Устройство для управления электродвигателем постоянного тока

(51)5 Н 02 Р 5/16 РСТВЕННЫЙ КОМИТЕТБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИНТ СССР ГОСУ ПОИ ПРИ ЕТЕ К(54) ЭЛЕ 157) кеи авто ектратехв цифроравления ка с шиелями, ие надеж-.сквозных вых ро ности токов.Н схема двига функц держк а структурная ления электро- а; на фиг. 2 - цифровой занальная схема правления; на ма преобразорвал; на фиг. 5- тового. транзифиг. 4 вателя функц.11,90. Бюл, М 43инский радиотехнический институтВ,Николаев, С.И.Защитин, Ф,В.фурГ, В.Овод-Марчук1,316.718,5 (088,8)оров Ю.Н. Системы привода роботов."982. с.30. рис.14.рман-Галкин С.Г. и др, Цифровыеоприводы с транзисторными преобателями. - Энергоатомиэдат, 1986,ис.3-19. ТРОИСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО обретение относится к электротехниб, использовано в цифровых системах тического управления электропривообретение относится к эл может быть использовано стемах автоматического уп оприводом постоянного то импульсными преобразоват ль изобретения - повышен а счет исключения режима фи г. 1 и редста вл е нустройства для управ елем постоянного ток ональная схема узла ; на фиг, 3 - функциорователя импульсов у- функциональная схекода во временной инте оная,ная схема мос а с широтно-импульсями. Цель изобретения - ти за счет исключения ов. Введение узла цифрмирователя импульсов ет исключить возможозных токов ввиду того, ения, поступающие на реходы транзисторных реверсивного транзимпульсного преобрарываются в момент тельность бестоковых иваться оптимальной. устройство позволяет ератар импульсов как рсивного счетчика, так периода широтно-имчто повышает. надежтва. 6 ил,дом постоянного ток ными преобразовател повышение надежнос режима сквозных ток ровой задержки и фо управления позволя ность протекания скв что импульсы управл эмиттер-базовые пе ключей мостового сторного широтно-и зователя, не перек переключения, а дли пауз может устанавл Кроме того, данное использоватьодин ге для заполнения реве и для формирования пульсной модуляции, ность работы устройс сторного широтно-импульсного преобразователя; на фиг. 6 - временные диаграммы работы устройства при Ивх 0(а) и М, 0(б).Устройство для управления электродвигателем постоянного тока содержит генератор 1 импульсов, выход которого подключен к первому и третьему входам соответственно узла 2 цифровой задержки и преобразователя 3 кода во временной интервал, второй вход которого объединен с вторым входом узла 2 цифровой задержки, вторым входом формирователя 4 импульсов управления и подключен к шине "Начальная установка", Первый вход преобразователя 3 кода во временной интервал соединен с вторым выходом регистра 5 кода управления, вход записи регистра 5 кода управления яв.ю а к бб Составитель А,ПалагутинРедактор М.Бланар Техред М,Моргентал Корректор Т.Палий роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101 Заказ 3623 Тираж 456 ВНИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, ЖПодписноебретениям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб 4/5ляется шиной "Запись", а его информационные входы - соответствующими шинами кода управления, первый выход регистра 5 кода управления подключен к первому входу распределителя 6 импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом формирователя 4 импульсов управления, а первый, второй, третий и четвертый выходы распределителя 6 импульсов подключены к соответствующим входам мостового транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7, Первый и третий входы формирователя 4 импульсов управления соединены соответственно с выходами преобразователя 3 кода во временной интервал и узла 2 цифровой задержки, к третьему входу которого подключен второй выход формирователя 4 импульсов управления.Узел 2 цифровой задержки (фиг.2) содержит, например, три логических элемента 2 И - НЕ 8 - 10, логический элемент 2 ИЛИ 11, три логических элемента 2 И 12-14, триггер 15, вычитающий счетчик 16, инвертор 17, напряжение управления 18 на выходе триггера 15, напряжение 19 на выходе вычитающего счетчика 16, импульсные последовательности 20 и 21 с выходов соот-. ветственно элементов 2 И-НЕ 9 и 10.