УСТРОЙСТВО ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ РЕВЕРСИВНОГО СЛЕДЯЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА (ВАРИАНТЫ)

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам широтно-импульсного управления реверсивными следящими электроприводами с электродвигателем постоянного тока.
Для управления скоростью и реверсом электродвигателя следящего реверсивного электропривода постоянного тока по цепи якоря двигателя, применялись автогенераторные мостовые схемы управления электродвигателем, которые объединяли функции широтно-импульсного модулятора и мостового усилителя мощности (См. Конев Ю.И., Киселев Л.Н. «Автогенераторные импульсные усилители на транзисторах». Сб. «Полупроводниковые приборы и их применение», под ред. Я.А. Федотова, Изд. «Советское радио», 1963 г.).
Автогенераторные широтно-импульсные формирователи управления электродвигателями имеют большую нелинейность преобразования и ограниченный диапазон изменения коэффициента заполнения γм=tи/Т=0,1÷0,9 (где tи - длительность импульса, Т - период), в зависимости от изменения входного управляющего сигнала. Частота генерации автогенераторных широтно-импульсных формирователей, как правило, меняется при изменении коэффициента заполнения.
Более универсальной схемой, позволяющей получать хорошую линейность и широкий диапазон изменения коэффициента заполнения γм=0÷1,0, является схема управления электродвигателем с раздельными широтно-импульсным формирователем и мостовым усилителем мощности. В этом случае, в качестве устройства широтно-импульсного формирователя наибольшее применение находят устройства, состоящие из автономного генератора пилообразного напряжения и компаратора, который управляет мостовым выходным каскадом усилителя мощности (см., например, сборник «Электронная техника в автоматике», вып.4. стр.31, «Сов. радио», 1973 г.). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Известное устройство широтно-импульсного управления электродвигателем реверсивного следящего электропривода состоит из генератора пилообразного напряжения, компаратора и мостового усилителя мощности. Входное управляющее напряжение Ua поступает на один из входов компаратора, на второй вход которого поступает пилообразное напряжение Ug от генератора пилообразного напряжения, выход компаратора соединен с входом мостового усилителя мощности. В момент равенства напряжений Ua и Ug на входах компаратора происходит его переключение и изменение выходного логического уровня. Таким образом, компаратор формирует логический сигнал управления мостовым усилителем мощности с частотой, равной частоте управляющего пилообразного напряжения Ug и с коэффициентом заполнения, пропорциональным входному напряжению Ua. Схема позволяет получить высокую линейность преобразования, определяемую линейностью пилообразного напряжения, и широкий диапазон изменения коэффициента заполнения ум от 0 до 1, причем нулевому уровню входного управляющего напряжения Ua соответствует коэффициент заполнения γм=0,5.
Недостатком данной схемы, при использовании ее для управления электродвигателем следящего реверсивного электропривода, является наличие на электродвигателе постоянного тока переменного широтно-импульсного управляющего сигнала с коэффициентом заполнения γм=0,5 при отсутствии входного управляющего напряжения (Ua=0). При этом средняя постоянная составляющая напряжения и тока равна нулю, однако через нагрузку протекает знакопеременный коммутационный ток, определяемый частотой переключения и индуктивностью электродвигателя Lэд нагрузки, что приводит к снижению КПД за счет постоянного потребления по цепям управления коммутационных токов в мостовом усилителе мощности и цепи якоря. Современные малогабаритные электродвигатели постоянного тока для быстродействующих реверсивных электроприводов, как правило, имеют малую постоянную времени цепи якоря за счет малой индуктивности Lэд обмотки якоря, в результате чего, с целью уменьшения коммутационных пульсаций тока якоря, приходится увеличивать частоту коммутации выходных транзисторов усилителя мощности, что накладывает жесткие требования к выбору элементов мостового каскада и приводит к появлению сквозных токов транзисторов мостового усилителя мощности при их недостаточном быстродействии. Указанные недостатки особенно существенны при построении следящих реверсивных электроприводов с автономными источниками питания.
Целью создания полезной модели является повышение КПД следящего реверсивного электропривода за счет устранения коммутационных токов в цепи исполнительного электродвигателя.
Сущность полезной модели состоит в том, что в устройство широтно-импульсного управления электродвигателем реверсивного электропривода, содержащее мостовой усилитель мощности и последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения и первый компаратор, дополнительно введены аналоговый инвертер, вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй компаратор, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого компаратора, а второй вход с выходом аналогового инвертора, первый и второй логические инверторы и две двухвходовые схемы совпадения, причем прямой выход первого компаратора соединен с первым входом первого логического инвертора и одним из входов первой схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом второго логического инвертора, причем инверсный выход второго компаратора соединен со входом второго логического инвертора и одним из входов второй схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом первого логического инвертора, а выходы первой и второй схемы совпадения соединены с прямым и инверсным управляющими входами мостового усилителя мощности соответственно.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема первого варианта устройства широтно-импульсного управления электродвигателем реверсивного электропривода, на фиг.2 - схема второго варианта устройства, а на фиг.3 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу схемы.
