Устройство для управления двигателем переменного тока

,БО 10463 11 Н 02 Р 7/62, Н 02 Р 8/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О РЙ Д ТКРЫТИОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ М 1 МЮ н и АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(53 621.313.13-133,3(088.8 (56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 959214, кл. Н 02 К 7/00, Н 02 Р 8/00, 1982.2. Авторское свидетельство СССР 9 886182, кл. Н 02 Р 7/62, 1981. (54)(57 УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содер.жащее двухвходовой интегратор на операционном усилителе с переключате лем на инвертирующем входе и реэистивным делителем на неинвертирующем входе, релейный элемент, компаратор на операционном усилителе с резистивным делителем на неинвертирующем входе и ключом на инвертирующем входе, инверторы и усилители, подключенные к релейному элементу и компаратору , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обес-печения режима единичных шагов, в ,него введены дополнительный релейный элемент, дифференцирующие цепи с разделительными диодами на выходах, шины сигналов единичных шагов и задания направления вращения, дифференциальный усилитель и три ключа, первый и второй из которых соединяют входы дифференциального усилителя с делителем напряжения на выходе компаратора, а третий ключ выход дифференциального усилителя с инвертирующим входом интегратора, причем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом дополнительного релейного элемента, входы кото- Е рого подключены к выходам дифференцирующих цепей и шине сигнала единичных шагов, а управляющие входы первого и второго ключей соединены с цепью управления ключа на инвертирующем входе компаратора и подклю- Я чены к шине задания направления вращения двигателя. Феф 4Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления двигателями переменного тока.Известны устройства для управлениямногофазными электродвигателямисодержащие коммутатор, генератор тактовых импульсов, делители частоты,счетчик, дешифратор, блок-задатчикфазового сдвига управляющих импульсов и два элемента ИЛИ, обеспечивающие вращение двигателя в направлении 10зависящем от того, на какой извходов коммутатора поступают импульсы генератора. При этом скорость вращения двигателя определяется частотой генератора тактовых импульсов Г 135Недостатком таких устройств является сложность, особенно когдатребуется изменение скорости двигате-ля в широких пределах,Наиболее близким к изобретению по 20технической сущности является устройство управления двигателем переменного тока, содержащее двухвходовой интегратор на операционном усилителе спереключателем на инвертирующем входе и резистивным делителем на неин-,вертирующем входе, релейный элемент,компаратор на операционном усилителес резистивным делителем на неинвер,тирующем входе и ключом на неинвертирующем входе, инверторы и усилители, подключены к релейному элементуи компаратору 2 3Недостатком известного устройстваявляется то, что оно не обеспечива ет работу двигателя в режиме единичных шагов, поскольку интегратор изменяет свое состояние под действием смещения нуля, присущего операционному усилителю. Вследствие этого 40 релейный элемент и компаратор в об-: шем случае могут изменить свои состояния после снятия входного сигнала в результате чего двигатель делает один или два дополнительных шага. 45 Это вызывает появление ошибки в сис- . теме, что в ряде случаев исключает возможность применения известного устройства. Так, например, в системах программного управления, когда требуется обеспечить точное перемещение исполнительного устройства и число шагов двигателя должно строго соответствовать заданному числу управляющих импульсов, применение известного устройства становится не возможным, так как после каждого импульса управления возникает ошибка в один шаг, причем при движениИ в одном направлении имеет место накопление ошибок. 60Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства управления двигателем пер.,менного тока путем обеспечения режима единичных шагов. 65 Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для управлениядвигателем переменного тока, содержащее двухвходовой интегратор на переменном усилителе с переключателем наинвертирующем входе и резистивным делителем на неинвертирующем входе, релейный элемент, компаратор на операционном усилителе с резистивным делителем на неинвертирующем входе и ключом на инвертирующем входе, инверторыи усилители, подключенные к релейному элементу и компаратору, введеныдополнительный релейный элемент, дифференцирующие цепи с разделительными диодами на выходах, шины сигналов единичных шагов и задания направления вращения, дифференциальныйусилитель и три ключа, первый и второй из которых соединяют входы дифференциального усилителя с делителем напряжения на выходе компаратора, а третий ключ - выход дифференциального усилителя с инвертирующимвходом интегратора, причем управляющий вход третьего ключа соединен с выходом дополнительного релейногоэлемента, входы которого подключены к выходам дифференцирующих цепей ишине сигнала единичных шагов, а управляющие входы первого и второгоключей соединены с цепью управленияключа на инвертирующем входе компаратора и подключены к шине заданиянаправления вращения двигателя.