Сервоконтроллер

Полезная модель относится к интеллектуальному устройству, обеспечивающему управление или регулирование работы маломощных электродвигателей различного типа, а именно синхронных двигателей с постоянными магнитами, вентильных двигателей, двигателей постоянного тока с требуемой точностью путем заданий и цифровых команд.
Из патента РФ № 2531360 [МПК H02P8/40, опубл. 27.11.2013] известен контроллер шагового двигателя. Устройство интересно тем, что может быть использовано для управления более чем одним шаговым двигателем одновременно. Техническим результатом является снижение количества микроконтроллеров для управления множеством шаговых двигателей. Устройство управления множеством шаговых двигателей с помощью одного набора выходов микроконтроллера использует демультиплексор, чтобы разделить один набор выходов микроконтроллера на индивидуальные управляющие сигналы для множества шаговых двигателей. Дополнительно в состав устройства входит ШИМ-модулятор, расположенный между упомянутым микроконтроллером и входом демультиплексора.
К недостаткам устройства следует отнести узкий температурный диапазон эксплуатации, отсутствие рекуперации энергии торможения двигателей, защиты от короткого замыкания, наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов.
Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются наличие микроконтроллера и ШИМ-модулятора.
Контроллер для управления электрическим исполнительным механизмом [Патент РФ №127962, МПК G06F9/00, Опубл. 10.05.2013] относится к исполнительным механизмам и приводам, содержит электронные компоненты, в состав которых входят бесконтактный однооборотный или многооборотный датчик положения выходного вала исполнительного механизма, датчик крутящего момента, выполненные на эффекте Холла, блок управления электродвигателем, выполненный по схеме преобразователя частоты, блок центрального процессора, предназначенный для реализации алгоритма управления и защиты механизма, обеспечения хранения и индикации параметров и состояния механизма, обмена данными с устройствами верхнего уровня, узел сопряжения для подключения к внешним управляющим устройствам, блок токовой защиты, обеспечивающий защиту контроллера от токовых перегрузок, блок питания. В состав контроллера так же входят управляемый центральным процессором нагревательный элемент, блок контроля температуры внутреннего пространства обеспечивающий предварительный прогрев внутреннего пространства контроллера до температуры допустимой для электронных компонентов при более низкой температуре окружающей среды (до минус 60°С).
К достоинствам контроллера следует отнести наличие блока токовой защиты и блока контроля температуры внутреннего пространства, обеспечивающего работу устройства при отрицательных температурах окружающей среды до минус 60°С.
Недостатком является отсутствие возможности цифрового управления маломощными электродвигателями различного типа, наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов.
К общим с заявляемым устройством существенным признакам относится наличие блока центрального процессора, блока токовой защиты, обеспечивающий защиту контроллера от токовых перегрузок, блока питания, блока предварительного прогрева внутреннего пространства.
Известен современный интеллектуальный сервопривод малой мощности [В.Ф. Козаченко, Н.А. Обухов, А.А. Жарков, Д.В. Ткаченко, Д.И. Савкин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2010. – № 3-2. – С. 41-48] для управления широким классом двигателей малой мощности: 2-х и 3-х фазными шаговыми магнитоэлектрическими, индукторными и реактивными двигателями; вентильными двигателями со встроенными датчиками положения ротора (на элементах Холла или с «квадратурными выходами»). Блок состоит из 3-х модулей: контроллера, силового модуля, модуля расширения. Модуль контроллера конструктивно объединен в одну «материнскую плату» с модулем вторичных источников питания. К материнской плате подключена через соответствующие разъемы плата силового модуля и плата расширения. Микроконтроллер обеспечивает оптимальный интерфейс с силовыми ключами, поддерживая режимы синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции для мостовых инверторов, а также прямой цифровой интерфейс с датчиками положения, - импульсными и датчиками на элементах Холла. Программное обеспечение блока управления имеет два уровня: нижний, уровень центрального процессора сервопривода и верхний, - уровень персонального компьютера, обеспечивающий параметрирование блока, управление в реальном времени и мониторинг динамических процессов в реальном времени.
