Управляемый вентильный электродвигатель

1259463 держит три канала 27, 28, 29, управ. ляемых по входу 30, Процесс реверса электродвигателя состоит из режима торможения и разгона,при этом дешиФрирующее устройство, имеющее логи ческую связь только с входами соответствующих транзисторов и аналоговую с тремя датчиками тока, выделяИзобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам, и может быть использовано при создании высококачественных систем автоматизированно го электропривода.Цель изобретения - снижение массо- габаритных показателей управляемого вентильного электродвигателя (УВД), а также расширение области его применения за счет реализации ограничения и регулирования величины тока в тормозных режимах работы.На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема УВД; на Фиг. 2, - схема одного канала реверсора; на Фиг. 3 " конструктивная схема датчика положения ротора (ДПР); на Фиг. 4 - угловые диаграммы выходных сигналов ДПР; на Фиг. 5 о, 8 , с эквивалентные схемы силовой части УВД для трех основных состояний; на фиг. 6 - временные диаграммы тока УВД в режиме ограничения тока.25 УВД содержит формирователь 1 сигналов управления, состоящий из трех . канального реверса, инвертора 2 и шести логических элементов 2 И, транзисторный коммутатор 3, выполненный ЗО на шести транзисторах . 4-9, шунтированных обратными диодами, резисторные датчики 10-12 тока, трехфазную электрическую машину 13 синхронного типа, шестиканальный ДПР 14, дешифри- З 5 рующее устройство 5, содержащее логический элемент ЗИЛИ-НЕ 16, четыре быстродействующих ключа 17-20 и два суммирующих усилителя 21 и 22, ререлейный регулятор 23 тока типа двой О ной токовый коридор, выполненный на двух операционных усилителях 24 и 25, и задающее устройство 26. Реверсор ется модуль тока независимо от режимов работы и направления вращения.В тормозном режиме осуществляется реализация контролируемого по величине тока и происходит рекуперация накопленной энергии в цепь источникапитания. 1 з,п; ф-лы, 6 ил. содержит три канала 27-29, управляемых по входу 30.На фиг. 1-6 обозначено: П , Б напряжение на выходе операциойных усилителей 24 и 25 регулятора тока;1- ток в Фазах входной обмотки; а,Ь,с,а,Ь,с - выходные сигналы шести каналов ДПР; 0 - напряжение на выходе суммирующего усилителя 22; Б - напряжение источника смещения;0 - напряжение задающего устройства, 3конструктивной основой УВД является трехфазная электрическая машина 13 с якорной обмоткой на статоре, четырехполюсным индуктором на роторе, сочлененная по оси вращения с ДПР. Конструктивно ДПР состоит из двух ос" новных деталей (Фиг. 3): цилиндрической обоймы 31 с шестью чувствительными элементами и сигнального сектора 32. Чувствительные, например, к магнитному полю, элементы закрепления на внутренней поверхности обоймы поочередно через тридцать геометрических градусов по окружности расточки обоймы. Сигнальный сектор 32 для принятого случая имеет симметричную двухполюсную конфигурацию с шириной полюсного наконечника, равной шестидесяти геометрическим градусам, Сектор выполнен из магнито" твердого материала и намагничен диаметрально в направлении полюсных наконечников. Обойма 3 1 с чувствительными элементами крепится к наружной поверхности подшипникового щита электрической машины, а сигнальный сектор насаживается на выходной конец вала электрической машины и стопорится в плоскости чувствительных элементов.Силовой частью УВД является транзисторный коммутатор 3, состоящийиз трех ветвей, образованных соответственно парами последовательно соединенных транзисторов 4-9 и подключенных между первой и второй шинами цепи питания постоянного напряжения 5величиной Б- и Фазами А, В, С якорной обмотки. Для источника с положительной полярностью напряжения напервой шине относительно второй, являющейся общей точкой устройства,коммутатор выполнен на транзисторахпроводимости л -р-. Общая точкатранзисторов ветви, образованнаясоединением эмиттера одного транзистора с коллектором другого, подключена к одной иэ фаз якорной обмотки.Коллекторы транзисторов 4, 6 и 8объединены с первой шиной источникапитания, а эмиттерный вывод каждогоиэ транзисторов 5, 7 и 9 подключенк общей точке устройства через одиниэ соответствующих резистивных датчиков 10-12 тока.К управляющей части УВД относится формирователь 1 сигналов управления,дешифрирующее устройство 15 и регулятор 23 тока типа, двойной токовыйкоридор.