СПОСОБ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ ТРЕХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ ЗНАКА ПРОТИВО-ЭДС
METHOD FOR DIGITAL CONTROL OF ANGULAR VELOCITY OF THREE-PHASE OF AC CONVERTER-FED MOTOR TAKING INTO ACCOUNT COUNTER EMF SIGN

Способ цифрового управления угловой скоростью трехфазного вентильного двигателя с учетом знака противо-ЭДС относится к области систем управления электродвигателями.
Известен метод управления угловой скоростью трехфазного вентильного двигателя, в котором коммутация ключевыми элементами осуществляется в зависимости от знака противо-ЭДС в нерабочей фазе двигателя в течение межкоммутационного интервала. При использовании этого метода в течение первой половины межкоммутационного интервала в зависимости от знака противо-ЭДС коммутируется один верхний или нижний ключевой элемент в рабочей диагонали, а в течение второй половины, когда знак противо-ЭДС изменился, коммутируется другой ключевой элемент в рабочей диагонали, при этом второй ключевой элемент всегда остается открытым [1].
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ управления угловой скоростью трехфазного вентильного двигателя, заключающийся в том, что задают тактовый сигнал, задают цифровой сигнал кода управления, на основе которого формируют знак и модуль кода управления, задают цифровые сигналы разрядности кода управления и частоты прохождения тактового сигнала, на основе которых с учетом модуля кода управления и тактового сигнала формируют широтно-импульсный сигнал управления угловой скоростью вращения ротора двигателя и формируют сигнал обеспечения равномерной работы ключевых элементов импульсного усилителя мощности, измеряют сигналы о положении ротора, задают цифровой сигнал длительности паузы на включение ключевых элементов, на основе которого с учетом сигналов о положении ротора, тактового сигнала, знака кода управления и широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора двигателя формируют три сигнала паузы на включение ключевых элементов импульсного усилителя мощности, на основе которых с учетом сигналов о положении ротора двигателя, сигнала знака кода управления, широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора двигателя, сигнала обеспечения равномерной работы ключевых элементов импульсного усилителя мощности и тактового сигнала формируют сигналы управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности [2].
Известные методы имеют ряд недостатков. В первом случае присутствуют прерывистые токи, которые приводят к нелинейным механическим и регулировочным характеристикам, повышенным дополнительным потерям мощности и отсутствию области генераторного торможения, что ухудшает переходные процессы в приводе. Во втором случае имеют место повышенные пульсации момента и дополнительные потери мощности, связанные с пульсациями тока в нерабочей фазе в течение межкоммутационного интервала, что приводит к неравномерному вращению ротора двигателя и уменьшению времени работы всей системы в автономном режиме.
Основной задачей при разработке приводов с импульсным управлением электродвигателем является создание способа управления скоростью вращения ротора электродвигателя, который обладает наименьшими дополнительными потерями мощности, минимальными динамическими потерями в ключевых элементах и линейными механическими и регулировочными характеристиками.
Отличием предложенного способа является то, что измеряют фазные напряжения в каждой фазе, на основе которых с учетом сигналов о положении ротора, широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора двигателя и тактового сигнала формируется сигнал знака противо-ЭДС в неработающей фазе на межкоммутационном интервале, на основе которого с учетом сигналов о положении ротора, сигнала знака кода управления, широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора двигателя, двух сигналов паузы и тактового сигнала корректируют сигналы управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности.
