УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области автоматизированного электропривода, а именно к системам управления и может быть использована при работе в режимах разгона и торможения, а так же в режимах, близких к пусковым при малых скоростях вращения до полной остановки двигателя.
Известно устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока (Патент RU 16210 и 1 МПК 7 G05B 11/01 оп. 10.12.2000 г.)
Устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока, содержащее регулируемый вторичный источник питания, N пар силовых ключей, имеющих заземленный вывод и соединенных с положительным выводом регулируемого вторичного источника питания, имеющего заземленный вывод и входную клемму питания, где N -натуральный ряд чисел и N≥3. Выходы N пар силовых ключей являются выводами подключения к N обмоткам бесконтактного двигателя постоянного тока, имеющего N обмоток. В устройство введены блок управления, блок формирования управляющих импульсов, модулятор, N входов которого являются входами подключения к N датчикам положения ротора двигателя постоянного тока. Блок формирования управляющих импульсов имеет К выходов, где К - натуральный ряд чисел и K>2N, которые соответственно подключены ко входам модулятора. Первый вход блока формирования управляющих импульсов подключен к выходу модулятора, второй, третий, четвертый, пятый входы блока формирования управляющих импульсов соответственно подключены к первому, второму, третьему, четвертому входам блока управления, 2N выходов модулятора соответственно подключены к входам N пар силовых ключей. Вход управления регулируемого вторичного источника питания подключен к управляющему выходу.
Недостатком данного устройства является низкая надежность управления бесконтактным двигателем постоянного тока из-за возможности возникновения пульсации момента и неравномерности вращения двигателя.
Известна система управления бесконтактным двигателем постоянного тока (Патент RU 45213 U1 MПК 7 Н02Р 6/10). В системе управления бесконтактным двигателем постоянного тока содержатся блок задания, три датчика положения ротора, подключенные к блоку оценки скорости, который связан с регулятором скорости, источник питания, связанный с инвертором, трехфазный бесконтактный двигатель постоянного тока, подключенный к инвертору, блок регуляторов, содержащий регулятор скорости, регулятор тока, сумматор и три блока дифференцирования, кроме того, введены два датчика тока, находящиеся в первой и второй фазах трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока, два аналого-цифровых преобразователя, блок управления инвертором, устройство гальванической развязки. Блок задания связан с регулятором скорости, а выход регулятора скорости связан с первым входом регулятора тока. Выходы аналого-цифровых преобразователей одновременно связаны с входами регулятора тока, первым и вторым блоками дифференцирования и входами сумматора. Выход сумматора одновременно связан с третьим блоком дифференцирования и входом регулятора тока. Выходы блоков дифференцирования связаны с входами регулятора тока. Широтно-импульсный модулятор связан с блоком управления инвертором, к которому подключены датчики положения ротора. Блок управления инвертором через устройство гальванической развязки подключен к инвертору. В результате снижаются броски и пульсации токов фаз, что позволяет снизить броски момента и повысить плавность вращения двигателя. Недостатком этой системы является сложность настройки системы управления, обусловленная наличием большого (избыточного) числа блоков: три датчика положения ротора, три блока дифференцирования, два датчика тока, а также настройки аналого-цифровых преобразователей, связанных своими выходами со входами регуляторов тока, первыми и вторыми блоками дифференцирования и входами сумматора, выход которого связан с третьим блоком дифференцирования и входом регулятора тока, что может приводить к колебательным переходным процессам с увеличенной длительностью. Кроме того, эта система управления требует большого числа дополнительных источников питания с гальванической развязкой между ними.
Наиболее близкими по значению является устройство управления режимом работы вентилятора (Патент RU 109582 U1 МПК G05D 13/00).