К недостаткам устройства следует отнести узкий температурный диапазон эксплуатации, отсутствие рекуперации энергии торможения двигателей, наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов.
Общими существенными признаками с заявляемым устройством является наличие микроконтроллера, силового модуля, блока управления, вторичного источника питания, управляющего программного обеспечения.
Известен универсальный сервоконтроллер AC-SERVO-200 [Control Engineering, Россия, Июнь 2018], (прототип) представляющий собой свободно-программируемое устройство, предназначенное для управления синхронными электродвигателями и бесколлекорными электродвигателями с постоянными магнитами. Сервоконтроллер состоит из радиатора, корпуса с нанесённой информацией о разъемах и двух плат, к которым подключаются разъемы. Аппаратная часть сервоконтроллера состоит из двух плат — процессорной и силовой, размещенных в едином корпусе. Нижняя плата силовая, верхняя процессорная. Платы установлены на стойки. Процессорная плата содержит периферию, необходимую для связи с силовой платой, интерфейс для программирования микроконтроллера, дискретные входы/выходы и каналы подключения внешних датчиков положения. В состав силовой платы входят силовые ключи с драйверами, источник питания собственных нужд, а также набор разъемов для подключения клемм электродвигателя. Для обеспечения управления большим количеством типов двигателей сервоконтроллер поддерживает такие датчики обратной связи, как инкрементальный энкодер для получения сигнала скорости вращения с вала электродвигателя или выходного вала механизма, внешний абсолютный энкодер с интерфейсом SSI, который может быть установлен на выходном валу рабочего органа. Контроллер имеет два уровня защит на аппаратном и программном уровне. Аппаратные защиты включают защиту силовых ключей инвертора от сквозного тока и защиту от короткого замыкания. Программные защиты осуществляют охрану от превышения тока нагрузки, силовых ключей от перенапряжений в звене постоянного тока, от перегрева, от пониженного напряжения силового питания, от обрыва фаз силовой сети или чрезмерного понижения напряжения сети, от обрыва одной или нескольких фаз электродвигателя. Для утилизации излишков генерируемой энергии в AC-Servo-200 предусмотрена рекуперация генерируемой электродвигателем при торможении энергии, которая поступает в аккумуляторные батареи для питания сервоконтроллера.
Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются: размещенные на стойках в едином корпусе с радиатором силовая и управляющая платы,
на которых соответственно расположены: на силовой плате силовые полупроводниковые ключи, емкостный фильтр и источник питания собственных нужд, построенный на импульсном трансформаторе, полевом транзисторе и контроллере широтно-импульсной модуляции, а на управляющей плате микроконтроллер, обеспечивающий прямое цифровое управление силовыми ключами в режиме широтно-импульсной модуляции, с программным обеспечением, реализующим настройки режимов работы сервоконтроллера, алгоритмы управления электродвигателем и алгоритмы формирования траектории позиционирования электродвигателя, блок защиты, обеспечивающий защиту силовых ключей от короткого замыкания, максимального и сквозного тока, защиту от снижения или отсутствия напряжения питания, а также защиту от перегрева, блок рекуперации, блок преобразования сигналов, а также программное обеспечение, реализующее настройки режимов работы сервоконтроллера, алгоритмы управления и формирования траектории позиционирования электродвигателя. К силовой плате подводится питание от источника постоянного тока и подключается электродвигатель. К управляющей плате через блок преобразования сигналов подключены цифровые и аналоговые входы и выходы.
Недостатками прототипа является:
– узкий температурный диапазон эксплуатации в области отрицательных температур (не ниже минус 10°С), сильно сужающий область возможных применений;
– наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов непредсказуемой периодичности, вызывающих нарушения в работе контуров управления;
– отсутствие защиты от ошибочного подключения питания инверсной полярности.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в реализации устройства, обладающего расширенной областью возможных применений, включая районы крайнего севера, обеспечивающего выполнение современных требований к работоспособности и энергетической эффективности.
