ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в силовых преобразователях систем управления синхронными электродвигателями, оснащенными датчиками положения ротора.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой модулятор для преобразователя частоты асинхронного двигателя (см. патент РФ №2216850, опубл. 20.11.2003, Бюл. №32), содержащий генератор прямоугольных импульсов, четыре счетчика, три триггера, четыре элемента ИЛИ, инвертор, два элемента И, шесть элементов И-НЕ, три дешифратора, два формирователя импульсов, два сумматора, два регистра, двоично-шестеричный счетчик, схему ограничения и схему сброса.

Недостаток наиболее близкого цифрового модулятора заключается в том, что он может управлять синхронным электродвигателем только изменением частоты питающего напряжения, подаваемого на статорные обмотки. В то же время, регулировать скорость синхронной машины в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока по сигналам датчика положения ротора устройство, взятое за прототип, не может.

Сущность изобретения заключается в том, что в цифровой модулятор для управления синхронным электродвигателем, содержащий первый генератор прямоугольных импульсов, первый, второй третий и четвертый счетчики, первый, второй и третий элементы ИЛИ, первый, второй и третий триггер, инвертор, схему ограничения, первый, второй и третий дешифраторы, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй элементы И, схему сброса, первый и второй сумматоры, первый и второй регистры, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И-НЕ и двоично-шестеричный счетчик, причем выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом первого счетчика и первыми входами первого и второго элемента ИЛИ, вторые входы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с прямым и инверсным 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 и второй входы схемы ограничения соединены соответственно с шиной входного сигнала и шиной знака, выход второго счетчика соединен с первым входом второго триггера, выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего дешифраторов, выход первого формирователя импульсов соединен с вторыми входами второго и третьего дешифраторов, выход первого счетчика соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом схемы сброса, выход схемы ограничения соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого регистра, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом третьего счетчика, выход которого соединен с первым входом третьего триггера, выход первого регистра соединен с вторыми входами первого сумматора и третьего счетчика, выход первого элемента И соединен с входом инвертора, вторыми входами второго и третьего триггеров и первого счетчика, третьим входом третьего счетчика и четвертым входом второго счетчика, прямой выход второго регистра соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом второго регистра, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы первого дешифратора соединены соответственно с первыми входами пятого, первого, шестого, второго, четвертого и третьего элементов И-НЕ, выходы которых соединены с выходными шинами, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы второго дешифратора соединены соответственно с вторыми входами первого, шестого, второго, четвертого, третьего и пятого элементов И-HE, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы третьего дешифратора соединены соответственно с третьими входами третьего, пятого, первого, шестого, второго и четвертого элементов И-НЕ, прямой и инверсный выходы второго триггера соединены соответственно с третьими входами второго и третьего дешифраторов, дополнительно введены второй генератор прямоугольных импульсов, четвертый триггер, третий, четвертый, пятый и шестой формирователи импульсов, третий элемент И, третий сумматор и третий регистр, причем второй вход второго сумматора соединен с шиной сигнала, характеризующего конструктивное исполнение двигателя, инверсный выход второго регистра соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с шиной датчика положения ротора синхронного электродвигателя, старший разряд выхода третьего сумматора соединен с первым входом четвертого триггера, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом второго формирователя импульсов, выход второго формирователя импульсов соединен с входом третьего формирователя импульсов, первым входом четвертого счетчика и вторыми входами первого и второго регистров, выход третьего формирователя импульсов соединен с вторым входом четвертого триггера, выход четвертого счетчика соединен с первыми входами двоично-шестеричного счетчика и второго элемента И, выход которого соединен с третьим входом первого регистра, второй вход двоично-шестеричного счетчика соединен с шиной знака входного сигнала, выход двоично-шестеричного счетчика соединен с первым входом третьего регистра, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым входами первого дешифратора и четвертыми, пятыми и шестыми входами второго и третьего дешифраторов, выход первого элемента И соединен с входами первого и четвертого формирователей импульсов, выход первого формирователя импульсов соединен с пятым входом первого дешифратора, прямой выход четвертого формирователя импульсов соединен с вторым входом третьего регистра, инверсный выход четвертого формирователя импульсов соединен с входом пятого формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, выход схемы сброса соединен с третьим входом третьего регистра и вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с входом шестого формирователя импульсов, вторым входом четвертого счетчика и третьим входом двоично-шестеричного счетчика, выход шестого формирователя импульсов соединен с вторым входом второго элемента И и третьими входами второго регистра и четвертого триггера.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет с помощью предлагаемого цифрового модулятора регулировать скорость синхронной машины в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока по сигналам датчика положения ротора.

