L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
| Название | УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ |
|---|---|
| Разработчик (Авторы) | Сапсалев Анатолий Васильевич, Савин Николай Петрович, Жарков Максим Андреевич, Симин Василий Сергеевич |
| Вид объекта патентного права | Полезная модель |
| Регистрационный номер | 153067 |
| Дата регистрации | 24.12.2014 |
| Правообладатель | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" |
Описание изобретения
1. Устройство для управления вентильным двигателем, содержащее датчик положения ротора с тремя выходами, распределитель сигналов, содержащий как минимум три инвертора, входы которого присоединены к выходам датчика положения, а также трехфазный мостовой коммутатор, к управляющим входам силовых ключей которого присоединены выходы распределителя сигналов и вентильный двигатель, обмотка ротора которого присоединена к выходам коммутатора, отличающееся тем, что в него введены три тактируемых RS-триггера, выходы которых образуют выходы распределителя сигналов, первые входы каждого триггера присоединены к одному из выходов датчика положения, а вторые входы триггеров присоединены к выходу инвертора, вход которого присоединен к тому же выходу датчика положения, что и первый вход триггера, а тактируемые входы триггеров объединены и образуют управляющий вход устройства.
2. Устройство для управления вентильным двигателем по п. 1, отличающееся тем, что в состав распределителя сигналов дополнительно введены шесть двухвходовых логических схем И, образующих две группы по три схемы, первый вход каждой схемы И первой группы объединён с первым входом соответствующей схемы И второй группы и прямым выходом соответствующего триггера, второй вход каждой схемы И первой группы объединён со вторым входом соответствующей схемы И второй группы и инверсным выходом соответствующего триггера, выходы схем И первой группы присоединены к управляющим входам ключей анодной группы, а выходы схем И второй группы присоединены к управляющим входам ключей катодной группы трехфазного мостового коммутатора.
Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в управляемых электроприводах систем автоматического регулирования, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах.
Известно устройство для управления вентильным двигателем, содержащее трехфазный мостовой коммутатор, к выходам которого присоединена обмотка ротора двигателя. Управление скоростью двигателя осуществляется широтно-импульсным методом за счет дополнительного управляемого ключа, включаемого последовательно с коммутатором [Авторское свидетельство СССР №547038 от 15.02.1977]. Дополнительный ключ, включаемый в силовую цепь питания обмоток ротора двигателя, усложняет схему коммутатора и приводит к дополнительным потерям мощности, что снижает коэффициент полезного действия устройства.
Устранение указанных недостатков возможно при использовании для регулирования скорости двигателя силовых ключей коммутатора.
Известно устройство для управления вентильным двигателем, которое содержит датчик положения ротора с тремя выходами, которые подключены к входам распределителя сигналов, содержащего как минимум три инвертора, входы которых присоединены к выходам датчика положения ротора, трехфазный мостовой коммутатор, к управляющим входам силовых ключей которого присоединены выходы распределителя сигналов, и вентильный двигатель, обмотка ротора которого присоединена к выходам коммутатора. [Авторское свидетельство СССР №1640805 от 07.04.1991]. Это устройство наиболее близко к предлагаемой полезной модели и является прототипом.
Функциональные возможности управления скоростью вращения ротора в системах электропривода с использованием устройства прототипа ограничены широтно-импульсной модуляцией напряжения питания вентильного двигателя, осуществляемой по цепям управления силовыми ключами коммутатора. Это приводит к дополнительным тепловым потерям в транзисторах коммутатора и, как следствие, к снижению надежности его работы.
Серьезную конкуренцию традиционным шаговым двигателям с постоянными магнитами могут составить двигатели с зубцовым шагом (дискретно распределенными обмотками). В этом плане представляется перспективным применение шагового режима работы для управления вентильными двигателями с дискретно распределенными обмотками. Для таких двигателей появляется возможность дискретизации в 1 угловой градус. Импульсный характер питания фазных обмоток вентильных двигателей в сочетании с шаговым режимом работы обеспечивает перспективность их применения в современных цифровых электроприводах.
