Устройство для управления электромагнитным двигателем

(56) Патент Швкл. Н 02 К 33/Патент СШАкл. Н 02 К 33 Вюл. В 22литехнический инстиев, Е.Г,ВасильченкоН,Хамитов7 (088. 8)ейцарии 11 596701,14, 1978,У 4086518,00, 1976; епаЬ а ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к областиэлектротехники и может быть использовано при создании привода электромагнитного компрессора, Цель изобретения - стабилизация хода якоря припеременной нагрузке. Для достиженияпоставленной цели в устройство дляуправления злектромагнитным двигателем введены датчик 1 положения якоря,блок 3 управления силовым ключом,силовой ключ 6, источник питания 4,генератор импульсов 2 соединен с датчиком 1 положения; выводы источникапитания 4 - с входом устройства управления силового ключа, а блок 3 управления силовым ключом имеет кольцевой демодулятор 7, двухканальный переключательный блок 8, суммирующийкаскад 10, дифференциальный усилитель11, обнуляемый с помощью ключа 14 интегратор 13, два источника опорногонапряжения 12 и 1, компаратор 16,два формирователя импульсов 15 и 18.Цель достигается за счет того, чтопроизводят измерения перемещения якоря двигателя, в .соответствии с сигналами положения формируется значениемаксимума хода, а устройство управления формирует силовые импульсы, длительность которых определяется величиной измерения максимума хода якоря.4 ил, 1403328Изобретение относится к управлениюэлектрическими машинами и может бытьиспользовано в,приводах :омпрессоров.Цель изобретения - стабилизация5хода якоря при переменной нагрузке.На фиг.1 представлена структурнаясхема устройства для управления электромагнитным двигателем; на фиг.2 -структурная схема переключательного 10блока; на фиг.3 - структурная схемакомандного блока; на фиг,4 - временные диаграммы, поясняющие работу сис"темы,Устройство для управления электромагнитным двигателем (Фиг,1) содержитдатчик положения якоря 1, вход кото-.рого подключен к выходу генератора 2прямоугольного напряжения высокойчастоты, а выход - к входу блока 3 20управления, входы которого подключены к выходам источника питания 4, ко"торый, в частности, представляет собой промышленную сеть 220 В 50 Гц.Выходы источника питания 4 также подключены к последовательно соединеннымсоленоидной обмотке 5 и силовому клю"чу 6, вход управления которого подключен к выходу блока 3 управления.Блок 3 управления предназначен для 30управления силовым ключом в зависимо, сти от выходного сигнала датчика положения 1 синхронно с напряжением источника питания 4 и содержит (фиг.1),кольцевой демодулятор 7 для выделе-, 35,ния иэ сигнала датчика положения 1низкочастотной огибающей напряжения,соответствующей положению якоря, Вы ход кольцевого демодулятора 7 соединен с входами переключательного блока 8 и командного блока 9. Шесть вы"ходов командного блока 9 соединены свходами управления переключательногоблока 8, выход которого подключен ковходу суммирующего каскада 10. Блоки. 8-10 в совокупности образуют блок выделения амплитуды перемещения якоря.Выход суммирующего .каскада 10 соединен с инверсным входом дифференциального усилителя 11, второй вход которого подключен к источнику опорногоположительного напряжения 12. Выходдифференциального усилителя 11 соединен с входом интегратора 13. Параллельно интегратору включен разрядныйключ 14, вход управления которогосоединен с входом формирователя 15.Входы формирователя 15 соединены свыходами источника питания 4. Выход интегратора 13 также соединен с инверсным входом компаратора 16, ко второму входу которого подключен второй источник опорного отрицательного напряжения 17. Выход компаратора 16 через Формирователь 18 подключен к входу силового ключа 6.Двухканальный переключательный блок 8 предназначен для записи и хранения напряжения амплитуды положительных полуволн выходного сигнала кольцевого демодулятора 7 и состоит (фиг,2) из двух каналов. Первый канал записывает и хранит напряжение амплитуды четных периодов, а второй - нечетных периодов входного напряжения, В состав первого канала входит первый аналоговый ключ 19, вход которого со" единен с выходом кольцевого демодулятора 7, а выход " с входом амплитудного детектора 20, соединенного также через ключ 21 с шиной нулевого потенциала. Выход амплитудного детектора 20 через ключ 22 соединен с первым входом суммирующего каскада 10. Второй канал также содержит три ключа 23 - 25 и амплитудный детектор 26, причем входы ключей 19 и 23 объединены, а выход ключа 25 соединен со вторым входом суммирующего каскада 10. Входы управления ключей 19, 21, 22, 23, 24, 25 соединены соответственно с шестью выходами командного блока 9.