На фиг.1 представлена функциональная схема цифрового модулятора для управления синхронным электродвигателем, на фиг.2 - функциональная схема схемы ограничения, на фиг.3 - функциональная схема двоично-шестеричного счетчика, на фиг.4 - временные диаграммы работы цифрового модулятора, на фиг.5 - схема подключения цифрового модулятора к силовому преобразователю.

Цифровой модулятор для управления синхронным электродвигателем (фиг.1) содержит генераторы 1 и 2 прямоугольных импульсов, счетчики 3, 4, 5 и 6, элементы 7, 8 и 9 ИЛИ, триггеры 10, 11, 12 и 13, инвертор 14, схему 15 ограничения, дешифраторы 16, 17 и 18, формирователи 19, 20, 21, 22, 23 и 24 импульсов, элементы 25, 26 и 27 И, схему 28 сброса, сумматоры 29, 30 и 31, регистры 32, 33 и 34, элементы 35, 36, 37, 38, 39 и 40 И-НЕ, двоично-шестеричный счетчик 41, шину 42 входного сигнала, шину 43 знака, шину 44 сигнала, характеризующего конструктивное исполнение двигателя, шину 45 сигнала датчика положения ротора, выходные шины 46, 47, 48, 49, 50 и 51.

Выход генератора 1 прямоугольных импульсов соединен с первым входом счетчика 3 и первыми входами элементов 7 и 8 ИЛИ. Вторые входы элементов 7 и 8 ИЛИ соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера 10, первый вход (D-вход) которого соединен с шиной 43 знака, а второй вход (вход стробирования) - с выходом инвертора 14. Выходы элементов 7 и 8 ИЛИ соединены соответственно с первым (обратного счета) и вторым (прямого счета) входами счетчика 4, третий вход (вход предварительной установки) которого соединен с выходом схемы 15 ограничения. Первый и второй входы схемы 15 ограничения соединены соответственно с шиной 42 входного сигнала и шиной 43 знака. Выход счетчика 4 (выход переноса) соединен с первым входом (входом установки) триггера 11, выход которого соединен с первыми входами (входами разрешения) дешифраторов 16, 17 и 18. Выход формирователя 19 импульсов соединен с вторыми входами (входами разрешения) дешифраторов 17 и 18. Выход счетчика 3 (выход переноса) соединен с первым входом элемента 25 И, второй вход которого соединен с выходом схемы 28 сброса. Выход схемы 15 ограничения соединен с первым входом сумматора 29, выход которого соединен с первым входом регистра 32. Выход генератора 1 прямоугольных импульсов соединен с первым входом (входом обратного счета) счетчика 5, выход которого (выход переноса) соединен с первым входом (входом установки) триггера 12. Выход регистра 32 соединен с вторыми входами сумматора 29 и счетчика 5 (у счетчика используется вход предварительной установки). Выход элемента 25 И соединен с входом инвертора 14, вторыми входами триггеров 11 и 12 и счетчика 3, третьим входом счетчика 5 и четвертым входом счетчика 4 (у триггеров используются входы сброса, а у счетчиков - входы стробирования). Прямой выход регистра 33 соединен с первым входом сумматора 30, выход которого соединен с первым входом регистра 33. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 16 соединены соответственно с первыми входами элементов 39, 35, 40, 36, 38 и 37 И-НЕ, выходы которых соединены соответственно с выходными шинами 50, 46, 51, 47, 49 и 48. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 17 соединены соответственно с вторыми входами элементов 35, 40, 36, 38, 37 и 39 И-НЕ. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 18 соединены соответственно с третьими входами элементов 37, 39, 35, 40, 36 и 38 И-НЕ. Прямой и инверсный выходы триггера 12 соединены соответственно с третьими входами (входами разрешения) второго и третьего дешифраторов 17 и 18. Второй вход сумматора 30 соединен с шиной 44 сигнала, характеризующего конструктивное исполнение двигателя. Инверсный выход регистра 33 соединен с первым входом сумматора 31, второй вход которого соединен с шиной 45 сигнала датчика положения ротора синхронного электродвигателя. Старший разряд выхода третьего сумматора 31 соединен с первым входом (D-входом) триггера 13, выход которого соединен с первым входом третьего элемента 9 ИЛИ. Выход генератора 2 прямоугольных импульсов соединен с вторым входом элемента 9 ИЛИ, выход которого соединен с входом формирователя 20 импульсов. Выход формирователя 20 импульсов соединен с входом формирователя 21 импульсов, первым входом (входом прямого счета) счетчика 6 и вторыми входами (входами стробирования) регистров 32 и 33. Выход формирователя 21 импульсов соединен с вторым входом (входом стробирования) триггера 13. Выход счетчика 6 (выход переноса) соединен с первыми входами двоично-шестеричного счетчика 41 (у счетчика используется вход прямого счета) и элемента 26 И, выход которого соединен с третьим входом (входом сброса) регистра 32. Второй вход (первый и второй разряды входа предварительной установки) двоично-шестеричного счетчика 41 соединен с шиной 43 знака входного сигнала. Выход (первый, второй и третий разряды) двоично-шестеричного счетчика 41 соединен с первым входом регистра 34, первый, второй и третий выходы (двоичные разряды) которого соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым входами (информационными входами) дешифратора 16 и четвертыми, пятыми и шестыми входами (информационными входами) дешифраторов 17 и 18. Выход элемента 25 И соединен с входами формирователей 19 и 22 импульсов. Выход формирователя 19 импульсов соединен с пятым входом (входом разрешения) дешифратора 16. Прямой выход формирователя 22 импульсов соединен с вторым входом (входом стробирования) регистра 34. Инверсный выход четвертого формирователя 22 импульсов соединен с входом формирователя 23 импульсов, выход которого соединен с первым входом третьего элемента 27 И. Выход схемы 28 сброса соединен с третьим входом (входом сброса) регистра 34 и вторым входом элемента 27 И, выход которого соединен с входом формирователя 24 импульсов, вторым входом счетчика 6 (входом стробирования) и третьим входом (входом стробирования) двоично-шестеричного счетчика 41. Выход формирователя 24 импульсов соединен с вторым входом элемента 26 И и третьими входами (входами сброса) регистра 33 и триггера 13.