На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.Устройство фиг. 1) содержит .двухвходовой интегратор на операционном усилителе 1 с переключателемна инвертирующем входе, построенномна МОП-транзисторах 2 и 3 с каналами противоположной проводимости, иделителем напряжения на резисторах4 и 5 на неинвертирующем входе. Кк выходу интегратора подключен релейный элемент 6, управляющий переключателем на МОП-транзисторах 2 и 3 и компаратор на операционном усилителе 7 с цепью положительной обратной связи на резисторах 8 и 9 и с ключом на МОП-транзисторе 10 на ин; вертирующем входе операционного усилителя 7. Релейный элемент 6 и компаратор 7 подключены к инверторам 11 и 12. Выходы релейного элемента 6, компаратор 7 и инвертор 11 и 12 через усилители 13 - 16 подключены к обмоткам 1-1 У управления двигателя;В устройство дополнительно введены релейный элемент 17, четыре дифференцирующие цепи 18-21 с разделительными диодами на выходах, шины сигнала единичных шагов О и задания направление вращения О дифференциальный усилитель 22 спервым и вторым ключами 23 и 24 навыходах и третьим ключом 25 на выходе и делитель напряжения на резисторах 26 и 27. Выходы компаратора 7через резистивный делитель.26 и 27и ключи 23 и 24 подключены к дифференциальному усилителю 22, а выход дифференциального усилителя 22через ключ 25 и ограничивающий резистор 28 подключен к инвертирующемувходу интегратора на операционномусилителе 1.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии релейныйэлемент 17 находится в состоянии отрицательного насыщения, благодарячему ключ 25 замкнут и интегратор1 охвачен отрицательной обработкойсвязью через дифференциальный усилитель 22. При этом на входах усилителя 22 осуществляется сравнение 20сигналов с выхода интегратора 1(напряжение О подключено непосредственно к неинвертирующему входудифференциального усилителя 22) ис выхода резистивного делителя 26 25и 27 (напряжение О подключается через один из открытйх ключей 23 и 24,к соответствующему входу усилителя22). При положительном напряженииО, когда ключ 10 замкнут, напряжение О на выходе компаратора 7 и напряженйе Од делителя 26-27 совпадаютпо знаку с выходным напряжением Оинтегратора. В этом случае напряжениеО через замкнутый ключ 24 поступает 35на инвертирующий вход дифференциального усилителя 22. При О( 0 выходныенапряжение О и Од компаратора 7 иделителя 26-27 противоположны по знаку напряжению интегратора О, и сигнал О через замкнутый ключ 23 проходит на неинвертирующий вход дифФеренциального усилителя 22. За счетглубокой отрицательной обратной связи(при достаточно большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя 22) при замкнутом ключе 25обеспечивается Фиксация выходногонапряжения интегратора О, на уровнеО 0 или - О ( О= Од фиг, 2),Таким образом, в исходном состоянии напряжение О на выходе интегратора постоянно, релейный элемент6 и компаратор 7 не переключаются,поэтому две из четырех обмоток двигателя находятся под током, а две 55другие обесточены и двигатель неподвижен.Рассмотрим работу устройствапри наличии управляющего сигнала навходе(фиг.2 о,б,в), В зависимости от характера сигчала О устройство может работать в режименепрерывного или импульсного.управления. В режиме непрерывного управления на неинвертирующий вход опера ционного усилителя 17 поступает потенциальный сигнал (положительное напряжение ), который переводит операционный усилитель в состояние положительного насыщения и удерживает его в этом состоянии независимо от наличия импульсов, поступающих на инвертирующий вход усилителя 18 с выходов дифференцирующих цепей 18- 21. В этом случае ключ 25 устанавливается в разомкнутое состояние, благодаря чему разрывается отрицательная обратная связь, охватывающая интегратор 1, и при наличии положительного напряжения О в схеме возни1кают устойчивые колебания. Цействительно, пусть в начальный момент времени на выходе интегратора напряжение Од и релейный элемент б находится в состоянии отрицательного насыщения, при котором транзистор 2 открыт, а транзистор 3 закрыт. Положительное напряжение Ц поступает в этом случае на оба входа интегратора 1 и доминирует на инвертирующем входе, так как на неинвертирующем входе оно ослабляется резистивным делителем 4-5. Под