Устройство для управления четырехфазным двигателем переменного тока

(23) Приоритет Вкударетваивй конитет СССР(71) Заявите 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХФАЗНЬ ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКАИзобретение относится к электротехнике, а именно к управлению четырехфазным двигателем переменного тока, например шаговым, от входного напряжения пропорционального частоте, и может быть использовано в следящих системах с ша% гсвыми двигателями.Известно устройство для управления шаговыми двигателями, которые наряду с усилителями мощности, регуляторами напряжения и распределителями импульсов содер 10 жат в качестве самостоятельных узлов усилители рассогласования и генераторы управ ляемой частоты, позволяющие регулировать скорость вращения двигателя в зависимости от управляющего напряжения Ц .тНедостаток устройства - сложность, обусловленная использованием большого числа аналоговых элементов для реали. зации усилитежй рассогласования и управляемых генераторов.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, для управжния четырехфазным пвигателем переменного тока, содержащее усилители мощности, двухвхоцовой интегратор с переключатежм на инвертирующем входе, снабженным цепями управления, репейный элемент, усилитель с изменением .знака коэффициента передачи, операционный усилитель с диодным ключом и входную шину 122Недостаток этого устройства состоит в относительной сложности его аналоговой части, включающей наряду с масштабным усилитежм, режйным эжментом и другими узлами три операционных усиля теля и восемь точных резисторов, определяющих зависимость частоты от входного напряжения и влияющих на стабильность частоты, что снижает надежность, точность и увеличивает энергопотребление.Кроме того, на частоту и скважность выходных импульсов, кроме других факто, ров, оказывают дестабилизирующее влияние изменения коэффициента передачи масштабного усилителя, обусловленные тестабильностью сопротивлений соответ182 4ющего функции ключа изменения знака коэффициента передачи усилителя 17. Выход двухвходового ийтегратора 10 соединен с входами операционного усилителя 18 через диодный ограничитель, выполненный на резисторе 19 и диодах 23 и 24.Инвертнрующий вход интегратора 10 через резистор 12 соединен с выхоцом переключателя 13, один вход которого (транзистор 15) соединен с общей шиной, а ,другой вход (транзистор 14) - с выходом диодного ключа (точкой соединения диода 31 и резистора 30 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 27) и с.задающим входом 8 регулятора напряжения 7.Кроме того, в устройство введенытранзисторный ключ 34, выполненный на МОП-транзисторе и соединяющий источ ник входного. сигнала Ой с входом переключателя, 13, и инвертор 35 на МОП- транзисторе 36, управляющий электрод (затвор) которого соединен с выходом релейного элемента16, а два, другие эжктрода (исток и сток) подключены к входу и соответствующей цепи управления перключателя 13 (затвору транзистора 14). Цепь управления транзисторного ключа 34 соединена с выходом операционного усилителя 27, а неинвертирующий вход интегратора 10 подключен к точке соединения резисторов 29 .и 30 и диодного ключа 26.Направление включения диодов 31 и 33 и стабилитрона 32 в диодном ключе 26 соответствует использованию в переключателе 13, инверторе 35 и транзисторном ключе 34 МОП-транзисторов с каналом р-типа, При этом режйный элемент 16 имеет прямую статическую характеристику (без инверсии). Для МОП гранзис торов с каналомтипа направжиие вклю-, чения указанных диодов и стабилитрона необходимо изменить на противоположное, а режйный элемент 10 должен обладать инверсной статической характеристикой. 3 886ствующих резисторов, н дрейф нуля операционного усилителя, что приводит кувеличению погрешности устройства.Цель изобретения - упрощение схемыи повышение точности.ЭУкаэанная цель достигается за счет .