Коммутатор привода антенного устройства беспилотного летательного аппарата

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к управлению или регулированию электрических двигателей и к электронным коммутаторам. Полезная модель может быть использована для управления двигателями привода антенного устройства (АУ) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и прочих электрических приводов антенн и других двухосных механизмов.
За прототип выбран патент №2408127, 2010 г., МПК7 Н02К 29/08, Н02Р 6/14, Н02Р 6/16, «БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА», опубликовано 27.12.2010 г. Бюл. №36.
Устройство - прототип содержит, в том числе, электронный коммутатор, выполненный по однотактной схеме на биполярных или полевых транзисторах.
Устройство - прототип для использования в приводе АУ имеет следующие недостатки.
1. Отсутствие стабилизации момента от изменения напряжения источника бортового питания.
2. Недостаточная точность позиционирования ротора двигателя.
Решаемой задачей является:
Обеспечение стабилизации момента и скорости вращения двигателей по осям азимут и угол/место, от изменения напряжения питания.
Указанный результат достигается за счет использования генератора управляемого напряжением (ГУН), который меняет свою характеристику в зависимости от напряжения бортовой сети для формирования сигналов возбуждения двигателей АУ. При уменьшении напряжения бортовой сети линейно увеличивается частота возбуждения, тем самым компенсируется падение тока через обмотки двигателей.
Датчик Холла, используемый в прототипе, фиксирует факт изменения магнитного поля ротора двигателя, но не позволяет определить положения ротора, в произвольном положении вала.
За счет внедрения индукционных датчиков положения (ИДП) появилась возможность отслеживать абсолютное значения положение ротора. ИДП предназначены для преобразования угла поворота ротора в электрическое напряжение, амплитудно-фазовая характеристика которого пропорциональна углу поворота.
Регулировка скорости обеспечивается за счет подачи импульсов соответствующей длительности и полярности микроконтроллером (МК) на обмотки управления двигателей. Обратную связь, а именно, скорость и положение ротора обеспечивает ИДП.
Сущность полезной модели заключается в том, что коммутатор привода АУ БПЛА содержащий, по меньшей мере, восемь транзисторных ключей (ТК), первый и второй ИДП, а также ГУН, формирователь сигналов возбуждения (ФСВ), МК, первый, второй, третий и четвертый оптический изоляторы (ОИ), а также первый, второй, третий и четвертый драйверы полумоста (ДП), первый и второй источники питания (ИП), средняя точка питания, в виде двух последовательно соединенных конденсаторов подключенных между первым и вторым выходом БС.
Сущность заявляемого устройства поясняется также функциональной схемой коммутатора, приведенной на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1. ГУН на биполярных p-n-р и n-p-n транзисторах ВС857В, ВС847В фирмы NXP Semiconductor
2. четвертый ОИ сигнала ГУН, фирма Avago Technologies HCPL-063L
3. ФСВ выполнен на интегральных микросхемах (ИМС): счетчик К133ИЕ5 и D триггер К133ТМ2, логический 3ИЛИ-НЕ К133ЛЕ3 и два логических 2ИЛИ-НЕ К133ЛЕ1, все ИМС фирмы АО "Интеграл"
4. источник питания БС +В1
5. первый ИП +В2, фирма Traco Power TEN5-24116. второй ИП +В3, фирма Traco Power TSM0512S
7. МК, фирма Silicon laboratories C8051F120
8. второй ОИ сигналов управления первого двигателя, фирма Avago Technologies HCPL-063L
9. первый ОИ сигналов возбуждения первого и второго двигателя, фирма Avago Technologies HCPL-063L
10. третий ОИ сигналов управления второго двигателя, фирма Avago Technologies HCPL-063L
11. третий ДП пятого и шестого ТК, фирма ST Microelectronics L6387E
12. первый ДП первого и второго ТК, фирма ST Microelectronics L6387E
13. второй ДП третьего и четвертого ТК, фирма ST Microelectronics L6387E