действием О нап(ряжение О начинает уменьшаться от :начального значения ядо отрицательного порога переключения О. релейного элемента б. В момент, когда О = О , происходит опрокидывание релейного элемента б и он переходит в состояние положительного насыщения при котором транзистор 2 закрывается, а транзистор 3 открывается. После этого напряжение О поступает только на неинвертирующий вход интегратора, вследствие чего происходит изменение направления интегрирования и выходное напряжение Оц интегратора начинает возрастать. Процесс возрастания происходит до тех пор, пока напряжение Ои не достигнет положительного порога переключения Ц+ релейного элемента б, При О = О+ релейИ ный элемент вновь устанавливается в состояние отрицательного насыщения, п.и котором транзистор 2 открыт, а транзистор 3 закрыт.В результате происходит очередное изменение направления интегрирования и процессповторяется. При равенстве сопротивлений резисторов 4 и 5 и одинаковых порогах переключения релейного элемента б/(О+(:(О / / (в схеме устанавливаются симметричные колебания (амплитуды и длительности положительных и отрицательных полуволн треугольного напряжения Ои одинаковы . Интервал времени Т , в течение которого напряжение Ои изменяется от О- до Цф, определяется уравнением- 1- Т - = й1 " 12 к "С фгде. - ширина петли гистерезисарелейного элемента б;1104635 С - емкость интегратора) й - сопротивление резистора наинвертирующем входе интегратора. Отсюда ТОАналогичным образом можно найти интервал времени Тг, когда напряжение О изменяется от О+ до О . Соответствующее уравнение имеет видт 1 -а ит 2 ьйсТ - -а иТПериод колебаний ТТ +Т =4 ВАС и частотаТ 4 дРС 510 с той лишь разницей, что скоростьдвигателя и направление его вращениязадается не одним сигналом, а двумявходными сигналами О и О , а пуск иостанов двигателя осуществляется потретьему сигналу Ог .Рассмотрим работу устройства врежиме единичных шагов (импульсноеуправление). В этом режиме на входО поступает импульсный сигнал, навход О, задается постоянное напряжение, а на входе О по-прежнему действует напряжение постоянного тока тойили иной полярности в зависимости оттребуемого направления вращения двигателя.В исходном состоянии, как и врассмотренном режиме непрерывногоуправления, релейный элемент 17 находится в состоянии отрицательного З 0 насыщения и ключ 25 замкнут. Пустьна выходе интегратора устанавливаетсяначальное напряжение О , а релейныйэлемент б находится в состоянии положительного насыщения, вследствие чего 35 ключ 2 разомкнут, а ключ 3 - замкнут.При поступлении положительного импульса на неинвертирующий вход релейногоэлемента 17 последний переходит всостояние положительного насыщения и 0 ключ 25 размыкается. Под действиемположительного напряжения на неинвертирующем входе выходное напряжение О, интегратора 1 увеличивается(Фиг.2 в). Через время , когдаО= О+, происходит опрокидывание релейного элемента б. При этом возникает положительный перепад напряжения на выходах инвертора 11 и усилителя 14, который проходит черездифференцирующую цепь 19 на инвертирующий вход релейного элемента 17,возвращая его в состояние отрицательного насыщения,. Вследствие этогоключ 25 замыкается и интегратор охватывается отрицательной обратной связью, Если ОзО, то ключ 10 замкнут инапряжения О компаратора 7 и О интегратора 1 ймеют одинаковые зцаки.Поэтому после замыкания ключа 25 навыходе интегратора 1 вновь устанав ливается,положительное напряжениеОц, При этом компаратор 7 остаетсяв исходном состоянии положительного -насыщения, а релейный элемент б ус, -танавливается в новое состояние от рицательного насыщения. Как видно из временной диаграммы (Фиг, 2,а, Б,) в установившемся режиме напряжение О на выходе релейного элемента б опережает напряжение О интегратора 1 на четверть периода (Фазо вый угол - ). На выходе компаратораЛ7 формируется прямоугольное напряжение О, которое опережает О или отс" тает от О на угол - в зависимости отлсостояния ключа 10, т.ев конечномгсчете от знака напряжения О . Приположительном О, когда ключ 10 замкнут, напряжение О интегратора 1 поступает только на неинвертирующий вход компаратора 7, Поэтому напряжение О совпадает по фазе с треугольным напряжением О и, следовательно, отстает от.О на угол в , При отрицат6 2тельном Ог ключ 1 0 разомкнут и напряжение Ои поступает на оба входа компаратора 7. Поскольку сигнал на неинвертирующем входе ослабляется делителем 8-9, результирующее напряжение приложено к инвертирующему 4 входу, и напряжение на выходе компаратора О находится в противофазе с напряжением интегратора и опережает напряжение О на угол Напряжения О и О используются для управления 1 и 11 обмотками двигателя, 111 и 1 У обмотки, рабо- тающие в противофазе с обмотками 1 и 11, получают управляющие сигналы с инверторов 11 и 12. Очевидно, что за период колебаний Т двигатель делает четыре шага, а потому частота вращения двигателя составляетО1 щ = 41 т.