RU196327U1

RU196327U1 - Servo controller

Info

Publication number: RU196327U1
Application number: RU2019112902U
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Гусев; Станислав Валерьевич Борисов; Александр Дмитриевич Лихолат; Георгий Владимирович Родионов; Ирина Юрьевна Семыкина
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Мехатроника-Томск"
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-02-26

Abstract

Полезная модель относится к интеллектуальному устройству, обеспечивающему управление или регулирование работы маломощных электродвигателей различного типа.Сервоконтроллер, содержащий 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, сервоконтроллер дополнительно содержит 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 к источнику 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 в цепь затвора первого, 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.Техническим результатом полезной модели является расширение арсенала сервоконтроллеров. 4 ил.The utility model relates to an intelligent device that provides control or regulation of the operation of low-power electric motors of various types. A servo controller containing power and control boards located on racks in a single housing with a radiator, on which respectively a power part including power semiconductor switches, a recovery unit, capacitive filter and auxiliary power supply built on a pulse transformer, field effect transistor and pulse-width pulse controller th modulation, interfaces for supplying power from a direct current source and connecting a controllable electric motor, and a control part including a microcontroller that provides direct digital control of power keys in pulse-width modulation mode, with software that implements settings of servo controller operating modes, electric motor control algorithms and algorithms for the formation of the trajectory of the positioning of the electric motor, a software protection unit that provides protection of power keys from short-circuit short-circuit, maximum and through current, protection against lower or no supply voltage, protection against overheating, as well as digital and analog inputs and outputs connected via a signal conversion unit to the microcontroller, the servo controller additionally contains a pre-heating unit, the power inputs of which are connected to the capacitive outputs power board filter, consisting of resistors distributed over the surface of both boards and cascaded field-effect transistors, with the input to the gate of the field-effect transistor the cascade is connected to the control signal from the microcontroller; the recuperation unit located on the power board and connected to a DC power source is made capable of being protected from the wrong polarity of the power supply and consists of two field-effect transistors, the internal diode of one of which is connected by a cathode to a terminal of negative polarity, and the second is connected to the gate circuit of the first , a control signal from the microcontroller is connected to the gate of the second transistor; The control signal from the microcontroller is connected to the synchronization input of the pulse-width modulation controller of the auxiliary power supply. The technical result of the utility model is the expansion of the arsenal of servo controllers. 4 ill.

Description

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. The utility model relates to an intelligent device that provides control or regulation of the operation of low-power electric motors of various types, namely, synchronous motors with permanent magnets, valve motors, DC motors with the required accuracy through tasks and digital commands.

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. From the patent of the Russian Federation No. 2531360 [IPC H02P8 / 40, publ. November 27, 2013] a stepper motor controller is known. The device is interesting in that it can be used to control more than one stepper motor at a time. The technical result is to reduce the number of microcontrollers for controlling multiple stepper motors. A control device for multiple stepper motors using a single set of outputs of the microcontroller uses a demultiplexer to divide one set of outputs of the microcontroller into individual control signals for multiple stepper motors. Additionally, the device includes a PWM modulator located between the microcontroller and the input of the demultiplexer.

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. The disadvantages of the device include a narrow temperature range of operation, the lack of recovery of braking energy of the engines, protection against short circuits, the presence of internal noise during the analog-to-digital conversion of input signals.

Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются наличие микроконтроллера и ШИМ-модулятора. Common essential features with the claimed device are the presence of a microcontroller and a PWM modulator.

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). A controller for controlling an electric actuator [RF Patent No. 127962, IPC G06F9 / 00, Publ. 05/10/2013] relates to actuators and drives, contains electronic components, which include a non-contact single-turn or multi-turn position sensor of the output shaft of the actuator, a torque sensor made on the Hall effect, an electric motor control unit made according to the frequency converter circuit, block a central processor designed to implement the control and protection algorithm of the mechanism, provide storage and display of parameters and state of the mechanism, exchange yes data with top-level devices, an interface for connecting to external control devices, a current protection unit that protects the controller from current overloads, a power supply. The controller also includes a heating element controlled by the central processor, an internal space temperature control unit that provides preliminary heating of the internal space of the controller to a temperature acceptable for electronic components at a lower ambient temperature (up to minus 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. The controller’s advantages include the presence of a current protection unit and an internal space temperature control unit, which ensures the operation of the device at negative ambient temperatures up to minus 60 ° С.

