ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДАТЧИКОМ ШАГОВ Российский патент 1997 года по МПК H02P8/00 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в замкнутых системах цифрового программного управления с использованием шагового двигателя.

Известны схемы простейших систем дискретного двигателя с позиционной обратной связью, в которых шаговый двигатель и датчик обратной связи выполнен в виде отдельных электромеханических устройств, причем датчик обратной связи жестко связан с валом шагового двигателя и на каждый шаг вырабатывает один импульс [1]
Известны датчики шагов, устанавливаемые на валу шагового двигателя и состоящие из измерительных элементов (фотоэлектрических, индукционных, магнитных и др.) и электронных схем, формирующих импульсы заданной амплитуды и длительности, которые далее подаются в реверсивные электрические счетчики и другие регистрирующие устройства [2]
Недостатком рассмотренных устройств является сложность конструкции, выразившаяся в необходимости использования механических деталей в измерительном узле датчика и в устройстве механического подсоединения этого датчика к валу двигателя, что увеличивает стоимость изделия и его вес, что существенно в летательных аппаратах. Кроме того, раздельное выполнение ШД и датчика, имеющего момент инерции, требует их надежного крепления и взаимной юстировки.

Известно также устройство для управления m-фазным шаговым двигателем, содержащее кроме элементов управления шаговым двигателем и устройство получения информации об очередном перемещении якоря на один шаг [3] Оно содержит в каждой фазной цепи по резистивному датчику тока с элементами анализа формы этого тока. Устройство получения информации об очередном перемещении якоря на один шаг содержит и элементы, фиксирующие момент обесточивания любой из статорных обмоток, т. е. момент, с которого возможно совершение следующего шага якоря и получения информации о его перемещении.

Основными недостатками устройства являются сложность, требующая большого количества элементов, и трудность применения его в других устройствах управления шаговыми двигателями.

Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства, исключающее использование механических деталей в измерительном узле датчика и исключающее механическое подсоединение датчика к валу шагового двигателя.

Для выполнения задачи предложена схема шагового двигателя с датчиком шагов, состоящим из измерительных элементов, в качестве которых используются статорные обмотки шагового двигателя, и электронной схемы, содержащей диодную сборку с общим катодом, дифференцирующую цепь и ждущий мультивибратор, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания. От прототипа данное техническое решение отличается тем, что электронная схема датчика шагов выполнена в виде преобразователя уровня напряжения, транзисторного ключа, резистивно-емкостного делителя напряжения и компаратора, причем общий катод диодной сборки подсоединен к входу преобразователя уровня напряжения, выполненному на первом, втором, третьим, четвертом, пятом и шестом резисторах и первом и втором транзисторах, причем первый вывод первого резистора соединен с общим катодом диодной сборки, а его второй вывод соединен с первым выводом второго резистора и базой первого транзистора, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, а коллектор с первым выводом пятого резистора и базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом шестого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с отрицательной шиной питания, а вторые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов соединены с положительной шиной питания, коллектор второго транзистора является выходом преобразователя уровня напряжения и соединен с входом резистивно-емкостного делителя напряжения и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого соединен с базой транзисторного ключа, коллектор которого соединен с выходом резистивно-емкостного делителя напряжения и входом компаратора, а общие точки дифференцирующей цепи, резистивно-емкостного делителя напряжения и эмиттер транзисторного ключа соединены с отрицательной шиной питания, причем выход компаратора является выходом датчика шагов.

Сущность изобретения заключается в следующем. В четырехфазном электромагнитном шаговом двигателе с потенциальным управлением и циклом коммутации (12)-(23)-(34)-(41)-(12). при его работе две обмотки из четырех поочередно находятся под током, осуществляя дискретное перемещение результирующего магнитного поля, а следовательно, и магнитного ротора. При дискретном перемещении ротора (т.е. совершении шага) его магнитное поле пересекает обесточенные обмотки статора, наводя в них ЭДС, которую можно снять в виде импульсов и использовать как подтверждение совершения шага двигателем, что и используется в предполагаемом изобретении. Предлагаемый двигатель с датчиком шагов по сравнению с прототипом имеет более простое схемное решение, что обеспечивает простоту подключения его в другие устройства по управлению шаговыми двигателями.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен шаговый двигатель, соединенный с датчиком шагов; на фиг. 2 - временные диаграммы токов на фазах ШД; на фиг. 3 осциллограммы сигналов: а - сигнал на выходе преобразователя уровня напряжения при работающем ШД, б) - сигнал на выходе преобразователя уровня напряжения при остановленном ШД (за счет большого момента нагрузки на валу), в сигнал на выходе дифференцирующей цепочки, г сигнал на выходе ждущего мультивибратора, д сигнал на выходе резистивно-емкостного делителя напряжения, ж сигнал на выходе компаратора; на фиг. 4 изображена осциллограмма сигнала при низкой частое шагов и холостом ходу ШД.