того, что устройство для управления четырехфазным двигателем переменного тока содержит цополнитедьный транзисторныйключ, соединяющий вхожую шину с вхо- ддом переключателя, и инвертор, соединен-.ный входом с выходом релейного элемента, а выходом - с одной из цепей управления переключателя, причем выход операционного усилителя соединен с входомтранзисторного ключа, а цепь обратнойсвязи включает в себя два последова,тельно соединенных с диодом резистора,общая точка соединения которых подключена к неинвертирующему, входу интегратора.На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.Устройство содержит четыре усилите- для мощности 1-4, подключенные соответственно к 1 - 1 У обмоткам управжния (фазам) шагового двигателя (ШД),,инверторы.5 и 6, регулятор 7 напряжения с задающим входом (входом уставки 8) и входом обратной связи 9, двухвхоцовой интегрирующий усилитель 10 сс конденсатором 11 в обратной связи ирезистором 12 на инвертирующем входе,цереключатеж, 13 на МОП-транзисторах3314 и 15 с каналами одной проводимости,релейный элемент 16, усилитель 17 с изменением знака коэффициента передачи,выполненный на операционном усилителе18, резисторах 19 - 22, диодах 23 и24 и транзисторе 25, и диодный ключ26 на операционном усидитеж 27 с входным резистором 28, подключенным к источнику вхорного;напряжения (входной шине)0 и цепью основной обратной связи, состоящей из последовательно соединенных резисторов 29 и 30 и диода 31.Усилитель 27 охвачен также цепью нелинейной отрицательной обратной связичерез последовательно включенные стабидитрон 32 и диод 33; Выход двухвходо- фй вого интегратора 10 подключен к входамрежйного,эжмента 16 и усилители 17,выходы которых соединены непосредственно с усилителями мощности 1 и 3 и через инверторы 5 и 6 с усилителями мощ- фф ности 2 и 4.Выход операционного усилителя 27 поцаочен к базе транзистора 25, выполняУстройство работает, следующим обра-зом.В исходном сосояния при Ор =0 напряжение О на выходе диодного ключа 26 практически равно нулю ( О =О) и определяется смещением нуля операционйого усилителя 27. Действительно, если смещение нуля, приведенное к выходу усилителя. 27, положительно, то происходит .открывание диода 31, и усилитель 27 охватывается обратной связью через диод 31 и последовательно включенные резис886182 деЕ и- ЭДС смещения н входной ток операционногоусилителя 27;противления резисто 4ров 28 - 30. Если.же смещение нуля на выходе усилителя 27 отрицательно, то диод 31 закрыт,и усиагтель 27 охватывается нелинейнойобратной связью через диод 33 и стаби 3литроп 32, в результате чего на выходеусилителя устанавливается отрицатеаное,напряжение, примерно равное опорномунапряжению -О стабилнтрона 32 (О О 0Это напряжение не попадает на выход диодного ключа, поскольку диод 31 смеща 30ется напряжением 07 в непроводящемнаправлении. В то же время ключ наМОП-транзистре 34 под действием отрицательного напряжения О 7 замыкает 23 ся, подключая источник входного сигнала ОХк входу переключателя 13 так,что Ц= ОХ = ОэТаким образом, независимо от смещения нуля операционного усилителя 2730 и состояний диодного и транзисторного ключей 26 и 34 напряжение на входепереключателя 13 при отсутствии входного сигнала равно.нулю. На регулятор 7 напряжения поступает нулевая установка, а потому напряжение питания об моток управления двигателя устанавливается в соответствии с некоторым минимальным значением, задаваемым смещением Оц и обеспечивающим создание требуемого фиксирующего момента на ва- фй лу двигателя. В частном случае напряжениеО может быть равно нулю.В зависимости от состояния релейного элемента 16 перключатель 13 подключает инвертнрующий вход интеграто ф ра 10 либо к выходу диодного ключа 26, либо к общей шине. Вследствие смещения нуля, присущего операционному усилите- лю, интегратор 10 переходит в состоя.Ние положительного или отрицательного Ю насыщения, причем это состояние не изменяется при переключении релейного элемента 1 Б. Соответственно усилитель 17 также находится в насьпцении. 5торы 29 и 30. При этом выходное напряжение диодного ключа В исходном состоянии устройство управления находится в устойчивом (затор.моженном) состоянии, при котором две из четырех фаз двигагеляподключены к исаточнику регулируемого напряжения Ор, в то время как две другие фазы отключены от источника. В этом состоянии шаговый двигатель неподвижен.Рассмотрим работу устройства при подаче, постоянного входного напряжения ОВхфПусть напряжение Охотрицательное, т.е. Ох 0 (фиг. 2), тогдана выходе опера ционного усилителя 27 устанавливается положительное напряжение, диод 31 открывается, замыкая цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 27. При этом диодный ключ 26 работает в режиме инвертирования входного сигнала.и при ЙЙ 9+"30 Ъ О 2 Ь- -ОйХ При положительном напряжении О, ко- торое превышает напряжение О на вел.чину падения напряжения на диоде .31, транзисторы 34 и 25 находятся в закрытом состоянии. Поэтому на вход переключателя 13 поступает положительное напряжение УЬ с выхода диодного ключа 26. При равенстве сопротивлений резисторов 29 и 30 (1= О) напряжение на неинвертнрующем входе интегратора 10 равно по величине половине входногонапряжения, т.е О = - =- о"вхПусть релейный элемент 16 находитсч в состоянии положительного насыщения. Тогда транзистор 15 закрыт. В этом случае транзистор 36 также закрыт, поскольку выходное напряжение О режйного элемента 16 превышает напряжение ОЬ (во всем диапазоне изменения сигнала ОХ дОлжнО .ВыполнятьсЯ условие О ) ОЬ)Следовательно, транзистор 14 открыт и. напряжение через резистор 12 постуце ет на инвертнрующий вход интегратора 10. Через резистор 12 и конденсатор 11 течйт ток заряда 1 конденсатора, под действием которого выходное напряжение интегратора О уменьшается, ТокОЬ-ось оь1й где К- сопротивление резистора 12.При постоянном входном напряжении, когда ОЬ:-Ой-Сопи, ток 1 З также постоянен и напряжение Оп уменьшается по линейному закону. В момент времени ь., выходное напряжение интегратора достигает отрицательного порога переключенйя 01 релейного элемента 16, и он переходит в состояние отрицательного насыще ния. При этом происходит открываниетранзисторов 15 и 36 и закрывается182 810 Дйствительнот при выключенном трвнзисторе 25 напряжение на инвертирующемвходе операционного усилителя 18 превалирует над напряженнем на неинвертируюшем входе, поскольку нв неинвертирующем входе включен резистивный делительнапряжения 20 и 22.Каквидно из временных диаграмм нафиг. 2, на выходе усилителя 17 формнрукется напряжение прямоугольной формы,совпадающео по частоте с выходным напряженнем интегратора и сдвинутое относительно выходного напряженна релейного элемента 16 на угол -(основание по фазе). В этом случае обмоткиуправления ШД переключаются в последовательности,11-0, И-й, Н".1, 1- й, чтосоответствует прямомур вращению двигателя.Работа схемы при положительном вхорном напряжении Ор О (фиг. 2, б) происхо 1 ат аналогичным образом с той лишь разницей, что диодный ключ 26 разомкнут, а транзисторный ключ 25 замкнут.При этом на вход перекаочателя 13 поступает положительное входное напряжение0 через замкнутый транзисторный ключ34. Действительнор при Ц) О операционный усилитель 27 охватывается нелиней ной отрицательной обратной связью через диод 33 и стабнлнтрон 32, в результате чего на. выходе усилителя 27 возникает отрицательное напряжение, определяемое опорным напряжением О стабиа- гронв 27 (Оу-Оо). Это напряжение, как.отмечалось выше, закрывает диод 31,разрывая цепь отрицательной обратной связи через резисторы 29 и 30. В то .же время отрицательное напряжение Ооткрывает транзистор 34 и входной сигнал 0 Х поступает на вход переключатея 13 так что 0 0Кроме того, благодаря тому, что приотрицательном напряжении Оу транзистор 25 находится в. замкнутом положении, выходной сигнал интегратора 10 проходит только на неннвертирующий входоперационного усилителя 18. Поэтому усилитель 17 формирует прямоугольноенапряжение, совпадающее по фазе с выходным напряжением интегратора О иопережающее выходное напряжение релейного эжментв 16 на угол. В результата ааиаткп упраящппя йй паракаачаются в последоввтельностн 1- И,1-1 Ч р Я-Щ,Й-й,И(фиг. 2), т.е. вращение двигателяизменяется нв противоположное.. Таким образом, предлагаемое устройлство обеспечивает изменение направления 886 через открытый транзистор 36 поступает положительное выходное напряжение. диодного ключа 26), В результате переключатель 13 подсоединяет инвертирующнй вход интегратора 10 к обшей шине, отклю-,чая его от выхода диодного ключа 26,Под действием положительного напряжения . 07 йа неивертирующем входе выходное напряжение интегратора 10 начинает увеличиваться по линейному закону, поскольку 1 р конденсатор 11 перезаряжается постоянным по величине током 1 р . Ток перезаряда конденсагораЦ "1 ьр-%ч= ц5Так ак токи заряда и разряда онденсатора 1.1 равны по величине, то скоростинарастания и уменьшения напряжения Онодинаковы. Нарастание напряжения 0 прон 2 Р исходит до тех пор, пока оно не достигнетположитеа ного порога перекаочения 0 релейного элемента 16 (момент времен Ънв временной диаграмме). После этого релейный элемент 16 скачком юреходит всостояние положительного насыщения, воэ23вращая переключатель 13 в положение,при котором инвертирующий вход интегрвто"ра 10 вновь подключается к выходу диодного ключа 26 и начинается очереднойцикл заряда конденсатора 11.Таким образом, под действием выход, ного напряжения О диодного каоча 26в схеме. возникает периодический процесс,.в реэультате которого выходное напряже ние интегратора изменяется по пилообраэйому закону в пределах ширины петли гистерезиса А релейного эжмента16 ( д= =0+1010. При равенстве сопротивлений резисторов 29 и 30 и одинаковых токах заряда 1 и разряда 1 р в схеме имеют место сеюметричные колебания с равными длительностями положительных и отрицатеа ных подупериодов, причем частота кожбаний Я прямо пропорциональна вхоц ному. напряжению4"6 хНгде С - емкость конденсатора 11.Сигнал с выхода релейного элемента фР 16 поступает на усилитеа мощности 1 непосредственно и на усилитель мощности 2 через ннвертор 5. Двв другие уси лителя мащности 3 и 4 получают сигнал с.усигителя 17, который при 0 йхОи ра- Ю эомкнутом ключе 25 работает в режиме усижтеля - ограничителя с инвертировв- вием выводного напряжения интегратора10 886 182 вращения цвигателя при изменении знака входного сигнала, причем скорость врашения регулируется прямо пропорционально входному напряжению. Г 1 о сравнению с известным устройство отличается более простой и в то же время более точной и технологичной схемой. формула изобретения Устройство для управления четырехфазным двигателем переменного тока, содержащее усилители мошности, цвухвхс довой интегратор с переключателем на инвертируюшем входе, снабженным цепямиуправления, релейный элемент, усилитель с изменением знака коэффициента передачи, операционный усилитель с диодным ключом и входную шину, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью упрошения схемы и повышения точности,введен дополнительный транзисторный ключ, соединяющий входную шину с входом переключателя, и инвертор, соединенный входом с выходом релейного элемента, а выходом - с одной из цепей управления переключателя, причем выход операционного усилителя соединен с входом транзисторного ключа, а цепь обратной связи включает в себя два послецоватеа О но соединенных с диодом резистора, общая точка соединения которых подключена к неинвертирующему входу интегратора. 5 Источники информ ации,принятые во внимание при экспертизе1. Дискретный электропривоц с шаговыми двигателями. Поц рец. М, Г. Чиликина. М., Энергия, 1971, с. 213-244,ща 2. Авторское свидетельство СССРпо заявке2702729/2407,кл, Н 02 Р 7/62, 1978.,д.4/ ППП Патент", г. Ужгород, ул, Проектная,Редак Заказ Тираж 733ИИПИ Государственногопо делам йзобретений иМосква, Ж, Раущская одписноемитета СССткрытий