Недостатком является отсутствие возможности цифрового управления маломощными электродвигателями различного типа, наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов. The disadvantage is the lack of digital control of low-power electric motors of various types, the presence of internal noise during the analog-to-digital conversion of input signals.

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. The essential features common with the claimed device include the presence of a central processor unit, a current protection unit, which protects the controller from current overloads, a power supply, and an internal space preheating unit.

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. Known modern intelligent low-power servo [V.F. Kozachenko, N.A. Obukhov, A.A. Zharkov, D.V. Tkachenko, D.I. Savkin // Bulletin of Tula State University. Technical science. - 2010. - No. 3-2. - S. 41-48] for controlling a wide class of low power engines: 2 and 3 phase stepper magnetoelectric, induction and jet engines; valve motors with built-in rotor position sensors (on Hall elements or with “quadrature outputs”). The block consists of 3 modules: controller, power module, expansion module. The controller module is structurally integrated into one “motherboard” with the secondary power supply module. The power module and expansion board are connected to the motherboard through the appropriate connectors. The microcontroller provides an optimal interface with power switches, supporting sinusoidal vector pulse-width modulation modes for bridge inverters, as well as a direct digital interface with position sensors - pulse and sensors on the Hall elements. The control unit software has two levels: the lower, the level of the central servo processor and the upper - the level of a personal computer that provides parameterization of the unit, real-time control and monitoring of dynamic processes in real time.

К недостаткам устройства следует отнести узкий температурный диапазон эксплуатации, отсутствие рекуперации энергии торможения двигателей, наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов. The disadvantages of the device include a narrow temperature range of operation, the lack of recovery of braking energy of the engines, the presence of internal noise during the analog-to-digital conversion of input signals.

Общими существенными признаками с заявляемым устройством является наличие микроконтроллера, силового модуля, блока управления, вторичного источника питания, управляющего программного обеспечения. Common essential features with the claimed device is the presence of a microcontroller, a power module, a control unit, a secondary power source, control software.

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. The well-known universal servo controller AC-SERVO-200 [Control Engineering, Russia, June 2018], (prototype) is a freely programmable device designed to control synchronous motors and brushless permanent magnet motors. The servo controller consists of a radiator, a case with printed information about the connectors and two boards to which the connectors are connected. The hardware of the servo controller consists of two boards - processor and power, located in a single package. The bottom board is power, the top is processor. The boards are mounted on racks. The processor board contains the peripherals necessary for communication with the power board, an interface for programming the microcontroller, discrete inputs / outputs and channels for connecting external position sensors. The power board includes power keys with drivers, auxiliary power supply, as well as a set of connectors for connecting the motor terminals. To control a large number of types of motors, the servo controller supports feedback sensors such as an incremental encoder for receiving a speed signal from the motor shaft or the output shaft of the mechanism, an external absolute encoder with SSI interface, which can be installed on the output shaft of the working body. The controller has two levels of protection at the hardware and software levels. Hardware protections include inverter power switch protection against pass-through current and short circuit protection. Software protections provide protection against excess load current, power switches against overvoltages in the DC link, from overheating, from undervoltage of the power supply, from phase failure of the power network or excessive undervoltage of the network, from the loss of one or more phases of the electric motor. For disposal of excess generated energy, the AC-Servo-200 provides for the regeneration of the generated electric motor during braking, which enters the batteries for powering the servo controller.

Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются: размещенные на стойках в едином корпусе с радиатором силовая и управляющая платы, Common essential features with the claimed device are: placed on racks in a single building with a radiator power and control board,

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. on which respectively are located: on the power board power semiconductor switches, a capacitive filter and auxiliary power supply built on a pulse transformer, field effect transistor and pulse-width modulation controller, and on the control board a microcontroller that provides direct digital control of power switches in the mode of pulse modulation, with software that implements settings of the servo controller operating modes, motor control algorithms and formation algorithms motor positioning trajectories, a protection unit that protects the power switches from short circuits, maximum and through currents, protection against a decrease or absence of supply voltage, as well as protection against overheating, a recovery unit, a signal conversion unit, as well as software that implements settings for operating modes servo controller, control algorithms and the formation of the trajectory of the positioning of the electric motor. A power supply from a direct current source is supplied to the power board and an electric motor is connected. Digital and analog inputs and outputs are connected to the control board through the signal conversion unit.

