RU86813U1 - CONTROLLED ELECTRONIC MODULE - Google Patents

Abstract

Управляемый электронный модуль, включающий в себя последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а истоки (эмиттеры) нижних транзисторов каждый имеют отдельный выход, шесть пар независимых выходов драйвера соединены с управляющими входами соответствующего транзистора, выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора, отличающийся тем, что в инвертор добавлен четвертый полумост с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, а контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.A controlled electronic module including a series-connected controller, a driver with six pairs of independent outputs and a three-phase inverter made on three transistor half-bridges formed by two series-connected transistors, and the drains (collectors) of the upper half-bridge transistors are connected to the positive bus of the inverter power source, and the sources (emitters) of the lower transistors each have a separate output, six pairs of independent driver outputs are connected to the control inputs respectively of the transistor, the conclusions of the common points of the half-bridge transistors form three inverter outputs, characterized in that a fourth half-bridge with separate outputs of the drain (collector) and source (emitter) and common point is added to the inverter, and the driver and controller are supplemented by controls of the fourth half-bridge, identical by execution with controls of each of the first three half-bridges, and the controller has inputs of analog and digital signals.

Description

Полезная модель относится к управляемым полупроводниковым преобразователям и может быть использовано в электроприводе и преобразователях.The utility model relates to controlled semiconductor converters and can be used in electric drives and converters.

Известны электронные модули управления вентильными двигателями постоянного и переменного тока [1]. Их недостатки - разнотипность для двигателей постоянного тока и для двигателей переменного тока, а также непригодность для управления индукторными и шаговыми двигателями, а также - ограниченные регулировочные возможности.Known electronic control modules for DC and AC valve motors [1]. Their disadvantages are the heterogeneity for DC motors and AC motors, as well as unsuitability for controlling induction and stepper motors, as well as limited regulatory capabilities.

Известен модуль управления двигателем постоянного тока [2]. Его недостаток - ограниченные функциональные возможности, непригодность для управления двигателями других типов, ограниченные регулировочные возможности.A known module for controlling a DC motor [2]. Its disadvantage is limited functionality, unsuitability for controlling other types of engines, limited adjustment capabilities.

Прототипом предлагаемого управляемого электронного модуля является модуль управления синхронным вентильным двигателем (СВД) [3]. Его недостаток - функциональная ограниченность по типу электродвигателя и по регулировочным свойствам.The prototype of the proposed controlled electronic module is a synchronous valve motor control module (SVD) [3]. Its disadvantage is functional limitation by type of electric motor and by adjusting properties.

Предлагаемый управляемый электронный модуль по сравнению с прототипом решает задачи расширения функциональных возможностей на другие типы электро двигателей, а также преобразователей напряжения, формирования любых возможных регулировочных характеристик электропривода, а также, повышение массовости производства.The proposed controlled electronic module in comparison with the prototype solves the problem of expanding the functionality of other types of electric motors, as well as voltage converters, the formation of any possible adjustment characteristics of the electric drive, as well as increasing the mass production.

Поставленная задача решается тем, что в управляемый электронный модуль, включающий в себя последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а истоки (эмиттеры) нижних транзисторов каждый имеют отдельный выход, шесть пар независимых выходов драйвера соединены каждый с управляющими входами соответствующего транзистора, выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора, в инвертор добавлен четвертый полумост с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, а контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.The problem is solved in that in a controlled electronic module that includes a series-connected controller, a driver with six pairs of independent outputs and a three-phase inverter made on three transistor half-bridges formed by two series-connected transistors, and the drains (collectors) of the upper half-bridge transistors are connected to the positive bus of the inverter power supply, and the sources (emitters) of the lower transistors each have a separate output, six pairs of independent outputs of the soy driver each inen with the control inputs of the corresponding transistor, the conclusions of the common points of the half-bridge transistors form the three inverter outputs, the fourth half-bridge with separate outputs of the drain (collector) and the source (emitter) and common point are added to the inverter, and the driver and controller are supplemented by controls that are identical to the fourth half-bridge on execution with controls of each of the first three half-bridges, and the controller has inputs of analog and digital signals.

