УСТРОЙСТВО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ТОКУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в системах управления следящих электроприводов с обратной связью по току электродвигателя с микропроцессорным управлением.
Современные силовые регулируемые электроприводы используют, как правило, выходные мостовые инверторы с управлением от микроконтроллеров. Системы управления электроприводами имеют в своем составе различные сенсоры, в том числе датчики тока электропривода. В маломощных электроприводах (до единиц кВт) часто применяются датчики тока на резистивных шунтах, напряжение с которых подается на дифференциальный усилитель (см. "Резистивные токовые шунты для применений высокой мощности", А. Колпаков, Е. Карташев, «Компоненты и технологии», №3, 2010 г., стр. 84-88). Резистивный токовый шунт должен быть низкоомным и высокоточным, чтобы не вносить дополнительные потери мощности в нагрузке и не ухудшать инструментальную погрешность измерений. Полезный сигнал токового шунта гораздо меньше выходного напряжения инвертора, поэтому на входах дифференциального усилителя присутствует паразитное синфазное напряжение, которое не должно влиять на результаты измерения тока. Кроме того, уровень выходного сигнала устройства обратной связи по току должен соответствовать рабочему диапазону входных напряжений встроенного АЦП управляющего микроконтроллера.
Известно устройство обратной связи по току для электропривода (SU №1676419, кл. Н02Р 7/42, 1991 г.), содержащее два измерительных резистора, силовой делитель напряжения из двух резисторов, потенциометр и источник напряжения, средняя точка которого связана со средней точкой силового делителя напряжения.
Недостатком этого устройства является ограниченная область применения из-за невысоких значений точности и надежности. Во-первых, невысокие точность и надежность определяются применением силового делителя напряжения и потенциометра, в котором сопротивление скользящего контакта изменяется в процессе эксплуатации. Во-вторых, схема измерения тока такова, что точность устройства обратной связи зависит от значения напряжения питания силовых полупроводниковых ключей электропривода.
Известно устройство обратной связи по току электропривода (RU 2020719, МКИ Н02Р 5/06, 1994 г.) содержащее два измерительных резистора, одни выводы которых образуют первый и второй силовые входы, а два других вывода образуют силовые выходы, силовой делитель напряжения на резисторах, крайние выводы которого соединены соответственно с первым и вторым силовыми входами, а средняя точка этого делителя, образующая первый измерительный выход устройства, соединена со средней точкой источника напряжения для питания системы управления электропривода, отличающееся тем, что дополнительно введены первый и второй измерительные делители напряжения на резисторах, первый и второй вспомогательные источники напряжения со средними точками, первый и второй масштабные усилители напряжения, усилитель напряжения с дифференциальными входами, которые подключены к средним точкам упомянутых первого и второго измерительных делителей напряжения, причем крайние выводы первого измерительного делителя, так же как и средние точки первого и второго вспомогательных источников напряжения, подключены соответственно к первому и второму силовым входам устройства, крайние выводы второго измерительного делителя подключены по отдельности к выходам соответственно первого и второго масштабных усилителей напряжения, входы первого из которых подключены к первому измерительному резистору, а его цепи питания - к первому из вспомогательных источников напряжения, входы второго масштабного усилителя напряжения подключены к второму измерительному резистору, а его цепи питания подключены к второму из вспомогательных источников напряжения, при этом цепи питания усилителя напряжения с дифференциальными входами подключены к источнику напряжения для питания системы управления электропривода, а выход этого усилителя образует второй измерительный выход устройства обратной связи по току. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является необходимость использования нескольких дополнительных источников питания и сложность сопряжения с встроенным АЦП управляющего микроконтроллера силового регулируемого электропривода.
Цель изобретения - расширение области применения устройства обратной связи по току электропривода за счет повышения его точности и надежности и упрощения схемы сопряжения с встроенным АЦП управляющего микроконтроллера силового регулируемого электропривода.
Цель достигается тем, что устройство обратной связи по току электропривода содержит два токоизмерительных резистивных шунта, одни выводы которых образуют первый и второй силовые входы, а два других вывода образуют силовые выходы к исполнительному электродвигателю, суммирующий дифференциальный усилитель (ДУ) и масштабирующий усилитель (МУ), причем суммирующий ДУ содержит по два равных резистора на каждом прямом и инверсном входах ДУ и две интегрирующие RC-цепочки обратной связи ДУ. Первый и второй суммирующие резисторы прямого входа ДУ соединены с выходом первого и входом второго токоизмерительных резистивных шунтов, а первый и второй суммирующие резисторы инверсного входа ДУ соединены с входом первого и выходом второго токоизмерительных резистивных шунтов соответственно. Интегрирующая RC-цепочка обратной связи инверсного входа ДУ соединена с выходом ДУ, а интегрирующая RC-цепочка обратной связи прямого входа ДУ с общей цепью или внешним источником опорного напряжения. Вход МУ напряжения соединен с выходом ДУ, а выход МУ является выходом устройства.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема, поясняющая работу устройства, где:
1, 2 - первый и второй токоизмерительные резистивные шунты равного значения;
3 - исполнительный электродвигатель электропривода;
4 - суммирующий дифференциальный усилитель (ДУ);
5, 6, 7, 8 - входные суммирующие резисторы равного значения;
9, 10 - интегрирующие RC-цепочки обратной связи ДУ;
11 - масштабирующий усилитель (МУ) напряжения;
12 - входной резистор МУ;
13 - резистор обратной связи МУ;
14 - силовой мостовой инвертор электропривода.
Устройство содержит первый 1 и 2 второй равные токоизмерительные резистивные шунты в цепи питания исполнительного электродвигателя, подключенные входами к выходу силового мостового инвертора 14 электропривода, а выходами к исполнительному электродвигателю 3 электропривода, суммирующий дифференциальный операционный усилитель 4 с четырьмя суммирующими резисторами 5…8 равных номиналов, по два на прямой и инверсный дифференциальные входы ДУ, интегрирующие RC-цепочки обратной связи 9 и 10 с равными параметрами, и МУ напряжения 11 на операционном усилителе с масштабирующими резисторами 12 и 13. Первый 5 и второй 6 суммирующие резисторы инверсного входа ДУ 4 соединены с входом первого токоизмерительного резистивного шунта 1 и выходом второго токоизмерительного резистивного шунта 2 соответственно; первый 7 и второй 8 суммирующие резисторы прямого входа ДУ 4 соединены с выходом первого токоизмерительного резистивного шунта 1 и входом второго токоизмерительного резистивного шунта 2 соответственно. Интегрирующая RC-цепочка 9 обратной связи инверсного входа ДУ 4 соединена с выходом ДУ; интегрирующая RC-цепочка 10 прямого входа ДУ 4 соединена с внешним источником опорного напряжения Uref или общей цепью. Вход МУ напряжения 11 подключен через входной резистор 12 к выходу ДУ 4, а выход МУ является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
1
2
im3
Измеряемый ток Im электродвигателя 3 поступает с выхода силового мостового инвертора электропривода 14 через токоизмерительные резистивные шунты 1 и 2. Этот ток создает падение напряжения Uim и Uim на токоизмерительных резистивных шунта 1 и 2, которые через суммирующие резисторы 5…8 поступают на дифференциальные входы ДУ 4, на выходе которого формируется выходное напряжение U, пропорциональное току Im электродвигателя 3:
1
2
Uim=Im·Rs1; Uim=Im·Rs2;
где Rs1 и Rs2 - значения сопротивления токоизмерительных резистивных шунтов 1 и 2.
im3
С учетом равенства номиналов Rs1=Rs2, R5=R6=R7=R8 и R9=R10, значение выходного напряжения U на выходе ДУ равно
im3
U=2·Uim·Roc/Rвх=Im·2·Rs·Kду;
где Roc - значения сопротивления суммирующих резисторов 5…8;
Rвх - значение активного сопротивления интегрирующих RC-цепочек 9 и 10;
Kду - коэффициент передачи ДУ 4, равный отношению резисторов Roc/Rвх.
IM
Значение выходного напряжения U на выходе устройства по току обратной связи в целом равно
ИМ
ДУ
МУ
пр
U=2·Uim·Roc/Rвх=Im·2·Rs·K·K=Im·K
МУ
где K=R13/R12 - коэффициент передачи МУ;
пр
ДУ
МУ
K=2·Rs·K·K - крутизна преобразования устройства обратной связи по току (размерность В/А).