14. четвертый ДП седьмого и восьмого ТК, фирма ST Microelectronics L6387E
15. пятый ТК управления первого двигателя (положительный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
16. шестой ТК управления первого двигателя (отрицательный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
17. первый ТК обмотки возбуждения первого двигателя (положительный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
18. второй ТК обмотки возбуждения первого двигателя (отрицательный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
19. третий ТК обмотки возбуждения второго двигателя (положительный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
20. четвертый ТК обмотки возбуждения второго двигателя (отрицательный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
21. седьмой ТК управления второго двигателя (положительный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
22. восьмой ТК управления второго двигателя (отрицательный потенциал), фирма International Rectifier IRFS7730PBF
23. первый асинхронный двигатель (АД) привода АУ, ось азимута, АДП-024, фирма АО АПЗ "Завод Ротор"
24. второй АД привода АУ, ось угол/место, АДП-024, фирма АО АПЗ "Завод Ротор"
25. первый ИДП привода оси азимута, БИФ-112, фирма АО "Завод Фиолент"
26. второй ИДП привода оси угол/место, БИФ-112, фирма АО "Завод Фиолент"
27. первый конденсатор, фирма Vishay STE3300-30T4MI
28. второй конденсатор, фирма Vishay STE3300-30T4MI
Коммутатор привода АУ БПЛА комбинированный, он состоит из одного коммутатора обмоток возбуждения обоих двигателей мостового типа и двух коммутаторов полумостового типа для обмоток управления каждого двигателя соответственно. Каждый коммутатор имеет раздельные входы управления положительным и отрицательным ключом. В модели реализовано две петли стабилизации момента вращения: основная аппаратная, состоящая из ГУН 1 и ФСВ 3, и дополнительная состоящая из МК 7, первого и второго датчиков ИДП 25, 26.
Особенность построения схемы состоит в том, что для поддержания момента двигателей при изменении напряжения питания, в пределах от 20 до 32 В, стабилизация производится автоматически аппаратными средствами. Схема работает следующим образом, ГУН 1 формирует опорный сигнал возбуждения частотой 6400 Гц, при номинальном напряжении питания 24 В. Частота опорного сигнала имеет линейную зависимость от изменения напряжения питания. При увеличении напряжения - частота уменьшается. Далее опорный сигнал через устройство гальванической изоляции ОИ 2 поступает на ФСВ 3, который содержит: двоичный счетчик СТ2, D - триггер и устройство формирования паузы сигналов, выполненное на базе логического элемента 3ИЛИ-НЕ и двух элементов 2ИЛИ-НЕ.
Общий коэффициент деления опорного сигнала - 16, что обеспечивает при номинальном напряжении питания частоту переключения обмоток возбуждения 400 Гц. Стабилизация момента двигателя производится изменением частоты переключения обмоток возбуждения. Эта схема автоматически формирует защитную паузу необходимую для обеспечения оптимальной работы четырех ТК 17, 18, 19, 20 при коммутации индуктивной нагрузки прямоугольными импульсами.
Скорость и направление вращения двигателя задается МК 7 по сигналам внешнего управления. Дополнительная стабилизация скорости перемещения и линейности привода, а также информация о положении АУ обеспечивается обратной связью - сигналами с первого ИДП 25 и второго ИДП 26 типа БИФ-112, которые кинематически связаны с роторами двигателей. Благодаря применению двух ИДП 25, 26 вместо датчиков Холла, появляется возможность отслеживать точное положение вала в произвольный момент времени. ИДП 25, 26 выполняют роль датчиков положения ротора двигателя и представляют собой трехобмоточный вращающийся трансформатор, на первичную обмотку которого, подается синусоидальное опорное напряжение, на вторичных обмотках формируются синусно-косинусное напряжение, пропорциональное положению ротора.