Устройство и работу управляемого электронного модуля поясняют чертежи, Фиг.1-16.The device and operation of the controlled electronic module explain the drawings, Fig.1-16.

На Фиг.1 изображена электрическая схема управляемого электронного модуля.Figure 1 shows the electrical circuit of a controlled electronic module.

На Фиг.2 показана панель выводов модуля, используемых для подключения в различных устройствах.Figure 2 shows the terminal block of the module used for connection in various devices.

На Фиг.3 показаны диаграммы напряжений, поясняющие принцип действия модуля.Figure 3 shows the voltage diagrams explaining the principle of operation of the module.

На Фиг.4-16 показано применение модуля в различных устройствах и диаграммы напряжений, поясняющие их работу.Figure 4-16 shows the application of the module in various devices and voltage diagrams explaining their operation.

Управляемый электронный модуль (Фиг.1) содержит последовательно соединенные контроллер 1, драйвер четырех полумостов 2 и инвертор 3, имеющий выводы 4-14; контроллер имеет пять используемых в устройстве выводов 15-19, число которых в реальных контроллерах больше. Каждый полумост инвертора состоит из последовательно включенных транзисторов: 20-21, 22-23, 24-25 и 26-27, изображенных условно в виде разомкнутого контакта, шунтированного встречно включенным диодом. Транзисторы могут быть любого типа - биполярные, полевые или биполярные с изолированным затвором. Стоки (коллекторы) верхних транзисторов 20, 21 и 24 соединены с положительной шиной источника питания 4, сток транзистора 26 имеет отдельный вывод 5. Выход инвертора - средние точки полумостов имеют выводы 6, 7, 8 и 9. Отрицательная шина источника питания 10 и истоки (эмиттеры) транзисторов 21, 23, 25 и 27 имеют отдельные выводы 14, 13, 12, и 11 соответственно. Верхние транзисторы полумостов 20, 22, 24 и 26 соединены цепями управления 28…31, а нижние 21, 23, 25 и 27 - цепями 32…35 соответственно с выходами драйвера 2. Контроллер 1 восемью цепями 36-43 соединен с соответствующими входами драйвера 2, обеспечивающего по цепям 28-31 и 35-39 соответственно импульсное управление восемью транзисторами 20-27.Managed electronic module (Figure 1) contains a series-connected controller 1, a driver of four half-bridges 2 and an inverter 3 having conclusions 4-14; the controller has five pins 15-19 used in the device, the number of which in real controllers is greater. Each half-bridge of the inverter consists of series-connected transistors: 20-21, 22-23, 24-25 and 26-27, shown conditionally in the form of an open contact, shunted by an on-board diode. Transistors can be of any type - bipolar, field or bipolar with an isolated gate. The drains (collectors) of the upper transistors 20, 21 and 24 are connected to the positive bus of the power supply 4, the drain of the transistor 26 has a separate output 5. Inverter output - the midpoints of the half-bridges have conclusions 6, 7, 8 and 9. The negative bus of the power supply 10 and the sources (emitters) of transistors 21, 23, 25, and 27 have separate terminals 14, 13, 12, and 11, respectively. The upper transistors of the half-bridge 20, 22, 24 and 26 are connected by control circuits 28 ... 31, and the lower 21, 23, 25 and 27 are connected by chains 32 ... 35 respectively with the outputs of driver 2. Controller 1 is connected by eight circuits 36-43 to the corresponding inputs of driver 2 , providing for circuits 28-31 and 35-39, respectively, pulse control of eight transistors 20-27.