ДУ
При выборе коэффициента K приходится учитывать требование максимально допустимого предельного синфазного напряжения на входах ДУ, которое обычно меньше или равно напряжения питания ДУ. В системе управления электродвигателем с силовым мостовым полупроводниковым инвертором с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) один из вводов электродвигателя имеет потенциал, близкий к напряжению питания, а второй вывод к общей шине питания. На практике, в случае применения в электроприводе управляющего микроконтроллера со встроенным АЦП с динамическим диапазоном, равным напряжению питания, в качестве ДУ обычно используют низковольтный операционный усилитель Rail-to-Rail с однополярным напряжением питания, равным напряжению питания микроконтроллера, а источник опорного напряжения Uref выбирают равным половине напряжения питания ДУ. В случае применения внешнего АЦП с двухполярным входным динамическим диапазоном, напряжение Uref равно нулю.
ДУ
ДУ
±4
При оценке максимального значения действующего синфазного напряжения на входе ДУ можно пренебречь падением напряжения на ключах мостового инвертора и на токоизмерительных резистивных шунтах, ввиду их малости по сравнению с напряжением питания инвертора. Так как напряжение питания электропривода обычно превышает напряжение питания ДУ, коэффициент передачи K может быть менее единицы, особенно в случае применения низковольтных ДУ с однополярным источником питания. Так, например, для устройства обратной связи по току с напряжением питания инвертора электропривода от бортового источника 27 В и однополярным ДУ типа Rail-to-Rail с напряжением питания ДУ равным 3,3 В и напряжением Uref=1,65 В, максимальное значение коэффициента передачи K, равное отношению резисторов Roc/Rвх, должно быть не более 0,115.
RC
RC
КВ
Частота квантования ШИМ микропроцессорных электроприводов, как правило лежит в диапазоне от 5 до 25 кГц, форма тока электродвигателя имеет пилообразную форму, определяемую соотношением частоты квантования и индуктивностью электродвигателя. Интегрирующие RC-цепочки обратной связи ДУ обеспечивают фильтрацию импульсов тока и измерение средней составляющей тока электродвигателя, для этого постоянная времени τ должна ровняться от двух до пяти периодов квантования ШИМ силового инвертора, τ=(2÷5)·Т.
Начальная ошибка нуля и разброс крутизны устройства обратной связи по току определяются точностью номиналов токоизмерительных резистивных шунтов, суммирующих резисторов, резисторов обратной связи и напряжением смещения операционных усилителей.
В качестве токоизмерительных резистивных шунтов для малых и средних токов электропривода (до 10…20 А) могут использоваться, например, постоянные фольговые сверх-низкоомные резисторы типа Р2-105 или резисторы Р1-90; для больших токов токоизмерительные шунты могут быть выполнены, например, из отрезков провода из манганина диаметром 0,8…1,0 мм. В качестве суммирующих и масштабирующих резисторов могут использоваться, например, прецизионные резисторы Р1-16П с допуском 0,1-0,5%. В качестве операционных усилителей (ОУ) могут использоваться, например, прецизионные ОУ типа ОР284, ОР262 или отечественные функциональные аналоги 1432УД25Б и 544УД16У с паспортным номинальным значением напряжения смещения ≤150 мВ и Rail-to-Rail по входу и выходу.
На чертеже фиг. 2, в качестве примера приведен вариант выполнения устройства обратной связи по току электропривода на ток до 50 А с токоизмерительными резистивными шунтами из четырех параллельных отрезков провода манганина ПММЭ-1,0 мм длиной 20 мм (сопротивление шунта ≈2,7 мОм) каждый, двухканальным прецизионным операционным усилителем типа ОР284 в корпусе SO-8 и прецизионными резисторами типа Р1-16П.
Предлагаемое устройство обратной связи по току содержит два токоизмерительных резистивных шунта и суммирующий дифференциальный усилитель с четырьмя суммирующими резисторами, что позволяет не производить настроек перед началом работы и в процессе эксплуатации. Ошибки нуля и разброс крутизны преобразования устройства, связанные с неравенством номиналов резисторов и напряжением смещения дифференциального ОУ могут быть учтены путем калибровки и запоминания калибровочных коэффициентов в постоянном энергонезависимом запоминающем устройстве микроконтроллера.
Предлагаемое устройство может быть использовано в бортовых силовых электроприводах автономных устройств и летательных аппаратов.