Генераторы 1 и 2 прямоугольных импульсов могут быть выполнены, например, на микросхеме 155ЛАЗ с кварцевой стабилизацией или с времязадающим конденсатором. Счетчики 3, 4, 5 и 6, например, выполнены на микросхемах К555ИЕ7. Элементы 7, 8 и 9 ИЛИ, например, выполнены на микросхеме К555ЛЛ1. Триггеры 10, 11, 12 и 13 могут быть выполнены, например, на микросхемах К555ТМ2, а инвертор 14 - на микросхеме К555ЛН1. Дешифраторы 16, 17 и 18 могут быть выполнены, например, на микросхемах К555ИД7, формирователи 19, 20, 21, 22, 23 и 24 импульсов - на микросхемах К555АГЗ, элементы 25, 26 и 27 И - на микросхеме К555ЛИ1. Сумматоры 29, 30 и 31 могут быть выполнены, например, на микросхемах К555ИМ6, регистры 32, 33 и 34 - на микросхемах К555ТМ8, а элементы 35, 36, 37, 38, 39 и 40 И-НЕ - на микросхемах К155ЛА4.

Схема 15 ограничения (фиг.2) содержит, например, группу 52 элементов ИЛИ, группу 53 элементов И, элемент 54 И-НЕ, элементы 55 и 56 ИЛИ, элемент 57 ИЛИ-НЕ и инвертор 58.

В зависимости от величины, на которой должен быть ограничен входной сигнал, n-разрядные входы шины 42 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 52 элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами группы 53 элементов И, выходы которых являются (n-m) младшими разрядами выхода схемы 15 ограничения. Вторая группа разрядных входов шины 42 - с (n-m+1) по n - является соответствующими разрядами выхода схемы 15 ограничения. Они соединены с m входами элемента 54 И-НЕ и элемента 55 ИЛИ. Выход элемента 54 И-НЕ соединен с первым входом элемента 56 ИЛИ, выход которого соединен со вторыми входами группы 53 элементов И. Выход элемента 55 ИЛИ соединен с первым входом элемента 57 ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с выходом инвертора 58, а выход - со вторыми входами группы 52 элементов ИЛИ. Второй вход элемента 56 ИЛИ и вход инвертора 58 соединены с шиной 43 знака.

Схема 28 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 28 сброса.

Двоично-шестеричный счетчик 41 (фиг.3), например, содержит двоичный счетчик 59, элемент 60 И и формирователь 61 импульсов. Первый, второй и третий выходные разряды счетчика 59 являются выходом двоично-шестеричного счетчика 41. Второй и третий выходные разряды счетчика 59 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента 60 И, выход которого соединен с входом формирователя 61 импульсов. Выход формирователя 61 импульсов соединен с входом сброса счетчика 59. Вход прямого счета счетчика 59 является первым входом двоично-шестеричного счетчика 41. Вход обратного счета счетчика 59 подключен к логической единице. Первый и второй разряды входа предварительной установки счетчика 59 объединены и являются вторым входом двоично-шестеричного счетчика 41. Третий и четвертый разряды входа предварительной установки счетчика 59 подключены к общей шине. Вход стробирования счетчика 59 является третьим входом двоично-шестеричного счетчика 41.

Цифровой модулятор для управления синхронным электродвигателем работает следующим образом.

После включения напряжения питания схема 28 сброса формирует сигнал, который устанавливает в исходное состояние регистр 34. Этот же сигнал через элемент 25 И устанавливает в исходное состояние триггеры 11 и 12, стробирует счетчики 3, 4 и 5 и далее через инвертор 14 стробирует триггер 10. Сигнал с выхода схемы 28 сброса через элемент 27 И стробирует счетчик 6 и двоично-шестеричный счетчик 41 и далее через формирователь 24 импульсов устанавливает в исходное состояние регистр 33 и триггер 13 и далее через элемент 26 И - регистр 32. При стробировании счетчика 4 в него записывается входной сигнал, прошедший через схему 15 ограничения. Код знака этого сигнала записывается в триггер 10. В зависимости от знака входного сигнала импульсы генератора 1 с частотой f₀ проходят либо через элемент 7 ИЛИ (знак положительный), либо элемент 8 ИЛИ (знак отрицательный) и поступают соответственно либо на вход обратного счета, либо на вход прямого счета счетчика 4. В зависимости от модуля величины N входного сигнала на выходах переноса счетчика 4 через промежуток времени

,

где n - количество разрядов двоичного счетчика 4,

после начальной установки (стробирования) появится отрицательный импульс (фиг.4а). Этот отрицательный импульс поступает на вход установки триггера 11, на выходе которого при этом появляется сигнал высокого уровня (фиг.4б). Прямоугольные импульсы с генератора 1 поступают также на счетный вход счетчика 3. Поэтому на выходе переноса счетчика 5 через промежуток времени

после начальной установки появляется отрицательный импульс (фиг.4 в), который, пройдя через элемент 25 И, поступает на вход сброса триггера 11 и возвращает его в исходное состояние. Отрицательный импульс с выхода 25 И стробирует счетчики 3, 4 и 5 и через инвертор 14 - триггер 10 знака, после чего процесс формирования выходных сигналов счетчиков 3 и 4 и триггера 10 повторяется. В результате на выходе триггера 11 (фиг.4б) формируется сигнал со скважностью .

Одновременно с работой названных выше элементов входной сигнал, пройдя через схему 15 ограничения, поступает на вход сумматора 29 и складывается с выходным сигналом регистра 32, а сигнал, характеризующий конструктивное исполнение двигателя, поступает на вход сумматора 30 и складывается с выходным сигналом регистра 33. Величина сигнала, характеризующего конструктивное исполнение электродвигателя, может быть определена по формуле:

,

где k - число разрядов двоичного счетчика 6; - количество дискрет (импульсов) датчика положения ротора на оборот вала электродвигателя; Z_n - число пар полюсов синхронного электродвигателя.