Работа модуля заключается в преобразовании аналоговых и цифровых сигналов, поступающих на входы 15-19 контроллера 1, в импульсные напряжения, снимаемые со средних точек полумостов 6-9 инвертора 3. Контроллер 1 в соответствии с текущими входными сигналами U_у1…U_у5 и заложенной в него программой вырабатывает импульсные и широтно-имппульсные (ШИМ) сигналы U₃₆…U₄₃, которые преобразуются драйвером 2 в сигналы управления 28…35 полумостов, образованных парами транзисторов 20-21, 22-23, 24-25, 26-27 инвертора 3. Алгоритм преобразования сигналов управления каждым из полумостов идентичен, поэтому достаточно показать принцип управления одного полумоста, например, образованного транзисторами 20 и 21, фиг.3, где приведены временные диаграммы напряжений контроллера - U₃₆, U₄₀, драйвера - U₂₈, U₃₂ и выходного напряжения инвертора - U₆. Наличие программируемого контроллера в предлагаемом модуле позволяет использовать его для управления разомкнутых и замкнутых обратной связью электроприводов и преобразователей напряжения.The operation of the module consists in converting analog and digital signals supplied to the inputs 15-19 of controller 1 to pulse voltages taken from the midpoints of the half-bridge 6-9 of inverter 3. Controller 1 in accordance with the current input signals U _у1 ... U _у5 and embedded in the program produces pulse and pulse-width (PWM) signals U ₃₆ ... U ₄₃ , which are converted by driver 2 into control signals 28 ... 35 half-bridge formed by pairs of transistors 20-21, 22-23, 24-25, 26-27 of inverter 3 Algorithm for converting control signals to each of the half-bridges is identical, therefore it is enough to show the control principle of one half-bridge, for example, formed by transistors 20 and 21, Fig. 3, which shows the timing diagrams of the controller voltages - U ₃₆ , U ₄₀ , drivers - U ₂₈ , U ₃₂ and the inverter output voltage - U ₆ . The presence of a programmable controller in the proposed module allows you to use it to control open and closed feedback of electric drives and voltage converters.

Применение модуля поясняют чертежи, фиг.4-16, на которых показаны схемы включения модуля в различных устройствах и диаграммы напряжений, поясняющие их работу. На фиг.4 приведена схема подключения двухфазных двигателей - асинхронных, синхронных, индукторных и шаговых. Контроллер в соответствии с сигналом управления Uу (код Uу) вырабатывает требуемый закон изменения напряжения на обмотках двигателя или требуемое число импульсов напряжения на обмотках шагового двигателя. Синусоидальное управление двухфазных двигателей (фиг.5) обеспечивается ШИМ напряжения питания, так что огибающие выходных напряжений модуля изменяются по законам Ud=Umsinωt, Uq=Umcosωt, где ω=2π/Т - круговая частота, Um=t_и(max)/Tш -амплитуда огибающих напряжений; t_и(max) - максимальное значение ширины импульса t_и, изменяющейся по закону синуса, Тш - период ШИМ (Тш<<Т). Значения указанных переменных определяются и задаются контроллером в соответствии с его программой и входными сигналами. Шаговый режим (фиг.6) создается чередующимся изменением полярности напряжения питания, прикладываемого к обмоткам d и q. Напряжения Ud и Uq изменяются либо по сигналу Uу, поступающему на контроллер, либо вырабатываются контроллером в соответствии с заложенной в него программой.The application of the module is illustrated by the drawings, Figs. 4-16, which show the switching circuits of the module in various devices and voltage diagrams explaining their operation. Figure 4 shows the connection diagram of two-phase motors - asynchronous, synchronous, induction and stepper. The controller, in accordance with the control signal Uу (code Уу), generates the required law of voltage variation on the motor windings or the required number of voltage pulses on the windings of the stepper motor. Sinusoidal control of two-phase motors (Fig. 5) is provided by a PWM supply voltage, so that the envelope of the module output voltages changes according to the laws Ud = Umsinωt, Uq = Umcosωt, where ω = 2π / T is the circular frequency, Um = t _{and (max)} / Tш -amplitude of envelope stresses; t _{and (max)} - the maximum value of the pulse width t _and changing according to the law of sine, Тш - PWM period (Тш << Т). The values of these variables are determined and set by the controller in accordance with its program and input signals. The step mode (Fig. 6) is created by alternating the polarity of the supply voltage applied to the windings d and q. The voltages Ud and Uq are changed either by the signal Uy arriving at the controller, or generated by the controller in accordance with the program laid down in it.

