УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE OF PULSE CURRENT CONTROL IN DC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматизированному электроприводу постоянного тока, предназначено для автоматического регулирования тока электродвигателей постоянного тока и может быть использовано в электроприводах переменного тока, построенных на базе асинхронных электродвигателей.
4
Известно устройство для релейного регулирования тока электродвигателя постоянного тока, содержащее тиристорный преобразователь в цепи питания электродвигателя, обратный диод, источник питания, датчик якорного тока, формирователь пилообразного напряжения, компаратор, три RS-триггера, шесть элементов И-НЕ, три элемента ИЛИ-НЕ, пять формирователей импульсов, генератор прямоугольных импульсов, два усилителя импульсов, задатчик эталонного напряжения (а.с. СССР № SU 1403320 A1, МПК H02P 5/175, опубл. 15.06.88, БИ №22).
Недостатком указанного устройства является переменная частота регулирования.
5
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является релейно-импульсный регулятор тока тягового электродвигателя постоянного тока, содержащий в цепи питания тягового электродвигателя тиристорный преобразователь, обратный диод, датчик тока, семь формирователей импульсов, три элемента ИЛИ-НЕ, семь элементов И-НЕ, два компаратора, четыре RS-триггера, формирователь пилообразного напряжения, генератор импульсов, задатчик напряжения (а.с. СССР № SU 1614966 A1, МПК B60L 15/04, опубл. 23.12.90, БИ №47).
К недостаткам указанного устройства относятся большая статическая ошибка регулирования, возможность возникновения субгармонических и хаотических колебаний, приводящих к увеличению пульсаций тока электродвигателя и вероятности отказа силового электрооборудования.
Технической задачей изобретения является снижение пульсаций тока электродвигателя, повышение точности регулирования и функциональной надежности системы за счет использования многозонной импульсной модуляции для регулирования тока якоря.
Техническая задача решается тем, что в известное устройство, содержащее полупроводниковый ключ в цепи питания электродвигателя, датчик тока, генератор импульсов, задатчик опорного напряжения, введены усилитель сигнала рассогласования, устройство выборки-хранения, блок пусковых резисторов, содержащий N регулируемых ступеней, (N-1) дополнительных полупроводниковых ключей, блок управления, выполненный по многозонному принципу, число зон которого равно количеству регулируемых ступеней блока пусковых резисторов, каждая зона блока управления снабжена формирователем пилообразного напряжения, компаратором, усилителем импульсов, причем выход датчика тока подключен к инверсному входу усилителя сигнала рассогласования, а прямой вход последнего соединен с выходом задатчика уставки тока электродвигателя, выход усилителя сигнала рассогласования подключен ко входу устройства выборки хранения, управляющий вход последнего и входы N формирователей пилообразного напряжения объединены и подключены к выходу генератора импульсов, выход каждого формирователя пилообразного напряжения подключен к инверсному входу соответствующего компаратора, а прямые входы компараторов объединены и подключены к выходу устройства выборки-хранения, выход компаратора каждой зоны через усилитель импульсов подключен к управляющему входу соответствующего полупроводникового ключа, полупроводниковые ключи соединены параллельно с регулируемыми ступенями блока пусковых резисторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, фиг.2 поясняет сущность регулирования методом многозонной модуляции, на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.
я
дт
y
ку
ги
увх
s
я
k
0
0
На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 обозначено: U - напряжение питания электродвигателя; 2.s, s=1, 2,…, N - регулируемые ступени блока пусковых резисторов; N - число зон блока управления; i - ток якоря электродвигателя; U - выходной сигнал датчика тока; U - задающий сигнал, пропорциональный величине уставки тока якоря; U - напряжение на выходе усилителя сигнала рассогласования; U - выходное напряжение генератора тактовых импульсов; U - напряжение на выходе устройства выборки-хранения;  - сигналы на выходе формирователей пилообразного напряжения; 7.s, s=1, 2,…, N - номера зон блока управления 7; U, s=1, 2,…, N - управляющие импульсы блока управления; Т - период следования тактовых импульсов;  - соответственно уставки тока якоря s-й и (s+1)-й зон; i(kT) - значение тока якоря в начале k-го тактового интервала, пропорциональное величине выходного напряжения устройства выборки-хранения; t,k=1,2,… - моменты переключения компараторов в состояние логического «0»; U/N - амплитуда развертывающего напряжения, где U - опорный сигнал, задающий поле развертывающих напряжений.
Устройство импульсного регулирования тока электродвигателя постоянного тока содержит электродвигатель постоянного тока 1, блок пусковых резисторов 2, содержащий N регулируемых ступеней, датчик тока 3, усилитель сигнала рассогласования 4, устройство выборки-хранения 5, генератор импульсов 6, задатчик опорного напряжения 12, блок управления 7, выполненный по многозонному принципу, число зон которого равно количеству регулируемых ступеней блока пусковых резисторов 2, каждая зона блока управления снабжена формирователем пилообразного напряжения 8, компаратором 9, усилителем импульсов 10, полупроводниковым ключом 11, причем электродвигатель 1, подключенный к источнику питания U, соединен последовательно с блоком пусковых резисторов 2, состоящим из N ступеней, в цепь якоря электродвигателя 1 включен датчик тока 3, выход которого соединен с инверсным входом усилителя сигнала рассогласования 4, а прямой вход последнего соединен с выходом задатчика опорного напряжения 12, выход усилителя сигнала рассогласования 4 подключен ко входу устройства выборки-хранения 5, управляющий вход последнего и входы N формирователей пилообразного напряжения 8 блока управления 7 объединены и подключены к выходу генератора импульсов 6, выход каждого формирователя пилообразного напряжения 8 блока управления 7 подключен к инверсному входу соответствующего компаратора 9, а прямые входы компараторов объединены и подключены к выходу устройства выборки-хранения 5, выход компаратора каждой зоны через усилитель импульсов 10 подключен к управляющему входу соответствующего полупроводникового ключа 11, полупроводниковый ключ каждой зоны соединен параллельно с соответствующей регулируемой ступенью блока пусковых резисторов.
Временные диаграммы, поясняющие сущность регулирования тока электродвигателя методом многозонной модуляции, приведены на фиг.2.
Блок пусковых резисторов 2 состоит из N регулируемых ступеней, обозначенных на фиг.1 через 2.s, s=1, 2,…, N с равными сопротивлениями. Каждой ступени блока пусковых резисторов 2 отводится своя зона блока управления 7, реализованная с использованием широтно-импульсного модулятора первого рода.
В каждой зоне сопротивление регулируемой ступени блока пусковых резисторов 2 плавно изменяется от максимального значения до нуля при изменении коэффициента заполнения (относительной длительности) управляющих импульсов по полному циклу от 0 до 1 (фиг.2). Завершение цикла определяет условие перехода в следующую зону [Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция. Новосибирск: Наука, 1979. С.45-110, Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. Томск: Радио и связь. Томский отдел, 1990. С.8-81. С.261-306].
Как можно видеть из временных диаграмм, приведенных на фиг.2, переключение ступеней блоков пусковых резисторов при переходе из зоны в зону осуществляется плавно, тогда как в традиционных схемах оно происходит скачком, что приводит к перерегулированию тока электродвигателя.
При изменениях напряжения питающей сети или момента на валу электродвигателя 1 система автоматически переключается в соответствующую зону, плавно изменяя сопротивление пусковых резисторов 2, что принципиально невозможно в традиционных схемах электроприводов. Использование многозонной импульсной модуляции позволяет уменьшить пульсации тока электродвигателя 1 пропорционально числу зон, полностью исключить перерегулирование тока электродвигателя 1 при переключениях ступеней блока пусковых резисторов 2. Исключение перерегулирования и снижение пульсаций тока электродвигателя 1 повышает функциональную надежность системы.
На фиг.3 приведены диаграммы, поясняющие принцип работы устройства на примере регулирования (s+1)-й и s-й ступеней блока пусковых резисторов 2.