В то же время сигнал датчика положения ротора с шины 45 поступает на вход сумматора 31 и сравнивается с сигналом, поступающим с выхода регистра 33. В первоначальный момент времени на выходе регистров 32 и 33 и триггера 13 находится нулевой сигнал. Поэтому импульсы с генератора 2 через элемент 9 ИЛИ поступают на вход формирователя 20 импульсов. Импульсы с выхода формирователя 20 поступают на вход прямого счета счетчика 6 и входы стробирования регистров 32 и 33 и через формирователь 21 импульсов - на вход стробирования триггера 13. В результате происходит нарастание сигналов на выходе сумматоров 29 и 30 и регистров 32 и 33, причем через 2^k импульсов происходит сброс выходного сигнала регистра 32 в ноль посредством сигнала, поступающего с выхода счетчика 6 через элемент 26 И. Вследствие того, что выходной сигнал регистра 33 нарастает, при определенном такте выходного сигнала генератора 2 прямоугольных импульсов на старшем (знаковом) разряде выхода сумматора 31 появляется сигнал высокого уровня, который запишется в триггер 13 и заблокирует прохождение импульсов генератора 2 через элемент 9 ИЛИ. К этому времени на выходе регистра 32 сформируется определенный цифровой код. Поскольку выходной сигнал с выхода счетчика 6 поступает также и на вход двоично-шестеричного счетчика 41, то на его выходе сформируется также определенный цифровой код, зависящий от величины сигнала датчика положения ротора. Следует отметить, что начало отсчета датчика положения ротора может осуществляться, например, от отрицательного направления оси обмотки фазы А синхронного электродвигателя (применительно к двухполюсной машине).

По сигналу с выхода элемента 25 И цифровой код с выхода регистра 32 со сдвигом на k разрядов вправо записывается в двоичный счетчик 5, на выходе переноса которого появляется отрицательный импульс через интервал времени t₃ после стробирования. Этот отрицательный импульс поступает на вход установки триггера 12, на выходе которого появляется сигнал высокого уровня. По приходу на вход сброса триггера 12 отрицательного импульса с выхода элемента 25 И на выходе триггера 12 устанавливается сигнал низкого уровня. И далее процесс повторяется. В результате на прямом выходе триггера 12 формируется сигнал со скважностью (фиг.4г)

.

Следует отметить, что величина t₃ зависит от цифрового кода на выходе регистра 32, который в свою очередь определяется величиной N и цифровым кодом датчика положения ротора электродвигателя. На инверсном выходе триггера 12 формируется сигнал со скважностью

γ_И = 1 - γ_П.

Сигнал с выхода элемента 25 И запускает также формирователь 22 импульсов, который стробирует регистр 34. При этом на выход регистра 34 проходит сигнал с выхода двоично-шестеричного счетчика 41, который управляет дешифраторами 16, 17 и 18.

Процесс формирования выходных сигналов регистра 32, двоично-шестеричного счетчика 41 и регистра 34 осуществляется с частотой появления сигнала низкого уровня на выходе элемента 25 И, то есть с частотой широтно-импульсной модуляции.

В зависимости от кодового сочетания сигналов выходов регистра 34 и сигналов с выходов триггеров 11 и 12 дешифраторы 16, 17 и 18 через элементы 35, 36, 37, 38, 39 и 40 И-НЕ подают широтно-модулированный сигнал на выходные шины 46, 47, 48, 49, 50 и 51 цифрового модулятора. Если сигналы с шин 46, 47, 48, 49, 50 и 51 подать через усилители на силовой трехфазный транзисторный мост с подключенным к нему синхронным электродвигателем, как показано, например, на фиг.5, то сформированная система напряжений заставит вращаться ротор двигателя. При определенных величинах N входного сигнала на входе цифрового модулятора и установившейся скорости вращения синхронного электродвигателя формы сигналов на выходах регистра 34 будут соответствовать чертежам, приведенным на фиг.4д, е, ж. При этом на выходных шинах 46, 47, 48, 49, 50 и 51 будут формироваться сигналы, соответствующие графикам, представленным на фиг.4з, и, к, л, м, н.

Сигнал с выхода формирователя 19 импульсов используется для блокировки дешифраторов 16, 17 и 18, что позволяет организовать раздвижки фронтов при смене знака входного сигнала. Формирователь 23 импульсов необходим для синхронизации работы регистра 34 и двоично-шестеричного счетчика 41. Сигнал с шины 43 знака подается на вход предварительной установки двоично-шестеричного счетчика 41 с целью автоматической организации тормозных режимов и реверса при смене знака входного сигнала. Схема 15 ограничения предназначена для ограничения на определенном уровне входного сигнала с целью исключения возможности опрокидывания широтно-импульсной модуляции.

Таким образом, предложенный цифровой модулятор позволяет регулировать скорость синхронной машины в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока по сигналам датчика положения ротора.