Модуль с четырьмя выходами позволяет подключать и управлять двумя двигателями постоянного тока (фиг.7) либо одним двигателем вдвое большей мощности (фиг.10), где две пары полумостов инвертора 3 (фиг.1) объединяются в одну, образуя мост вдвое большей мощности. В схеме с двумя двигателями управление каждым из них происходит идентично, поэтому достаточно показать работу одного двигателя, например, M1, которую поясняют фиг.8 и 9. Управление модулем и соответственно двигателем осуществляется аналоговым сигналом Uу или цифровым последовательным кодом - «код Uу», поступающим на выводы 19 и 18 контроллера соответственно, под действием которого происходит ШИМ сигналов контроллера - U₃₆, U₄₀, U₃₇, U₄₁, драйвера - U₂₈, U₃₂, U₂₉, U₃₃ и выходного напряжения U_Я1, прикладываемого к двигателю Ml (фиг.8, 9).A module with four outputs allows you to connect and control two DC motors (Fig. 7) or one motor with twice as much power (Fig. 10), where two pairs of half-bridges of the inverter 3 (Fig. 1) are combined into one, forming a bridge with twice as much power. In the scheme with two engines, each of them is controlled identically, therefore it is enough to show the operation of one engine, for example, M1, which are explained in Figs. 8 and 9. The module and, accordingly, the engine are controlled by an analog signal Uу or a digital serial code - “code Uу”, arriving at the terminals 19 and 18 of the controller, respectively, under the action of which the PWM of the controller signals - U ₃₆ , U ₄₀ , U ₃₇ , U ₄₁ , drivers - U ₂₈ , U ₃₂ , U ₂₉ , U ₃₃ and the output voltage U _Я1 applied to engine Ml (Fig.8, 9).

На фиг.11 показана схема подключения 3х-фазного двигателя переменного тока, в которой четвертый полумост инвертора 3 используется для регулировки напряжения питания трех других полумостов, образующих инвертор трехфазного двигателя. Регулятор напряжения образован полумостом транзисторов 26, 27 (фиг.1) и LC-цепью, выход которой - Uи подключен к стокам трехфазного инвертора. Напряжение Uи изменяется посредством ШИМ по сигналу Uу(код Uу). На фиг.12 показана диаграмма импульсных напряжений трехфазного двигателя при 120° коммутации, при изменении амплитуды которых Uи в схеме, фиг.11, изменяется скорость двигателя.11 shows a connection diagram for a 3-phase AC motor in which the fourth half-bridge of the inverter 3 is used to adjust the supply voltage of the other three half-bridges forming the inverter of the three-phase motor. The voltage regulator is formed by a half-bridge of transistors 26, 27 (Fig. 1) and an LC circuit, the output of which is U and connected to the drains of a three-phase inverter. The voltage U and is changed by the PWM signal Uy (code Uу). On Fig shows a diagram of the impulse voltages of a three-phase motor at 120 ° switching, with a change in the amplitude of which U and in the circuit, Fig.11, the speed of the motor changes.

На фиг.13 приведена схема подключения к модулю трехфазного СВД с синусоидальным трехфазным датчиком положения ротора (ДПР), обеспечивающая изменение амплитуды трехфазного переменного напряжения U_ab, U_bc, U_ac (фиг.14), подаваемого на двигатель, пропорционально входному сигналу управления модуля Uу. С изменением напряжения двигателя изменяется частота его вращения и период Т. Четвертый полумост, свободный от управления двигателем, используется здесь для подключения электромагнита или муфты К, обеспечивающей стопорение или торможение двигателя при обесточенном модуле.On Fig is a diagram of the connection to the module of a three-phase LED with a sinusoidal three-phase rotor position sensor (DPR), providing a change in the amplitude of the three-phase alternating voltage U _ab , U _bc , U _ac (Fig. 14) supplied to the motor in proportion to the input control signal of the module Uy With a change in the motor voltage, its rotation frequency and period T changes. The fourth half-bridge, free from engine control, is used here to connect an electromagnet or clutch K, which ensures engine lock-up or braking with a de-energized module.

Схема, фиг.15, отличается от предыдущей тем, что в ней вместо ДПР элементами обратной связи служат шунты Rш, включенные в цепи истоков транзисторов 21, 23, 25 инвертора 3 (фиг.1). Данная схема, с учетом возможностей обратной связи, реализуемой в контроллере, обеспечивает управление током трехфазного двигателя переменного тока. Данное управление по току (по моменту) может быть применено и во всех предыдущих схемах управления двигателями - двухфазных и трехфазных.The circuit, Fig. 15, differs from the previous one in that instead of the DPR in it, the shunts Rш included in the source circuit of the transistors 21, 23, 25 of the inverter 3 serve as feedback elements (Fig. 1). This circuit, taking into account the feedback capabilities implemented in the controller, provides current control of a three-phase AC motor. This current control (by torque) can be applied in all previous motor control schemes - two-phase and three-phase.

На фиг.16 показано использование модуля в качестве активного выпрямителя или корректора коэффициента мощности. Входным напряжением устройства здесь является трехфазное напряжение U_a, U_b, U_с, подаваемое на его выводы 6, 7 и 8, выходным - напряжение Uп или - регулируемое Uи, снимаемое с выхода LC-фильтра, которое изменяется под действием сигнала управления Uу.On Fig shows the use of the module as an active rectifier or power factor corrector. The input voltage of the device here is the three-phase voltage U _a , U _b , U _s supplied to its terminals 6, 7 and 8, the output voltage is Uп or - adjustable Uи, taken from the output of the LC filter, which changes under the influence of the control signal Uу.

Источники информации:Information sources:

1 www.electrum-av.com, модули управления вентильными двигателями МУВД, МУКД, МУАД.1 www.electrum-av.com, control modules for valve engines MUVD, MUKD, MUAD.

2. Б.Кричевский. Интеллектуальный мост IR3220 для управления двигателями постоянного тока. Электронные компоненты, №6, 2004.2. B. Krichevsky. Intelligent IR3220 bridge for controlling DC motors. Electronic Components, No.6, 2004.

3. Владимир Башкиров. IRAMSxx - интеллектуальные силовые IGBT - модули для электропривода широкого применения. Новости электроники. 2007, №7, с.14. (прототип)3. Vladimir Bashkirov. IRAMSxx - intelligent power IGBT - modules for a wide range of electric drives. Electronics News. 2007, No. 7, p.14. (prototype)

Claims (1)

Управляемый электронный модуль, включающий в себя последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а истоки (эмиттеры) нижних транзисторов каждый имеют отдельный выход, шесть пар независимых выходов драйвера соединены с управляющими входами соответствующего транзистора, выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора, отличающийся тем, что в инвертор добавлен четвертый полумост с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, а контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.

A controlled electronic module including a series-connected controller, a driver with six pairs of independent outputs and a three-phase inverter made on three transistor half-bridges formed by two series-connected transistors, and the drains (collectors) of the upper half-bridge transistors are connected to the positive bus of the inverter power source, and the sources (emitters) of the lower transistors each have a separate output, six pairs of independent driver outputs are connected to the control inputs respectively of the transistor, the conclusions of the common points of the half-bridge transistors form three inverter outputs, characterized in that a fourth half-bridge with separate outputs of the drain (collector) and source (emitter) and common point is added to the inverter, and the driver and controller are supplemented by controls of the fourth half-bridge, identical by execution with controls of each of the first three half-bridges, and the controller has inputs of analog and digital signals.