На фиг.1 показана иллюстрация способа управления угловой скоростью вращения ротора трехфазного вентильного двигателя. На фиг.2 изображен мехатронный модуль с трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока. На фиг.3 представлен блок формирования широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора двигателя (возможная реализация). На фиг.4 показан блок формирования сигналов паузы при включении ключевых элементов импульсного усилителя мощности (возможная реализация). На фиг.5 приведен блок формирования сигналов управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности (возможная реализация). На фиг.6 изображен блок формирования сигнала знака противо-ЭДС в нерабочей фазе (возможная реализация). На фиг.7 представлен блок сравнения напряжений на концах фаз со значением напряжения питания, деленным на два (возможная реализация). На фиг.8 показан блок выделения знака противо-ЭДС в нерабочей фазе (возможная реализация). На фиг.9 изображена временная диаграмма работы блока преобразователя код - широтно-импульсный сигнал. На фиг.10 представлено влияние разрядности кода управления и частоты прохождения тактового сигнала на период широтно-импульсного сигнала управления. На фиг.11 изображена временная диаграмма работы блока формирования сигналов паузы при включении ключевых элементов импульсного усилителя мощности. На фиг.12 изображена временная диаграмма, отражающая частный случай скорректированных сигналов управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности. На фиг.13 представлены эпюры фазных напряжений относительно «земли». На фиг.14 показаны фазные токи для частного случая скорректированных сигналов управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности. На фиг.15 изображены механические характеристики, регулировочные характеристики, потребляемая мощность, полезная мощность, КПД и дополнительные потери мощности для частного случая скорректированных сигналов управления ключевыми элементами.
На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - блок выделения сигналов модуля и знака кода управления; 2 - блок формирования широтно-импульсного сигнала; 3 - блок формирования сигналов паузы при включении ключевых элементов импульсного усилителя мощности; 4 - блок формирования сигналов управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности; 5 - блок формирования сигнала знака противо-ЭДС в нерабочей фазе; 6 - устройство управления угловой скоростью трехфазного вентильного двигателя; 7 - импульсный усилитель мощности; 8 - первый ключевой элемент; 9 - второй ключевой элемент; 10 - третий ключевой элемент; 11 - четвертый ключевой элемент; 12 - пятый ключевой элемент; 13 - шестой ключевой элемент; 14 - двигатель; 15 - статор; 16 - ротор; 17 - датчик положения ротора; 18 - первый датчик Холла; 19 - второй датчик Холла; 20 - третий датчик Холла; 21 - блок элементов «И»; 22 - делитель частоты; 23 - счетчик работы; 24 - счетчик периода; 25 - первый блок сравнения с нулем (>0); 26 - второй блок сравнения с нулем (=0); 27 - первый элемент «И»; 28 - первый триггер; 29 - первый элемент «Исключающее ИЛИ»; 30 - первый счетчик; 31 - третий блок сравнения с нулем (>0); 32 - второй элемент «И»; 33 - второй триггер; 34 - второй элемент «Исключающее ИЛИ»; 35 - второй счетчик; 36 - четвертый блок сравнения с нулем (>0); 37 - третий элемент «И»; 38 - блок программируемых логических матриц; 39 - третий триггер; 40 - четвертый триггер; 41 - пятый триггер; 42 - шестой триггер; 43 - седьмой триггер; 44 - восьмой триггер; 45 - блок сравнения напряжений на концах фаз со значением напряжения питания, деленным на два; 46 - блок выделения знака противо-ЭДС в нерабочей фазе; 47 - первый резистор; 48 - второй резистор; 49 - первый компаратор; 50 - второй компаратор; 51 - третий компаратор; 52 - первый элемент «НЕ»; 53 - второй элемент «НЕ»; 54 - четвертый элемент «И»; 55 - третий элемент «НЕ»; 56 - пятый элемент «И»; 57 - первый элемент «ИЛИ»; 58 - шестой элемент «И»; 59 - девятый триггер; 60 - седьмой элемент «И»; 61 - четвертый элемент «НЕ»; 62 - восьмой элемент «И»; 63 - пятый элемент «НЕ»; 64 - шестой элемент «НЕ»; 65 - девятый элемент «И»; 66 - второй элемент «ИЛИ»; 67 - десятый элемент «И»; 68 - десятый триггер; 69 - одиннадцатый элемент «И»; 70 - седьмой элемент «НЕ»; 71 - восьмой элемент «НЕ»; 72 - двенадцатый элемент «И»; 73 - девятый элемент «НЕ»; 74 - тринадцатый элемент «И»; 75 - третий элемент «ИЛИ»; 76 - четырнадцатый элемент «И»; 77 - одиннадцатый триггер; 78 - пятнадцатый элемент «И»; 79 - четвертый элемент «ИЛИ»; 80 - двенадцатый триггер; 81 - тринадцатый триггер; 82 - третий элемент «Исключающее ИЛИ»; 83 - четырнадцатый триггер; 84 - четвертый элемент «Исключающее ИЛИ»; 85 - пятый элемент «ИЛИ»; 86 - третий счетчик; 87 - пятый блок сравнения с нулем (>0); 88 - шестнадцатый элемент «И»; 89 - десятый элемент «НЕ»; 90 - семнадцатый элемент «И».