Заявляемый шаговый двигатель, соединенный с датчиком шагов, состоит из измерительного элемента, выполненного в виде статорных обмоток 1 шагового двигателя и электронной схемы, состоящей из диодной сборки 2, преобразователя 3 уровня напряжения, дифференцирующей цепи 4, ждущего мультивибратора 5, транзисторного ключа 6, резистивно-емкостного делителя 7 напряжения и компаратора 8, причем концы статорных обмоток 1, подключенные к электронному коммутатору (который может быть выполнен, например, по схемам, представленным в книге М. Д. Лабзин "Судовые электроприводы с шаговыми электродвигателями", Судостроение, Л. 1971, с. 107-126), подключены каждый к аноду одного из диодов 9-12, катоды которых соединены и подключены к входу преобразователя 3 уровня напряжения, выполненному на первом 13, втором 14, третьим 15, четвертом 16, пятом 17 и шестом 18 резисторах и первом 19 и втором 20 транзисторах, причем первый вывод первого резистора 13 соединен с выходом диодной сборки 2, а его второй вывод соединен с первым выводом второго резистора 14 и базой первого транзистора 19, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего 15 и четвертого 16 резисторов, а коллектор с первым выводом пятого резистора 17 и базой второго транзистора 20, эмиттер которого соединен с первым выводом шестого резистора 18, вторые выводы второго резистора 14 и третьего резистора 15 соединены с отрицательной шиной питания, а вторые выводы четвертого 16, пятого 17 и шестого 18 резисторов соединены с положительной шиной питания, коллектор второго транзистора 20 является выходом преобразователя 3 уровня напряжения и соединен в ходами резистивно-емкостного делителя 7 и дифференцирующей цепи 4, выход которой соединен с входом ждущего мультивибратора 5, выход которого соединен с базой транзисторного ключа 6, выход которого соединен с выходом резистивно-емкостного делителя напряжения и входом компаратора 8, а общие точки дифференцирующей цепи 4, транзисторного ключа 6 и резистивно-емкостного делителя 7 соединены с отрицательной шиной питания, причем выход компаратора 8 является выходом датчика шагов.

Шаговый двигатель, соединенный с датчиком шагов, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.

При подаче фазных питающих токов (фиг. 2) в статорные обмотки шагового двигателя ротор начинает дискретное круговое движение относительно оси и своим магнитным полем пересекает витки статорных обмоток, наводя в них ЭДС, используемую в предлагаемом устройстве в качестве информационного сигнала о совершении шага ротором. Этот информационный сигнал можно снимать только с обесточенных статорных обмоток, а именно, с той обмотки, которая была обесточена последней, т. к. именно мимо нее в эту фазу проходит ротор. В момент обесточивания обмотки в ней наводится ЭДС самоиндукции, которая является помехой при выявлении информационного сигнала.

