Цифровой модулятор для управления синхронным двигателем
DIGITAL MODULATOR TO CONTROL SYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в силовых преобразователях систем управления синхронными машинами, оснащенными датчиками положения ротора и работающими в режиме вентильного двигателя.
Наиболее близким по технической сущности является цифровой модулятор (см. а.с. СССР №1798907, опубл. 28.02.1993, Бюл. №8), содержащий генератор прямоугольных импульсов, два счетчика, два триггера, два элемента ИЛИ, инвертор, десять элементов И, шесть элементов И-НЕ, дешифратор, три формирователя импульсов, схему ограничения и схему сброса.
Недостаток наиболее близкого цифрового модулятора заключается в том, что он обеспечивает 2/3π-коммутацию силовых транзисторов, приводящую к снижению величины действующего значения фазного напряжения, подаваемого на статорные обмотки синхронного двигателя.
Технический результат достигается тем, что в цифровой модулятор для управления синхронным двигателем, содержащий генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый и второй триггеры, первый и второй элементы ИЛИ, инвертор, элемент И, дешифратор, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И-НЕ, формирователь импульсов, схему ограничения, схему сброса, шину входного сигнала, шину знака, первую, вторую и третью шину сигнала датчика положения ротора синхронного двигателя, первую, вторую, третью, четвертую, пятую и шестую шины выходного сигнала, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом первого счетчика и первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым выходами первого триггера, первый вход которого соединен с шиной знака, а второй вход - с выходом инвертора, выходы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами второго счетчика, третий вход которого соединен с выходом схемы ограничения, первый вход схемы ограничения соединен с шиной входного сигнала, а второй вход - с шиной знака, второй вход первого счетчика соединены с общей шиной, а выход - с первым входом элемента И, первый выход дешифратора соединен с первыми входами первого и шестого элементов И-НЕ, второй выход дешифратора соединен с первыми входами второго и четвертого элементов И-НЕ, третий выход дешифратора соединен с вторыми входами второго и шестого элементов И-НЕ, четвертый выход дешифратора соединен с первыми входами третьего и пятого элементов И-НЕ, пятый выход дешифратора соединен с вторыми входами первого и пятого элементов И-НЕ, шестой выход дешифратора соединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И-НЕ, седьмой выход дешифратора соединен с третьими входами третьего и четвертого элементов И-НЕ, восьмой выход дешифратора соединен с третьими входами первого и пятого элементов И-НЕ, девятый выход дешифратора соединен с четвертыми входами третьего и пятого элементов И-НЕ, десятый выход дешифратора соединен с третьими входами второго и шестого элементов И-НЕ, одиннадцатый выход дешифратора соединен с четвертыми входами второго и четвертого элементов И-НЕ, двенадцатый выход дешифратора соединен с четвертыми входами первого и шестого элементов И-НЕ, выход схемы сброса соединен с вторым входом элемента И, дополнительно введены третий элемент ИЛИ, регистр и первый, второй, третий и четвертый элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первая, вторая и третья шины сигнала датчика положения ротора синхронного двигателя соединены соответственно с первым, вторым и третьим входом регистра и первыми входами первого, второго и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый выход первого триггера соединен с четвертым входом регистра и первым входом четвертого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый, второй, третий и четвертый выходы регистра соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входом дешифратора и вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход элемента И соединен с входом инвертора, первым входом второго триггера, третьим входом первого счетчика и четвертым входом второго счетчика, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, выходы первого, второго, третьего и четвертого элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом формирователя импульсов, выход схемы сброса соединен с пятым входом регистра, выход формирователя импульсов соединен с пятым входом дешифратора и шестым входом регистра, выход второго триггера соединен с шестым входом дешифратора, первый выход дешифратора соединен с пятым входом второго элемента И-НЕ, второй выход дешифратора соединен с пятым входом третьего элемента И-НЕ, третий выход дешифратора соединен с пятым входом четвертого элемента И-НЕ, четвертый выход дешифратора соединен с пятым входом первого элемента И-НЕ, пятый выход дешифратора соединен с пятым входом шестого элемента И-НЕ, шестой выход дешифратора соединен с пятым входом пятого элемента И-НЕ, седьмой выход дешифратора соединен с шестым входом пятого элемента И-НЕ, восьмой выход дешифратора соединен с шестым входом шестого элемента И-НЕ, девятый выход дешифратора соединен с шестым входом первого элемента И-НЕ, десятый выход дешифратора соединен с шестым входом четвертого элемента И-НЕ, одиннадцатый выход дешифратора соединен с шестым входом третьего элемента И-НЕ, двенадцатый выход дешифратора соединен с шестым входом второго элемента И-НЕ, выходы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого элементов И-НЕ соединены соответственно с первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой шинами выходного сигнала.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет обеспечить π-коммутацию силовых транзисторов, что приводит к повышению максимального значения фазного напряжения по сравнению с устройством, взятым за прототип.