2
2
шис
ги
ги
2
2
ги
ги
2
2
шис
ги
n-1
n-1
n-1
n-1
Функционирует схема следующим образом. Устройство управления 6 наряду с импульсным усилителем мощности 7, синхронным двигателем 14 и датчиком положения ротора 17 образует мехатронный модуль (фиг.2). Импульсный усилитель мощности 7 подключен к источнику питания и состоит из трех стоек, на каждой из которых располагаются по два ключевых элемента (8, 9, 10, 11, 12, 13). Синхронный двигатель 14 состоит из статора 15, на котором размещается трехфазная обмотка, и ротора 16, на котором присутствует постоянный магнит. Датчик положения ротора 17 состоит из трех датчиков Холла (18, 19, 20), которые отстоят относительно друг друга на угол, равный 120° электрических или геометрических, и располагаются вблизи ротора 16 двигателя 14. Для обеспечения вращения ротора 16 двигателя 14 необходимо поддерживать угловую разницу между направлением вектора магнитной индукции якоря и направлением вектора магнитной индукции индуктора. Вектор магнитной индукции якоря создается током, протекающим по фазам статора 15. Направление, по которому будет протекать ток, определяется открытыми ключевыми элементами (8, 9, 10, 11, 12, 13). Например, если открыты первый 8 и четвертый 11 ключевые элементы, то ток от плюса источника питания будет протекать через первый ключевой элемент 8, через фазу А статора 15, через фазу В статора 15 и через четвертый ключевой элемент 11 к минусу источника питания. Вектор магнитной индукции якоря является суммой векторов магнитной индукции каждой фазы статора 15, по которой протекает ток. Направление вектора магнитной индукции фазы статора определяется по правилу «буравчика». При использовании двух фаз двигателя вектор магнитной индукции якоря будет дискретно поворачиваться на угол, равный 60-ти электрическим градусам. В том случае, если напротив датчика Холла (18, 19, 20) находится северный полюс магнита ротора 16, то на выходе датчика Холла (18, 19, 20) будет логическая единица. Если напротив датчика Холла (18, 19, 20) будет находиться южный полюс магнита ротора 16, то на выходе датчика Холла (18, 19, 20) будет логический ноль. С помощью трех датчиков Холла (18, 19, 20), которые фиксируют торцевые магнитные потоки ротора 16, можно определить направление вектора магнитной индукции ротора 16 и, тем самым, определить текущее положение ротора 16 двигателя 14 с точностью до 60 электрических градусов. На выходе датчиков Холла (18, 19, 20) присутствуют цифровые сигналы, которые поступают на вход устройства управления 6. Задачами устройства управления являются: обеспечение вращения ротора 16 двигателя 14 с заданной скоростью и в заданном направлении, равномерная загрузка ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 по току за период фазных напряжений, исключение протекания сквозных токов в стойках импульсного усилителя мощности 7, исключение протекания тока в нерабочей фазе двигателя для минимизации дополнительных потерь мощности, вызванных пульсациями тока, и возможность регулирования добротности. Первая задача решается с помощью сигналов о положении ротора 16 двигателя 14 и сигнала кода управления. Сигналы о положении ротора 16 двигателя 14 и знака кода управления определяют, какие ключевые элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13) должны быть открыты для формирования соответствующего вектора магнитной индукции статора 15. Сигнал модуля кода управления, преобразованный в широтно-импульсный сигнал, определяет продолжительность нахождения ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) в открытом состоянии для обеспечения контура протекания тока через фазы двигателя от положительного вывода источника питания к его отрицательному выводу. Сигнал знака противо-ЭДС вращения определяет с помощью двух верхних или двух нижних ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13), будет ли осуществляться отключение фаз двигателя от источника питания. С помощью сигнала знака противо-ЭДС реализуется равномерная загрузка ключевых элементов по току в течение периода фазных напряжений и исключается протекание тока в нерабочей фазе. Сквозные токи возникают вследствие разных по времени процессов включения и выключения ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13). Переключение ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) является следствием изменения значения широтно-импульсного сигнала (подключение или отключение фаз от