Недостатками прототипа является: The disadvantages of the prototype is:

– узкий температурный диапазон эксплуатации в области отрицательных температур (не ниже минус 10°С), сильно сужающий область возможных применений; - a narrow temperature range of operation in the field of negative temperatures (not lower than minus 10 ° C), greatly narrowing the range of possible applications;

– наличие внутренних помех при аналогово-цифровом преобразовании входных сигналов непредсказуемой периодичности, вызывающих нарушения в работе контуров управления; - the presence of internal interference during analog-to-digital conversion of input signals of unpredictable periodicity, causing disturbances in the operation of control loops;

– отсутствие защиты от ошибочного подключения питания инверсной полярности. - lack of protection against erroneous connection of inverse polarity power.

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. The problem solved by the claimed utility model is to implement a device having an expanded area of possible applications, including regions of the far north, ensuring the fulfillment of modern requirements for operability and energy efficiency.

Техническим результатом полезной модели является расширение арсенала сервоконтроллеров The technical result of the utility model is the expansion of the arsenal of servo controllers

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. The technical result is achieved in that in a servo controller containing power and control boards located on racks in a single case with a radiator, on which respectively a power part is located, including power semiconductor switches, a recovery unit, a capacitive filter and an auxiliary power supply built on pulse transformer, field effect transistor and pulse-width modulation controller, interfaces for supplying power from a direct current source and connecting a controlled electric motor atelier, and the control part, which includes a microcontroller that provides direct digital control of power keys in pulse-width modulation mode, with software that implements settings for the servo controller operating modes, motor control algorithms and motor positioning path generation algorithms, a software protection block that protects power keys against short circuit, maximum and through current, protection against decrease or absence of supply voltage, protection against overheating the roar, as well as digital and analog inputs and outputs connected via the signal conversion unit to the microcontroller, additionally there is a pre-heating unit, the power inputs of which are connected to the outputs of the capacitive filter of the power board, consisting of resistors distributed over the surface of both boards and connected in cascade field transistors, while the control signal from the microcontroller is connected to the gate of the field effect transistor of the input stage.

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. The recovery unit, located on the power board and connected to the signal input from the DC power source, is made with the possibility of protection from the wrong polarity of the power supply and consists of two field-effect transistors, one of which is connected by a cathode to the negative polarity terminal, and the second is turned on as the shunt of the first, while the control signal from the microcontroller is connected to the gate of the second transistor. The control signal from the microcontroller is connected to the synchronization input of the pulse-width modulation controller of the auxiliary power supply.

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. The claimed utility model implements a preheating unit, structurally consisting of resistors distributed over the surface of printed circuit boards, generating heat power and heating all components of the device at the time of power supply, as well as when cooling below a programmable threshold, which is disabled by the command of the microcontroller when inside temperature protective casing within a predetermined range, which ensures operability at low ambient temperatures incoming air from minus 60 ° C.

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. The power is connected to the power board through a recovery unit controlled from the microcontroller, which is made with the possibility of protection against reverse polarity of the power supply. The block is built on the basis of an insulated gate field-effect transistor, due to which the possibility of a controlled two-way energy flow between the power part and the direct current source is organized, which allows for simultaneous protection from erroneous connection of inverted polarity power and energy recovery.

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. To the synchronization input of the pulse-width modulation controller of the auxiliary power supply, clock pulses from the microcontroller are supplied, which synchronize the relative position of the pulse fronts of the clock signals of the microcontroller and the auxiliary power supply, thereby stabilizing the frequency of internal noise during analog-to-digital conversion so that these interference can be compensated by software.

Полезная модель поясняется следующими рисунками. The utility model is illustrated by the following figures.

На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого устройства. Figure 1 shows a block diagram of the inventive device.

На фиг.2 показан фрагмент реализации электрической схемы заявляемого устройства, относящийся к блоку защиты и рекуперации. Figure 2 shows a fragment of the implementation of the electrical circuit of the inventive device related to the protection and recovery unit.

На фиг.3 показан фрагмент реализации электрической схемы заявляемого устройства, относящийся к источнику питания собственных нужд. Figure 3 shows a fragment of the implementation of the electrical circuit of the inventive device related to the auxiliary power supply.