Формирователь 1 сигналов управления предназначен для обработки выход ных сигналов ДПР и поэтому подключенмежду выходами ДПР и управляющими цепями транзисторов коммутатора, Формирователь содержит шесть логических элементов 2 И 33-38. Основные связи З 5 формирователя 1 сигналов управления можно рассмотреть на примере первого канала, состоящего из канала 27 ое" версораи двух логических элементов 2 И 33 и 34, связанных с ним. Противофазные сигналы а и а ДПР через реверсор 27 поступают на первые входы логических элементов 2 И 33 и 34, а выходы последних непосредственно или через промежуточные усилители соединены с управляющими цепями траи. зисторов 9 и 8 соответственно. Вторые входы логических схем 2 И объединены в две управляющие цепи 39 и 40 и подключены к выходам усилителей 25 50 и 24 регулятора 23 тока. При этом первая управляющая цепь 39 образова-. на соединением между собой вторых входов логических элементов 33, 35 и 37, а вторая управляющая цепь 40 - 55 вторых входов логических элементов 34, 36 и 38. Одноименные управляющие входы каналов 27-29 реверсора объе" динены в дне цепи, Первая управляющая цепь соединена с второй упранля"ющей цепью через инвертор 2 и является общим входом 30 реверса формирователя 1 сигналов управления.С помощью дешифрирующего устройства 15 производится выделение модуля тока электрической машины 13.Согласно назначению, дешифрирующееустройство включено между выходамирезистивньж датчиков тока и первымвходом релейного регулятора тока.В состав дешифрирующего устройствавходят четыре быстродействующие ключа 17-20, два суммирующие усилителя21 и 22 соответственно с тремя ичетырьмя входами и логический элемент ЗИЛИ-НЕ 16. Выходы резистивных датчиков тока 10-12 подключены к первым трем входам суммирующего усилителя 22 через быстродействующие ключи 17-19, а к нходам усилителя 21 - непосредственно. Инвертирующий выход усилителя 21 соединен с четвертым входом усилителя 22 через четвертый ключ 20. Управляющие цепи ключей 17-19 объединены с управляю,щими цепями транэисторон 9, 7 и 5 коммутатора. Управляющая цепь ключа17 соединена с управляющей цепью транзистора 9,ключа 18 - с управляющей цепью транзистора 7, а ключа 19 - с управляющей цепью транзистора 5, Кроме того, через логический элемент ЗИЛИ-НЕ 16 управляющие цепи указанных транзисторов соединены с управляющей цепью четвертого ключа. Инвертирующий выход усилителя 2 является выходом дешиФрирующего устройства и соединен с первым входом релейного регулятора тока.Регулятор 23 тока выполнен по известной схеме тина двойной токовый коридор и состоит из двух однотипных операционных усилителей 24 и 25, охваченных обратной положительной связью через одинаковые по величине резисторы 41 и 42 с сопротивлением Н. На вход каждого иэ усилителей подключены по два одинаковых по величине резистора 43-46 с сопротинлением К Указанные резисторы попарно объединены между обоими усилителями и образуют первый и второй входы регулятора тока. К первому входу полключен выход дешифрирующега устройства, а к второму - ныход задаю 3 12594 щего ток устройства 26, Кроме того, на вход усилителя 25 подключен источник смещения с напряжением смещения П,через резистор 47 с сопротивлением К5Работу УВД рассмотрим для исходного углового положения Ч, сигнального сектора 32 относительно обоймы с чувствительными элементами (фиг. 3) для случая подачи на вход 30 формиро О вателя 1 сигналов нулевого сигнала и задания положительного напряжения определенного уровня на второй вход регулятора 23 тока посредством задающего устройства 26. При условии, что 15 высокий уровень сигнала на входе (выходе) элемента единичный, а низкий уровень сигнала - нулевой.Допустим, что на управляющую и силовую части УВД подано напряжение 20 питания. При укаэанном положении сигнального сектора ДПР на выходах чувствительных элементов ДПР появляются единичные сигналы о и о . Единичные сигналы возбужденных элементов по 25 цепям связи проходят беэ изменения через реверсоры 27 и 28 формирователя 1 сигналов управления (в соответствии с принятым условием сигнал реверса равен нулю) и гй)ступают на 30 первые входы логических элементов 33 и 38. Одновременно под воздействием положительного напряжения 11 задающего устройства 26 операционные усилители 24 и 25 регулятора 23 тока переводятся в единичное, состояние на их выходах. Единичные сигна- . лы с выходов усилителей 24 и 25 по двум управляющим цепям 39 и 40 поступают на вторые входы всех логических схем 2 И 33-38 формирователя , сигналовуправления и разрешают прохождение сигналов с первых входовлогических элементов 33-38 на их выходы беэ изменений. В данном случае 45 единичные сигналы й и с по цепямпоявляются на выходе логических элементов 33 и 38 формирователя 1 сигналов управления и поступают науправляющие входы транзисторов 9 и 5 О4 коммутатора 3 и на вход дешифрирующего устройства 15. В, последнемпод действием единичного сигнала а и нулевых сигналов 6 и с замыкается быстродействующий ключ 17, подключая выход реэистивного датчика12 тока к первому входу суммирующего усилителя 22. Остальные входы 63 Ьусилителя обесточены.