Командный блок 9 предназначен для управления ключами двухканального переключательного блока 8 синхронно с выходным напряжением кольцевого демодулятора 7 и содержит формирователь 27 двухполярного прямоугольного напряжения, вход которого соединен с вы" ходом кольцевого демодулятора 7, Выход формирователя 27 через согласующий резистор 28 соединен с входом элемента НЕ 29, выход которого через второй элемент НЕ 30 подключен к тактовому входу триггера 31, прямой выход которого является третьим выходом командного блока 9, а инверсный " шестым выходом, Выход элемента НЕ 29 соединен также с тактовым входом триггера 32, прямой выход которого является первым выходом кбмандного блока 9, а инверсный " четвертым вы" ходом. Инверсный выход триггера 31 соединен с его 0"входом и вторым входом элемента 2 И 33, Инверсный выход триггера 32 соединен с 0-входом триггера 32 и с первым входом элемента(2) 3 140332 И 33, выход которого является пятымвыходом командного блока 9. Прямыевыходытриггеров 31 и 32 подключенык входам второго элемента 2 И 34 вы 95ход которого является вторым выходомкомандного блока 9.Устройство управления электромагнитным двигателем работает следующимобразом. 10Датчик положения 1 (фиг.1) магнитно связан с якорем двигателя, приводимого в движение с помощью импульсанапряжения, подаваемого от источникапитания 4 через силовой ключ 6 на обмотку 5 двигателя, При этом, якорьвтягивается внутрь обмотки 5. Послеокончания действия импульса напряжения якорь возвращается в исходноеположение под действием пружины, Ге Онератор 2 возбуждает датчик положения1 высокочастотным прямоугольным двухполярным напряжением, а кольцевой демодулятор 7 выделяет низкочастотнуюогибающую напряжения (фиг,4, 07), 25 Экстремумы этого напряжения соответствуют нахождению якоря в верхней и нижней мертвых точках. Для стабилизации хода якоря двигателя необходимо стабилизировать положения якоря в верхней "мертвой" точке, т,е. амплитуду положительных полуволн выходного напряжения кольцевого демодулятора 7, что выполняется следующим образом. Выходное напряжение кольцевого демо 35 дулятора 7, мгновенное значение которого соответствует положению якоря двигателя, поступает на входы переключательного блока 8 и командного блока 9. Командный блок 9 осуществля О ет управление переключательным блоком 8 таким образом, что на выходах пос леднего формируется прямоугольное напряжение. Величина этого напряжения в первом канале равна амплитудам положительных полуволн четных периодов выходного напряжения кольцевого демодулятора и во втором канале - амплитудам нечетных периодов. Суммирующий . каскад 10 суммирует выходное напряже-. ние обоих каналов переключающего блока 8, Выходной сигнал суммирующего каскада 10 представляет собой постоянное напряжение (фиг,4, П ), величина которого равна амплитуде положи 55 тельных полуволн выходного напряжения кольцевого детектора 7, причем заштрихованная часть диаграммы 13 соответствует четным периодам этого нап 284ряжения. Выходные сигналы суммирующего каскада 10 и первого источника опорного напряжения 12 поступают на входы дифференциального усилителя 11, и величина выходного напряжения усилителя 11 будет определяться выраже- нием и=кЖ - и,), (1) где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя 11; П , - напряжение источника опорногонапряжения 12;.Б - величина выходного напряжениясуммирующего каскада 10;П- выходное напряжение дифференциального усилителя 1.В свою очередь, напряжение Пв 1, является опорным для интегратора 13 где КС - постоянная времени интегратора 13;Б - выходное напряжение интегратора 13.Выходной сигнал интегратора 13 представляет собой пилообразно изменяющееся напряжение (фиг,4, П,). Обнуление генератора 13 происходит синхронно с изменением напряжения ис" точника питания 4 с помощью ключа 14 и формирователя 15, что позволяет синхронизировать работу ключа 6 с напряжением источника питания 4, Выходное напряжение интегратора 13 и второе опорное напряжение источника 17 поступают на входы компаратора 16. Если выходное напряжение интегратора 13 по абсолютной величине меньше напряжения источника опорного напряжения 17, то на выходе компаратора 16 высокий положительный уровень напряжения (фиг.4,Ц ). В противоположном случае на выходе компаратора 16 - от-. рицательный уровень. Таким образом, фронты выходного сигнала определяются точками равенства входных напряжений компаратора 16. Силовой ключ 6 открывается (фиг,4, 1 ) импульсом напряжения формирователя 18 (фиг.4, Ц), соответствующим заднему фронту выходного напряжения компаратора 16. Закрывается силовой ключ 6 либо импульсом формирователя 18, соответствующим переднему фронту сигнала компаратора, либо обратным напряжением источника питания 4 в зависимости от типа силового ключа 6.1403328 Так как 0 есть функция значения О , то момент сравнения во времени напряжений П. и выходного напряжения источника 17, а следовательно, и момент времени включения силового ключа 6, тоже есть функция напряжения Пв, выходное напряжение дифференциального усилителя 11 будет неизменно в случае выполнения равенстваЦ сопз, (3) которое следует из (1), Установив величину 0 , таким образом, чтобы амплитуда хода якоря была оптимальной,добьемся ее стабильности, так какбудет меняться до тех пор, пока ие выполнится равенство (3).Рассмотрим работу системы управления электромагнитным двигателем при уменьшении амплитуды хода якоря двигателя под влиянием внешних возмущений, например изменении параметров компримирования поршневого компрессора, представляющего собой частный случай нагрузки переменного характера. Уменьшение амллитуды хода якоря (увеличение зоны "мертвого" объема) вызовет уменьшение экстремального значения напряжения на выходе кольце,вого детектора 7. На фиг.4 направления уменьшения значений указаны стрелками. Уменьшение напряжений на , ;выходе кольцевого детектора 7 вызовет ; уменьшение напряжения на выходе сум" , мирующего каскада 10, нарушится ра венство (3), следовательно, напряже-ние П 1 будет увеличиваться. Увеличе ние уровня Пв вызовет увеличениескорости изменения напряжения И 13(2) и точка равенства выходных нап ряжений Пц и источника 17 будет левее, чем в. предыдущем периоде. Следовательно, силовой ключ 6 откроетсяраньше, чем в предыдущем периоде, ив обмотку .электродвигателя поступитбольшая порция энергии, что вызоветувеличение хода якоря (уменьшение зоны "мертвого" объема). Описанный процесс будет происходить до тех пор,пока не восстановится заданная величина зоны, т,е, пока не выполнитсяравенство (3). В случае увеличения .амплитуды хода якоря (уменьшения зоны ".мертвого" объема) в системе будутпроисходить аналогичные изменения в противоположных направлениях. Переключательный блок 8 работаетследующим образом,6Ключи 19 и 23 открываются в противофазе, причем ключ 19 открыт в случае четного периода входного сигнала,а ключ 23 - в случае нечетного. Когдаключи 19 и 23 открыты, происходит заряд амплитудных детекторов 20 и 26соответственно до уровня амплитудыположительных полуволн входного сиг 10 нала. Ключи 22 и 25 открываются сопозданием на полпериода относительноключей 19 и 23 соответственно, и напряжение, хранимое в детекторах 20и 26, передается соответственно на15 первый и второй выходы переключатель"ного блока 8. В моменты времени, когда ключи 19 и 22 не включены, происходит обнуление амплитудного детектора 20 а когда ключи 23 и 25 не вклю 20 чены, происходит обнуление амплитудного детектора 26 с помощью ключей21 и 24 соответственно. Ключи 21 и24 включены полпериода, так как настолько отстают ключи 22 и 25 от клю 25 чей 19 и 23,Командный блок 9 работает следующ м образом.Входной сигнал (фнг.4, П ), поступающий на вход формирователя 27, Ма3 р его выходе преобразуется в инверсноенапряжение прямоугольной формы (фиг.4,Б ). Прямоугольное напряжение 0через ограничивающий резистор 28поступает на вход элемента НЕ 29, который инвертирует сигнал (фиг.4, Н),после чего он поступает на вход триггера 32, Триггер 32 срабатывает попереднему фронту выходного сигналаэлемента 29 и входного сигнала коман"О дного блока 9, Его выходы, инверсныйи прямой, являются выходными для командного блока и своим высоким уровнем включают ключи 23 и 19 соответственно. Выходное напряжение элемента29 инвертируется элементом НЕ 30 иподается на вход триггера 31. Триггер31 срабатывает по переднему фронтувыходного сигнала элемента 30 и позаднему фронту входного сигнала ко 5 О мандного блока, обеспечивая тем самым сдвиг на полпериода своего выходного сигнала относительно выходногосигнала триггера 32. Прямой и инверсный выходы триггера 31 являются выходами командного блока, управляя клю"чами 22 и 26 соответственно. Элемент2 И 33 имеет на входах сигнал с инверсных выходов триггеров 31 и 32, обеспечивая высокий уровень на своем вы 14033 ходе в случае одновременного присутствия логических "1" на своих входах, т.е. на выходе элемента 33 имеется "1" тогда, когда на обоих прямых выходах триггеров 31 и 32 одновременно присутствует логический "0". Выход элемента 33 является вторым входом командного блока и управляет ключом 21, Элемент 34 подсоединен входами к прямым выходам триггеров 31 и 32 и обеспечивает высокий потенциал на своем выходе в случае одновременного присутствия логических "1" на своих входах. Выход элемента является пятым 15 выходом командного блока н управляет ключом 24.Устройство для управления электромагнитным двигателем стабилизирует ход якоря, в частности, амплитуду 2 О его перемещения за счет автоматического регулирования ширины импульса напряжения питания обмотки электромагнита двигателя на основе результата измерения амплитуды хода якоря с 25 помощью датчика положения якоря, как это детально показано при описании работы устройства. Устройство для управления электромагнитным двигателем в случае компрессорной нагрузки 3 О переменного характера стабилизирует, размер "мертвой" зоны компрессора минимально возможной величины и может осуществлять работу компрессора при уменьшении "мертвой 1 зоны практически до нуля. "Мертвый" объем необходим в компрессорах для компенсации неточностей изготовления и сборки деталей цилиндро-поршневой группы, а также для компенсации температурного расшиО рения. Необходимый "мертвый" объем может достигать бот объема рабочей полости. Увеличение "мертвого" объема до 63 ведет к снижению производительности компрессора на 77., а 45 при увеличении "мертвого" объема до 12 Х - к уменьшению производительности на 147. 28 8Данное построение системы управления электромагнитным двигателем обеспечивает стабильный минимально воз. можный 11 мертвый 11 объем компрессораэ непрерывное слежение за изменениями, которые происходят при работе компрессора, что также повышает надежность работы компрессора, при этом обеспечивается повышение производительности компрессора на 7-147., Формула изобретенияУстройство для управления электромагнитным двигателем возвратно-поступательного движения с обмоткой,.возвратной пружиной и датчиком положения якоря, содержащее источник питания, силовой ключ, соединяющий обмотку,. двигателя с источником питания, блок управления силовым ключом, соединен-ный выходом с управляющим входом этого ключа, а входом - с датчиком положения якоря, и генератор импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации хода якоря при переменной нагрузке, в блок управления силовым ключом введены последовательно соединенные кольцевой демодулятор, блок выделения амплитуды перемещения якоря, дифференциаль-. ньй усилитель, интегратор с разрядным ключом, компаратор и формирователь импульсов, а также два источника опорного напряжения и второй формирователь, соединенный входом с источником литания, выходом " с управляющим входом разрядного ключа, причем вход кольцевого демодулятора соединен с датчиком положения якоря, соединенного с генератором импульсов, первый источник опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, второй источник опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу компаратора, а. выход формирователя импульсов соединен с управляющим входом силового ключа.1403328 ЮЙоВ1 Цу ут Ие Ф йуставитель В.Алфимовхред М.Ходанич Корректор М,Максим Редактор И.Сегляник Заказ дписно комитета СССРи открытий ская наб., д, 4/5 зводственно-полиграфическое предприятие, г; Уж Проектная,ггю5КиЧ5йу6 -Кцйю732 53 Тираж 583 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рауш