CS270625B1

CS270625B1 - Wiring for rotor protection, DC motor

Info

Publication number: CS270625B1
Application number: CS888480A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Merinsky
Original assignee: Merinsky Jiri
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1990-07-12
Also published as: CS848088A1

Abstract

Zapojení se týká stejnosměrného motoru a řeší ochranu rotoru před tepelným přetížením. Zapojení je vytvořeno Jako samostatná zpětnovazební smyčka, která pracuje nezávisle na hlavní regulační smyčce eervomechánisrnu. Na její vstup je přiveden signál ze snímače proudu, který je v obvodu rotoru chráněného motoru. Pro proudy větší než dovolené vlivem nelineární zpětné vazby mění svůj přenos tak, že velikost signálu na jejím výstupu je závislá na časovém průběhu tohoto proudu. Tento signál je využíván v nadřazené regulační smyčce servomechanisrnu k proudovému omezení. Při velikosti signálu, který odpovídá nepřípustné teplotě rotoru, se provede odpojení motoru od napojení a blokování opětovného přepojení, pokud teplota motoru neklesne na přípustnou hodnotu. Zapojení se využije u pohonů průmyslových robotů a manipulátorů.The connection concerns a DC motor and solves the rotor protection against thermal overload. The connection is created as a separate feedback loop that operates independently of the main control loop of the servomechanism. A signal from a current sensor in the rotor circuit of the protected motor is fed to its input. For currents greater than permissible, due to nonlinear feedback, it changes its transmission so that the magnitude of the signal at its output depends on the time course of this current. This signal is used in the superior control loop of the servomechanism for current limitation. When the signal magnitude corresponds to an impermissible rotor temperature, the motor is disconnected from the connection and reconnection is blocked unless the motor temperature drops to an permissible value. The connection is used in drives of industrial robots and manipulators.

Description

Vynález ee týká zapojení pro ochranu rotoru stejnosměrného motoru rychlých eervomechanismů, např. průmyslových robotů a manipulátorů.The invention ee relates to a circuit for protecting the rotor of a DC motor of fast eervomechanisms, e.g. industrial robots and manipulators.

Pro rychlá reverzační pohony malých výkonů se v regulační technice používají speciální stejnosměrné servomotory, jejichž rotor je vytvořen bez·feromagnetických otáčivých součástí. Rotor má malou hmotnost a tím velmi malý moment setrvačnosti. Uspořádání motoru dovoluje krátkodobé přetěžování a tím dosažení velkého záběrového momentu a elektromechanické časové konstanty jsou řádově milisekundy. Toto-krátkodobé přetěžování, které dosahuje cca pětinásobku jmenovitého proudu motoru, způsobuje oteplování vinutí rotoru. Pokud přestoupí teplota rotoru přípustnou hodnotu, motor se poškodí. Aby ee plně využily dobré dynamické vlastnosti těchto motorů je nutné regulátor pro tyto motory doplnit o obvody, které kontrolují při všech pracovních režimech teplotu rotoru a v mezním případě překročení dovolené teploty motor odpojí od napojení.For fast reversing drives of low power, special DC servomotors are used in the control technology, the rotor of which is made without ferromagnetic rotating parts. The rotor has a low weight and thus a very small moment of inertia. The arrangement of the motor allows short-term overloading and thus the achievement of a large engagement torque and the electromechanical time constant are of the order of milliseconds. This short-term overload, which is about five times the rated motor current, causes the rotor winding to warm up. If the rotor temperature exceeds the permissible value, the motor will be damaged. In order to take full advantage of the good dynamic properties of these motors, it is necessary to supplement the controller for these motors with circuits that control the rotor temperature in all operating modes and disconnect the motor from the connection if the permissible temperature is exceeded.

Jsou známá zapojení, která využívají v obvodech pro ochranu motoru různé typy snímačů teploty. Tento způsob ochrany nelze u malých speciálních motorů použít, protože snímače z konstrukčních důvodů nelze do rotoru zabudovat. Rovněž zapojení, která pomocí termistoru modelují tepelnou časovou konstantu motoru, jsou sice jednoduchá, ale značně nepřesná. Další zapojení, která využívají nadřazenou proudovou regulační smyčku, provádějí v několika krocích změnu časových konstant proudového regulátoru během rozběhu motoru. Při změnách provozních režimů motoru však nelze optimalizovat celou regulační smyčku tak, aby se dosáhlo špičkových dynamických parametrů pohonu.Wiring is known which uses various types of temperature sensors in motor protection circuits. This method of protection cannot be used with small special motors, because the sensors cannot be built into the rotor for design reasons. The connections that model the thermal time constant of the motor using a thermistor are also simple, but very inaccurate. Other connections that use a superior current control loop change the time constants of the current regulator in several steps during motor start-up. However, when changing the operating modes of the motor, it is not possible to optimize the entire control loop in order to achieve top dynamic parameters of the drive.