Структурные схемы фиг.1 и фиг.2 устройства широтно-импульсного управления электродвигателем реверсивного электропривода содержит:
- генератор пилообразного напряжения 1;
- аналоговый инвертер 2;
- первый и второй компараторы 3 и 4 с программируемым гистерезисом;
- первый и второй логические инверторы 5 и 6;
- первую и вторую схемы совпадения 7 и 8;
- мостовой усилитель мощности 9.
Указанные элементы устройства широтно-импульсного управления электродвигателем реверсивного электропривода представляют собой:
- генератор пилообразного напряжения, например, на сдвоенном операционном усилителе;
- аналоговый инвертер, например, на операционном усилителе с масштабными резисторами;
- первый и второй компараторы, например, на операционном усилителе с положительной обратной связью, для обеспечения программируемого гистерезиса;
- первый и второй логические инверторы, например, на логических микросхемах серии 564;
- первая и вторая схемы совпадения, например, на логических микросхемах серии 564;
- мостовой усилитель мощности, например, на современных MOSFET-транзисторах с управляющим драйвером.
Устройство работает следующим образом.
Генератор пилообразного напряжения 1 вырабатывает симметричное двухполярное пилообразное напряжение ↑Ug, на выходе аналогового инвертора 2 формируется противофазное пилообразное напряжение ↓Ug. Входной управляющий сигнал Ua устройства подается на управляющие входы первого и второго компараторов 3 и 4, на второй вход первого компаратора 3 подается пилообразное напряжение ↑Ug с выхода генератора пилообразного напряжения 1, на второй вход второго компаратора 4 подается пилообразное напряжение ↓Ug с выхода аналогового инвертора 2. В результате сравнения входного управляющего сигнала Ua с пилообразными напряжениями ↑Ug и ↓Ug на выходах компараторов 3 и 4 формируются выходные логические сигналы прямоугольной формы переменной скважности с частотой управляющего пилообразного напряжения, причем логический уровень «Лог.1» на прямом выходе компаратора 3 соответствует значению ↑Ug>Ua, а логический уровень «Лог.1» на прямом выходе компаратора 4 соответствует значению ↓Ug>Ua. Наличие гистерезиса в переходных характеристиках компараторов 3 и 4 обеспечивает устранение «дребезга» фронтов выходных логических сигналов в момент равенства входного управляющего сигнала Ua и пилообразных напряжений ↑Ug и ↓Ug на выходах компараторов 3 и 4. На входы схемы совпадения 7 поступают логические сигналы с выхода компаратора 3 и инвертированный сигнал с компаратора 4 через логический инвертор 6. На входы схемы совпадения 8 поступают логические сигналы с выхода компаратора 4 и инвертированный сигнал с компаратора 3 через логический инвертор 5. Выходы логических схем совпадения 7 и 8 подключены к прямому и инверсному управляющим входам выходного мостового усилителя мощности 9. При «нулевом» входном управляющем напряжении Ua=0 на выходах компараторов 3 и 4 формируются противофазные логические уровни с коэффициентом заполнения γм=0,5, в результате чего, логические импульсы на выходах схем совпадения 7 и 8 и на управляющих входах мостового усилителя мощности 9 отсутствуют. При положительном входном управляющем напряжении Ua>0 импульсы появляются только на выходе схемы совпадения 7 и прямом управляющем входе мостового усилителя мощности 9 с удвоенной частотой пилообразного напряжения и коэффициентом заполнения, пропорциональным величине входного напряжения Ua. При изменении знака входного напряжения на отрицательный Ua<0, управляющие импульсы появляются на выходе схемы совпадения 8 и инверсном управляющем входе мостового усилителя мощности 9. Напряжение Uм на исполнительном электродвигателе с выхода мостового усилителя мощности 9 появляется только при наличии логических уровней «Лог.1» на одном из выходов схем совпадения 7 или 8 с соответствующим знаком.
Второй вариант устройства широтно-импульсного управления двигателем реверсивного следящего электропривода содержит мостовой усилитель мощности, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения и первый компаратор, аналоговый инвертор, вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй компаратор, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого компаратора, а второй вход с выходом аналогового инвертора, первый и второй логические инверторы и две двухвходовые схемы совпадения, причем выход первого компаратора соединен с первым входом первой схемы совпадения и через первый логический инвертор с первым входом второй схемы совпадения, выход второго компаратора соединен со вторым входом первой схемы совпадения и через второй логический инвертор со вторым входом второй схемы совпадения, а выходы первой и второй схемы совпадения соединены с прямым и инверсным управляющими входами мостового усилителя мощности соответственно.
Использование устройства широтно-импульсного управления двигателем реверсивного следящего электропривода обеспечивает поочередную работу каждого полумоста мостового усилителя мощности в зависимости от знака управляющего сигнала, и обеспечивает высокий КПД реверсивного привода с широтно-импульсным управлением за счет работы при малых значениях скважности, что способствует улучшению тепловых режимов силовых транзисторов мостового усилителя мощности и повышению надежности электропривода.