Устройство управления режимом работы вентилятора, преимущественно на основе вентильного двигателя постоянного тока содержит источник питания, один выход которого соединен со входом инвертора, а другой выход его соединен с датчиком тока. Первый выход инвертора соединен с электровентилятором, включающим синхронную электрическую машину, встроенную в вентиляторное колесо, а второй выход инвертора соединен со входом блока компараторов. Второй вход инвертора соединен с выходом драйвера. Вход драйвера соединен с выходом блока управления, входы которого соединены с выходом регулятора тока и выходами схемы сравнения по производительности и схемы сравнения по давлению. Первые входы схемы сравнения по производительности и схемы сравнения по давлению соединены с выходами датчика тока и датчика скорости, а вторые входы схемы сравнения по производительности и схемы сравнения по давлению соединены с выходами задатчика по производительности и задатчика по давлению. Входы датчика скорости и датчика положения ротора соединены с выходами электровентилятора. Вход регулятора тока соединен с выходом схемы сравнения по току, первый вход который соединен с выходом датчика тока, а второй вход соединен с выходом регулятора скорости. Вход регулятора скорости соединен с выходом схемы сравнения по скорости, один вход которой соединен с выходом задатчика скорости, а другой ее вход соединен с выходами датчика скорости, датчика положения ротора и с выходом блока компараторов.
Недостатком устройства является сложность устройства управления, определяемая избыточностью каналов управления (канал управления по производительности и давлению) электровентилятора, что в свою очередь приводит к наличию таких элементов, как задатчика по производительности и давлению, а также их схем сравнения, которые в свою очередь связаны по входам с датчиками тока и скорости соответственно. Усложнение функциональных связей этих блоков вызывает сложность настройки блока управления.
Задачей полезной модели является создание нового устройства управления бесконтактным двигателем постоянного тока, позволяющего повысить производительность труда при его использовании в процессе применения с большим числом пусков и торможений электропривода.
Технический результат состоит в сокращении времени ускоренного разгона и ускоренного торможения в циклограмме технологического процесса.
Технический результат достигается тем, что устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока характеризующееся тем, что оно содержит источник питания, один выход которого соединен с входом инвертора, а другой выход его соединен с датчиком тока, при этом первый выход инвертора соединен с синхронным электродвигателем, на валу которого находится нагрузка, а второй выход инвертора соединен со входом блока компараторов, второй вход инвертора соединен с выходом блока драйверов, вход которого соединен с выходом блока переключения фаз, первый вход которого соединен с выходом блока управления, а два других входа блока переключения фаз соединены с первыми выходами блока задатчика темпа торможения и блока задатчика темпа ускорения, вторые выходы которых соединены двумя входами блока управления, а третий вход блока управления соединен с выходом регулятора тока, вход которого соединен с выходом схемы сравнения по току, первый вход которой соединен с выходом блока задатчика максимального тока, второй вход которой соединен с выходом датчика тока, третий вход схемы сравнения по току соединен с выходом регулятора скорости, вход которого соединен с выходом схемы сравнения по скорости, первый вход которой соединен с выходом блока компараторов, а второй вход схемы сравнения по скорости соединен с выходом блока задатчика максимальной скорости.
Новым является наличие новых блоков и новых связей между блоками, при существенном снижении числа блоков (относительно прототипа) и простота настройки всей системы управления бесконтактным двигателем постоянного тока.
Упрощение устройства управления бесконтактным двигателем постоянного тока достигается за счет сокращения количества блоков, а именно: отсутствие датчиков положения роторов, датчиков скорости, схем сравнения по производительности и давлению, задатчиков по производительности и задатчиков по давлению.
Быстрый переход двигателя из рабочего вращения в режим торможения, а также в режим противоположного вращения происходит за счет введения в схему новых связей и блоков.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства управления бесконтактным двигателем постоянного тока.
На фиг.2 приведен график допустимых зон рабочих состояний двигателя (m, i, ω).
На фиг.3а, 3б, 3в представлены диаграммы работы двигателя постоянного тока:
3а) прямого направления (вперед);
3б) обратного направления (назад);
3в) схема включения двигателя.