Технический результатом, который достигается при использовании полезной модели, является расширение функциональных возможностей устройства для управления вентильным двигателем за счет формирования шагового режима работы.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство для управления вентильным двигателем, которое содержит датчик положения ротора с тремя выходами, распределитель сигналов, содержащий как минимум три инвертора, входы которого присоединены к выходам датчика положения, трехфазный мостовой коммутатор, к управляющим входам силовых ключей которого присоединены выходы распределителя сигналов, вентильный двигатель, обмотка ротора которого присоединена к выходам коммутатора, введены три тактируемых RS-триггера, выходы которых образуют выходы распределителя сигналов, первые входы каждого триггера присоединены к одному из выходов датчика положения, а вторые выходы присоединены к выходу соответствующего инвертора, вход которого присоединен к тому же выходу датчика положения, а тактируемые входы триггеров объединены и образуют управляющий вход устройства.
Кроме того в состав распределителя сигналов устройства могут быть введены шесть двухвходовых логических схем И, образующих две группы по три схемы, первый вход каждой схемы И первой группы объединен с первым входом соответствующей схемы И второй группы и прямым выходом соответствующего триггера, второй вход каждой схемы И первой группы объединен со вторым входом соответствующей схемы И второй группы и инверсным выходом соответствующего триггера, выходы схем И первой группы присоединены к управляющим входам ключей анодной группы коммутатора, а выходы схем И второй группы присоединены к управляющим входам ключей катодной группы коммутатора.
На Фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства для управления вентильным двигателем.
На Фиг. 2 приведен один из вариантов схемы тактируемого RS-триггера.
На Фиг. 3 приведена схема предлагаемого устройства для управления вентильным двигателем, в состав распределителя сигналов которого введены шесть двухвходовых логических элементов И.
На Фиг. 4 и 5 приведены диаграммы, поясняющие работу устройства.
Устройства для управления вентильным двигателем (Фиг. 1) содержит датчик положения ротора 1 с тремя выходами A, B, C, трехфазный мостовой коммутатор 2, к управляющим входам силовых ключей которого присоединены выходы распределителя сигналов 3, вентильный двигатель 4, обмотка ротора которого присоединена к выходам коммутатора. Распределитель сигналов 3 содержит три тактируемых RS-триггера 5-7 и три инвертора 8-10, первые входы каждого триггера (R) присоединены к одному из выходов датчика положения, а вторые выходы (S) присоединены к выходу соответствующего инвертора, вход которого присоединен к тому же выходу датчика положения, а тактируемые входы (T) триггеров объединены и образуют управляющий вход устройства Uу. В данном варианте схема устройства формирует так называемый 180-градусный закон коммутации обмоток ротора вентильного двигателя.
На Фиг. 2 приведена схема тактируемого RS-триггера, выполненная на базе четырех двухвходовых логических схем И с инверсией. Возможны и другие варианты схемы тактируемых RS-триггеров.
Для формирования 120-градусного закона коммутации в состав распределителя сигналов 2 могут быть введены шесть двухвходовых логических элементов И 11-16, включенных между выходами тактируемых RS-триггеров и управляющими входами силовых ключей коммутатора (Фиг. 3).
Работа предлагаемого устройства состоит в следующем.
С выхода датчика положения ротора 1 на вход распределителя импульсов 3 поступают информационные сигналы трехфазной последовательности. Сигнал с каждого выхода датчика положения в прямой и инверсной форме поступает на входы соответствующего триггера. Так, например, сигнал А поступает на вход R триггера 5, а после инвертирования на элементе 8 на вход S этого же триггера. Таким образом,
UR5=A, 
, UR6=B, 
, UR7=C, 
Если триггеры выполнены по схеме Фиг. 2, а сигнал управления, подаваемый на тактирующий вход, активного высокого уровня Uу=1, то сигналы на выходе триггеров будут равны сигналам на их входах, то есть a=UR5=A, 
, b=UR6=B, 
, c=UR7=C, 
.
Эти сигналы являются выходами распределителя импульсов и поступают на управляющие входы силовых ключей коммутатора
Y1=а=А, 
, Y3=в=В,
, Y5=с=С, 
В результате в фазных обмотках ротора формируются трехфазные токи ступенчатой формы, как это показано на Фиг. 4.
Если изменить уровень сигнала управления Uy=0, то триггеры защелкиваются, и информация на их выходах хранится до момента изменения уровня сигнала управления. Сигнал управления представляет собой периодические прямоугольные импульсы. Число импульсов управления определяет величину заданного перемещения, а частота импульсов определяет скорость вращения ротора.
Устройство, выполненное в соответствии с Фиг. 1, реализует 180-градусный закон коммутации, при котором в каждой из трех стоек коммутатора в любой момент времени работает один из двух силовых ключей. Возможны вариации, когда работает один из транзисторов четной группы ключей и два транзистора нечетной группы из других стоек, либо наоборот - два транзистора из нечетной группы и один из четной. Введение в состав распределителя импульсов трех тактируемых RS-триггеров позволяет решить туже задачу расширения функциональных возможностей устройства управления вентильным двигателем и при 120-градусной коммутации. При 120-градусной коммутации в каждый момент времени открыты только два силовых ключа из различных стоек коммутатора. Причем работают один из транзисторов четной группы ключей и один из нечетной группы других стоек. Длительность открытого состояния каждого ключа 120 градусов, а работа ключей каждого плеча разделена интервалом, соответствующим 60 градусам. Тем самым исключается возможность протекания сквозных токов короткого замыкания при переключениях ключей коммутатора. Это является одним из основных преимуществ 120-градусного закона коммутации, по сравнению со 180-градусным.
Для реализации 120-градусного закона коммутации в состав распределителя сигналов 3 дополнительно введены шесть двухвходовых логических схем И, образующих две группы по три схемы 11-13 и 14-16. Первый вход каждой схемы И первой группы объединен с первым входом соответствующей схемы И второй группы и прямым выходом соответствующего триггера. (Например, входы схем 11 и 14 и выход а триггера 8). Второй вход каждой схемы И первой группы объединен со вторым входом соответствующей схемы И второй группы и инверсным выходом соответствующего триггера. Выходы схем И первой группы присоединены к управляющим входам ключей анодной группы коммутатора (Y1, Y3, Y5), а выходы схем И второй группы присоединены к управляющим входам ключей катодной группы коммутатора (Y2, Y4, Y6).
Сигналы управления активного высокого уровня Y1-Y6 появляются на управляющих входах ключей коммутатора в соответствии со следующими логическими уравнениями
, 
,
, 
,
, 
,
где а, в, с, 
, 
, 
- информационные сигналы трехфазной последовательности с выходов триггеров распределителя импульсов.
В результате в фазных обмотках ротора формируются трехфазные токи, как это показано на диаграмме фиг. 5. При изменении уровня сигнала управления Uу=0 триггеры защелкиваются, и информация на их выходах, как и в схеме по Фиг. 1, хранится до момента изменения уровня сигнала управления.
В отличие от прототипа, где регулирование скорости ограничено широтно-импульсной модуляцией напряжения питания вентильного двигателя, в предлагаемой полезной модели устройство для управления вентильным двигателем обеспечивает, за счет введения тактируемых RS-триггеров, формирование шагового режима работы, что расширяет его функциональные возможности. Причем шаговый режим работы реализуется как при 180-градусном законе коммутации силовых ключей коммутатора, так и при 120-градусном законе коммутации.
Кроме того, реализации шагового режима работы позволяет уменьшить потери в силовых ключах трехфазного мостового коммутатора и, тем самым, увеличить его надежность.
Формула полезной модели
1. Устройство для управления вентильным двигателем, содержащее датчик положения ротора с тремя выходами, распределитель сигналов, содержащий как минимум три инвертора, входы которого присоединены к выходам датчика положения, а также трехфазный мостовой коммутатор, к управляющим входам силовых ключей которого присоединены выходы распределителя сигналов и вентильный двигатель, обмотка ротора которого присоединена к выходам коммутатора, отличающееся тем, что в него введены три тактируемых RS-триггера, выходы которых образуют выходы распределителя сигналов, первые входы каждого триггера присоединены к одному из выходов датчика положения, а вторые входы триггеров присоединены к выходу инвертора, вход которого присоединен к тому же выходу датчика положения, что и первый вход триггера, а тактируемые входы триггеров объединены и образуют управляющий вход устройства.
2. Устройство для управления вентильным двигателем по п. 1, отличающееся тем, что в состав распределителя сигналов дополнительно введены шесть двухвходовых логических схем И, образующих две группы по три схемы, первый вход каждой схемы И первой группы объединён с первым входом соответствующей схемы И второй группы и прямым выходом соответствующего триггера, второй вход каждой схемы И первой группы объединён со вторым входом соответствующей схемы И второй группы и инверсным выходом соответствующего триггера, выходы схем И первой группы присоединены к управляющим входам ключей анодной группы, а выходы схем И второй группы присоединены к управляющим входам ключей катодной группы трехфазного мостового коммутатора.
Медаль Альфреда Нобеля