источника питания) и изменения сигнала знака кода управления (реверсирование двигателя 14) при единичном значении широтно-импульсного сигнала. Исключение протекания сквозных токов в стойках импульсного усилителя мощности 7 осуществляется с помощью введения паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13). Длительность паузы должна быть больше, чем время рассасывания основных носителей в базе транзистора. Добротность устройства регулируется с помощью изменения периода широтно-импульсного сигнала, который является функцией разрядности модуля кода управления и времени поступления тактовых сигналов с генератора импульсов. Изменяя разрядность сигнала кода управления, можно грубо регулировать добротность. Для плавного регулирования добротности следует изменять частоту следования тактовых импульсов. Для выполнения поставленных задач использовался способ цифрового управления угловой скоростью вращения ротора трехфазного вентильного двигателя с учетом знака-ЭДС в нерабочей фазе. С целью реализации способа управления задают тактовый сигнал с помощью генератора импульсов. Задают цифровой сигнал кода управления произвольной разрядности. Например, цифровой сигнал кода управления, разрядность которого равна 8 (состоит из восьми нулей и/или единиц), будет иметь следующий вид 11010101. При этом, самый старший (левый) разряд считается знаком числа, а остальная часть - модулем числа. Т.е. знак равен 1, а модуль - 1010101. С помощью блока выделения сигналов модуля и знака 1 выделяют сигнал знака кода управления, который определяет желаемое направление вращения ротора 16 двигателя 14, и формирует сигнал модуля кода управления, который определяет желаемую скорость вращения ротора 16 двигателя 14. В блоке выделения сигналов модуля и знака 1 из цифрового сигнала кода управления выделяется самый старший (левый) разряд, который становится сигналом знака кода управления, и на основе значения сигнала знака кода управления формируется сигнал модуля кода управления. Например, если цифровой код управления представлен в форме прямого кода, то модуль проходит через блок выделения сигналов модуля и знака 1 без изменения (1.1010101→1.1010101), если в форме обратного кода, то при единичном значении сигнала знака кода управления инвертируются все разряды модуля (1.1010101→1.0101010), если в форме дополнительного кода, то при единичном значении сигнала знака кода управления помимо инверсии всех разрядов модуля к значению модуля добавляется единица (1.1010101→1.0101011). Блок выделения сигналов модуля и знака 1 может быть реализован с помощью блока элементов «Исключающее ИЛИ», на первый вход элементов поступает сигнал знака кода управления, а на вторые входы элементов поступают соответствующие разряды модуля сигнала кода управления. Выходом блока элементов «Исключающее ИЛИ» является цифровой сигнал модуля кода управления. Приведенный пример справедлив в том случае, если код управления подается в виде обратного цифрового кода. Формирование широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 происходит на основе значения модуля кода управления в блоке преобразователя код - широтно-импульсный сигнал. Блок преобразователя код - широтно-импульсный сигнал состоит из счетчика периода, счетчика работы и дополнительной логики. Время счета счетчика периода от максимально возможного значения (2-1, где n - число разрядов кода управления) до нуля определяет период широтно-импульсного сигнала управления. Т.е. при использовании восьми разрядов в сигнале кода управления период широтно-импульсного сигнала управления t=127×t, где t - период тактового сигнала. Время счета счетчика работы от текущего значения цифрового сигнала модуля кода управления до нуля определяет единичное значение широтно-импульсного сигнала управления. Запись максимального значения в счетчик периода и сигнала модуля кода управления в счетчик работы происходит синхронно. Дополнительная логика реализуется с помощью блока сравнения с нулем (>0) и элемента «И», которые позволяют поддерживать нулевое состояние (значение) счетчика работы в случае не максимального цифрового сигнала модуля кода управления до тех пор, пока значение счетчика периода не станет равным нулю. Т.