На фиг.1 введены следующие обозначения:
- источник питания 1;
- инвертор 2;
- датчик 3 тока;
- синхронный электродвигатель 4;
- нагрузка 5;
- блок 6 компараторов;
- блок 7 драйверов;
- блок 8 переключения фаз;
- блок 9 управления;
- регулятор 10 тока;
- схема 11 сравнения по току;
- регулятор 12 скорости;
- схема 13 сравнения по скорости;
- блок 14 задатчика максимальной скорости;
- блок 15 задатчика темпа торможения;
- блок 16 задатчика темпа ускорения;
- блок 17 задатчика максимального тока.
Устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока содержит источник питания 1, один выход которого соединен с входом инвертора 2, а другой выход его соединен с датчиком 3 тока, при этом первый выход инвертора 2 соединен с синхронным электродвигателем 4, на валу которого находится нагрузка 5, а второй выход инвертора 2 соединен со входом блока 6 компараторов, второй вход инвертора 2 соединен с выходом блока 7 драйверов, вход которого соединен с выходом блока 8 переключения фаз, первый вход которого соединен с выходом блока 9 управления, а два других входа блока 8 переключения фаз соединены с первыми выходами блока 15 задатчика темпа торможения и блока 16 задатчика темпа ускорения, вторые выходы которых соединены с двумя входами блока 9 управления, а третий вход блока 9 управления соединен с выходом регулятора 10 тока, вход которого соединен с выходом схемы 11 сравнения по току, первый вход которой соединен с выходом блока 17 задатчика максимального тока, второй вход которой соединен с выходом датчика 3 тока, а третий вход схемы 11 сравнения по току соединен с выходом регулятора 12 скорости, вход которого соединен с выходом схемы 13 сравнения по скорости, первый вход которой соединен с выходом блока 6 компараторов, а второй вход схемы 13 сравнения по скорости соединен с выходом блока 14 задатчика максимальной скорости.
max
min
Устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока выполнено на стандартных блоках. Так, например, источник питания 1 применен типа Power Supply EA-9300-02, инвертор 2 типа GB25RF120K, блок 7 драйверов тип IR2214SS, блок 6 компараторов и схема 11 сравнения по току и схема 13 сравнения по скорости построены на компараторах типа LM2390, блок 14 задатчика максимальной скорости, блок 15 задатчика темпа торможения, блок 16 задатчика темпа ускорения и блок 17 задатчика максимального тока выбираются в зависимости от параметров двигателя (мощности, диапазона регулирования и т.д.). В данном случае диапазон регулирования ω/ω=10 при мощности примерно от 500 Вт до 5000 Вт выбраны потенциометрического типа, по максимальному напряжению питания схем управления и схем драйверов (Uн=5÷15 В). Регулятор скорости типа ПИД и регулятор тока типа ПД стандартный с учетом выхода на блок управления, построенный на микропроцессоре PIC16F628A. Двигатель бесконтактный синхронный магнитоэлектрического типа и обмоткой статора, выполненной на каждом зубце статора. Такой двигатель обладает большой перегрузочной способностью, лучшими условиями теплоохлаждения, при этом упрощается технология укладки обмотки в пазы статора и снижается вероятность пробоя изоляции в обмотках двигателя. Датчик 3 тока может быть выполнен различным способом. Например, датчик 3 тока это обычное сопротивления малой величины, установленное в минусовой шине, питающей инвертор, а блок 14 задатчика максимальной скорости может быть образован, например, за счет наложения обмотки тахогенератора на зубцы статора или любой другой тип тахогенератора (например, бесконтактная маломощная машина синхронного или асинхронного типа). Предложенное устройство управления бесконтактным двигателем постоянного тока работает следующим образом:
эм
а