Техническим результатом полезной модели является расширение арсенала сервоконтроллеров
Технический результат достигается тем, что в сервоконтроллере, содержащем размещенные на стойках в едином корпусе с радиатором силовую и управляющую платы, на которых соответственно расположены силовая часть, включающая в себя силовые полупроводниковые ключи, блок рекуперации, емкостный фильтр и источник питания собственных нужд, построенный на импульсном трансформаторе, полевом транзисторе и контроллере широтно-импульсной модуляции, интерфейсы для подачи питания от источника постоянного тока и подключения управляемого электродвигателя, и управляющая часть, включающая микроконтроллер, обеспечивающий прямое цифровое управление силовыми ключами в режиме широтно-импульсной модуляции, с программным обеспечением, реализующим настройки режимов работы сервоконтроллера, алгоритмы управления электродвигателем и алгоритмы формирования траектории позиционирования электродвигателя, блок программной защиты, обеспечивающий защиту силовых ключей от короткого замыкания, максимального и сквозного тока, защиту от снижения или отсутствия напряжения питания, защиту от перегрева, а также, цифровые и аналоговые входы и выходы, подключенные через блок преобразования сигналов к микроконтроллеру, дополнительно расположен блок предварительного подогрева, входы питания которого подключены к выходам емкостного фильтра силовой платы, состоящий из резисторов, распределенных по поверхности обеих плат, и включенных каскадно полевых транзисторов, при этом к затвору полевого транзистора входного каскада подключен управляющий сигнал от микроконтроллера.
Блок рекуперации, расположенный на силовой плате и подключенный ко входу сигнала от источника питания постоянного тока, выполнен с возможностью зашиты от неверной полярности подключения питания и состоит из двух полевых транзисторов, внутренний диод одного из которых подключен катодом к клемме отрицательной полярности, а второй, включен как шунт первого, при этом к затвору второго транзистора подключен управляющий сигнал от микроконтроллера. Ко входу синхронизации контроллера широтно-импульсной модуляции источника питания собственных нужд подключен управляющий сигнал от микроконтроллера.
В заявляемой полезной модели реализован блок предварительного подогрева, конструктивно состоящий из резисторов, распределенных по поверхности печатных плат, выделяющих тепловую мощность и нагревающих все компоненты устройства в момент подключения питания, а также при охлаждении ниже устанавливаемого программным образом порога, отключаемый по команде микроконтроллера при достижении внутри защитного кожуха температуры в пределах заданного диапазона, что позволяет обеспечить работоспособность при отрицательных температурах окружающего воздуха начиная от минус 60°С.
Подключение питания к силовой плате осуществляется через управляемый от микроконтроллера блок рекуперации, выполненный с возможностью зашиты от обратной полярности подключения питания. Блок построен на основе полевого транзистора с изолированным затвором, за счет которого организуется возможность контролируемого двустороннего перетока энергии между силовой частью и источником постоянного тока, что позволяет реализовать одновременно защиту от ошибочного подключения питания инверсной полярности и рекуперацию энергии.
На вход синхронизации контроллера широтно-импульсной модуляции источника питания собственных нужд подаются тактирующие импульсы от микроконтроллера, обеспечивающие синхронизацию относительного расположения фронтов импульсов тактовых сигналов микроконтроллера и источника питания собственных нужд, за счет чего стабилизируется периодичность внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании настолько, что данные помехи могут быть скомпенсированы программными средствами.
Полезная модель поясняется следующими рисунками.
На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого устройства.
На фиг.2 показан фрагмент реализации электрической схемы заявляемого устройства, относящийся к блоку защиты и рекуперации.
На фиг.3 показан фрагмент реализации электрической схемы заявляемого устройства, относящийся к источнику питания собственных нужд.
На фиг.4 показан фрагмент реализации электрической схемы заявляемого устройства, относящийся к блоку предварительного подогрева.
Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит силовую 1 и управляющую 2 платы, конструктивно размещенные на стойках в едином корпусе с радиатором охлаждения под защитным кожухом 3. В силовой плате 1 предусмотрено наличие подключения к источнику питания постоянного тока через блок рекуперации 4 и к электродвигателю через силовые полупроводниковые ключи 5. Выходы блока рекуперации 4 подключены к силовым полупроводниковым ключам 5 через ёмкостный фильтр 6. В состав силовой платы входит также источник питания собственных нужд (СН) 7, входы питания которого подключены к выходам емкостного фильтра 6, а выход к управляющей плате 2. Управляющая плата 2 содержит микроконтроллер 8, выходы сигнала широтно-импульсной модуляции которого связаны с силовыми полупроводниковыми ключами 5, блок программной защиты 9, связанный как с силовой платой 1, так и с микроконтроллером 8, блок преобразования сигналов 10, через который к микроконтроллеру 8 предусмотрено подключение цифровых интерфейсов связи, цифровых и аналоговых входов и выходов. Внутри защитного кожуха 3 расположен блок предварительного подогрева (БПП) 11, входы питания которого подключены к выходам емкостного фильтра 6. Блок рекуперации 4, источник питания собственных нужд 7 и блок предварительного подогрева 11 связаны с микроконтроллером 8 управляющими сигналами 12, 13 и 14 соответственно.
Блок рекуперации 4 (фиг. 2) построен на полевом транзисторе 15, внутренний диод которого подключен катодом к клемме отрицательной полярности, и полевом транзисторе 16, к затвору которого подключен управляющий сигнал 12 от микроконтроллера 8, включенном в цепь затвора полевого транзистора 15.
Источник питания собственных нужд 7 (фиг. 3) построен на импульсном трансформаторе 17, полевом транзисторе 18 и контроллере широтно-импульсной модуляции 19, ко входу синхронизации которого подключен управляющий сигнал 13 от микроконтроллера 8.
Блок предварительного подогрева 11 (фиг. 4) построен на блоке резисторов 20, конструктивно распределенных по поверхности печатных плат, число резисторов в котором может варьироваться, и включенных каскадно полевых транзисторах 21 и 22, где к затвору полевого транзистора 21 входного каскада подключен управляющий сигнал 14.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Силовую плату 1 подключают к источнику постоянного тока, в качестве которого могут использоваться бортовые сети постоянного тока транспортных средств, аккумуляторные батареи и т.п., и к маломощному электродвигателю одного из следующих типов: синхронный двигатель с постоянными магнитами, вентильный двигатель или двигатель постоянного тока. Силовые полупроводниковые ключи 5 посредством напряжения, снимаемого с емкостного фильтра 6, модулированного ШИМ-сигналом с источника питания собственных нужд 7, по командам, получаемым от микроконтроллера 8 управляющей платы 2, изменяют параметры напряжения электродвигателя, тем самым определяя режим его работы, посредством чего реализуя цифровое управление его угловым перемещением.
Устройство во время функционирования защищается от аварийных режимов. Блок программной защиты 9 управляющей платы 2 получает информацию о функционировании силовой платы 1, которая передается микроконтроллеру 8, где обрабатывается и обеспечивается защиту от аварийных режимов короткого замыкания, максимального и сквозного тока, защиту от снижения или отсутствия напряжения питания, а также температурную защиту.
Напряжение +UDC и –UDC формируется на емкостном фильтре 6 при условии соблюдения полярности подключения источника постоянного тока. В случае ошибочного подключения питания инверсной полярности, внутренний диод полевого транзистора 15 блока рекуперации 4 препятствует протеканию тока, напряжение на емкостном фильтре 6 не формируется, и блок программной защиты 9 передает информацию об отсутствии напряжения питания микроконтроллеру 8, формирующему команду на запрет работы электродвигателя.
Блок рекуперации 4 содержит также полевой транзистор 16, который открывается управляющим сигналом 12 от микроконтроллера 8, подавая сигнал на цепь затвора полевого транзистора 15. Если при открытом полевом транзисторе 15 электродвигатель переходит в тормозной режим работы, энергия электродвигателя передается через силовую плату 1 и производится контролируемая рекуперация энергии в источник постоянного тока.