На фиг.4 показан фрагмент реализации электрической схемы заявляемого устройства, относящийся к блоку предварительного подогрева. Figure 4 shows a fragment of the implementation of the electrical circuit of the inventive device related to the preheating unit.

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. The inventive device (Fig. 1) contains a power 1 and control 2 circuit boards, structurally placed on racks in a single housing with a cooling radiator under the protective cover 3. The power circuit 1 provides for the connection to a DC power source through the recovery unit 4 and to the electric motor through power semiconductor switches 5. The outputs of the recovery unit 4 are connected to the power semiconductor switches 5 through a capacitive filter 6. The power board also includes an auxiliary power supply (SN) 7, which power inputs ohms are connected to the outputs of the capacitive filter 6, and the output is to the control board 2. The control board 2 contains a microcontroller 8, the outputs of the pulse width modulation signal of which are connected to power semiconductor switches 5, the software protection unit 9, connected to both the power board 1 and with a microcontroller 8, a signal conversion unit 10, through which a digital communication interface, digital and analog inputs and outputs are connected to the microcontroller 8. Inside the protective casing 3 there is a pre-heating unit (BPP) 11, the power inputs of which are connected to the outputs of the capacitive filter 6. The recovery unit 4, auxiliary power supply 7 and the pre-heating unit 11 are connected to the microcontroller 8 by control signals 12, 13 and 14, respectively.

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. The recovery unit 4 (Fig. 2) is built on a field-effect transistor 15, the internal diode of which is connected by a cathode to a terminal of negative polarity, and a field-effect transistor 16, to the gate of which a control signal 12 from the microcontroller 8 is connected to the gate circuit of the field-effect transistor 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. The auxiliary power supply 7 (Fig. 3) is built on a pulse transformer 17, a field effect transistor 18 and a pulse width modulation controller 19, to the synchronization input of which a control signal 13 from the microcontroller 8 is connected.

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. The preheating unit 11 (Fig. 4) is built on a block of resistors 20 structurally distributed over the surface of the printed circuit boards, the number of resistors in which can vary, and cascaded field-effect transistors 21 and 22, where a control signal 14 is connected to the gate of the field-effect transistor 21 of the input stage .

Заявляемое устройство работает следующим образом. The inventive device operates as follows.

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. The power board 1 is connected to a direct current source, which can be used as an on-board DC network of vehicles, batteries, etc., and to a low-power electric motor of one of the following types: a permanent magnet synchronous motor, a valve motor or a direct current motor . Power semiconductor switches 5 by means of voltage removed from the capacitive filter 6, modulated by the PWM signal from the auxiliary power supply 7, by the commands received from the microcontroller 8 of the control board 2, change the voltage parameters of the electric motor, thereby determining its operation mode, whereby realizing digital control of its angular movement.

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. The device during operation is protected from emergency conditions. The software protection unit 9 of the control board 2 receives information about the functioning of the power board 1, which is transmitted to the microcontroller 8, where it is processed and provided with protection against emergency short-circuit, maximum and through current, protection against lower or no supply voltage, as well as temperature protection.

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. The voltage + UDC and –UDC is generated on the capacitive filter 6, subject to the polarity of the DC source connection. In the case of an incorrect connection of inverted polarity power, the internal diode of the field-effect transistor 15 of the recovery unit 4 prevents the flow of current, the voltage on the capacitive filter 6 is not generated, and the software protection unit 9 transmits information about the absence of a supply voltage to the microcontroller 8, which generates a command to prohibit the operation of the electric motor.

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. The recovery unit 4 also contains a field-effect transistor 16, which is opened by a control signal 12 from the microcontroller 8, supplying a signal to the gate circuit of the field-effect transistor 15. If the electric motor enters the braking mode when the field-effect transistor 15 is open, the energy of the electric motor is transmitted through the power board 1 and controlled energy recovery in a direct current source.

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. If at the time of connecting the power or during the operation of the device, the software protection unit 9 receives information about the temperature deviation inside the protective casing 3 below the threshold set by software, the microcontroller 8 generates a command to prohibit the operation of the electric motor and sends a control signal 14 to the preheating unit 11, thereby opens the field effect transistor 21 of the input stage, which in turn opens the field effect transistor 22 of the output stage and supplies + UDC and –UDC voltage taken from the capacitor th filter 6, the flow resistor 20. Resistors 20, block 11, uniformly distributed over the surface of the PCB, the heat start to allocate power, thereby uniformly heating all the components of the device. When the temperature inside the protective casing 3 is reached within the specified range, the microcontroller 8 controls the signal 14 disables the preheating unit 11 and allows the motor to work.