е. начнется новый период широтно-импульсного сигнала и произойдет запись нового значения цифрового сигнала модуля кода управления в счетчик работы. Иллюстрация работы преобразователя код - широтно-импульсный сигнал представлена на фиг.9. Измерение сигналов о положении ротора 16 двигателя 14 осуществляется с помощью датчиков Холла (18, 19, 20), выходами которых являются цифровые сигналы. Задают цифровой сигнал разрядности кода управления в виде двоичного числа, значение которого определяет максимальное значение счетчика периода 24 широтно-импульсного сигнала и количество разрядов сигнала модуля кода управления, используемых для формирования широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14. Например, сигнал разрядности кода управления является семиразрядным двоичным числом 0011111. Это означает, что максимальное значение счетчика периода 24 будет равно 11111 и будут использоваться пять младших (правых) разрядов сигнала модуля кода управления для формирования широтно-импульсного сигнала. При максимальном значении разрядности кода управления период фронтального широтно-импульсного сигнала равен 127×t, а период центрированного широтно-импульсного сигнала равен 255×t. Период фронтального широтно-импульсного сигнала изменяется дискретно с шагом 2, где n - разрядность кода управления (фиг.10, а). При использовании центрированного широтно-импульсного сигнала период будет изменяться с шагом 2×2(фиг.10, в). Задают цифровой сигнал частоты прохождения тактового сигнала в виде двоичного числа, который определяет по какому тактовому сигналу будет меняться содержимое счетчика периода 24. Например, значение четырехразрядного цифрового сигнала частоты прохождения тактового сигнала равно 1010. Это означает, что значение счетчика периода 24 изменяется на единицу при прохождении каждого десятого импульса, поступающего с генератора импульсов. При значении цифрового сигнала частоты прохождения тактового сигнала 1001 проходит каждый девятый импульс (фиг.10, б и г). Прохождение каждого n-го тактового сигнала может быть реализовано с помощью делителя частоты 22, выход которого является тактовым сигналом счетчика периода 24 и счетчика работы 23. Изменение цифрового сигнала разрядности модуля кода управления позволяет грубо регулировать добротность системы, в то время как изменение цифрового сигнала частоты прохождения тактового сигнала позволяет плавно регулировать добротность системы. Общая формула периода широтно-импульсного сигнала имеет вид t=(2-1)×f×t, где f - частота прохождения тактового сигнала. Следовательно, формирование широтно-импульсного сигнала осуществляется на основе сигнала кода управления, сигнала разрядности кода управления, сигнала частоты прохождения тактового сигнала и самого тактового сигнала. В случае фронтального широтно-импульсного сигнала сигнал модуля кода управления записывается в счетчик работы 23 (фиг.9, а), а в случае центрированного широтно-импульсного сигнала значение сигнала модуля кода управления сравнивается с текущем значением счетчика периода (фиг.9, б). Формирование широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 можно реализовать с помощью блока элементов «И» 21, делителя частоты 22, счетчика работы 23, счетчика периода 24, первого блока сравнения с нулем (>0) 25, второго блока сравнения с нулем (=0) 26 и первого элемента «И» 27. Выход второго блока сравнения с нулем (=0) 26 является сигналом разрешения записи сигнала модуля кода управления в счетчик работы 23 и сигнала разрядности кода управления в счетчик периода 24. Задают цифровой сигнал длительности паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 в виде двоичного числа, значение которого определяет, сколько импульсов с генератора импульсов сигнал паузы будет находиться в активном состоянии (логическая «единица»). Введение сигналов паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 позволяет исключить протекание сквозных токов в стойках импульсного усилителя мощности 7. Формирование сигналов паузы происходит на основе сигнала знака кода управления и широтно-импульсного сигнала (фиг.4). Первый сигнал паузы становится активным, если произошло изменение сигнала знака кода управления и значение сигнала длительности паузы не равно нулю. Первый сигнал паузы можно реализовать с помощью первого триггера 28, первого элемента «Исключающее ИЛИ» 29, первого счетчика 30; третьего блока сравнения с нулем (>0) 31 и второго элемента «И» 32. С помощью первого триггеpa 28 осуществляется хранение предыдущего значения сигнала знака кода управления. Первый элемент «Исключающее ИЛИ» 29 позволяет фиксировать изменение значения