(Быстродействующие ключи 17-20 замкнуты при наличии единичного сигнала на его управляющем входе и разомкнуты при наличии нулевого сигнала).Под действием единичных сигналовс выходов логических элементов 33 и38 формирователя 1 сигналов управления открываются транзисторы 9 и 4 коммутатора и напряжение источника питания П прикладывается к фазам С, А якорной обмотки электрической машины 13. Данному состоянию коммутатора присвоим название: режим Д.Эквивалентная схема для режима Д представлена на фиг, 5 о . Под действием напряжения источника питания О тока в фазах А, С начинает линейно возрастать. Напряжение Пд, пропорциональное току в этих фазах, снимается с резистивного датчика 12 тока и через замкнутый ключ 17 подается на первый вход суммирующего усилителя 22. Усиленный сигнал Уд с выхода усилителя 22 поступает на первый вход регулятора тока (на входы операционных усилителей 24 н 25) .До тех пор, пока на входе усилителя 24 выполняется неравенство11 т О04с - + - (1)устройство сохраняет предыдушее состояние (режим Д), где 1 -напряжение на выходе усилителя 24. По мере роста тока увеличивается сигнал Пд и наступает момент, когда неравенство (1) превращается в равенство, а затем нарушается в противоположную сторону. В этот момент усилитель 24 переключается и на его выходе единичный сигнал сменяется нулевым, При этом Усилитель 25 сохраняет свое состояние по выходу неизменным, ввиду наличия смещения через резистор 47 с сопротивлением К, . Принятое усилителем 24 состояние является ус" тойчивым ввиду охвата его положительной обратной связью через резистор 41 с сопротивлением 41 и сохранится до выполнения второго состояния равновесия2.,П,т 11К К(2)Под действием нулевого сигнала с выхода усилителя 24 запрещается про1259463 няется соотношениес 2 К .К 5 Поэтому оба усилителя 24 и 25 переклю 0 15 Ц П П втК К 25При нарушении равновесия в сторону состояние с единичным уровнем напряжения на выходе, Силовая схема принимает состояние Д. Далее процессыповторяются в описанной последовательности. В результате ток в фазахА, С якорной обмотки ограничиваетсяна уровне заданного с пульсацией,пропорциональной глубине положительной обратной связи, усилителя 24(фиг. 6 а ).При взаимодействии тока в фазахА, С якорной обмотки с полем индук-.тора возникает вращающий момент иротор УВД начинает поворачиватьсяв заданном направлении В, после поворота ротора УВД - иа угол, равныйЧ; . Нулевым сигналом а закрывается транзистор 9 коммутатора, . а единичным сигналом Ь открываетсятранзистор 7. В дешифраторе 15 закрывается ключ 17 и откоываетсяключ 18. Через открытий ключ 18 сигнал с выхода резистивного датчика 11 тока подается на второй вход суммирующего усилителя 22, а с его выхода поступает на вход регулятора тока., 55В процессе коммутации Фаэ А, В: якорной обмотки ток в подключаемой Фазе В возрастает с нулевого значе-. хождение единичного сигнала с черезлогический элемент 38 формирователя1 сигналов управления на управляющийвход транзистора 4 коммутатора, который закрываетсяСиловая схема изменяется, принимая режим Д (фиг. 5 Й .Ток фаз С, А УВД замыкается по цепи;силовой ключ 9. два реэистивных датчика 10 -и 12 тока, диод, шунтирующийтранзистор 5 в обратном направлении,и начинает уменьшаться по величинедля случая двигательного режима, Переключение усилителя 24 регуляторатока не приводит к изменению состояния дешифратора 15. Поэтому на входрегулятора 23 тока подается толькосигнал П с резистивного датчика 10тока. Через некоторый промежуток времени наступает момент, когда навыходе усилителя 24 выполнится второе состояние равновесия сигналов И П усилитель 24 переходит в К К ния. В момент коммутации И, = О и на входах регулятора тока всегда выполчаются в единичное состояние по выхо ду и переводят силовую схему в режим Д независимо от предыдущего ее состояния. Данное обстоятельство обеспечивает минимальное время коммутации тока в фазах УВД.