CZ14692U1

CZ14692U1 - Elektronický obvod pro řízení dvou a více stejnosměrných motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku, zejména lůžek, stolů a křesel

Info

Publication number: CZ14692U1
Application number: CZ200415379U
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Ing. Soukup
Original assignee: E.C.Sys S. R. O.
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2004-09-06
Also published as: WO2005107055A1; CA2562837A1; PL1762000T3; US20070252539A1; EP1762000A1; EP1762000B1; CA2562837C; US7492111B2

Description

Elektronický obvod pro řízení dvou a více stejnosměrných motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku, zejména lůžek, stolů a křesel Oblast techniky

Technické řešení se týká elektronického obvodu pro řízení dvou a více stejnosměrných motorů v nezávislých pohonech pro nastavení polohy nábytkových dílů, jako jsou lůžka, stoly, křesla atd., kde jednotlivé pohony musí udržovat navzájem přibližně stejnou, nebo definovanou rychlost, nezávislou od jejich rozdílné zátěže.

Dosavadní stav techniky

Polohování lůžek a stolů a křesel je prováděno obvykle použitím různých typů lineárních pohonů které jsou poháněny stejnosměrnými reversními motory s permanentními magnety. Pro výškové nastavování se používá obvykle dvou a více nezávislých lineárních pohonů a realizuje se tak snadné polohování jak výškové, tak libovolné naklápění. Tak je tomu například u zvedacího mechanizmu podle PV 768-97. Zdvih operačního stolu je podle tohoto dokumentu realizován souběžným chodem dvou lineárních pohonů, naklápění kolem příčné osy stolu jejich navzájem opačným chodem a naklápění kolem podélné osy je uskutečněno třetím lineárním pohonem. Použití nezávislých lineárních pohonů je oblíbené, protože zvyšuje polohovací možnosti, zjednodušuje konstrukci a umožňuje zlevnění finálních výrobků.

Jednoduché pohony ale vykazují jeden závažný problém. Jejím různá lychlost pohybu při stejném napájecím napětí a závislost rychlosti na zatížení. Používané stejnosměrné (DC) motory mají výrobní rozptyl otáček naprázdno často větší než +/- 10 % a liší se i podle smyslu otáčení. Tyto nedostatky se plně projeví např. při potřebě zvedat stůl nebo ložnou plochu lůžka nebo křesla a nezměnit původní rovinu nebo původní náklon. Uvedenou funkci realizují dvě a více lineární jednotky a jejich různé rychlosti působí změnu rovinnosti a výsledek je takový, že se lůžko, stůl, nebo křeslo „kácí“ k nej pomalejšímu pohonu.

Dražší provedení lineárních pohonů mají proto zabudována relativní nebo absolutní čidla polohy, která umožní regulovat pohyb pohonů na stejnou rychlost, nebo i na absolutní polohu. Nejčastěji se jako relativní čidla používají Hallovy sondy, různé indukční snímače a optosnímače, jako absolutní pak např. víceotáčkové spirálové potenciometry.

Jiné řešení, a to digitální proporcionálně-integrační synchronizátor dvou DC motorů uvádí patent US 4733 144. Proporcionálně-integrační jednotka podle tohoto řešení vyhodnocuje aktuální rychlost motorů a zjištěné hodnoty integrované v zadaném časovém intervalu odesílá v digitální formě do logického obvodu, kde jsou porovnávány se zadanou referenční hodnotou. Na základě zjištěných rozdílů jsou otáčky obou motorů regulovány tak, aby byly shodné se zadanou hodnotou. Referenční hodnoty a provozní příkazy jsou zadávány pomocí ovladače. Tento synchronizátor je vhodný například pro kopírky a taková zařízení, ve kterých nedochází k výraznějším rozdílům v silové zátěži jednotlivých motorů.

Z cenových důvodů se však dnes hromadně vyrábí a používají lineární pohony bez snímačů se všemi jejich negativními vlastnostmi, které se pak přenášejí na finální výrobek. Důsledkem je nutnost ručního dorovnávání polohy za použití např. vestavěné vodováhy, nebo vyjetí do spodní nebo horní polohy a tím celkové dorovnání.