И помеха, и информационный сигнал (фиг. 3а) в чистом виде наводятся относительно положительной шины питания, а относительно отрицательной шины питания имеют смещение уровня напряжения, равное напряжению питания шагового двигателя. Съем информационного сигнала и помехи со статорных обмоток производится через диодную сборку, осуществляющую пропуск их на преобразователь уровня напряжения, не допуская шунтирования этих сигналов открытыми ключами электронного коммутатора. В преобразователе уровня напряжения в исходном состоянии первый и второй транзисторы 19 и 20 закрыты, т.к. делители напряжения из первого и второго резисторов 13 и 14 и четвертого и третьего резисторов 16 и 15 имеют одинаковый коэффициент деления, равный примерно, 0,5-0,75, а сопротивления обмоток статора и дисков 9-12 малы по сравнению с сопротивлениями делителей. При появлении помехи и информационного сигнала, первый и второй транзисторы 19, 20 открываются и переходят в линейный режим, а на резистивном делителе появляются сигналы, повторяющие входные сигналы, но уже относительно отрицательной шины питания (фиг. 3а). Так как сигнал помехи имеет всегда отрицательную форму (крутой передний фронт и пологий задний фиг. 3б) и длительность, то он легко убирается с помощью стробирования. С выхода преобразователя уровня напряжения сигналы попадают на вход дифференцирующей цепи и на ее выходе появляется короткий сигнал (фиг. 3в), соответствующий крутому переднему фронту помехи, который попадает на вход ждущего мультивибратора 5, на входе которого появляется сигнал определенной длительности (фиг. 3г), который на это время открывает транзисторный ключ 5, который шунтирует сигнал помехи на резистивном/емкостном делителе напряжения 7. Информационный сигнал, идущий вслед за помехой, проходит с выхода резистивного делителя напряжения на вход компаратора 8, который срабатывает и на его выходе появляется положительное напряжение (фиг. 3ж).

При работе шагового двигателя на холостом ходу и низких частотах появляются резонансные свойства ШД, когда после выполнения шага ротор совершает затухающие колебания около своего нового положения (фиг.4). Для того, чтобы эти колебания не вызывали многократного срабатывания компаратора за один шаг двигателя компаратор выполняется с петлей гистерезиста, при которой напряжение положительной обратной связи больше, чем напряжение срабатывания компаратора. Возврат компаратора в исходное положение происходит при замыкании транзисторного ключа, которое происходит при каждой смене фазного напряжения. Резистивно-емкостной делитель напряжения имеет небольшую постоянную времени, которая не влияет на форму информационного сигнала, но задерживает сигнал помехи до срабатывания транзисторного ключа, стробирующего эту помеху.

Таким образом, предлагаемый шаговый делитель, соединенный с датчиком шагов, отличается от устройства получения информации об очередном перемещении якоря двигателя на один шаг более простым схемным решением и простотой подключения в другие устройства по управлению шаговыми двигателями.

Использование: в замкнутых системах цифрового программного управления с использованием шагового двигателя. Сущность: в качестве измерительных элементов датчика шагов использованы статорные обмотки двигателя, а электронная схема содержит диодную сборку с общим катодом и последовательно соединенные преобразователь уровня напряжения, дифференцирующая цепь, ждущий мультивибратор и транзисторный ключ. Кроме того, выход преобразователя уровня напряжения соединен с входом резистивно-емкостного делителя напряжения, выход которого соединен со входом компаратора и выходом транзисторного ключа. 4 ил.

Шаговый двигатель, соединенный с датчиком шагов, состоящим из измерительных элементов, в качестве которых используются статорные обмотки шагового двигателя, и электронной схемы, содержащей диодную сборку с общим катодом, дифференцирующую цепь и ждущий мультивибратор, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания, отличающийся тем, что электронная схема датчика шагов выполнена в виде преобразователя уровня напряжения, транзисторного ключа, резистивно-емкостного делителя напряжения и компаратора, причем общий катод диодной сборки подсоединен к входу преобразователя уровня напряжения, выполненному на первом, втором, третьем, четвертом, пятом и шестом резисторах и первом и втором транзисторах, причем первый вывод первого резистора соединен с общим катодом диодной сборки, а его второй вывод соединен с первым выводом второго резистора и базой первого транзистора, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, а коллектор с первым выводом пятого резистора и базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом шестого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с отрицательной шиной питания, а вторые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов соединены с положительной шиной питания, коллектор второго транзистора является выходом преобразователя уровня напряжения и соединен с входом резистивно-емкостного делителя напряжения и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого соединен с базой транзисторного ключа, коллектор которого соединен с выходом резистивно-емкостного делителя напряжения и входом компаратора, а общие точки дифференцирующей цепи, резистивно-емкостного делителя напряжения и эмиттер транзисторного ключа соединены с отрицательной шиной питания, причем выход компаратора является выходом датчика шагов.