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. The angular movement of the electric motor is controlled by the control board 2, based on the commands received from the digital communication interfaces and (or) digital and analog inputs and outputs, which are transmitted to the microcontroller 8 through the signal conversion unit 10, in which the analog-to-digital and digital-to-analog conversion is performed at which the supply voltage from the auxiliary power supply is activated 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. The required supply voltage is generated on the secondary windings of the pulse transformer 17, the primary windings of which are transformed by a field-effect transistor 18 to high-frequency rectangular pulses with a duty cycle determined by the pulse-width modulation controller 19, generated from the voltage + UDC and –UDC taken from the capacitive filter 6. Co the synchronization input of the pulse-width modulation controller 19 is supplied with a control signal 13 from the microcontroller 8, which is a clock pulse providing synchronization of relative 's comparative arrangement of pulse edges microcontroller clock signals 8 and the power supply needs of their own 7. Due to the described synchronizing internal interference due to analog-to-digital conversion, acquire a stable frequency, thereby can be compensated for by the microcontroller 8 by software.

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. A sample of the inventive servo controller was made in accordance with the description, with a permissible supply voltage range of 12 to 48 V, capable of withstanding a continuous current of no more than 12 A, with the possibility of connecting one of the following types of electric motors: a permanent magnet synchronous motor, a valve motor, or DC motor equipped with digital communication interfaces RS-485 and CAN, as well as digital interfaces for connecting position sensors, digital and analog inputs and outputs rows, with the overall dimensions of 160 × 105 × 42 mm and weight 700 g

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. Preliminary tests of a sample servo controller with a permanent magnet synchronous motor with a rated voltage of 24 V, rated current of 5 A, rated torque of 2.5 N · m and rated speed of 350 rpm were carried out as part of the following checks: operation in the motor mode and the regenerative mode electric motor braking; work in the mode of a given angular displacement of the electric motor; verification of resistance to external temperature influences. The results of preliminary tests showed that the current of the servo controller in the recovery mode is at least 1 A. During the operation of the servo controller, feedback signals from the analog inputs were oscillated after the analog-to-digital conversion, which was carried out with a frequency in the range of 5-20 kHz, during which fronts were synchronized pulses with the signals of the controller of pulse width modulation auxiliary power supply when operating at a frequency of 100-200 kHz. It was found that the servo controller retains its functional properties in the range of operating temperatures from minus 60 to plus 40 ° C.

Таким образом заявляемый сервоконтроллер существенно расширил арсенал средств аналогичного назначения.Thus, the claimed servo controller has significantly expanded the arsenal of tools for a similar purpose.

Claims

Servo controller containing power and control boards located on racks in a single case with a radiator, on which respectively the power part is located, including power semiconductor switches, a recovery unit, a capacitive filter, and an auxiliary power supply built on a pulse transformer, field effect transistor, and controller pulse-width modulation, interfaces for supplying power from a direct current source and connecting a controlled electric motor, and a control part including a mic a controller that provides direct digital control of power keys in pulse-width modulation mode, with software that implements settings of the servo controller operating modes, motor control algorithms and algorithms for generating a motor positioning path, a software protection unit that protects power keys from short circuits, maximum and end-to-end current protection against low or no supply voltage, protection against overheating, as well as digital and analog inputs and outputs connected via a signal conversion unit to a microcontroller, characterized the fact that the servo controller further comprises a preheater, the power inputs of which are connected to the outputs of the capacitive filter of the power board, consisting of resistors distributed over the surface of both boards and cascaded by field-effect transistors, while a control signal from the microcontroller is connected to the gate of the field-effect transistor of the input stage ; the recovery unit, located on the power board and connected to a DC power source, is configured to be protected from the wrong polarity of the power supply and consists of two field-effect transistors, the internal diode of one of which is connected by a cathode to a terminal of negative polarity, and the second is connected to the gate circuit the first, while the control signal from the microcontroller is connected to the gate of the second transistor; a control signal from the microcontroller is connected to the synchronization input of the pulse-width modulation controller of the auxiliary power supply.