Формирователь 4 импульсов управления (фиг.3) содержит два инвертора 22 и 23, четыре логических элемента 2 И - НЕ 24 - 27, четыре триггера 28-31, последовательности широтно-модулированных импульсов 32 и 33, поступающих на первый вход формирователя 4 импульсов управления, четыре импульсных последовательности 34 - 37, сформированных по принципу поочередного управления на прямых выходах соответственно триггеров 28 - 31,Преобразователь 3 кода во временной интервал (фиг;4) содержит инверторы 38 и 39, логические элементы 2 И 40-42, логический элемент 2 И - НЕ 43, логический элемент ЗИ-НЕ 44, триггеры 45 и 46, реверсивный счетчик 47, напряжение управления 48 - 50 соответственно на суммирующем. вычитающем и входе разрешения записи реверсивного счетчика 47, последовательности 51 и 52 импульсов управления на прямых выходах соответственно триггеров 45 и 46, а также значение кода 53 на выходе реверсивного счетчика 47,Мостовой реверсивный транзисторный широтно-импульсный преобразователь 7 (фиг.5) содержит четыре транзисторных ключа ТК 1 - ТК 4 54 - 57, электродвигатель 58 постоянного тока, напряжение управления 59-62 транзисторными ключами соответственно ТК 1-ТК 4, выходное напряжение 63мостового реверсивного транзисторного5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2и - 1Тшим -генПреобразователь 3 кода во временной интервал преобразует модуль кода управления 1 й,= Йш + Кз в две последовательности широтно-модулированных импульсов, которые поступают на вход формирователя 4 импульсов управления. На второй вход формирователя 4 импульсов управления поступают две последовательности импульсов длительности сз узла 2 цифровой задержки. Формирователь 4 импульсов управления формирует четыре последовательности широтно-модулированных импульсов, необходимых для реализации поочередного управления транзисторными ключами мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7. Распределитель 6 импульсов реализует реверсивное управление, осуществляя коммутацию ключей мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7 в зависимости от поступающего на его первый вход знакового разряда кода управления с первого выхода регистра 5 кода управления. Узел 2 цифровой задержки формирует две последовательности импульсов временной задержки длительноКэстью 1 з =, которые используются приген широтно-импульсного преобразователя 7 на входе электродвигателя 58 постоянного тока.Устройство работает следующим образом.В регистре 5 кода управления хранится код управляющего сигнала Йех, подаваемого на вход устройства управления электродвигателем постоянного тока, который преобразуется в широтно-модулированные импульсы, Знак кода управления хранится в старшем разряде, а в остальных разрядах хранится модуль числа в прямом коде. Запись кода в регистр 5 кода управления осуществляется при подаче на его вход записи положительного перепада импульса по шине "Запись". Максимально возможнОе значение кода управления, преобразуемое устройством, определяется следующим образом: Йшм 1 = 2"-1 - Кз, где п=гп - 1; Кз - значение кода временной задержки, которое определяется временем тз рассасывания избыточных носителей в базе отключающегася транзисторного ключа и частотой 1 ген следования импульсов с генератора 1 импульсов: К 3=131 ген л 1 разряд ность регистра 5 кода управления, При этом период широтно-модулированного сигнала определяется:К ет на ние тПри э пров сыс наци реве 52 вы 42, и ет тр разр вход цифр раба ключ открь уров 2 ИЛ гер 1 самы гене вычи новл формдавакоторсз. ГедляимпудимоП"1" вется16,уэпервраспналыупраподамостпульского46 ичальние тимпуногочикзафиобрареночикустанвход ровании четырех импульсных послеельностей, управляющие импульсы х разнесены во времени на величину ератор 1 импульсов предназначен ормирования последовательности ьсов стабильной частоты бен, необходля тактирования работы устройства. и поступлении импульса по шине льная установка" (фиг.6) его передним ом обнуляется реверсивный счетчик писывается логический "0" в триггеры , 30, 45 и 46, записывается логическая риггеры 29 и 31, а также осуществляапись кода Кз в вычитающий счетчик а 2 цифровой задержки, При этом на й, второй, третий и четвертый входы еделителя 6 импульсов поступают сиг-37 соответственно, а с его выходов - ляющие напряжения 59 - 62 (фиг.