е- пряма пропорциональна напШДряжению.Для останова двигателя необходимо перевести релейный элемент 17 в исходное состояние отрицательного насыщения. При этом происходит открывание ключа 25, Вследствие чего интегратор охватывается отрицатель" ной обратной связью и на его выходе фиксируется напряжение, величи на которого определяется выходным напряжением делителя 26-27 в момент подачи сигнала останова, а знак зависит от полярности напряжения О Процесс останова двигателя в непрерывном и импульсном режимах работы устройства протекает одинаково.Таким образом, в режиме непрерывного управления предлагаемое устройство работает аналогично известномуПри поступлении второго импульса выходное напряжение интегратора начинает уменьшаться. Этот процесс продолжается дс тех пор, пока через время 7 напряжение О не достигнет порога йереключения О компаратора 7. 5кВ этот момент возникает положительный перепад напряжения на выходах инвертора 12 и усилителя 15, Дифференцирующая цепь 20 формирует положительный импульс, возвращающий релейный 1 О элемент 17 в состояние отрицательного насыщения. Под действием обратной связи на выходе интегратора 1 устанавливается отрицательное напряжениеОопоскольку выходное напряжение 15О компаратора 7 в данном случае отрицательноТретий импульс вновь опрокидывает релейный элемент 17, обеспечивая размыкание ключа 25. Поскольку релейный . элемент 6 находится в состоянии отрицательного насыщения ключ 2 замкнут, а ключ 3 разомкнут, и выходное напряжение О интегратора 1 уменьшается. Когда напряжение О достигает порога О , релейный элемент 6 переходит в состояние положительного насыцения и положительный перепад напряжения на выходе усилителя 13 через дифференцирующую цепь 18 возвращает релейный элемент 17 в состояние отрицательного насыцения.Благодаря включению обратной связи на выходе интегратора 1 устанавливает отрицательное напряжение - Цо,При поступлении четвертого импуль-. са релейный элемент 17 в очередной раз переходит в состояние положительного насыцения, размыкая ключ 25. Выходное напряжение О интегратора 1 увеличивается под действием положи тельного напряжения на его неинвертирующем входе. Когда напряжение Оостигает порога переключения О комаратора 7, последний переходит в состояние положительного насыщения. 45 Возникающий при этом положительный перепад напряжения на выходе усилителя 16 через дифференцирующую цепь 21 возвращает релейный элемент 17 в состояние отРицательного насыще .ния. В результате на выходе интегратора 1 вновь устанавливается положительное напряжение Оо и при подаче следующих импульсов процесс периодически повторяется.Аналогичным образом протекает работа устройства при отрицательном напряжении О , когда обеспечивается вращение двигателя в противоположном направлении. Отличие состоит лишь в том, что компаратор 7 инвертирует выходное напряжение интегратора О . Поэтому в этом случае выходной сиг-. нал компаратора 7 подключается к неинвертирующему входу усилителя 22 (при О ) 0 ключи 10 и 24 разомкнуты, а ключ 23 замкнут и противоположные по знаку сигналы О и О сравниваются на одном входе усилителя 22) .Таким образом, в режиме единичных шагов при поступлении управляющего импульса О релейный элемент 17 опрокидывается и разрывает цепь отрицательной обратной связи, охватывающей интегратор, в результате чегр выходное напряжение интегратора начинает изменяться до момента достижения порога переключения компаратора или релейного элемента. При этом на выходе соответствующей дифференцирующей цепи возникает импульс, возвращающий дополнительный релейный элемент в исходное состояние. Благодаря отрицательной обратной связи на выходе интегратора устанавливается положительное или отрицательное напряжение Оо, лежащее в пределах 0(О (О илй О+(О (О+в зависимости ото к к ознака выходного напряжения компаратора, В результате при поступлении каждого управляющего импульса через время задержки( ) происходит только одно переключение релейного элемента или компаратора (фиг. 2 в, г) и двигатель делает один шаг (фиг. 2 д) Таким образом, предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными воэможностями, обеспечивая работу двигателя в режимах непрерывного управления и в режиме отработки единичных шагов. Это позволяет использовать предлагаемое устройство как в замкнутых (с обратной связью по положению), так и в разомкнутых системах управления.Редак одписное СР д.4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород,ул.Проектная,4 каз 5319/42 ВНИИПИ по д 113035, Гор ни кова Корректор А,фов Тираж 667осударственного комитетам изобретений и Открытосква, Ж, Раушская н