Если в момент подключения питания или во время функционирования устройства блок программной защиты 9 получит информацию об отклонении температуры внутри защитного кожуха 3 ниже устанавливаемого программным образом порога, микроконтроллер 8 формирует команду на запрет работы электродвигателя и подает управляющий сигнал 14 на блок предварительного подогрева 11, тем самым открывает полевой транзистор 21 входного каскада, который в свою очередь открывает полевой транзистор 22 выходного каскада и подает напряжение +UDC и –UDC, снимаемое с емкостного фильтра 6, на блок резисторов 20. Резисторы 20 блока 11, равномерно распределенные по поверхности печатных плат, начинают выделять тепловую мощность, тем самым равномерно нагревая все компоненты устройства. При достижении внутри защитного кожуха 3 температуры в пределах заданного диапазона микроконтроллер 8 управляющим сигналом 14 отключает блок предварительного подогрева 11 и разрешает работу электродвигателя.
Управление угловым перемещением электродвигателя осуществляется управляющей платой 2, опираясь на команды, получаемые от цифровых интерфейсов связи и (или) цифровых и аналоговых входов и выходов, которые передаются микроконтроллеру 8 через блок преобразования сигналов 10, в котором выполняется аналогово-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, при котором задействовано напряжение питания от источника питания собственных нужд 7.
Необходимое напряжение питания формируется на вторичных обмотках импульсного трансформатора 17, на первичные обмотки которого полевым транзистором 18 подаются прямоугольные импульсы высокой частоты со скважностью, определяемой контроллером широтно-импульсной модуляции 19, формируемые из напряжения +UDC и –UDC, снимаемого с емкостного фильтра 6. Ко входу синхронизации контроллера широтно-импульсной модуляции 19 подается управляющий сигнал 13 от микроконтроллера 8, представляющий собой тактирующие импульсы, обеспечивающие синхронизацию относительного расположения фронтов импульсов тактовых сигналов микроконтроллера 8 и источника питания собственных нужд 7. За счет описанной синхронизации внутренние помехи, возникающие при аналогово-цифровом преобразовании, приобретают стабильную периодичность, вследствие чего могут быть скомпенсированы микроконтроллером 8 программными средствами.
Был изготовлен образец заявляемого сервоконтроллера в соответствии с приведенным описанием в исполнении с допустимым диапазоном напряжения питания от 12 до 48 В, выдерживающим длительный ток величиной не более 12 А, с возможностью подключения электродвигателей одного из следующих типов: синхронный двигатель с постоянными магнитами, вентильный двигатель или двигатель постоянного тока, оснащенный цифровыми интерфейсами связи RS-485 и CAN, а также цифровыми интерфейсами для подключения датчиков положения, цифровыми и аналоговыми входами и выходами, с общими габаритными размерами 160×105×42 мм и массой 700 г.
Были проведены предварительные испытания образца сервоконтроллера с синхронным двигателем с постоянными магнитами номинальным напряжением 24 В, номинальным током 5А, номинальным крутящим моментом 2,5 Н·м и номинальной частотой вращения 350 об/мин в составе следующих проверок: работа в двигательном режиме и режиме рекуперативного торможения электродвигателя; работа в режиме заданного углового перемещения электродвигателя; проверка стойкости к внешним температурным воздействиям. Результаты предварительных испытаний показали, что ток сервоконтроллера в режиме рекуперации составляет не менее 1 А. При работе сервоконтроллера производилось осциллографирование сигналов обратной связи от аналоговых входов после аналогово-цифрового преобразования, выполнявшегося с частотой в диапазоне 5-20 кГц, в ходе которого наблюдалась синхронизация фронтов импульсов с сигналами контроллера широтно-импульсной модуляции источника питания собственных нужд при работе с частотой 100-200 кГц. Было установлено, что сервоконтроллер сохраняет свои функциональные свойства в диапазоне рабочих температур от минус 60 до плюс 40°С.
Таким образом заявляемый сервоконтроллер существенно расширил арсенал средств аналогичного назначения.