Uvedený problém použití levných pohonů je možné částečně řešit výběrem pohonů s podobnými rychlostmi, nezávislým systémem odměřování polohovaného zařízení, nebo použitím řízení dle WO 02/03526 A2 (EP 1314 234 A2). Toto řízení je určeno pro levné řídicí systémy bez mikroprocesorové řídicí jednotky s poměrně komplikovaným obvodem využívajícím tzv. „pseudomotoru“ a doplňujícího srovnání dominantních kmitočtů které obsahují komutátorové proudy jednotlivých motorů.

-1 CZ 14692 Ul

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje navrhovaný elektronický obvod pro řízení dvou a více DC motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku, zejména lůžek, stolů a křesel podle předloženého technického řešení. Obvod obsahuje alespoň jeden napájecí zdroj PS, který je propojen s alespoň dvěma motory M přes bloky PWM pro nastavení výkonu jednotlivých motorů, kde ke každému motoru M přísluší blok násobičky UK*K, a také blok konstanty K a výstupy všech bloků UK*K jsou propojeny s jednotlivými vstupy bloku porovnávacího členu Pl. Výstupy z Pl jsou vyhodnoceny regulátorem REG a výstupy regulátoru REG jsou připojeny na druhé vstupy bloků PWM pro nastavení výkonu jednotlivých motorů. Časování jednotlivých operací je prováděno z bloku TC.

Podstata technického řešení spočívá vtom, že při řízení DC motorů pohonů přes PWM regulátory se napájení motorů krátce peridicky odpojuje. V této době, po odeznění přechodového jevu na indukčnosti motorů, se odečte z každého motoru napětí, které je úměrné otáčkám a není ovlivněno vnitřním odporem motoru. Toto napětí se upraví v blocích UK*K vynásobením konstantami, vlastními pro každý motor a směr otáčení. Při správně volených konstantách budou na výstupech bloků UK*K stejná napětí při stejných otáčkách motorů. Tyto konstanty se dají získat například kalibrací - nejlépe až na hotovém výrobku, porovnáním časů jednotlivých pohonů při přesunu mezi krajními polohami. V porovnávacím obvodu získaná regulační odchylka se zpracuje v bloku REG, kteiý reguluje výkon do motorů přes PWM regulátory tak, aby součet všech regulačních odchylek přes všechny periody měření byl blízký nule a přitom zpomalován byl pouze rychlejší z pohonů.

Omezení rychlosti např. o 1-2 % vlivem periodického vzorkování je zanedbatelné oproti obvyklému kolísání rychlosti vlivem napájecího síťového napětí o +/-10 % a kolísání vlivem zatížení napájecího zdroje až o -40 %.

Výhodou uvedeného řešení je, že pracuje s nejlevnější konstrukcí pohonů a nevyžaduje žádné snímací prvky otáček nebo polohy. Řešení je málo závislé na rozptylu otáček motorů, na různých otáčkách vlevo/vpravo, na motorech od různých výrobců a dokonce na motorech s různým počtem pólů.

Výhodou uvedeného řešení je, že rychlost pohonů je přibližně stejná a může být dána rychlostí nejpomalejšího pohonu. Je tedy možné nastavit ji maximální, při daném napájecím napětí.

Výhodou uvedeného řešení je, že při zpomalení pouze jednoho pohonu nerovnoměrným zatížením, se ostatní přizpůsobí jeho rychlosti.

Výhodou uvedeného řešení je, že všechny komponenty tohoto řešení s výjimkou napájecího zdroje a elektronických výkonových spínačů v blocích PWM lze s výhodou realizovat již existujícím mikropočítačovým systémem. Také elektronické výkonové spínače jsou obvykle v existujících polohovacích řídicích systémech obsaženy. Náklady na aplikaci tohoto technického řešení se tím radikálně snižují a uvedené řešení je vhodné i pro nejlevnější polohovací řídicí systémy.