С источника питания 1 на инвертор 2 поступает напряжение питания (номинальное) и ток, соответствующий номинальному моменту. При этом скорость будет соответствовать номинальной, при определенном направлении вращения (примем условно направление - как вперед, при применении к типовому приводу). При таком режиме (с учетом конкретной нагрузки) блок 15 задатчика темпа торможения и блок 16 задатчика темпа ускорения выбираются из условия максимально возможного ускорения привода (dα/dt), где α - угол поворота двигателя, t - время переходного процесса, что определяется как электромеханической Т, так и электромагнитной постоянной Т привода, а также зависит от величины нагрузки на валу бесконтактного двигателя постоянного тока. При этом блок 9 управления, формирующий логику переключения силовых ключей инвертора 2, за счет изменения величины ШИМ может ускорить или замедлить процесс разгона и торможения, обрабатывая сигналы блока 16 задатчика темпа ускорения и блока 15 задатчика темпа торможения, причем как по скорости, так и по току не превосходя их максимально задаваемых значений определяемых блоком 14 задатчика максимальной скорости и блоком 17 задатчика максимального тока. При возникновении режима реверса (вращение бесконтактного двигателя постоянного тока - назад) наиболее быстрый способ изменить его направление вращения магнитного поля статора на обратный. При этом возникают три возможных режима (фиг.2):
н
а) плавное торможение до n≤n.
б) резкое торможение до n=0.
н
н
в) реверс с изменения +n до -n.
Эти режимы определяются как величиной, так и длительностью сигналов ШИМ при прямом и обратном вращении бесконтактного двигателя
постоянного тока.
mах
mах
При изменении знака, поступающего на блок переключения фаз от блока управления, изменяется направление чередования фаз (U, V, W) -прямое вращение, (U, W, V) - обратное вращение (фиг.3а, 3б). При этом, за счет накопления кинетической энергии и изменения знака противо ЭДС двигателя, ток I может достигнуть недопустимых значений, что требует применения блока 17 задатчика максимального тока ±I.
На фиг.2 представлены три вида токовых сигналов, формируемых блоком 7 драйверов при трех режимах:
н
н
cp
а) прямое включение n≤n, I=+I=I (квадрат 1 ω=f(i));
б) остановка n=0, I=0;
н
н
cp
в) обратное включение n≤-n, I=-I=-I (квадрат 3 -ω=f(-i)).
Для ускоренного разгона и торможения при минимально возможном времени процесса необходимо обеспечить максимально возможный (для данного типа бесконтактного двигателя постоянного тока) момент вращения и торможения, что достигается максимально возможным током как в период разгона, так и торможения. При этом, если двигатель имеет циклограмму работы, где период разгона и торможения чередуется, то для увеличения циклов работы (а следовательно уменьшение времени цикла) необходимо выбрать цикл ускорения и торможения таким образом, чтобы время переходного процесса разгона и торможения было минимально возможным, что допустимо только при максимально возможном моменте на валу двигателя как при разгоне, так и торможении, т.е. при наличии максимального динамического момента на валу.
p
т
ц
ц
На фиг.3г представлена диаграмма ускоренного разгона и торможения 2·(t+t)=Т (Т - время цикла управления).
э
мех
эм
э/мех
эм
Схема управления работает как двухконтурная система управления (контур скорости и контур тока), причем контур скорости, как менее быстродействующий (с постоянной электромеханической постоянной Т/) включает контур регулирования тока (с постоянной электромагнитной Т), причем обычно Т>>Т, что реализует принцип подчиненного регулирования момента привода. Это включает в себя управление пуском и торможением в системе моментного управления. Применение блока задатчика темпа торможения и блока задатчика темпа ускорения зависит от конкретной нагрузки и величины максимально возможного тока, что поддерживает постоянный динамический момент.
Использование заявленного устройства управления бесконтактным двигателем постоянного тока позволяет сократить время ускоренного разгона и ускоренного торможения в циклограмме технологического процесса.