На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового модулятора для управления синхронным электродвигателем, на фиг. 2 - функциональная схема схемы ограничения, на фиг. 3 - временные диаграммы работы цифрового модулятора, на фиг. 4 - порядок включения силовых транзисторов в зависимости от сигналов датчика положения ротора синхронного двигателя и направления вращения, на фиг. 5 - схема подключения цифрового модулятора к силовому преобразователю.
Цифровой модулятор для управления синхронным двигателем (фиг. 1) содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, двоичные счетчики 2 и 3, триггеры 4 и 5, элементы 6, 7 и 8 ИЛИ, инвертор 9, элемент 10 И, регистр 11, элементы 12, 13, 14 и 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, формирователь 16 импульсов, дешифратор 17, элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 И-НЕ, схему 24 ограничения, схему 25 сброса, шину 26 входного сигнала, шину 27 знака, шины 28, 29 и 30 сигнала датчика положения ротора, выходные шины 31, 32, 33, 34, 35 и 36.
Выход генератора 1 прямоугольных импульсов соединен с первым (счетным) входом счетчика 2 и первыми входами элементов 6 и 7 ИЛИ. Вторые входы элементов 6 и 7 ИЛИ соединены соответственно с первым (прямым) и вторым (инверсным) выходами триггера 4, первый вход (информационный) которого соединен с шиной знака, а второй вход (стробирования) - с выходом инвертора 9. Выходы элементов 6 и 7 ИЛИ соединены соответственно с первым (обратного счета) и вторым (прямого счета) входами счетчика 3, третий вход (информационный) которого соединен с выходом схемы 24 ограничения. Первый вход схемы 24 ограничения соединен с шиной 26 входного сигнала, а второй вход - с шиной 27 знака. Второй вход (информационный) счетчика 2 соединен с общей шиной, а выход - с первым входом элемента 10 И. Первый выход дешифратора 17 соединен с первыми входами элементов 18 и 23 И-НЕ. Второй выход дешифратора 17 соединен с первыми входами элементов 19 и 21 И-НЕ. Третий выход дешифратора 17 соединен с вторыми входами элементов 19 и 23 И-НЕ. Четвертый выход дешифратора 17 соединен с первыми входами элементов 20 и 22 И-НЕ. Пятый выход дешифратора 17 соединен с вторыми входами элементов 18 и 22 И-НЕ. Шестой выход дешифратора 17 соединен с вторыми входами элементов 20 и 21 И-НЕ. Седьмой выход дешифратора 17 соединен с третьими входами элементов 20 и 21 И-НЕ. Восьмой выход дешифратора 17 соединен с третьими входами элементов 18 и 22 И-НЕ. Девятый выход дешифратора 17 соединен с четвертыми входами элементов 20 и 22 И-НЕ. Десятый выход дешифратора 17 соединен с третьими входами элементов 19 и 23 И-НЕ. Одиннадцатый выход дешифратора 17 соединен с четвертыми входами элементов 19 и 21 И-НЕ. Двенадцатый выход дешифратора 17 соединен с четвертыми входами элементов 18 и 23 И-НЕ. Выход схемы 25 сброса соединен с вторым входом элемента 10 И. Шины 28, 29 и 30 сигнала датчика положения ротора синхронного двигателя соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами регистра 11 и первыми входами элементов 12, 13 и 14 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Первый (прямой) выход триггера 4 соединен с четвертым входом регистра и первым входом элемента 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Первый, второй, третий и четвертый выходы регистра 11 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входом дешифратора 17 и вторыми входами элементов 12, 13, 14 и 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выход элемента 10 И соединен с входом инвертора 9, первым (сброса) входом триггера 5, третьим входом (входом стробироания) счетчика 2 и четвертым входом (входом стробироания) счетчика 3, выход которого соединен с вторым входом (входом установки) триггера 5. Выходы элементов 12, 13, 14 и 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами элемента 8 ИЛИ, выход которого соединен с входом формирователя 16 импульсов. Выход схемы 25 сброса соединен с пятым входом регистра 11. Выход формирователя 16 импульсов соединен с пятым входом дешифратора 17 и шестым входом регистра 11. Выход триггера 5 соединен с шестым входом дешифратора 17. Первый выход дешифратора 17 соединен с пятым входом элемента 19 И-НЕ. Второй выход дешифратора 17 соединен с пятым входом элемента 20 И-НЕ. Третий выход дешифратора 17 соединен с пятым входом элемента 21 И-НЕ. Четвертый выход дешифратора 17 соединен с пятым входом элемента 18 И-НЕ. Пятый выход дешифратора 17 соединен с пятым входом элемента 23 И-НЕ. Шестой выход дешифратора 17 соединен с пятым входом элемента 22 И-НЕ. Седьмой выход дешифратора 17 соединен с шестым входом элемента 22 И-НЕ. Восьмой выход дешифратора 17 соединен с шестым входом элемента 23 И-НЕ. Девятый выход дешифратора 17 соединен с шестым входом элемента 18 И-НЕ. Десятый выход дешифратора 17 соединен с шестым входом элемента 21 И-НЕ. Одиннадцатый выход дешифратора 17 соединен с шестым входом элемента 20 И-НЕ. Двенадцатый выход дешифратора 17 соединен с шестым входом элемента 19 И-НЕ. Выходы элементов 18, 19, 20, 21, 22 и 23 И-НЕ соединены соответственно с шинами 31, 32, 33, 34, 35 и 36 выходного сигнала.
Генераторы 1 прямоугольных импульсов может быть выполнен, например, на микросхеме 155ЛАЗ с кварцевой стабилизацией или с времязадающим конденсатором. Счетчики 2 и 3, например, выполнены на микросхемах К555ИЕ7. Триггеры 4 и 5 могут быть выполнены, например, на микросхемах К555ТМ2. Элементы 6, 7 и 8 ИЛИ, например, выполнены на микросхемах К555ЛЛ1, а инвертор 9 - на микросхеме К555ЛН1. Элемент 10 И может быть выполнен на микросхеме К555ЛИ1, а регистр 11 - на микросхеме К555ТМ8. Элементы 12, 13, 14 и 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ могут быть выполнены, например, на микросхеме К555ЛП5, а формирователь 16 импульсов - на микросхеме К555АГЗ. Дешифратор 17 может быть выполнены, например, на микросхеме К555ИДЗ, а элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 И-НЕ - на микросхемах К155ЛА1.
Схема 24 ограничения (фиг. 2) содержит, например, группу 37 элементов ИЛИ, группу 38 элементов И, элемент 39 И-НЕ, элементы 40 и 41 ИЛИ, элемент 42 ИЛИ-НЕ и инвертор 43.
В зависимости от величины, на которой должен быть ограничен входной сигнал, n-разрядные входы шины 26 разбиваются на две группы: с 1 до (n-m) и с (n-m+1) до n, причем m<n. Первая группа разрядов - с 1 до (n-m), соединена с первыми входами группы 37 элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами группы 38 элементов И, выходы которых являются (n-m) младшими разрядами выхода схемы 24 ограничения. Вторая группа разрядных входов шины 26 - с (n-m+1) по n - являются соответствующими разрядами выхода схемы 24 ограничения. Они соединены с m входами элемента 39 И-НЕ и элемента 40 ИЛИ. Выход элемента 39 И-НЕ соединен с первым входом элемента 41 ИЛИ, выход которого соединен со вторыми входами группы 38 элементов И. Выход элемента 40 ИЛИ соединен с первым входом элемента 42 ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с выходом инвертора 43, а выход - со вторыми входами группы 37 элементов ИЛИ. Второй вход элемента 41 ИЛИ и вход инвертора 42 соединены с шиной 27 знака.
Схема 25 сброса, например, может быть выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем второй вывод резистора присоединяется к шине питания, а второй вывод конденсатора - к общей шине. Вывод сопротивления, соединенный с конденсатором, является выходом схемы 25 сброса.
Цифровой модулятор для управления синхронным двигателем работает следующим образом.
0
После включения напряжения питания схема 25 сброса формирует сигнал, который устанавливает в исходное состояние регистр 11. Этот же сигнал через элемент 10 И устанавливает в исходное состояние триггер 5, стробирует счетчики 2 и 3 и далее через инвертор 9 стробирует триггер 4. При стробировании счетчика 3 в него записывается входной сигнал, прошедший через схему 24 ограничения. Код знака этого сигнала записывается в триггер 4. В зависимости от знака входного сигнала импульсы генератора 1 с частотой ƒ проходят либо через элемент 6 ИЛИ (знак положительный), либо элемент 7 ИЛИ (знак отрицательный) и поступают соответственно либо на вход обратного счета, либо на вход прямого счета счетчика 3. В зависимости от модуля величины ТУ входного сигнала на выходе счетчика 3 через промежуток времени
после начальной установки (стробирования) появится отрицательный импульс (фиг. 3 а). Этот отрицательный импульс поступает на вход установки триггера 5, на выходе которого при этом появляется сигнал высокого уровня (фиг. 3 б). Прямоугольные импульсы с генератора 1 поступают также на счетный вход счетчика 2. Поэтому на выходе переноса счетчика 2 через промежуток времени
где n - количество разрядов двоичного счетчика 2,
после начальной установки появляется отрицательный импульс (фиг. 3 в), который, пройдя через элемент 10 И, поступает на вход сброса триггера 5 и возвращает его в исходное состояние. Отрицательный импульс с выхода элемента 10 И стробирует счетчики 2 и 3 и через инвертор 9 - триггер 4, после чего процесс формирования выходных сигналов счетчиков 2 и 3 и триггера 5 повторяется. В результате на выходе триггера 5 (фиг. 3 б) формируется сигнал со скважностью
ϕ
В зависимости от соотношения сигналов датчика положения ротора синхронного двигателя, появляющихся на шинах 28, 29 и 30 (рис. 3 г, д, е, соответственно), и знака входного сигнала на выходе регистра появляется цифровой код N. В соответствии с этим кодом и сигналом с выхода триггера 5 дешифратор 17 и элементы 18, 19, 20, 21, 22 и 23 И-НЕ, реализующие логические функции
подают широтно-модулированные сигналы на соответствующие выходные шины 31, 32, 33, 34, 35 и 36 (рис. 3 ж, з, и, к, л, м) модулятора.
ϕ
Логические функции (1) поучены в предположении, что синхронный двигатель, например, 4СХ2П100L8 оснащен датчиком положения ротора, выходные сигналы которого имеют вид, приведенный на фиг. 4, причем сигналы а, b и с датчика подключены соответственно к шинам 28, 29 и 30 модулятора. Для обеспечения π-коммутации транзисторов необходимо реализовать в зависимости от направления вращения порядок включения, представленный на фиг. 4. Поэтому, присваивая направлению вращения «вперед» код 0, направлению «назад» - 1 и рассматривая сочетание выходных сигналов датчика положения как цифровой код N, можно составить кодификатор рабочего состояния силовых транзисторов (табл. 1).
ϕ
Nϕ
i
Причем коду N на входе соответствует тот же порядковый номер F выхода дешифратора 17. Тогда сигналам выбора транзисторного ключа S (i=1, 2, …, 6 - номер ключа) будут соответствовать логические функции (1).
Если сигналы с шин 31, 32, 33, 34, 35 и 36 подать через усилители на силовой трехфазный транзисторный мост с подключенным к нему синхронным двигателем, как показано, например, на фиг. 5, то сформированная система напряжений заставит вращаться ротор двигателя. При этом величина напряжения на статорных обмотках будет определяться напряжением линии постоянного тока и величиной сигнала на входе цифрового модулятора. Следует отметить, что действующее значение фазного напряжения при прочих равных условиях будет принципиально выше, чем в устройстве, взятом за прототип. Кроме того, если обеспечить сдвиг датчика положения ротора синхронного двигателя, например, 4СХ2П100L8 относительно заводской установки на угол, например,
n
измеряемый в градусах, где Z - число пар полюсов, то при этом повысится и электромагнитный момент, развиваемый двигателем.
Элемент 8 ИЛИ, элементы 12, 13, 14 и 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и формирователь 16 импульсов необходимы для организации раздвижки фронтов между сигналами на выключение и включение транзисторов каждого полумоста.
Таким образом, предложенный цифровой модулятор позволяет обеспечить π-коммутацию силовых транзисторов, что приводит к повышению максимального значения фазного напряжения.