б) ы на транзисторные ключи ТК 1 - ТК 4 вого транзисторного широтно-имного преобразователя 7. Сигнал высо- ровня с инверсного выхода триггера окончании импульса по шине "Наая установка" разрешает прохождектовых импульсов бен с генератора 1 ьсов на вычитающий вход реверсивчетчика 47, Так как реверсивный счет работает на вычитание и в нем сирован нулевой код, на его выходе ного переноса образован импульс пеа. Этим импульсом в реверсивный счет производится запись кода 1 Мех, овленного на его информационных х. оме того, импульс переноса поступавход установки в единичное состояиггера 46 и изменяет его состояние. ом элемент 44 закрывается и начинает дить элемент 43. В этом случае импульастотой 1 гее с генератора 1 импульсов ают поступать на суммирующий вход сивного счетчика 47. Кроме того, сигнал окого уровня через открытый элемент ойдя через инвертор 23, устанавливаггер 31 в нулевое состояние и подается шающий высокий уровень на первый лемента 26. До этого момента узел 2 вой задержки не принимает участия в е, так как вентиль 8 закрыт, При перении триггера 31 в нулевое состояние вается элемент 14 и сигнал высокого я, пройдя через логический элемент 11, записывает логическую "1" в триги открывает элемент 8, разрешив тем прохождение тактовых импульсов с атора 1 импульсов на счетный вход ающе о счетчика 16,. в котором устан код Кз.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При фиксации нулевого кода на вычитающем счетчике 16 на его выходе обратногопереноса образован импульс 19 переноса,который поступает через открытый элемент12 на вход записи вычитающего счетчика 16,а также сбрасывает триггер 15 в нулевоесостояние. Тем самым с прямого выходатриггера 15 через открытый элемент 9, проинвертировавшись, через время тэ на второйвход элемента 26 поступает сигнал высокого уровня. При этом на вход установки вединицу триггера 30 поступает сигнал низкого уровня и триггер 30 устанавливается вединичное состояние. Элемент 14 закрывается сигналом низкого уровня с инверсноговыхода триггера 30, При этом на входах логического элемента 2 ИЛИ 11 имеются сигналы, низкого уровня, а сигнал низкогоуровня с его выхода запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент 8,. Узел 2 цифровой задержки опять выключается из работы.Суммирование в реверсивном счетчике47 продолжается до появления импульсапереполнения с его выхода переполнения.Этот импульс записывает в реверсивныйсчетчик 47 значение кода 1 йе, переключает триггер 46 в нулевое состояние, переключив тем самым генератор 1 импульсов ссуммирующего на вычитающий вход реверсивного счетчика 47, и переключает триггер45, работающий в счетном режиме, в новое(единичное) состояние, Сигнал низкогоуровня с прямого выхода триггера 46 закрывает элементы 41 и 42, при этом сигналомнизкого уровня с выхода элемента 42 .сбрасывается в "0" триггер 30, а на первом входеэлемента 27 установлен разрешающий сигнал высокого уровня. В этот момент в работувключается узел 2 цифровой задержки.На выходе элемента 14 появляется сиг. налвысокого уровня, который аналогичноописанному устанавливает триггер 15 в единичное состояние и разрешает прохождение импульсов с генератора 1 импульсовчерез элемент 8 на счетный вход вычитающего счетчика 16. Тем самым триггер 15удерживается в единичном состоянии в течение времени з-:Кз/1 ген, а при этом на вторых входах элементов 9 и 10 имеется сигналвысокого уровня, Сигнал высокого уровняна первом входе элемента 9 сохраняется,а следовательно, на выходе элемента 9имеется сигнал низкого уровня, запрещающий переключение триггера 31 в единичное состояние,Таким образом, триггеры 30 и 31 находятся в течение времени тз в нулевом со.стоянии. При фиксации нулевого кода в .вычитающем счетчике 16 импульс с его вы 1608776хода обратного переноса переключает триггер 15 и перезаписывает код Кз в вычитающий счетчик 16. При этом на втором входе элемента 27 установлен сигнал высокого уровня, а триггер 31 переключен в единичное состояние, Таким образом, включение триггера 31 после выключения триггера 30 происходит с задержкой на время 1 з. Именно с этих триггеров импульсы управления через распределитель 6 импульсов поступают. на транзисторные ключи одной вертикали мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя 7 При фиксации.в реверсивном счетчике 47 нулевого кода на его выходе обратного переноса образован импульс переноса. Этим импульсом в реверсивный счетчик 47 производится очередная запись кодаИвх . поступающего на его информационные входы с второго выхода регистра 5 кода управления. Кроме того, импульс переноса поступает на вход установки в единичное состояние триггера 46. Сигнал высокого уровня с прямого выхода триггера 46 разрешает прохождение тактовых импульсов с генератора 1 импульсов через элемент 43 на суммирующий вход реверсивного счетчика 47, а сигнал низкого уровня с инверсного выхода триггера 46 запрещает их прохождение через элемент 44 на вычитающий вход реверсивного счетчика 47. Кроме того, сигнал 52 высокого уровня через открытый элемент 41, пройдя через инвертор 22, устанавливает триггер 29 в нулевое состояние и подается разрешающий высокий уровень на первый вход элемента 24. Но включения триггера 28 не происходит, так как на втором входе элемента 24 установлен в этот момент сигнал низкого уровня с выхода узла 2 цифровой задержки,Б момент переключения триггера 29 в нулевое состояние на оба входа элемента 13 поступают сигналы высокого уровня с инверсных выходов триггеров 28 и 29, Логическая "1" с выхода элемента 13, пройдя через логический элемент 2 ИЛИ 11, записывает логическую "1" в триггер 15 и открывает элемент 8, разрешив тем самым прохождение тактовых импульсов на счетный вход вычитающего счетчика 16, в котором к этому моменту зафиксирован код Кз, Процессы в узле 2 цифровой задержки протекают аналогично описанным, Через время тз после выключения триггера 29 на второй вход элемента 24 поступает сигнал высокого уровня с узла 2 цифровой задержки и триггер 28 переключается в единичное состояние, а узел 2 цифровой задержки выключается иэ30 35 в единичное состояние, В этот момент все элементы описанной части схемы пришли в состояние, рассмотренное ранее. Реверсивный счетчик 47 теперь работает на вычитание. Дальнейкая работа описанной части схемы повторяется и происходит аналогично.Таким образом, на выходе формирователя 4.импульсов управления формируютсячетыре последовательности 34-37 широтно- модулированных импульсов, сформированных по принципу поочередноо управления,При некотором знаке входного сигнала чвх управляющие импульсы 59 и 62 длительМщим ностью 11=(1+ у) Таим, где у = - , Таим =2 п=Ишимген - относительная продолжительность подключения электродвигателя 58 постоянного тока к источнику питания, -подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи (ТК 1, ТК 4) со сдвигомна полпериода (фиг,6), а управляющие импульсы 60 и 61 длительностью 12-(1-у)Таим также со сдвигом на полпериода подаются на транзисторные ключи противоположнойдиагонали (ТК 2, ТКЗ), В этом случае на интервале уТаим электродвигатель 58 постоянного тока подключен к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1-ИТаим нагрузка (электродвигатель 58 постоянного тока) закорочена с помощью верхних или нижних работы до момента выключения одного извключенных триггеров (триггеры 28 и 31).Суммирование в реверсивном счетчике47 продолжается до появления импульса5 переполнения с его выхода переполнения, Этот импульс записывает в реверсивныйсчетчик 47 значение кодаИвх , переключает триггер 46 в нулевое состояние, переключив тем самым генератор 1 импульсов ссуммирующего на вычитающий вход реверсивного счетчика 47, и переключает триггер45 в новое (нулевое) состояние. При этомсигналами с прямого и инверсного выходов триггера 45 закрывается элемент 41 и открывается элемент 42. На выход элементов 41 и 42.проходят сигналы низкого уровня с прямого выхода, триггера 46.Сигналом низкого уровня с выхода элемента 41 сброкен в "0" триггер 28 (при этом в работу включается узел 2 цифровой задержки), а на первом входе .элемента 25 установлен разрекающий сигнал высокого уровня. На втором его входе. сигнал высокого уровня с выхода узла 2 цифровой задер 25 жки появится через время тз и триггер 29 установлен в единичное состояние сигналом низкого уровня по его входу установкит в а м и р и с и пряжения на выходе. Управляющие на-,25 ряжения транзистооных ключей одной фамоста ТК 1, ТКЗ и ТК 2, ТК 4 постоянноаходятся в противофазе, при этом транзиорные ключи переключаются через перивыходного напряжения 2 Ти. Этим 30остигаются одинаковые условия работыолупроводниковых приборов в схеме мосвого реверсивного транзисторного шиотно-импульсного преобразователя.Повышенная надежность работы устойства обеспечивается и за счет того, чтолительность широтно-модулированногомпульса и период ШИМ формируются наеверсивном счетчике 47 от одного генераора 1 импульсов, исключая тем самым доолнительную схему синхронизации,Анализ временных диаграмм (фиг.6) поазывает, что при практическом использоваии устройСтва импульсы управления,оступающие на эмиттер-базовые переходы 45ранзисторных ключей мостового реверсивого транзисторного широтно-импульсногореобразователя, не перекрываются в моент переключения, при этом длительностьестоковых пауз может в каждом случае усанавливаться оптимальной (с учетом вреени рассасывания избыточных носителей вазах отключающихся транзисторных клюей, определяемого типом применяемых55 м м и и р л с в и я с в к н и з н с анзисторных ключей, При изменении знака одного сигнала Йвх порядок управления динально расположенными транзисторны- ключами изменяется распределителем 6 пульсов на противоположный. При поочедном управлении на электродвигателе 58 стоянного тока формируются знакопооянные импульсы длительностьюуТии, опорциональной сигналу на входе Их,Таким образом, применение предлагаего устройства в цифровых системах автотического управления электроприводами зволяет преобразовывать в длительность пульсов коды управления, модуль котов изменяется от 0 до 2 л- Кз. Общее кочество возможных значений выходного гнала определяется разрядностью и рерсивного счетчика и равно 2". При этом и любом знаке входного сигнала а состоии переключения находятся все четыре анзисторных ключа мостового транзиорного широтно-импульсного преобразотеля, однако частота переключения ждого из них в два раза меньше частоты 5101520 транзисторов) путем регулирования времени тз (значение Кз в узле 2 цифровой задержки задается перемычками), Это позволяет производить эффективное исключение сквозных токов и тем самым обеспечивает повышенную надежность работы устройства для управления электродвигателем постоянного тока,Формула изобретенияУстройство для управления электродвигателем постоянного тока, содержащее регистр кода управления, мостовой реверсивный транзистор, широтно-импульсный преобразователь, выходная диагональ которого предназначена для подключения к якорной обмотке электродвигателя постоянного тока, генератор импульсов, преобразователь кода во временной интервал, распределитель импульсов, причем вход записи регистра кода управления является шиной "Запись", информационные входы регистра кода управления являются соответствующими шинами кода управления, первый выход регистра кода управления подключен к первому входу распределителя импульсов, выходы которого подключены к соответствующим входам мостового реверсивного транзисторного широтно-импульсного преобразователя, второй выход регистра кода управления соединен с первым входом преобразователя кода во временной интервал, третий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения надежности за счет исключения режима сквозных токов, в него введены формирователь импульсов управления, узел цифровой задержки, первый вход которого подключен к выходу генератора импульсов, вторые входы формирователя импульсов управления, узел цифровой задержки и преобразователя кода во временной интервал объединены и подключены к шине "Начальная установка", а третий вход узла цифровой задержки подключен к второму выходу формирователя импульсов управления, первый выход которого соединен с вторым входом распределителя импульсов, выход преобразователя кода во временной интервал и выход узла цифровой задержки подключены соответственно к первому и третьему входам формирователя импульсов управления.