Výhodou uvedeného řešení je, že pomocí přídavného bloku s referencí REF může být celý obvod řízení DC motorů snadno změněn z řízení na maximální rychlost podle nejpomalejšího pohonu na řízení na definovanou rychlost danou velikostí reference REF.

Výhodou uvedeného řešení je, že lze využít obecně pro řízení nejenom na stejnou rychlost ale, změnou násobící konstanty, i pro řízení na definovaný poměr rychlostí a tak vytvářet obecnější polohovací funkce.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení elektronického obvodu pro řízení dvou a více DC motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku, zejména lůžek, stolů a křesel podle předloženého

-2CZ 14692 Ul

P2:

Porovnávací obvod. Na výstupu je rozdíl vstupních napětí. TC:

Blok časování.

Obr. 2: časové diagramy Treg a Tpwm bloku TC

Tpwm:

Čas TI je doba ve které jsou DC motory napájeny z napájecího zdroje PS a výkonově regulovány přes bloky PWM.

Čas T2 je doba ve které je napájení DC motorů přes bloky PWM přerušeno a DC motory elektricky odpojeny od PWM.

Čas TI +T2 je opakovači doba cyklu měření a regulace.

Treg:

Čas T3 je doba ve které se měří a koriguje přes bloky UK*K napětí z DC motorů a vyhodnocují se regulační odchylky v REG. Napětí z DC motorů nebo výslednou regulační odchylku je vhodné získat jako průměrnou hodnotu z několika měření.

Příklady provedení

Elektronický obvod pro řízení dvou a více DC motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku zahrnuje alespoň jeden napájecí zdroj PS, který je propojen s motory M přes bloky pro nastavení výkonu jednotlivých motorů PWM. Ke každému motoru M přísluší blok násobičky UK*K, spojené s ním svým prvním vstupem a také blok konstanty K se kterým je spojena svým druhým vstupem. Výstupy všech bloků UK*K jsou propojeny s jednotlivými vstupy bloku porovnávacího členu PÍ jehož výstupy jsou propojeny s prvními vstupy regulátoru REG. Pro nej častější případ řízení pouze dvou motorů je výstup z bloku porovnávacího členu PÍ jediný. Výstupy regulátoru REG jsou připojeny na druhé vstupy bloků PWM pro nastavení výkonu jednotlivých motorů, přičemž časovač TC je svým výstupem spojen s druhým vstupem bloku (REG). Při rozšíření o regulaci nezávislých pohonů na konstantní rychlost nebo na konstantní poměr rychlostí tento elektronický obvod obsahuje navíc blok referenčního napětí REF, připojený k prvnímu vstupu porovnávacího členu P2, jehož druhý vstup je připojen na výstup zvoleného bloku násobičky UK*K a jehož výstup je připojen do třetího vstupu regulátoru REG.

Význam a funkce důležitých bloků, vstupů, výstupů, použitých zkratek a časových průběhů bude objasněn dále.

Blok PS je napájecí zdroj stejnosměrný - síťový nebo bateriový dodávající potřebnou energii do systému s elektromotorovými pohonnými jednotkami. Napětí může být nestabilizované, filtrované kondenzátory usměrňovačů a zvláště při zátěži a při síťovém napájení obsahuje zvlnění.

Blok PWM reguluje energii do motoru pohonné jednotky v době TI. Použita je pulzně šířková modulace, kdy se rychle periodicky připojuje a odpojuje zdroj PS od motoru pohonu a poměr mezi časem připojení a odpojení určuje napájecí energii. Během doby T2 je výstup PWM elektricky odpojen od motoru pohonu.

Blok UK*K provádí měření napětí na motoru pohonu a jeho vynásobení kalibrační konstantou K. Pro vyhodnocování je to důležité pouze v době T3, kdy je výhodné provést více měření a dále pak pracovat s průměrnou hodnotou. Výsledné napětí předá na svůj výstup.