сигнала знака кода управления. При изменении значения сигнала кода управления на выходе первого элемента «Исключающее ИЛИ» 29 будет логическая единица, которая разрешает запись сигнала длительности паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 в первый счетчик 30, активизируя, тем самым, работу первого счетчика 30. Во время работы первого счетчика 30 (пока его значение не станет равным нулю) на выходе третьего блока сравнения с нулем (>0) 31 будет логическая единица, которая, поступая на один из входов второго элемента «И» 32, разрешает проход тактового сигнала, поступающего с генератора импульсов на вход первого счетчика 30. Выходом третьего блока сравнения с нулем (>0) 31 является первый сигнал паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7. При появлении нуля на выходе первого счетчика 30 формируется логический ноль, на основе которого с помощью второго элемента «И» 32 блокируется подача тактового сигнала на тактовый вход первого счетчика 30. Следующая активизация работы первого счетчика 30 может произойти только при изменении значения сигнала знака кода управления. Второй сигнал паузы становится активным в том случае, если изменилось значение широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью ротора 16 двигателя 14 и значение сигнала длительности паузы не равно нулю (фиг.11). Второй сигнал паузы можно реализовать с помощью второго триггера 33, второго элемента «Исключающее ИЛИ» 34, второго счетчика 35, четвертого блока сравнения с нулем (>0) 36 и третьего элемента «И» 37. С помощью второго триггера 33 осуществляется хранение предыдущего значения широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора 16 двигателя 14. Второй элемент «Исключающее ИЛИ» 34 позволяет фиксировать изменение значения широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора 16 двигателя 14. При изменении значения широтно-импульсного сигнала управления угловой скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 на выходе второго элемента «Исключающее ИЛИ» 34 будет логическая единица, которая разрешает запись сигнала длительности паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 во второй счетчик 35, активизируя, тем самым, работу второго счетчика 35. Во время работы второго счетчика 35 (пока его значение не станет равным нулю) на выходе четвертого блока сравнения с нулем (>0) 36 будет логическая единица, которая, поступая на один из входов третьего элемента «И» 37, разрешает проход тактового сигнала, поступающего с генератора импульсов на тактовый вход второго счетчика 35. Выходом четвертого блока сравнения с нулем (>0) 36 является второй сигнал паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7. При появлении нуля на выходе второго счетчика 35 четвертый блок сравнения с нулем (>0) 36 формирует логический ноль, на основе которого с помощью третьего элемента «И» 37 блокируется подача тактового сигнала на тактовый вход второго счетчика 35. Следующее инициирование работы второго счетчика 35 может произойти только при изменении значения широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14. Измеряют сигналы напряжений на концах фаз относительно «земли» и передают их в блок формирования сигнала знака противо-ЭДС в нерабочей фазе 5, который на основе этих сигналов с учетом сигналов напряжения источника питания, широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14, сигналов о положении ротора 16 двигателя 14 и тактового сигнала формирует сигнал знака противо-ЭДС в нерабочей фазе. Использование при управлении сигнала знака противо-ЭДС в нерабочей фазе позволяет снизить дополнительные потери мощности, вызванные пульсациями тока в нерабочей фазе, и уменьшить пульсации электродвижущего момента. Блок формирования сигнала знака противо-ЭДС может быть реализован с помощью двух блоков: блока сравнения напряжений на концах фаз со значением напряжения питания, деленным на два, 45 и блока выделения знака противо-ЭДС в нерабочей фазе 46 (фиг.6). Блок сравнения напряжений на концах фаз со значением напряжения питания, деленным на два, 45 может быть реализован с помощью двух резисторов (47, 48) и трех компараторов (49, 50, 51). Два резистора (47, 48) с одинаковым сопротивлением используются для деления напряжения питания на два. Полученный сигнал подается на отрицательные входы компараторов (49, 50, 51), а на положительные входы поступают соответствующие сигналы напряжений на концах фаз. Если напряжение на конце фазы А относительно «земли» больше половины напряжения питания, то на выходе первого компаратора 49 будет логическая единица. В противном случае установится нулевое значение. То же самое утверждение справедливо для фазы В и второго компаратора 50, а также для фазы С и третьего компаратора 51. Выходами компараторов (49, 50, 51) являются цифровые сигналы сравнения напряжений на концах фаз, которые поступают в блок выделения знака противо-ЭДС в нерабочей фазе 46. Блок выделения знака противо-ЭДС 46 может быть реализован с помощью десяти элементов «НЕ» (52, 53, 55, 61, 63, 64, 70, 71, 73, 91), тринадцати элементов «И» (54, 56, 58, 60, 62, 65, 67, 69, 72, 74, 76, 78, 92), пяти элементов «ИЛИ» (57, 66, 75, 79, 87), трех элементов «Исключающее ИЛИ» (83, 85, 86), семи триггеров (59, 68, 77, 80, 81, 83, 85), счетчика 83 и схемы сравнения с нулем (>0) 89 (фиг.8). Блоки 52, 53, 54, 55, 56 и 57 предназначены для определения интервалов времени, когда фаза А неактивная. В том случае, если фаза А неактивная, то на выходе первого элемента «ИЛИ» 57 присутствует логическая единица. В противном случае - логический ноль. С помощью шестого элемента «И» 58 в моменты, когда фаза А неактивная, осуществляется подача широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 на тактовый вход девятого триггера 59. При поступлении переднего фронта сигнала с выхода шестого элемента «И» 58 на тактовый вход девятого триггера 59 происходит запись сигнала сравнения напряжения на конце фазы А относительно «земли» с половинным значением источника питания. Выход девятого триггера 59 связан со вторым входом седьмого элемента «И» 60, на первый вход которого поступает сигнал активности фазы А с выхода первого элемента «ИЛИ» 57. Седьмой элемент «И» 60 предназначен для пропуска значения, записанного в девятый триггер 59, только в том случае, если фаза А неактивная. При активной фазе А на выходе седьмого элемента «И» 60 будет логический ноль. Блоки 61, 62, 63, 64, 65 и 66 служат для определения интервалов времени, когда фаза В неактивная. В случае неактивной фазы В на выходе второго элемента «ИЛИ» 66 будет логическая единица. Иначе - логический ноль. С помощью десятого элемента «И» 67 в моменты, когда фаза В неактивная, осуществляется подача широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 на тактовый вход десятого триггера 68. При поступлении переднего фронта сигнала с выхода десятого элемента «И» 67 на тактовый вход десятого триггера 68 происходит запись сигнала сравнения напряжения на конце фазы В относительно «земли» с половинным значением источника питания. Одиннадцатый элемент «И» 69 предназначен для пропуска значения, записанного в десятый триггер 68, только в том случае, если фаза В неактивная. При активной фазе В на выходе одиннадцатого элемента «И» 69 будет логический ноль. Блоки 70, 71, 72, 73, 74 и 75 предназначены для определения интервалов времени, когда фаза С неактивная. В случае неактивной фазы С на выходе третьего элемента «ИЛИ» 75 будет логическая единица. В противном случае - логический ноль. С помощью четырнадцатого элемента «И» 76 в моменты, когда фаза С неактивная, осуществляется подача широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 на тактовый вход одиннадцатого триггера 77. При поступлении переднего фронта сигнала с выхода четырнадцатого элемента «И» 76 на тактовый вход одиннадцатого триггера 77 происходит запись сигнала сравнения напряжения на конце фазы С относительно «земли» с половинным значением источника питания. Пятнадцатый элемент «И» 78 служит для пропуска значения, записанного в одиннадцатый триггер 77, только в том случае, если фаза С неактивная. При активной фазе С на выходе пятнадцатого элемента «И» 78 будет логический ноль. Четвертый элемент «ИЛИ» 79 предназначен для объединения сигналов, поступающих с выходов седьмого элемента «И» 60, одиннадцатого элемента «И» 69 и пятнадцатого элемента «И» 78, так как в любой момент времени одна из фаз является неактивной. Выход четвертого элемента «ИЛИ» 79 подается на информационный вход двенадцатого триггера 80, на тактовый вход которого поступает широтно-импульсный сигнал управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14. Чтобы избежать дополнительных пульсаций тока в нерабочей фазе при смене межкоммутационного интервала, когда ток в одной фазе спадает до «нуля», а в другой фазе возрастает до соответствующего моменту нагрузки значения, необходимо пропускать от одного до двух периодов широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14, т.