ГИ
ГИ
0
Генератор импульсов 6 формирует тактовые импульсы напряжения U с периодом Т. По передним фронтам тактовых импульсов U формирователь пилообразного напряжения 8 каждой зоны формирует развертывающее напряжение . Уровень развертывающего напряжения  s+1-й зоны смещен относительно развертывающего напряжения  s-й зоны на величину U/N.
y
я
ДТ
ДТ
я
ку
КУ
y
я
На прямой вход усилителя сигнала рассогласования 4 подается напряжение U, пропорциональное величине уставки тока якоря i, а на инверсный вход - сигнал U выхода датчика тока 3. Величина выходного сигнала датчика тока пропорциональна текущему значению измеряемого тока якоря: U=βi, где β - коэффициент передачи датчика тока 3. На выходе усилителя сигнала рассогласования 4 формируется сигнал ошибки U, равный U=α(U-βi), где α - коэффициент усиления усилителя сигнала рассогласования.
ку
ГИ
ГИ
ку
Сигнал ошибки U подается на вход устройства выборки-хранения 5, на управляющий вход которого поступают тактовые импульсы U с генератора импульсов 6. По тактовому импульсу U устройство выборки-хранения 5 запоминает значение сигнала ошибки U и хранит его до прихода следующего тактового импульса.
увх
Уставка тока якоря s-ой зоны определяется в соответствии с формулой , s=1, 2,…, N, а текущее значение тока якоря в начале каждого тактового интервала связано с выходным сигналом U устройства выборки-хранения 5 зависимостью
увх
s
Выходной сигнал U устройства выборки-хранения 5 сравнивается в компараторах 9 с соответствующими развертывающими напряжениями , s=1, 2,…, N, поступающими с выходов формирователей пилообразного напряжения 8. На выходах компараторов 9 формируются модулированные по длительности управляющие импульсы U.
я
я
1
увх
я
Если  т.е. i(kT)<i (см. фиг.3), то на выходе компаратора s-й зоны устанавливается состояние, равное логической «1». Этот сигнал поступает через усилитель импульсов 10 на управляющий вход полупроводникового ключа 11. Полупроводниковый ключ 11 замыкается и шунтирует соответствующую ступень блока пусковых резисторов 2. Ток якоря i возрастает. В момент времени t, когда выходной сигнал U устройства выборки-хранения 5 сравнивается с развертывающим напряжением  что соответствует i(kТ)=i
ГИ
УВХ
КУ
s
(см. фиг.3), компаратор 9 переключается в состояние логического «0» и полупроводниковый ключ 11 размыкается. Ток якоря начинает снижаться до прихода следующего тактового импульса U, который перезаписывает уровень выходного сигнала U устройства выборки-хранения 5 путем выборки сигнала ошибки U. Далее описанный процесс повторяется. Коэффициент заполнения управляющих импульсов U определяет продолжительность замкнутого состояния полупроводникового ключа 11 в пределах текущего тактового интервала.
s+i
По мере увеличения частоты вращения якоря электродвигателя 1 коэффициент заполнения увеличивается от минимального значения до максимального. При достижении коэффициентом заполнения максимального значения s-я ступень блока пусковых резисторов 2 шунтируется и начинается новый цикл широтно-импульсной модуляции в (s+1)-й зоне, при котором регулируется (s+1)-я ступень блока пусковых резисторов 2 путем плавного изменения коэффициента заполнения управляющих импульсов U от минимального значения до максимального. Заметим, что при этом на выходах компараторов предыдущих s зон сигналы равны логической «1» и полупроводниковые ключи этих зон замкнуты, а выходные сигналы компараторов остальных зон, кроме (s+1)-й зоны, равны логическому «0» и полупроводниковые ключи этих зон разомкнуты.
При дальнейшем увеличении скорости вращения якоря электродвигателя 1 в работу поочередно вступают все зоны, вплоть до N-й. Далее шунтируется последняя N-я ступень блока пусковых резисторов 2 и электродвигатель 1 выходит на естественную характеристику.