Для работы асинхронных двигателей переменного тока необходимо создать переменное магнитное поле в обмотках возбуждения. Для оптимизации схемы, обмотки с рабочим напряжением 12 Вольт соединены последовательно и включены в диагональ моста коммутатора на четырех МОП ТК 17, 18, 19, 20. Частота переключения коммутатора 400 Гц. Сигналы в цепях управления двигателей сдвинуты относительно сигналов в цепи возбуждения на 90 электрических градусов. Направление вращения и мощность на валу двигателей зависит от фазы и длительности импульсов в цепи управления, соответствующего двигателя. Для фиксации ротора двигателя на обмотки управления поочередно поступают взаимно обратные импульсы, положение ротора определяется соответствующим ИДП и корректируется МК 7. Ток в управляющие обмотки двигателей поступает с полумоста соответствующего коммутатора. Для согласования рабочего напряжения обмоток двигателя (12 В) и напряжения бортовой сети (24 В). Четвертые выводы двигателей (вторые выводы обмоток управления) подключены к формирователю средней точки питания (1/2 напряжения питания), выполненной на конденсаторах 27 и 28. Конденсаторы имеют одинаковую емкость, достаточную для поддержания тока в обмотках в течение периода частоты сигналов управления. Конденсаторы 27 и 28 выбираются с возможно малым током утечки.
Первый ИП 5*, с выходным напряжением 5 В (+В2), обеспечивает питание четырех элементов гальванической изоляции ОИ 2, 8, 9, 10, МК 7 и является первичным ИП для второго ИП 6. Второй ИП 6* (+В3), с выходным напряжением 12 В, обеспечивает питание четырех ДП 11, 12, 13, 14, формирующих токи затворов восьми МОП ТК 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. ТК имеют встроенные силовые диоды, защищающие от выбросов, возникающих при коммутации индуктивной нагрузки. Бортовой источник питания на структурной схеме обозначен БС.Формирователь половины питания (средняя точка питания) выполнен на конденсаторах 27 и 28. Асинхронные двигатели типа АДП-024 обозначены на схеме АД 23 и АД 24.
* Соединения на схеме не показаны.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой, где приняты следующие обозначения:
ГУН 1 предназначен для выработки частоты возбуждения. При этом выходная частота ГУН 6400 Гц при напряжении 24 В, при напряжении 20 В - частота 8500 Гц, при напряжении 28 - частота 5000 Гц. ГУН 1 представляет собой электронный генератор, выполненный на биполярных p-n-р и n-p-n транзисторах ВС857 В, ВС847В фирмы NXP Semiconductors.
Четвертый ОИ 2 выполняет роль изолятора цепей ГУН 1 от логических цепей ФСВ 3. Микросхема имеет двухканальное исполнение HCPL-063L, фирма Avago Technologies.
ФСВ 3 служит для формирования сигнала возбуждения двигателей АД 23 и АД 24, а также сигналов «Синхр.» и «Фаза», которые служат для синхронизации момента и определения МК 7 текущей фазы сигнала, а также формирует защитную паузу. ФСВ выполнен на ИМС: счетчик К133ИЕ5 и D триггер К133ТМ2, логический 3ИЛИ-НЕ К133ЛЕ3 и два логических 2ИЛИ-НЕ К133ЛЕ1, все ИМС фирмы АО "Интеграл".
Первый, третий, пятый и седьмой ТК 17, 19, 15, 21 коммутируют положительный потенциал напряжения питания бортовой сети +В1 на обмотки возбуждения и управления первого и второго АД 23, 24. В свою очередь второй, четвертый, шестой и восьмой ТК 18, 20, 16, 22 коммутируют отрицательный потенциал на обмотки возбуждения и управления первого и второго двигателей АД 23, 24. ТК представляют собой МОП транзисторы IRFS7730PBF фирмы International Rectifier. Первый ИП 5 формирует необходимое напряжение питания четырех ОИ 2, 8, 9, 10 из напряжения БС. Второй ИП 6 формирует необходимое напряжение питания четырех ДП 11, 12, 13, 14 из напряжения первого ИП 5. Первый ИП 5 представляет собой понижающий, а второй ИП 6 повышающий, гальванически развязанный преобразователь напряжения постоянного тока, TEN5-2411 и TSM0512S соответственно. Изготовитель - Traco Power.
МК 7 формирует сигналы управления обмотками двигателей АД 23 и АД 24, на основании сигналов, поступивших с датчиков ИДП 25 и ИДП 26, а также на основании сигналов «Синхр.» и «Фаза». Через вход «Внешн. упр.» происходит обмен командами и данными с внешним устройством управления. МК представляет собой микроконтроллер C8051F120 фирмы Silicon Laboratories.
Первый, второй и третий ОИ 8, 9, 10, обеспечивают гальваническую изоляцию ФСВ 3 и МК 7 от четырех ДП 11, 12, 13, 14. ОИ реализованы на микросхемах HCPL-063L, фирма Avago Technologies.
ДП - управляют ключами по мостовым (ДП 12, ДП 13) и полумостовым (ДП 11, ДП 14) схемам включения. И представляет собой драйвер полумоста, выполненный в корпусе SO-8, содержащий триггеры Шмидта и схему блокировки питания при пониженном напряжении, фирмы ST Microelectronics L6387E.Напряжение бортовой сети поступает первый, третий, пятый и седьмой ТК 17, 19, 15, 21 и ГУН 1, где с учетом входного напряжения питания формируется опорный сигнал с частотой 6400 Гц, при номинальном напряжении питания 24 В. Выходная частота имеет линейную зависимость от изменения напряжения питания. При уменьшении напряжения питания - частота увеличивается. Далее выходной сигнал ГУН 1 через устройство гальванической изоляции поступает на ФСВ 3, где входная частота делится двоичным счетчиком СТ2 на 8, далее через элемент 3ИЛИ-НЕ поступает на D - триггер и делится на 2. Общий коэффициент деления - 16. D - триггер имеет два выхода, на которых формируются два взаимно инверсных сигнала возбуждения. Для обеспечения режима токовой паузы, при переключении обмоток, используется схема формирователя паузы, выполненная из двух элементов 2ИЛИ-НЕ, на выходе которых формируются два противофазных сигнала возбуждения, которые поступают через первый оптоизолятор ОИ 9 на первый и второй ДП 12 и ДП 13 соответственно, и далее на четыре МОП ТК 17, 18, 19, 20, включенных по мостовой схеме, в диагональ моста которых включены последовательно обмотки возбуждения двигателей АД 23 и АД 24. Сигналы в цепях управления двигателя сдвинуты относительно сигнала в цепи возбуждения на 90 электрических градусов. Направление вращения и мощность на валу двигателей зависит от фазы, и длительности импульсов в цепи обмотки управления соответствующего двигателя. Для синхронизации этого сдвига на МК 7 поступают сигналы "Синхр." и "Фаза" с формирователя ФСВ 3.
Сигналы управления двигателями формирует МК 7 в зависимости от текущего режима, внешних команд и сигналов синхронизации. Сигналы управления первым двигателем АД 23 поступают с МК 7 через второй оптический изолятор ОИ 8, третий ДП 11, пятый и шестой МОП ТК 15, 16 на обмотку управления двигателя. Второй вывод обмотки подключен к средней точке питания, выполненной на конденсаторах 27 и 28 в связи с тем, что рабочее напряжение обмотки управления двигателей 12 В, а напряжение бортовой цепи - 24 В. Сигналы управления вторым двигателем АД 24 поступают с МК 7 через третий оптический изолятор ОИ 10, четвертый ДП 14, седьмой и восьмой МОП ТК 21, 22 на обмотку управления двигателя. Второй вывод обмотки подключен к средней точке питания.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно путем введения в конструкцию генератора управляемого напряжением, формирователя сигналов возбуждения, четырех драйверов полумоста и двух индукционных датчиков, двух конденсаторов образующих среднюю точку питания, а также микроконтроллера. Представленное описание и функциональная схема заявляемого устройства позволяют, применяя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные радиоэлектронные изделия, и компоненты изготовить его промышленным способом и использовать в системах бортовых радиолокационных станций беспилотных летательных аппаратов.