При достижении током фазы В задан- ноге значения, при котором выполняется соотношение происходит переключение усилителя 24 регулятора тока. Последующая работа устройства аналогична описанной для фазы .А якорной обмоткиЧерез последующий на . рад по. 23 т3 ворот ротора УВД по сигналам ДПР переключаются транзисторы 7 и 5. Транзистор 7 закрывается, а транзистор 5 открывается. В соответствии с переключением транзисторов 5 и 7 сигналами с их управляющих цепей размыкается ключ 18 и замыкается ключ 19 дешифрирующего устройства. Через замкнутый ключ 19 сигнал, пропорциональный току фазы С, снимаемый с реэистивиого датчика 10 тока, подается через суммирующий усилитель 12 на вход регулятора тока. Работа устройства в период подключения под нагрузку фазы С аналогична изложенному для фаз А и В. После очередного поворота на 2113 рад вновь вступает в работу фаза А, с которой начнется рассмотрение работы устройства, Переключение транзисторов 4, 6 и 8 коммутатора происходит в интервалы между переключениями транзисторов 5 , 7 и 9. На работу дешифрирующего устройства эти переключения не влияют, Циклическиепереключения фаэ УВД неоднократно повторяются и последний разгоняется до установившейся частоты вращения.Если в процессе разгона или на установившейся частоте вращения изменена величина задания тока 05, например в сторону уменьшения на величину, при которой выполнится нера- венство9Тф + Яб+ 1259463 ется. Через некоторый промежуток времени выполнится соотношение ФЬг Ь.В(3) на входе усилителя 25, то последний переключается в нулевое состояние по выходу. Для усилителя 24 данное соотношение сигналов на входах однозначно определяет нулевое состояние его выхода. Наличие нулевых сигналов на обоих выходах регулятора тока ведет к запрещению по цепям 39 и 40 прохождения сигналов ДПР к входам транзисторов коммутатора. Транзисторы закрываются, а ток, протекающий, например, в фазах А, С, замыкается через шунтирующие диоды транзисторов 5 и 8 и резистивный датчик 10 тока в цепь источника постоянного напряжения (фиг. 5 с), Состояние силовой схемы, когда закрыты все транзисторы коммутатора, принимает режим О, особенностью которого является то, что ток фаз протекает только по одному из датчиков тока и при этом изменяет свое направление. Для режима "О" дешифрирующее устройство работает следующим образом, Нулевыми сигналами с управляющих входов транзисторов 5,и 9 размыкаются ключи 17-19, Наличие трех нулевых сигналов на входе логического элемента ЗИЛИ-НЕ соответствует появлению на его выходе единичного сигнала. Единичным сигналом замыкается ключ 20. В результате сигнал с датчика 10 тока, поступающий на вход усилителя 21 и инвертирующий на его выходе, проходит через ключ 20 на четвертый вход усилителя 22, а с его выхода - на вход регулятора тока. Таким образом, с помощью дешифрирующего устройства и трех реэистивных датчиков тока выделяется однополярный сигнал,. пропорциональный току УВД, для трех состояний силовой схемы.В режиме 0 ток в фазах А, С интенсивно уменьшается, так как направлен встречно источнику питания. При снижении тока до величины, при которой выполняется условие и силовая часть УВД принимает состояние, соответствующее режиму О. Впоследнем ток в Фазах снижается, ипри значении тока, соответствующеговыполнению соотношения ОЯ О К Е Е ьу д Пс мК - В К 5 при котором переключается в единич.ное состояние усилитель 24, а сило, вая схема УВД принимает состояниережим Д. В последнем ток УВД линейно возрастает до следующего переклю"чения. При этом его величина соответствует новому заданию П , относительно которого он пульсирует с амплитудой пульсаций, пропорциональнойглубине обратной связи усилителей 15 24 и 25 (фиг. 6).Существующее многообразие режимов работы УВД сводится к чередованию трех основных режимов Д, ДТ иО. Поэтому рассмотрим тормозной 20 режим УВД, предоставляющий интересс точки зрения энергетики.УСчитают, что УВД вращается производственным механизмом в направлении,обратном рассмотренному, При включении управляющей и силовой схемы поднапряжение коммутатор принимает состояние, соответствующее режиму Д,Ток фаз возрастает (фиг. 66) до величины, определяемой соотйошением 30 (1), н, когда происходит смена знаканеравенства, силовая схема переходитв режим ДТ, Так как в тормозном(генераторном) режиме электрическоймашины ЭДС в фазах совпадает по направлению с током, то в режиме ДТрост тока в фазах продолжается. Через некоторый интервал времени токувеличится до такой величины, что выполняется соотношениепроисходит переключение усилителя 25в единичное состояние с соответствующим переходом силовой схемы в режим ДТ. Темп снижения тока уменьшасиловая схема вновь переходит в состояние, соответствующее режиму ДТ, ввиду переключения усилителя 25 в единичное состояние. Чередование режимов ДТ, О обеспечивает ограничениетока УВД на уровне заданного в тормозном режиме,Функционирование дешифрирующегоустройства в тормозном режиме работы УВД происходит аналогично двигательному режиму, с той лишь разницей,что изменяется только чередованиепереключения быстродействующих ключей. При этом с датчиков тока выделяется однополярный сигнал, пропорциональный току в фазах УВД.Отличительной особенностью указанного тормозного режима является реализация контролируемого по величинетока режима О, при котором происходит рекуперация накопленной энергиив цепь источника питания, Данный режим существенно улучшает энергопотребление УВД. При построении многокоординатной (не менее трех) систем 20электроприводов промышленных роботов и манипуляторов экономия энергопотребления составляет до 203.Реализация реверса УВД осуществляется изменением сигнала на входе30 формирователя управляющих сигналов. При этом изменяется на 180 электрических градусов фазировка управляющих сигналов каждой пары транзисторов коммутатора. Выходной сигнал о ДПР проходит через реверсорк входу транзистора 8, а сигнал о -к входу транзистора 9. Процесс реверса УВД состоит иэ режима торможения и разгона, Дешнфрирующее устрой.З 5ство, имеющее логическую связь только со входами соответствующих транзисторов и аналоговую с тремя датчиками тока, выделяет модуль токаУВД независимо .от режимов работы и 40направления вращения,В предлагаемом УДВ реализуются и упрощенные алгоритмы работы с режимом динамического торможения, Для этого достаточно отсоединить вход 39 формирователя сигналов управления от выхода регулятора тока, По, дачей на входы 30 и 31 комбинации из единичного и нулевого сигналов осуществляется режим работы УВД." двигательный с токоограниченвем реверса и динамического торможения. Формула изобретенияЫ1. Управляемый вентильный электродвигатель, содержащий статор с трехфаэной якорной обмоткой, вращающийся индуктор, коммутатор, состоящий из трех ветвей, образованных каждая двумя последовательно соединенными транзисторами, шунтированными обратными диодами, и подключенных параллельно между первой и второй шинами цепи питания постоянного напряжения, а общей точкой транзисторов каждой ветви подключена к одной из фаз якорной обмотки, шести- канальный датчик положения ротора, соединенный своими выходами с управляющими входами транзисторов коммутатора через формирователь сигналов управления, содержащий трехканальный реверсор противофазных каналов датчика положения ротора и шесть логических элементов 2 И, через первые входы которых выходы реверсора соединены с управляющими входами транзисторов коммутатора, а вторые входы объединены в две управляющие цепи, резистивный датчик тока и релейный регулятор тока, подключенный выходами к управляющим входам формирователя сигналов управления, а первым.из двух входов - к задающему устройству, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью снижения массы и габаритов, а также расширения области его применения за счет реализации ограничения и регулирования величины тока в тормоз-.ных режимах, в него введены второй и третий аналогичные датчики тока и дешифрирующее устройство, каждый датчик тока подключен в цепь ветви одной иэ шин цепи питания и транзистором, выходы всех датчиков тока связаны через дешифрирующее устройство с вторым входом регулятора тока,2. Электродвигатель по п, 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что дешифрирующее устройство содержит первый, второй суммирующие усилители соответственно с четырьмя и тремя входами, четыре быстродействующих ключа и логический элемент ЗИЛИ-НЕ, выход каждого из датчиков тока подключен к одному из входов суммирующих. усилителей: к первому - через ключ, а к второму - непосредственно,выход второго усилителя соединен счетвертым входом первого усилителячерез четвертый ключ, управляющийвход каждого из трех первых ключейсоединен с управляющим входом одного иэ транэисторов коммутатора, соединенного с датчиком тока, а управляющий вход четвертого ключа свяэан с управляющими входами транэисторов череэлогический элемент 3 щщ-НЕ1259463 Реют ю мт ги сенюха и аииау т алло ф/57 ТираиВНИИПИ Государственнпо делам изобрете 113035, Москва, М"3, Р 1 Подписноо комитета СССРий и открмтийушская наб., д. 4/5 а йти Фическое Ю: