Устройство для пуска синхронного гистерезисного двигателя
SYNCHRONOUS HYSTERESIS MOTOR START-UP DEVICE

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в сервисной электронике для обеспечения питания гиромотора, используемого в двухосном гироскопическом датчике угла (ГДУ) со сферическим подшипником (без карданова подвеса).
Известно устройство [1] для пуска синхронного гистерезисного электродвигателя, содержащее последовательно включенные между выводами для подключения питания и выводами для подключения нагрузки регулирующий орган и инвертор, задающий генератор, выход которого через последовательно включенный переключатель частоты и фазорасщепитель связан с управляющими входами инвертора, при этом вход переключателя частоты подключен к первому выходу таймера, второй выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, а вход таймера подключен к выходу задающего генератора.
Первым недостатком этого устройства является рассеивание большой мощности на регулирующем органе, выполненной по известной схеме линейного стабилизатора напряжения, который в пусковом режиме шунтируется транзисторным ключом. Большая мощность, при этом, обусловлена большим падением напряжения на регулирующем органе и повышенным током потребления инвертора, выполненного по известной схеме и состоящего из транзисторных ключей, включенных по двухтактной схеме, которые работают в насыщенном режиме, требующем большую мощность для управления их базовыми цепями.
Вторым недостатком является падение напряжения на транзисторном ключе регулирующего органа в пусковом режиме, что приводит к снижению величины фазных напряжений в этом режиме и ухудшает запуск синхронного гистерезисного электродвигателя при пониженном напряжении питания.
Третьим недостатком устройства является недостаточная стабильность величины фазных напряжений в рабочем режиме, которая обусловлена суммарной нестабильностью выходного напряжения регулирующего органа и напряжений насыщения двух выходных транзисторов двухтактного каскада инвертора, и в результате приводит к снижению точности гироскопического датчика угла со сферическим подшипником, т.е. увеличению его дрейфа.
Четвертым недостатком является избыточная сложность устройства ввиду наличия регулирующего органа, что приводит к увеличению его габаритных размеров.
Технический результат заключается в повышении точности гироскопического датчика угла, обеспечении пуска гистерезисного электродвигателя в более широком диапазоне питающего напряжения, уменьшении габаритных размеров устройства и улучшении его температурного режима за счет снижения мощности, рассеиваемой устройством, повышении величины фазных напряжений в пусковом режиме и их стабильности в рабочем режиме.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в устройство для пуска синхронного гистерезисного двигателя, содержащее последовательно включенные между выводами для подключения питания и выводами для подключения нагрузки регулирующий орган и инвертор, задающий генератор, выход которого через последовательно включенный переключатель частоты и фазорасщепитель связан с управляющими входами инвертора, при этом вход переключателя частоты подключен к первому выходу таймера, второй выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, а вход таймера подключен к выходу задающего генератора, согласно изобретению, введены трехфазный выпрямитель, выход которого соединен с первым входом инвертора, термокомпенсирующий стабилизатор напряжения, выход которого связан с входами питания задающего генератора, фазорасщепителя, таймера и переключателя частоты, при этом исключен регулирующий орган и второй вход инвертора непосредственно соединен с выводами для подключения питания.
Отличительным признаком заявленного изобретения является изменение схемы инвертора, введение трехфазного выпрямителя и термокомпенсирующего стабилизатора напряжения, что позволило исключить из состава устройства для пуска синхронного гистерезисного двигателя регулирующий орган и, тем самым, уменьшить мощность, рассеиваемую элементах устройства, увеличить амплитуду фазных напряжений в пусковом режиме, и кроме того, повысить стабильность амплитуды фазных напряжений в рабочем режиме.
На фиг. 1 изображена структурная схема источника питания гиромотора.
На фиг. 2 изображена принципиальная электрическая схема одного из трех каналов инвертора.
На фиг. 3 изображена векторная диаграмма фазных напряжений.
Пример реализации устройства для пуска синхронного гистерезисного электродвигателя.
На фиг. 1 изображено устройство для пуска синхронного гистерезисного электродвигателя, содержащее последовательно включенный между выводами 1 для подключения питания и выводами 2 для подключения нагрузки инвертор 4, задающий генератор 5, фазорасщепитель 6, таймер 7, переключатель 8 частоты, трехфазный выпрямитель 9, термокомпенсирующий стабилизатор 10 напряжения, который формирует напряжение питания для задающего генератора 5, фазорасщепителя 6, таймера 7 и переключателя 8 частоты. Напряжение питания через выводы 1 для подачи питания подается непосредственно на инвертор 4. Инвертор 4 переключает амплитуду фазных напряжений за счет перехода верхних плеч его двухтактных выходных каскадов в активный режим по команде с выхода таймера 7. Это упрощает схему модуля питания гиромотора за счет исключения регулирующего органа, и кроме того, приводит к распределению мощности, рассеиваемой при переходе на рабочую амплитуду трехфазного напряжения, на три выходных верхних плечах инвертора 4 и позволяет применить транзисторы с меньшей допустимой мощностью рассеивания.
Предвыходные транзисторы питаются напряжением, формируемым трехфазным выпрямителем 9 из фазных напряжений, поступающих через выводы 2 для подключения нагрузки. При переключении инвертора 4 на их рабочие амплитуды также происходит уменьшение базовых токов выходных транзисторов, что позволяет снизить мощность, рассеиваемую на резисторах, задающих базовые токи.