Kalibrační konstanta K je konstanta stanovená v procesu kalibrace pro každý motor a oba směry otáčení. Pomocí vynásobení konstantou K dávají elektricky různé motory na výstupech bloku UK*K, v době T3, při stejných úhlových rychlostech stejná napětí. Pro zvláštní případy polohování, kdy regulujeme úmyslně na různou rychlost pohonů, seK volí dle těchto požadavků.

-4 CZ 14692 Ul technického řešení bude blíže osvětleno pomocí Výkresu č. 1, s obrázky Obr. 1 a Obr. 2, které znázorňují blokové schéma a časový diagram.

Obr. 1 : Blokové schéma

PS: *

Napájecí zdroj stejnosměrný - síťový nebo bateriový dodávající potřebnou energii d.o; systému s elektromotorovými pohonnými jednotkami. Napětí je nestabilizované, filtrované kondenzátory usměrňovačů a zvláště při zátěži a síťovém napájení obsahuje zvlnění.

PWM:

UK*K:

Blok UK*K provádí měření napětí na motoru pohonu ajeho vynásobení kalibrační konstantou K. Význam to má v době T3. V této době je výhodné provést více měření a dále pracovat s průměrnou hodnotou.

K:

Kalibrační konstanta stanovená v procesu kalibrace pro každý motor a oba směry otáčení. Pomocí K, dávají elektricky různé motory na výstupech UK*K, v době T3, při stejných otáčkách stejná napětí. Pro zvláštní případy polohování, kdy regulujeme úmyslně na různou rychlost pohonů, se K volí dle těchto požadavků.

REG:

REG vstup je připojen k výstupu porovnávacího členu PÍ a v jednoduchém případě řízení dvou motorů zpracovává jedno rozdílové napětí ze dvou výstupů UK*K. REG provede na základě výsledku z porovnávacího členu přičtení zjištěné odchylky k součtu odchylek z minulých měřících cyklů, které mají periodu T1+T2. Při sčítání odchylek je nutno respektovat znaménko odchylky. REG reguluje PWM v době TI tak, aby součet všech regulačních odchylek přes všechny periody měření byl blízký nule a přitom zpomalován byl pouze rychlejší z pohonů. Pouze při potřebě regulovat na nižší, nebo nižší a konstantní rychlost nezávislou na napájecím zdroji PS a zatížení pohonů, jsou regulovány všechny PWM současně. Rychlost je pak nastavována přes REF a druhý porovnávací obvod P2 do REG.

REF:

Napětí které dává řídicí polohovací systém. Jeho velikost určuje rychlost na kterou bude REG regulovat všechny pohony systému.

M:

Stejnosměrný reversní motor s permanentními magnety ve statoru a rotorovým komutátorem.

TC:

Blok TC - viz také Obr. 2 určuje časování jednotlivých činností ve výše popsaných blocích, zejména v bloku REG. Hlavní činností v době TI je PWM regulace motoru Μ. V době T2 odpojení PWM od motoru Ma v době T3 měření napětí na motoru M ajeho zpracování v REG. PÍ :

Porovnávací obvod. Na výstupu je rozdíl vstupních napětí. Při větším počtu motorů než dva je vhodné nalézt nejpomalejší motor, sním porovnávat a na jeho rychlost regulovat ostatní. Porovnávací obvod pak musí mít více výstupů

-3 CZ 14692 Ul

Blok REG je spojen svým prvním vstupem k výstupu porovnávacího členu PÍ a zpracovává rozdílové napětí z výstupů bloků UK*K. V případě regulace více jak dvou motorů, přibývá s každým motorem jeden výstup z bloku PÍ do bloku REG. Blok REG provede, na základě výsledku z porovnávacího členu Pl, přičtení zjištěné odchylky k součtu odchylek z minulých měřících cyklů, které mají periodu T1+T2. Při sčítání odchylek je nutno respektovat znaménko odchylky. Blok REG svými výstupy připojenými na PWM určuje výkon dodávaný motoru v době TI tak, aby součet všech regulačních odchylek přes všechny periody měření byl blízký nule a přitom zpomalován byl pouze rychlejší z pohonů. Pouze při potřebě regulovat na nižší, nebo nižší a přitom konstantní rychlost nezávislou na napájení PS a na zatížení pohonů, regulují všechny bloky PWM současně. Rychlost je pak nastavována přes blok REF a druhý porovnávací obvod P2 do třetího vstupu bloku REG.

Blok REF je pouze pomocné referenční napětí, určující rychlost na kterou bude blok REG regulovat všechny motory všech pohonů v systému řízení.

Blok TC určuje časování jednotlivých činností ve výše popsaných blocích, zejména v bloku REG. Hlavní činnosti jsou popsány pomocí časových průběhů Tpwm a Treg. V době TI je prováděna PWM regulace výkonu motorů M a v následující době T2 elektrické odpojení bloků PWM od motorů Μ. V době T3, která může začít se zpožděním proti době T2 a která končí stejně jako T2, se pak provádí měření a zpracování napětí z motorů M v blocích UK*K a REG. V bloku REG se rozhodne o nastavení výkonu pro jednotlivé motory M v následující době TI.

Motor M je stejnosměrný reversní motor s permanentními magnety ve statoru a rotorovým komutátorem.

TI je doba ve které jsou motory výkonově napájeny a regulovány přes bloky PWM ze zdroje PS.

T2 je doba ve které je napájení motorů přes bloky PWM přerušeno a motory jsou'elektricky odpojeny od PWM.

T3 je doba ve které se měří přes bloky UK*K napětí na motorech. Napětí je vhodné získat jako průměrnou hodnotu z několika měření.

Využitelnost

Elektronický obvod pro řízení dvou a více DC motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku, zejména lůžek, stolů a křesel lze využít všude tam, kde je požadováno levné polohování pomocí jednoduchých nezávislých pohonů s DC elektromotory, jako jsou polohovatelná lůžka, polohovatelné stoly, polohovatelná křesla apod., zejména pak lůžka nemocniční, kde jednotlivé pohony musí udržovat navzájem přibližně stejnou anebo definovanou rychlost, nezávislou od jejich rozdílné zátěže a to při nízkých nákladech na elektronickou řídicí jednotku.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Elektronický obvod pro řízení dvou a více stejnosměrných motorů v nezávislých pohonech pro polohové nastavení nábytku, zejména lůžek, stolů a křesel, které je prováděno přes bloky nastavení výkonu pro jednotlivé motory, kde pohony mají udržovat stejnou nebo přibližně stejnou vzájemnou rychlost, nezávislou na jejich rozdílné zátěži vyznačující se tím, že zahrnuje alespoň jeden napájecí zdroj (PS), který je propojen s motory (M) přes bloky (PWM) pro nastavení výkonu jednotlivých motorů, kde ke každému motoru (M) přísluší blok násobičky (UK*K), spojené s ním svým prvním vstupem a také blok konstanty (K), se kterým je spojena svým druhým vstupem a výstupy všech bloků (UK*K) jsou propojeny s jednotlivými vstupy bloku porovnávacího členu (Pl), jehož výstupy jsou propojeny s prvními vstupy regulátoru (REG) a výstupy regulátoru (REG) jsou připojeny na druhé vstupy bloků (PWM) pro nastavení

- 5 CZ 14692 Ul výkonu jednotlivých motorů, přičemž časovač (TC) je svým výstupem spojen s druhým vstupem bloku (REG).
2. Elektronický obvod podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro regulaci nezávislých pohonů na konstantní rychlost nebo na konstantní poměr rychlostí dále obsahuje

5 blok referenčního napětí (REF), připojený k prvnímu vstupu porovnávacího členu (P2), jehož druhý vstup je připojen na výstup zvoleného bloku násobičky (UK*K) a jehož výstup je připojen do třetího vstupu regulátoru (REG).
3. Elektronický obvod podle některého z nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že elektronické bloky (K), (UK*K), (Pl), (TC), (REF) a (P2) jsou integrální součástí bloku (REG)