е. не подавать широтно-импульсный сигнал управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 в течение этого промежутка времени на тактовый вход двенадцатого триггера 80. Пропуск широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 может быть реализован с помощью блоков 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 и 90. При помощи тринадцатого триггера 81, на информационный вход которого подается сигнал активности фазы А, а на тактовый - тактовый сигнал с генератора импульсов, и третьего элемента «Исключающее ИЛИ» 82, на входы которого подаются текущий и задержанный на один такт сигнал активности фазы А, определяется момент, когда фаза А меняет свое состояние, т.е. переходит из активного состояния в неактивное, или наоборот. С помощью четырнадцатого триггера 83, на информационный вход которого подается сигнал активности фазы С, а на тактовый - тактовый сигнал с генератора импульсов, и четвертого элемента «Исключающее ИЛИ» 84, на вход которого подаются текущий и задержанный на один такт сигнал активности фазы С, определяется момент, когда фаза С меняет свое состояние, т.е. переходит из активного состояния в неактивное, или наоборот. Выходы третьего элемента «Исключающее ИЛИ» 82 и четвертого элемента «Исключающее ИЛИ» 84 поступают на вход пятого элемента «ИЛИ», выходом которого является сигнал смены активности фаз. Данная схема учитывает смену состояния не только фаз А и С, но и в фазы В. При изменении состояния фазы двигателя 14 на выходе пятого элемента «ИЛИ» будет логическая единица, которая записывает в третий счетчик 86 модуль счета, равный двум, запуская, тем самым, третий счетчик 86. Во время работы третьего счетчика 86 (пока его значение не станет равным нулю) на выходе пятого блока сравнения с нулем (>0) 87 будет логическая единица, которая, поступая на один из входов шестнадцатого элемента «И» 88, разрешает подачу широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 на тактовый вход счетчика 86. Выход пятого блока сравнения с нулем (>0) 87, проходя через десятый элемент «НЕ», поступает на один из входов семнадцатого элемента «И» 90. В случае нулевого значения этого сигнала, который имеет место при работе третьего счетчика 86, широтно-импульсный сигнал управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14 не поступает на тактовый вход двенадцатого триггера 80. Корректирование сигналов управления ключевыми элементами (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 происходит на основе сигналов о положении ротора 16 двигателя 14, поступающих с датчика положения ротора 17, сигнала знака кода управления, широтно-импульсного сигнала управления скоростью вращения ротора 16 двигателя 14, сигналов паузы при включении ключевых элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 и сформированного сигнала знака противо-ЭДС в нерабочей фазе двигателя. Блок формирования сигналов управления ключевыми элементами (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7 может быть реализован с помощью программируемой логической матрицы (38) и шести триггеров (39, 40, 41, 42, 43, 44) на выходе (фиг.5). На фиг.12 изображена временная диаграмма, отражающая частный случай скорректированных сигналов управления ключевыми элементами (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности 7. На фиг.13 представлены эпюры фазных напряжений относительно «земли». На фиг.14 показаны фазные токи для частного случая скорректированных сигналов управления ключевыми элементами (8, 9, 10, 11, 12, 13) импульсного усилителя мощности. На фиг.15 изображены механические характеристики, регулировочные характеристики, потребляемая мощность, полезная мощность, КПД и дополнительные потери мощности для частного случая скорректированных сигналов управления ключевыми элементами (8, 9, 10, 11, 12, 13).
Изобретательский уровень предложенного технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении дополнительных потерь мощности, что приводит к увеличению времени работы устройства в автономном режиме.
Литература
1. Rafael S. Lopez. Patent 6,323,609 B1. Alternate high-side/low-side pwm operation of brushless motors.
2. Кривилев А.В. Патент 2183031. Способ цифрового управления угловой скоростью трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока.