Устройство для управления шаговым электродвигателем Советский патент 1983 года по МПК H02P8/12 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для управления шаговым электродвига телем, и может быть использовано в научных приборах, оптико-механических устройствах совмещения изображений, в электромеханических устройствах отображения информации, станках и установках. По основному авт, ев, № 736333 известно устройство для управления шаговым электродвигателем, содержащее усилители мощности, питающие фа зы электродвигателя, распределитель импульсов, пороговое устройство, ключевое устройство, генератор импульсов, фазочувствительный усилите сравнивающий элемент, восемь аналоговых ключей, два инвертора и дв функциональных преобразователя Cl Входы функциональных преобразователей соединены с выходом фазочувствительного усилителя, выход одного преобразователя связан с вхо дом первого инвертора и аналоговыми входами первого и шестого ключей, выход другого преобразователя - с . входом второго инвертора и аналогог выми входами четвертого и пятого ключей, выход первого инвертора подсоединен к аналоговым входам третьего и восьмого ключей, выход второго инвертора - к аналоговым вгсодам второго и седьмого ключей, выходы первого, второго, третьего и чзтвертого аналоговых ключей соеддинекы с входом одного из усилителей мощности, выходы ключей с пя.того по восьмой - с входом другого усилителя мошности, а четыре выхода распределителя импульсов связаны соответственно с управляющими входами первого и пятого, второго и шестого, третьего и седьмого, че вертого и восьмого аналоговых ключей, В указанном устройстве точность слежения и позиционирования огранич ны из-за того, что вблизи точки ра р.овесия электромагнитный момент ша гового электродвигателя уменьшается пропорционально углу рассогласо вания .между векторами махнитных по лей статора и ротора двигателя, а электрические потери остаются прак тически неизменными. Цель изобретения - повышение то ности и КПД устройства. Поставленная цель достигается т что в устройство управления шаговы электродэигателем введены источник опорного напряжения, шесть дополни тельных аналоговых ключей, дополни тельный инвертор и два блока умножения , первый вход одного из /которых подключен к выходам первого, второго, третьего и четвертого осн ных ключей, первый вход другого бл ка умножения - к выходам основных ключей - с пятого по восьмой, вторые вхолы обоих блоков умножения соединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входами соответственно с выходом фазочувстБИтельного усилителя и источником .опорного напряжения, выход одного из блоков умножения через третий и пятый дополнительные ключи подключен к входу одноименного усилителя мощности, а выход другого блока умножения через четвертый и шестой дополнительные ключи - к входу другого усилителя мощности, управляющие входы первого, третьего и шестого дополнительных ключей соединены с вЕЛХОдом порогового устройства через дополнительный инвертор, а второго, четвертого и пятого дополнительных ключей - непосредственно. Такое выполнение устройства позволяет вблизи точки равновесия осуществить регулирование величины электромагнитного момента путем изменения амплитуды фазных токов в функции сигнала рассогласования, получаемого на выходе сравнивающего элемента. / При этом электромагнитный момент двигателя не зависит от угла рассогласования между.векторами магнитных полей статора и ротора, Другкгли словами, шаговый двигатель работает в режиме бесконтактного двигатеЛЯ постоянного тока с регулированием электромагнитного момента в функции тока якоря, что приводит к значительному повышению КПД поскольку развиваемый двигателем момент необходим только для уравновешивакия момента нагрузки. Кроме того повышается точность устройства, так как устраняется влияние рассогласования векторов магнитных полей статора и ротора.на величинуэлектромагнитного момента. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехтактному шаговому двигателю; на фиг. 2а,б,В;Г,д - примерный вид характеристик вход-выход фазочувствитального усилителя и функцион;5льных преобразователей; на фиг. 2е векторна.яс диаграмма токов в фазах. Устройство (ф1лг, i) содержит двухфазный шаговый электродвигатель 1, вал которого связан с сравниваквдйм элементом 2, выхо.ц которого подк.шочен к входам лороговохо устройства 3 и фаэОчувствительного усилителя 4, подсоединенного одним своим выходом ( входам функциональных преобразователей 5 и б, Второй выход фазочувствительного усилителя 4, по которог- :/ передается сигнал о знаке рассогласоваузия, соединен с входом

выбора направления вращения распределителя 7 импульсов, управляющий вход которого связан с выходом ключевого устройства 8, соединенного одним входом с выходом генератора 9 имггульсов, а другим с выходом порогового устройства 3, Выход функционального преобразователя 5 связа с входом инвертора 10 и аналоговыми входами ключей 11 и 12, выход функционального преобразователя 6 - с входом инвертора 13 и аналоговыми входами ключей 14 и 15, выходинвертора 10 - с аналоговыми входами ключей 16 и 17, выход инвертора.13 - с аналоговыми входами ключей 18 и 19. аналоговых ключей 11, 14, 16, 18 соединены с одним из входов блока 20 умножения, а выходы аналоговых ключей 12, 15, 17, 19 - с одним из входов блока 21 умножения. Другие входы блоков 20 и 21 связаны с выходами аналоговых ключей 22 и 23. Выход блока 20 подключен к аналоговым входам ключей 24 и 25, а выход блока 21 - к аналоговым входам ключей 26 и 27. Выходы ключей 25 и 27 соединены с входом усилителя 28 мощности, к выходу которого подсоединена фаза 29 (фаза А) шаго вого двигателя, а выходы ключей 24 и 26 - с входом усилителя 30, к выходу которого подсоединена фаза 31 (фаза В) двигателя. Аналоговый : вход ключа 22 соединен с выходом фазочувствительного усилителя 4, а аналоговый вход ключа 23 - с выходом источника 32 опорного напряжения. Выходы 33, 34, 35, 36 распределителя 7 импульсов связаны соответственно с управляющими вхо,дами аналоговых ключей 11 и 15, 12 и 18, 16 и 19, 14 и 17. Управляющие входы аналоговых ключей 22, 24

щ 27 соединены с выходом порогового устройства 3 через инвертор 37, а управляющие входы аналоговых ключей 23, 25 и 26 - непосредственно.

Устройство работает следующим образом.

Вал щагового электродвигателя на ходится в таком положении, что сигнал рассогласования на вызЛэде сравнивающего элемента 2 равен нулю Сигналы на выходах усилителя 4 и порогового устройства 3 отсутствуют и распределитель 7 импульсов находится в таком состоянии, что потенциал на .одном из его выходов открывает аналоговые ключи 11 и 15. Кроме того, потенциал -на выходе инвертора 37 открывает аналоговые ключи 22f 24 и.27, В этом случае сигналы с выхрдов. функционалнных преобразователей 5 и 6 поступают на входы блокор 20 и 21 умножения соответственно. Примерный вид характеристик вход-выход функциональных преобразо

вателей и фазочувствительного усилителя 4 приведен на фиг. 2 а, д. Усилитель 4 обеспечивает линейную характеристику (фиг. 2j а ) в пределах заданной зоны, ширина которой по входному сигналу совпадает с шагом двигателя oL , а за ее пределами имеет место ограничение (коэффициент усиления К равен нулю).

При открытых аналоговых ключах 11 и 15 сигнал i, поступающий с выхода усилителя 4 на функциональные преобразователи 5 и 6 и--преобразуемый в соответствии с функциональными зависимостями, приведенными на фиг. 2j б , попадает на входы блоков 20 и 21 умножения, обеспечивая требуе.мую форму фазных токов i и ig для шагового режима. Так как в исходном состоянии сигнал рассогласования 0и , тов соответствии с. фиг. 2, б ток 1д О, а ток i максимален. Результирующий вектор токов совпадает с вектором тока ig и располагается в центре первого квадранта (фиг. 2, е) . Из векторной диаграммы на фиг. 2, е видно, что в случае, когда двигатель имеет синусоидальное распределение в воздушном зазоре поля статора и ротора/ -плавное перемещение результирующего вектора магнитного поля статора, пропорциональное сигналу рассогласования В , можно обеспечить, если токи в фазах изменяются по синусоидальному и косинусоидальному законам. Такое изменение токов обеспечивается в пределах первого квадранта за счет характеристик преобразователей 5 и 6 (фиг. 2, б.

Если распределение магнитных поле отличается от синусоидального, то шаговый двигатель можно прокалибровать, и в соответствии с полученными результатами определить вид характеристик вход-выход функциональных преобразователей 5 и 6..

Поскольку в рассматриваемом состоянии открыт аналоговый ключ 22 и сигнал и. f поступающий через этот ключ на входы умножителей 20 и 21, равен нулю, то результирующие сигналы на выходах блоков умножения также равны нулю и токи в фазах двигателя отсутствуют.

При возникновении сигнала рассогласования меньшего по модулю, чем половина ширины зоны нечувствительности порогового устройства 3, например, за счет изменения нагрузки, величина сигнала л будет отличаться от нуля и в фазах двигателя возникнут токи, зависящие от сигнала Л и выходных сигналов функциональных преобразователей 5 и 6. Сигналы с выходов функциональных преобразователей 5 и 6, умноженные в блоках 20 и 21 на сигнал 4 (с учетом

его знака , поступят через открытые аналоговые ключи 24 и 27 на входы усилителей 30 и 28 мощности соответственно. Возникающие при этом токи в фаза двигателя 31 и 29 создадут электромагнитный момент, величина которого определяется только сигналом рассогласования Л (с учетом масштабных коэффициентов) и не зависит от угла между векторами магнитных полей статора и ротора. Знак электромагнитного момента, зависящий от знака сигнала Л,таков, ч|то вал двигателя вращается в направлении, обеспечивающем уменьшени сигнала рассогласования . После окончания переходного процесса вал двигателя занимает прежнее положение, определяемое сигналом задающего воздействия в , с точностью «cjo статической ошибки системы. Другими словами, при сигнале рассогласования Б , обеспечивающем работу Системы в пределах зоны нечувствите ности порогового устройства 3, шаговый двигатель переводится в режим бесконтактного Двигателя постоянног тока с формированием фазных токов в функции угла поворота ротора. При этом повышается точность системы и КПД двигателя.

Если сигнал рассогласования пре-, fbmjaeT половину ширины зоны нечувствительности порогового устройства 3, то сигнал с его выхода открывает ключевое устройство 8 для подачи импульсов от генератора 9 на вход распределителя 7 импульсов. Одновременно закрываются аналоговые ключи 22, 24, 27, а ключи 23, 25, 26 открываются. При этом на входы блоков

умножения поступает сигнал от источника 32 опорного напряжения, обеспечивая постоянство амплитуды фазных токов двигателя. Команда выбора направления движения вала двигателя подается на распределитель импульсов В зависимости от знака сигнала рассогласования .

Таким образом, большие рассогласования отрабатываются двигателем в шаговом режиме, а малые - в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока за счет изменения амплитуды фазных токов в функции угла рассогласования (с учетом знака .

Из графиков на фиг. 2, а, б, в, г, д видно, что при больших рассогласованиях токи в обмотках двигателя по модулю равны 0,7071 Т и при коммутации аналоговых ключей по сигналам распределителя импульсов изменяются только по знаку, обеспечива парную четырехтактную коммутацию шагвого двигателя.

Шаговый двигатель может иметь другое число тактов коммутации и фаз, а также расщепленные фазы. В этом случае соответственно изменяют число функциональных преобразователе аналоговых ключей и усилителей мощности.

Предлагаемое устройство благодаря введению блоков умножения, источника опорного напряжения, дополнительных аналоговых ключей и инвертора обеспечивает изменение амплитуды фазных токов бесконтактного двигателя постоянного тока в функции сигнала рассогласования и повышает точность и КПД автоматической системы с шаговым электродвигателем.

4 «КС

/itfl

Фи&.2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ по авт. св. № 736333, отличаю-, щ е е с я тем, что, с целью повышения точности позиционирования и КПД,введены источник опорного напряжения, шесть дополнительных аналоговых ключей, дополнительный инвертор и два блока умножения, первый вход одного из которых подключен к выходам первого, второго, третьего и четвертого основных ключей, первый вход другого блока умножения - к выходам основных ключей - с пятого по восьмой, вторые входы обоих блоков умножения соединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входгииси соответственно с выходом фазочувствительного усилителя и источником опорного напряжения, выход одного из блоков умножения подключен через третий и пятый дополнительные ключи к входу одноименного усилителя мощности, а выход другого блока умножения через четвертый и g шестой дополнительные ключи - к вхо(Л |ДУ другого усилителя мощности, управляющие входы первого, третьего и шестого дополнительных ключей соединены с выходом порогового устройства через дополнительный инвертор, а второго, четвертого и пятого дополнительных ключей - непосредственно.