Tyto nedostatky odstraňuje do značné míry zapojení ochrany rotoru stejnosměrného motoru podle vynálezu, u kterého je signálový výstup zapojení spojen se vstupem tvarovače, jehož výstup je spojen se vstupem nelineárního zesilovače. Výstup nelineárního zesilovače je spojen s prvním vstupem integrátoru. Výstup integrátoru je spojen s prvním vstupem omezovače. Výstup omezovače'je spojen-se druhým vstupem tvarovače. Druhý vstup omezovače je spojen s referenčním vstupem zapojení. Podstata vynálezu spočívá v tom, že referenční vstup zapojení je spojen se druhým vstupem součtového členu a se druhým vstupem komparátoru. První vstup komparátoru je spojen s prvním vstupem omezovače. Výstup komparátoru je spojen se druhým výstupem zapojení. První výstup zapojení je spojen s výstupem součtového členu, jehož první vstup je spojen b výstupem integrátoru.These shortcomings are largely eliminated by the DC motor rotor protection circuit according to the invention, in which the signal output of the circuit is connected to the input of a shaper, the output of which is connected to the input of a non-linear amplifier. The output of the nonlinear amplifier is connected to the first input of the integrator. The output of the integrator is connected to the first input of the limiter. The output of the restrictor is connected to the second input of the shaper. The second input of the limiter is connected to the reference input of the connection. The essence of the invention lies in the fact that the reference input of the circuit is connected to the second input of the summing element and to the second input of the comparator. The first input of the comparator is connected to the first input of the limiter. The output of the comparator is connected to the second output of the circuit. The first output of the circuit is connected to the output of the summing element, the first input of which is connected to the output of the integrator.

Výhodou zapojení podle vynálezu je, že umožňuje plně využít dynamických vlastností motoru v daném pracovním režimu. Zapojení nepřímo kontroluje teplotu vinutí rotoru. Svými výstupy působí na regulátor motoru, který může být spojitý nebo s půlení šířkovou modulací. V případě překročení přípustné teploty dá povel k odpojení motoru a k signalizaci tohoto stavu. Opětné připojení motoru na napájecí napětí je možné pouze tehdy, až teplota vinutí rotoru klesne na přípustnou hodnotu. Zapojení umožňuje nastavit velikost proudového omezení, okamžik odpojení chráněného motoru od napájení. To současně umožňuje přesně podle provozního režimu využít plně dynamických vlastností motoru, aniž by mohlo dojít k jeho poškození přehřátím.The advantage of the circuit according to the invention is that it makes it possible to take full advantage of the dynamic properties of the motor in a given operating mode. The connection indirectly controls the rotor winding temperature. Its outputs act on the motor controller, which can be continuous or with halving width modulation. If the permissible temperature is exceeded, it gives the command to disconnect the motor and to signal this condition. Reconnection of the motor to the supply voltage is only possible when the rotor winding temperature drops to the permissible value. The connection allows you to set the size of the current limit, the moment of disconnection of the protected motor from the power supply. At the same time, this allows the fully dynamic properties of the motor to be used exactly according to the operating mode, without it being damaged by overheating.

Příklad uspořádání podle vynálezu je schematicky znázorněn na výkresu.An example of an arrangement according to the invention is schematically shown in the drawing.

Jednotlivé bloky zapojení je možno charakterizovat takto. Tvarovač 1 je vytvořen ze tří operačních zesilovačů. První operační zesilovač je v zapojení jako diferenční zesilovač. Slouží k zesílení a impedančnímu přizpůsobení vstupního signálu z proudového čidla.The individual connection blocks can be characterized as follows. Shaper 1 is made up of three operational amplifiers. The first operational amplifier is connected as a differential amplifier. It is used to amplify and impedance matching the input signal from the current sensor.

CS 270 625 BlCS 270 625 Bl

Druhý operační zesilovač je v zapojení jako lineární dvoucestný usměrňovač. Pracuje jako převodník na absolutní hodnotu. Třetí operační zesilovač je zapojen jako invertor. Slouží k sečtení a impedančnímu přizpůsobení vstupního a zpětnovazebního signálu. Nelineární zesilovač 2, je operační zesilovač zapojený jako invertor doplněný odpory a diodami ve zpětnovazební síti. Takto zapojený zesilovač má rozdílné a nastavitelné zesílení pro kladný a záporný vstupní signál.·Omezovač £ J® operační zesilovač s přísluěnými vstupními a vazebními odpory a diodami ve zpětnovazební síti. Referenční napětí umožňuje nastavit požadovaný přenos omezovače. Součtový člen 5 se skládá ze tří operačních zesilovačů, které jsou zapojeny jako invertory a doplněny odpory a diodami ve zpětnovazební síti.The second operational amplifier is connected as a linear two-way rectifier. It works as an absolute value converter. The third operational amplifier is connected as an inverter. It is used for summing and impedance matching of input and feedback signal. The nonlinear amplifier 2 is an operational amplifier connected as an inverter supplemented by resistors and diodes in the feedback network. The amplifier connected in this way has a different and adjustable gain for the positive and negative input signal. The reference voltage allows you to set the required limiter transmission. The summing element 5 consists of three operational amplifiers, which are connected as inverters and supplemented by resistors and diodes in the feedback network.

Součtový člen má nelineární přenos s posunem necitlivosti. Referenční napětí umožňuje nastavovat požadované parametry přenosu. Komparátor 6 je operační zesilovač zapojený s nelineární zpětnou kladnou vazbou. Komparátor vyhodnocuje úroveň napětí, při které dochází k odpojení chráněného motoru a k indikaci tohoto stavu.The sum member has a nonlinear transmission with an insensitivity shift. The reference voltage allows you to set the required transmission parameters. Comparator 6 is an operational amplifier connected with non-linear feedback. The comparator evaluates the voltage level at which the protected motor is disconnected and this condition is indicated.

Jednotlivé bloky jsou zapojeny takto. Signálový vstup 10 zapojení je spojen se vstupem 11 tvarovače 1,. Výstup tvarovače 1. je spojen se vstupem 21 nelineárního zesilovače 2. Výstup 22 nelineárního zesilovače 2 je spojen s prvním vstupem 31 integrátoru J. Výstup 32 integrátoru J je spojen s prvním vstupem 51 součtového členu 2, s prvním vstupem 41 omezovače 4. a s prvním vstupem 61 komparátoru 6. Výstup 63 komparátoru j6 je spojen se druhým výstupem 40 zapojení. Referenční vstup 20 zapojení je spojen s druhým vstupem 52 součtového členu se druhým vstupem 62 komparátoru 6 a se druhým vstupem 42 omezovače 4,. Výstup 43 omezovače £ je spojen s druhým vstupem 12 tvarovače ,1. Výstup 53 součtového členu 2 d^e spojen s prvním výstupem 30 zapojení. Zapojení pracuje takto. Na. signálový vstup 10 se přivádí signál ze snímače proudu, který je zařazen v obvodu rotoru chráněného motoru. Snímač proudu není na výkresu znázorněn. Tento signál se převádí dále na vstup zpětnovazební smyčky tvořené tvarovačem 1., nelineárním zesilovačem 2, integrátorem 2 ^a omezovačem £. Takto vytvořený zpětnovazební obvod má tu vlastnost, že v rozsahu jmenovitého proudu motoru má proporcionální přenos. V okamžiku, když přestoupí proud motoru jmenovité hodnoty, změní se přenos smyčky vlivem nasycení omezovače £ tak, 2® analogově modeluje tepelné poměry v rotoru způsobené procházejícím proudem. Nelineární zesilovač 2. umožňuje respektovat rozdílné tepelné charakteristiky rotoru při oteplování a ochlazování. Pro hodnoty proudu, které rotor trvale bez poěkození vydrží, je signál na výstupu 32 integrátoru 2 úměrný signálu přiváděnému na první vstup 11 tvarovače ,1. Pro hodnoty proudu větší než je proud, který motor trvale vydrží, je signál na výstupu 32 integrátoru 2 závislý také na délce doby, po kterou tento proud působí na vinutí rotoru. Signál z výstupu zpětnovazební smyčky se přivádí jednak na první vstup 51 součtového členu 2, jehož přenos je pomocí referenčního napětí přivedeného na druhý vstup 52 součtového členu 2 nastaven podle požadovaného pracovního režimu motoru.The individual blocks are connected as follows. The signal input 10 of the circuit is connected to the input 11 of the shaper 1. The output of the shaper 1 is connected to the input 21 of the nonlinear amplifier 2. The output 22 of the nonlinear amplifier 2 is connected to the first input 31 of the integrator J. The output 32 of the integrator J is connected to the first input 51 of the summing element 2. the input 61 of the comparator 6. The output 63 of the comparator 16 is connected to the second output 40 of the circuit. The circuit reference input 20 is connected to the second input 52 of the summing element with the second input 62 of the comparator 6 and with the second input 42 of the limiter 4. The output 43 of the limiter 6 is connected to the second input 12 of the shaper 1. The output of the adder 53 d 2 ^e connected to the first output wiring 30. The connection works like this. On. the signal input 10 is supplied with a signal from a current sensor which is integrated in the rotor circuit of the protected motor. The current sensor is not shown in the drawing. This signal is further converted to the input of the feedback loop formed by the shaper 1, the non-linear amplifier 2, the integrator 2 ^{and the} limiter £. The feedback circuit thus formed has the property of having a proportional transmission over the rated motor current. As soon as the motor current exceeds the nominal value, the transmission of the loop changes due to the saturation of the limiter £ 2® analogically models the thermal conditions in the rotor caused by the passing current. The non-linear amplifier 2. makes it possible to respect the different thermal characteristics of the rotor during heating and cooling. For current values which the rotor can withstand permanently without damage, the signal at the output 32 of the integrator 2 is proportional to the signal supplied to the first input 11 of the shaper, 1. For current values greater than the current that the motor can withstand continuously, the signal at the output 32 of the integrator 2 also depends on the length of time for which this current acts on the rotor winding. The signal from the output of the feedback loop is fed to the first input 51 of the summing element 2, the transmission of which is set according to the desired operating mode of the motor by means of a reference voltage applied to the second input 52 of the summing element 2.

Z výstupu 53 součtového členu 2 e® výstupní signál přivádí na první výstup 30 zapojení. Tento signál se využívá v nadřazené regulační smyčce servomechanismu k realizaci proudového omezení. Jeho úrovně jsou přizpůsobeny pro použití ve spojitých regulačních smyčkách i v regulátorech s pulsně šířkovou modulací. Dále se signál z výstupu zpětnovazební smyčky přivádí na první vstup 61 komparátoru kde se porovnává s referenčním signálem přivedeným na druhý vstup 62 komparátoru 6. Při určité velikosti signálu na prvním vstupu 61 komparátor 6 generuje na svém výstupu 63 signál, který dá povel k odpojení motoru a tento stav indikuje. Dokud je teplota vinutí rotoru vyšší, než je jeho přípustná teplota, zapojení ochrany zabraňuje připojení motoru k napájecímu napětí.From the output 53 of the summing element 2 e® the output signal is fed to the first output 30 of the circuit. This signal is used in the superior control loop of the servomechanism to implement the current limitation. Its levels are adapted for use in continuous control loops as well as in pulse width modulation controllers. Next, the signal from the output of the feedback loop is fed to the first input 61 of the comparator where it is compared with the reference signal fed to the second input 62 of the comparator 6. At a certain signal size at the first input 61 the comparator 6 and indicates this condition. As long as the rotor winding temperature is higher than its permissible temperature, the connection of the protection prevents the motor from being connected to the supply voltage.

CS 270 625 BlCS 270 625 Bl

Integrační konstanty integrátoru · velikosti referenčních signálů pro omezovač £, součtový člen 2 * komparátor 6_ jsou nastavitelné. Jejich hodnoty jsou určeny typem chránčného motoru a je nutno je experimentální zjistit.The integration constants of the integrator of the reference signal magnitudes for the limiter 6, the summing element 2 * of the comparator 6 are adjustable. Their values are determined by the type of protection motor and must be determined experimentally.

Vynálezu se využije při ochrání rotorů stejnosměrných motorů speciálních rychlých servomechanismů u průmyslových robotů a manipulátorů. .The invention is used in the protection of rotors of DC motors of special fast servomechanisms in industrial robots and manipulators. .

Claims

PRIORITY OF THE INVENTION

A circuit for protecting the rotor of a DC motor, in which the signal output of the circuit is connected to a shaper input, the output of which is connected to a nonlinear amplifier input, the output of which is connected to a first integrator input, the output of which is connected to a first limiter input. a second input of the shaper, and the second input of the limiter is connected to the reference input of the circuit, characterized in that the reference input (20) of the circuit is connected to the second input (52) of the summing element (5) and to the second input (62) of the comparator (6). , the first input (61) of which is connected to the first input (41) of the limiter (4), the output (63) of the comparator (6) being connected to the second output (40) of the circuit, the first output (30) of which is connected to the output ( 53) of a summing element (5), the first input (51) of which is connected to the output (32) of the integrator (3).