Для повышения температурной стабильности величин фазных напряжений задающий генератор 5, фазорасщепитель 6, таймер 7, переключатель 8 частоты запитаны от термокомпенсирующего стабилизатора 10 напряжения. Термокомпенсация происходит за счет того, что температурный коэффициент напряжения питания Un 2 равен температурному коэффициенту напряжению перехода база-эмиттер (БЭ) входных транзисторов инвертора 4, а амплитуда выходных напряжений фазорасщепителя 6 равна напряжению питания Un 2. Электрическая принципиальная схема одного из каналов инвертора 4 приведена на фиг. 2 (а также схемы термокомпенсирующего стабилизатора 10 напряжения и трехфазного выпрямителя 9; резисторы в цепях БЭ транзисторов инвертора 4, защитные диоды в цепях коллектор-эмиттер выходных транзисторов и RC-цепи для устранения высокочастотного возбуждения условно не показаны).
Одна из трех пар противофазных сигналов с выхода фазорасщепителя 6 -  и "Фаза А" подается на входы трехкаскадных усилителей инвертора 4 с двухтактным выходом, работающих в ключевом режиме: VT1, R2, VT4, R5, VT6 - нижнее плечо и VT2, VT3, R4, VT5 - верхнее плечо. Усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) через резисторы R6 и R3*. Максимальная амплитуда фазного напряжения "Фаза А (вых.) " (пусковой режим) обеспечивается за счет подключения с помощью электронного ключа ЭК (управляется командой с таймера 7) параллельно подборному резистору R3* (служит для регулировки амплитуды в рабочем режиме) резистора R1, и увеличения, таким образом, коэффициента передачи усилителя по напряжению (все транзисторы при этом работают в насыщенном режиме). При разомкнутом состоянии ЭК (при снятии команды с таймера) происходит уменьшение коэффициента передачи усилителя по напряжению (определяется по формуле:
К=1+R6/R3*, а следовательно, и выходного фазного напряжения "Фаза А (вых.)" (рабочий режим). Особенностью данной схемы является то, что в активный (ненасыщенный) режим при этом переходят только транзисторы верхнего плеча (фактически ООС охвачено только это плечо).
Изменение (снижение) базовых токов выходных транзисторов реализовано следующим образом:
- При пусковом режиме напряжение на коллекторах VT3, VT4 (общее для трех каналов усилителей инвертора) определяется делителем R7, R8 напряжения с выхода трехфазного выпрямителя VD1…VD3, а также геометрической суммой токов коллекторов транзисторов VT3, VT4 3-х каналов (для трехфазной последовательности прямоугольных импульсов она равна 0) и оно равно, соответственно, половине питающего напряжения Uп 1, при этом транзисторы VT3, VT4 работают в насыщенном режиме и базовые токи выходных транзисторов VT5, VT6 достигают максимальных значений.
- При рабочем режиме размыкается электронный ключ ЭК и происходит переход транзисторов верхнего плеча VT2, VT3, VT5 в активный режим и, как следствие, значительное уменьшение базового тока VT5 (это происходит автоматически за счет общей ООС). Далее происходит снижение напряжения на выходе VD1…VD3 (вследствие падения амплитуд фазных напряжений) и, дополнительно, падение напряжения на R8 за счет изменения геометрической суммы токов коллекторов VT3, VT4 в связи со значительным снижением, как указано выше, тока коллектора VT3. При этом происходит уменьшение и базового тока транзистора VT6, но при этом он продолжает работать в насыщенном режиме, так как при этом происходит также и уменьшение тока нагрузки (токов коллектора) VT5, VT6 за счет снижения фазных напряжений.
(ФР)
(VT2)
(ФР)
(VT2)
Термокомпенсирующий стабилизатор 10 напряжения выполнен на элементах: VT7, VD4, R10. Термокомпенсация реализована за счет подключения к прецизионному стабилитрону VD4 перехода БЭ транзистора VT7 с отрицательным температурным коэффициентом напряжения (схема усилителя по току VT7, R10 также служит для обеспечения требуемого выходного тока для питания функциональных узлов 5, 6, 7, 8. Выходные фазные напряжения определяются по формуле: Uф=(Uвых-Uбэ)⋅(1+R6/R3*), где: Uвых - выходные напряжения фазорасщепителя; Uбэ - падение напряжения на переходе БЭ транзистора VT2.
(VT2)
(VT7)
Так как выходные напряжения фазорасщепителя 6 - выходы микросхем КМОП-серии практически равны напряжению Uп 2 ("Uпит м/сх" с эмиттера VT7), происходит компенсация температурной зависимости Uбэ такой же зависимостью Uбэ).
0
Другой отличительной особенностью инвертора 4 является возможность независимой регулировки амплитуд фазных напряжений, что позволяет применить методику регулировки величины систематической составляющей дрейфа ω по двум осям, за счет корректировки направления и величины результирующего вектора постоянного магнитного поля статора гиромотора (ΣВфаз), путем изменения амплитуд фазных напряжений. Векторная диаграмма фазных напряжений (Фаза А, Фаза В и Фаза С) приведена на фиг. 3: номинальные и равные значения фазных напряжений показаны цифрой "1", скорректированные для компенсации дрейфа - цифрой "2", измерительные оси ГДУ - Y и Z. В данном случае используется особенность рассматриваемого ГДУ со сферическим подшипником - возможность управления прецессией ротора с помощью постоянного магнитного поля, создаваемого фазными обмотками. В ГДУ с устройством для пуска синхронного гистерезисного электродвигателя эта чувствительность к постоянному магнитному полю фазных обмоток - отрицательное явление, приводящее к дополнительной составляющей дрейфа (постоянное нерегулируемое магнитное поле статора при этом обусловлено разностью величин фазных напряжений из-за неодинаковых напряжений насыщения выходных транзисторов инвертора, их нестабильностью, а также неидентичностью комплексных сопротивлений фазных обмоток гиромотора и геометрических размеров деталей гиромотора).
Источники информации
1. Патент РФ №2313897 МПК Н02Р 27/04, приоритет от 05.09.2006 г.