассогласования по скорости, дополнительно введены сумматор, счетчик тактов, последовательно соединенные устройство выделения модуля и устройство формирования кода управления на каждом такте, датчик положения установлен на валу электродвигателя, выход датчика положения подключен к входу преобразователя сигнала обратной связи по положению в код, выход которого подключен к первому входу сумматора и входу устройства формирования цифрового сигнала скорости, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход устройства определения рассогласования по скорости подключен к входам устройства выделения модуля и устройства формирования направления вращения, выход счетчика тактов подключен ко второму входу устройства формирования кода управления на каждом такте, выход которого подключен к входу преобразователя «код-ШИМ», коммутатор содержит последовательно соединенные устройство деления на постоянный коэффициент, устройство определения номера зоны коммутации на каждом такте, дешифратор, логическое устройство и инвертор, выходы которого подключены к фазным обмоткам электродвигателя, причем выход сумматора подключен к входу устройства деления на постоянный коэффициент, выход устройства формирования направления вращения подключен ко второму входу устройства определения номера зоны коммутации на каждом такте, выход счетчика тактов подключен к третьему входу устройства определения номера зоны коммутации на каждом такте, а выход преобразователя «код-ШИМ» подключен к входу управления логического устройства.

Датчик положения выполнен в виде сельсина, а преобразователь сигнала обратной связи по положению в код выполнен в виде преобразователя «фаза-код».

Устройство формирования цифрового сигнала скорости выполнено в виде устройства цифрового дифференцирования.

Работа устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема электропривода; на фиг.2 – фиг.4 блок-схемы алгоритмов работы функциональных элементов электропривода, реализуемых микроконтроллером.

Бесконтактный электропривод постоянного тока (фиг.1) содержит последовательно соединенные электродвигатель 1, коммутатор 2, преобразователь 3 «код-ШИМ», устройство 4 формирования цифрового сигнала скорости, устройство 5 формирования направления вращения, датчик 6 положения, преобразователь 7 сигнала обратной связи по положению в код, последовательно соединенные устройство 8 определения ошибки по положению и устройство 9 определения рассогласования по скорости, сумматор 10, счетчик 11 тактов, последовательно соединенные устройство выделения модуля и устройство 13 формирования кода управления на каждом такте. Коммутатор 2 содержит последовательно соединенные устройство 14 деления на постоянный коэффициент, устройство 15 определения номера зоны коммутации на каждом такте, дешифратор 16, логическое устройство 17 и инвертор 18, выходы которого подключены к фазным обмоткам электродвигателя. Первый вход устройства 8 определения ошибки по положению служит для подключения внешнего устройства задания входного кода, второй вход указанного устройства 6 подключен к выходу преобразователя 7 сигнала обратной связи по положению в код, выход устройства 4 формирования цифрового сигнала скорости подключен ко второму входу устройства 9 определения рассогласования по скорости, датчик 6 положения установлен на валу электродвигателя 1, выход датчика 6 положения подключен к входу преобразователя 7 сигнала обратной связи по положению в код, выход которого подключен к первому входу сумматора 10 и входу устройства 4 формирования цифрового сигнала скорости, выход которого подключен ко второму входу сумматора 10. Выход устройства 9 определения рассогласования по скорости подключен к входам устройства 12 выделения модуля и устройства 5 формирования направления вращения, выход счетчика 11 тактов подключен ко второму входу устройства 13 формирования кода управления на каждом такте, выход которого подключен к входу преобразователя 3 «код-ШИМ». Выход сумматора 10 подключен к входу устройства 14 деления на постоянный коэффициент, выход устройства 5 формирования направления вращения подключен ко второму входу устройства 15 определения номера зоны коммутации на каждом такте, выход счетчика 11 тактов подключен к третьему входу устройства 15 определения номера зоны коммутации на каждом такте, а выход преобразователя 3 «код-ШИМ» подключен к входу управления логического устройства 17.

Функциональные элементы 3-5, 8-17 реализованы с использованием микроконтроллера.

Электропривод работает следующим образом.

На первый вход устройства 8 определения ошибки по положению (фиг.1) подается текущий код заданного положения, а на второй вход – код, несущий информацию об угловом положении ротора электродвигателя 1, полученный с помощью датчика 6 положения и преобразователя 7 сигнала обратной связи по положению в код. В результате на выходе устройства 8 определения ошибки по положению образуется сигнал разности указанных кодов с определенным весом, который подается на первый вход устройства 9 определения рассогласования по скорости. Устройство 4 формирования цифрового сигнала скорости вырабатывает сигнал производной по угловому положению вала электродвигателя 1, который подается на второй вход устройства 9, где с определенным коэффициентом вычитается из сигнала ошибки по положению, в результате чего на выходе устройства 9 формируется управляющий сигнал. На выходе устройства 12 формируется модуль управляющего сигнала, а на выходе устройства 5 – знак управляющего сигнала (сигнал, задающий направление вращения).

Счетчик 11 тактов осуществляет подсчет циклов работы с выдачей номера такта n. При этом происходит циклическое накапливание n от 0 до n_max со сбрасыванием счетчика в ноль.

Сумматор 10 осуществляет алгебраическое суммирование сигнала угла поворота вала электродвигателя 1 и сигнала производной от угла поворота поступающего с устройства 4 формирования цифрового сигнала скорости. Последний сигнал, подаваемый на сумматор 10 с определенным весом, используется в качестве сигнала опережения включения. Таким образом, соединение выхода устройства 4 формирования цифрового сигнала скорости с первым входом сумматора 10 позволяет автоматически вводить угол опережения включения в функции скорости с учетом знака, что приводит к улучшению энергетических характеристик электропривода.

Положение результирующего вектора тока статора бесконтактного двигателя постоянного тока определяется зонной коммутацией, номер которой в свою очередь определяется комбинацией открытых и закрытых ключей инвертора, питающего фазные обмотки.

Рассмотрим работу коммутатора 2, формирующего сигналы в фазных обмотках двигателя.

Суммарный сигнал угла поворота и угла опережения включения поступает с выхода сумматора 10 на вход устройства 14 деления на постоянный коэффициент.

Работа устройства 14 деления и устройства 15 определения номера зоны коммутации на каждом такте поясняется блок-схемой алгоритма, приведенного на фиг.2. Рассмотрим работу этих устройств для случая реализации 12-зонной коммутации фазных обмоток электродвигателя 1.

Постоянный коэффициент (делитель) К в устройстве 14 деления для 12-зонной коммутации равен одной двенадцатой части от максимального значения кода углового положения, соответствующего одному электрическому обороту ротора двигателя. В результате деления кода числа А(n), являющегося суммой текущего угла поворота и угла опережения включения образуется число N(n), целая часть которого ]N(n)[ несет информацию о номере зоны коммутации, а дробная часть N – об относительном угловом положении ротора электродвигателя внутри зоны. Далее устройство 15 в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2 осуществляет логический анализ знака управляющего сигнала, поступающего с выхода устройства 5 формирования направления вращения. Принято, что при sign U=1, вращение осуществляется против часовой стрелки, sign U=0 – по часовой стрелке. Если sign U=1, то к числу ]N(n)[ прибавляется число 6, что соответствует повороту ротора датчика положения относительно ротора двигателя на 180° и что приводит к изменению чередования включения ключей инвертора и, как следствие, к вращению ротора двигателя против часовой стрелки. При этом, если для sign U=1 новое ]N(n)12[, то оно корректируется в соответствии с блок-схемой алгоритма таким образом, чтобы оставаться в рамках 12 зон. Затем устройство 15 определения номера зоны коммутации на каждом такте по величине относительно углового положения внутри зоны коммутации N и по номеру такта n определяет величину поправки L на каждом такте к номеру зоны ]N(n)[. Для реализации данного алгоритма в памяти микроконтроллера сформирована таблица, из которой осуществляется выборка величины поправки L. Поправка принимает значения либо 0, либо 1 и прибавляется к номеру зоны ]N(n)[.

Дешифратор 16 выдает сигналы управления ключами А1 А2 В1 В2 С1 С2 инвертора по номеру зоны L(n) в соответствии с таблицей, приведенной на фиг.3. Сигналы управления ключами A1 A2 B1 B2 C1 C2 поступают на входы логического устройства 17, которое подключает их к ключам инвертора на время действия импульса ШИМ и переводит инвертор в режим динамического торможения на время (Т_o–) паузы (где Т_o – период ШИМа). При этом происходит переключение с одной зоны коммутации на другую и количество тактов, определяющих тот или другой номер зоны, а значит, и время нахождения ротора электродвигателя 1 в той или другой зоне, зависит от величины дробной части номера зоны, соответствующей относительному угловому положению ротора. При достаточно высокой частоте ШИМ уменьшаются пульсации вектора результирующего тока электродвигателя, а значит, и пульсации движущего момента, что приводит к улучшению плавности движения на низких скоростях.

Практическая реализация преобразователя «код-ШИМ» приводит к тому, что частота ШИМ и минимальное приращение длительности импульса являются взаимосвязанными параметрами: чем выше частота ШИМ-сигнала, тем больше величина «ступеньки» преобразователя, соответствующая единице младшего разряда входного кода. Для уменьшения пульсаций тока в обмотках двигателя и следовательно улучшения энергетики электрической машины и уменьшения пульсаций движущего момента, частоту ШИМ-сигнала целесообразно увеличивать, но тогда увеличивается и величина минимальной длительности импульса, реализующего управляющее воздействие. Это приводит к ухудшению плавности работы электропривода на низких скоростях.

Рассмотрим работу функциональных элементов 12, 13 и 3, формирующих ШИМ-сигнал с расширенным диапазоном преобразуемых управляющих сигналов. Модуль управляющего сигнала с выхода устройства 12 и сигнал номера такта с выхода счетчика 11 тактов, поступают на устройство 13 формирования кода управления на каждом такте, блок-схема алгоритма работы которого приведена на фиг.4. Вначале устройство 13 производит разделение кода modU на две части: старшую – ]modU[ и младшую modU=]modU[+modU. Из условия соответствия величины младшего разряда кода ]modU[ минимальному приращению ШИМ-сигнала. Затем устройство 13 по величине младшей части кода управляющего сигнала mod U и по номеру такта n определяет величину прибавки ширины импульса на каждом такте ШИМ. Для реализации этого алгоритма в памяти микроконтроллера имеется таблица, из которой происходит выборка прибавки , которая может принимать значение 0 или 1 в зависимости от величины младшей части управляющего сигнала mod U.

Логическое устройство 17 подключает кодовые комбинации, идущие с дешифратора 16 для управления инвертором на время, определенное преобразователем «код-ШИМ» с учетом поправки в каждом такте. В результате увеличивается разрешающая способность преобразователя «код-ШИМ», уменьшается «ступенчатость» сигнала управления, и, как следствие, улучшаются характеристики электропривода при работе на низких скоростях.

Таким образом, совокупное введение функциональных элементов: сумматора 10, устройства 14 деления на постоянный коэффициент, устройства 12 выделения модуля, устройства 15 определения номера зоны коммутации на каждом такте, устройства 13 формирования кода управления на каждом такте, счетчика 11 тактов, дешифратора 16 и логического устройства 17 и связей между ними приводит к достижению технического эффекта, заключающегося в снижении пульсаций движущего момента электропривода, повышении плавности движения на низких скоростях и улучшении энергетических характеристик.

Формула изобретения

1. Бесконтактный электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, коммутатор, преобразователь «код-ШИМ», устройство формирования цифрового сигнала скорости, устройство формирования направления вращения, датчик положения, преобразователь сигнала обратной связи по положению в код, последовательно соединенные устройство определения ошибки по положению и устройство определения рассогласования по скорости, причем первый вход устройства определения ошибки по положению служит для подключения внешнего устройства задания входного кода, второй вход устройства определения ошибки по положению подключен к выходу преобразователя сигнала обратной связи по положению в код, выход устройства формирования цифрового сигнала скорости подключен ко второму входу устройства определения рассогласования по скорости, отличающийся тем, что в него дополнительно введены сумматор, счетчик тактов, последовательно соединенные устройство выделения модуля и устройство формирования кода управления на каждом такте, датчик положения установлен на валу электродвигателя, выход датчика положения подключен к входу преобразователя сигнала обратной связи по положению в код, выход которого подключен к первому входу сумматора и входу устройства формирования цифрового сигнала скорости, выход которого подключен к второму входу сумматора, выход устройства определения рассогласования по скорости подключен к входам устройства выделения модуля и устройства формирования направления вращения, выход счетчика тактов подключен ко второму входу устройства формирования кода управления на каждом такте, выход которого подключен к входу преобразователя «код-ШИМ», коммутатор содержит последовательно соединенные устройство деления на постоянный коэффициент, устройство определения номера зоны коммутации на каждом такте, дешифратор, логическое устройство и инвертор, выходы которого подключены к фазным обмоткам электродвигателя, причем выход сумматора подключен к входу устройства деления на постоянный коэффициент, выход устройства формирования направления вращения подключен ко второму входу устройства определения номера зоны коммутации на каждом такте, выход счетчика тактов подключен к третьему входу устройства определения номера зоны коммутации на каждом такте, а выход преобразователя «код-ШИМ» подключен к входу управления логического устройства, которое подключает сигналы управления к ключам инвертора на время действия импульса ШИМ и переводит инвертор в режим динамического торможения на время паузы.

2. Бесконтактный электропривод постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что датчик положения выполнен в виде сельсина, а преобразователь сигнала обратной связи по положению в код выполнен в виде преобразователя «фаза-код».

3. Бесконтактный электропривод постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что устройство формирования цифрового сигнала скорости выполнено в виде устройства цифрового дифференцирования.

РИСУНКИ