Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1983 года по МПК H02P8/22 

Изобретение относится к электро технике, а именно к управлению шаговыми электродвигателями , и может быть использовано в дискретных сис темах автоматического управления м таллорежущих станков с программным управлением, координатографов, манипуляторов и других механизмов. Известны устройства для управления шаговым двигателем с дроблением шага.. Одно из таких устройств содержи ключи, управляемые от элементов ИЛИ-НЕ, распределитель: импульсов и токоограничивающие резисторы, соеди ненные последовательно с фазами шагового двигателя Cl JНедостатком этого устройства является большое число силовых ключей и токоограничивающих резисторов усложняющих устройство и увеличивающих его габариты. Известно также устройство для уп равления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее два делителя частоты, распределитель импульсов и усилитель мощности ГЗ . В этом устройстве модуляция фазных токов для уменьшения цены щага осуществляется подачей на входы распределителя импульсов двух частот, что вызывает дополнительную коммутацию силовых ключей усилителя мощности и изменение амплитуды Фазных токов с разностной частотой. Недостатком такого устройства является низкий КПД, обусловленный коммутацией силовых ключей усилителя 1«эщности с ВЫСОКОЙ частотой, бол шие пульсации тока и неравномерност деления шага из-за линейного иэмене ния фазных токол. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее подкл ченные к фазам двигателя усилители Мощности с цепями обратной связи, регулятор напряжения, связывающий фазы двигателя с источником питания постоянного тойа, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключенные входами к выходам распределителя импульсов С 3J. Недостатком указанного устройства является ограниченный диапазон рабочих частот и колебания ско.рости в области низких частот управления, -что обусловлено высокой скоростью нарастания тока в фазах двигателя. Ограничение даапазона рабочих частот обусловлено модуляцией фазных токов как в области низ ких, так и высоких частот. Если модуляция токов в области низких частот уменьшает цену шага и приводит к повыаению плавности движения, то в области высоких частот, где движение непрерывное и колебания скорости малы, она уменьшает нагрузочную способность двигателя, уменьшая темсамым максимальную рабочую частоту двигателя. Целью изобретения является повышение плавности движения и расширение диапазона рабочих частот двигателя .. Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор напряжения, связывающий фазы двигателя с источникам питания постоянного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключенные, входами к выходам распределителя импульсов, снабжено преобразователем частота-аналог, пороговым элементом, распределительными ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из которых установлен ключ, подключенный упрайлякяцим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом регулятора напряжения, и выходом преобразователя частота-аналог, подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов/ причем выходы распределительных ключей соединены с входами усилителей. мощности, управлякяцие входы распределительных ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигнальные входы распределительных ключей, взятых через Один, подключены .к выходам соответствующих преобразователей код-аналог. Кроме того, в устройство введен силовой ключ, свяэывакяаий источник питания постоянного тока: с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом к выходу поро гового элемента. Такое выполнение устройства позволяет замедлить процессы изменения ,. тока в фазах двигателя в области низких частот благодаря подаче напряжения низкого уровня, регулируемого в функции частоты. Это приводит к уменьшению колебаний скорости в области низких частот, т.,е. повышает равномерность и плавность движения. Кроме того, в области высоких частот устройство переводит шаговый двигатель в режим нормальной коммутации без дробления шага (но без . потери числа отработанных шагов ), обеспечивая при этом подачу на фазы двигателя повышенного напряжения, что приводит к увеличению максимёшьной рабочей частоты. На фи/-. 1 приведена схема устройства применительно к четырехфазНому шаговому двигателю с цепью обратной связи по току; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов на отдель ных элементах. Устройство (фиг. 1) содержит рас пределитель импульсов 1, преобр,азователи код-аналог 2, преобразовател 3 h m тактного кода в m тактный (где т- число фаз; п - коэ.ффициен дробления шага ), распределительные ключи 4, ключи обратной связи 5, преобразователь частота-аналог 6, пороговый элемент 7, регулятор напряжения 8, разделительный диод Э, силовой ключ 10, усилители мощности (коммутирующие ключи ) 11, соединяющие фазы 12 шагового двигателя с источниками питания.низкого U2 и высокого и уровней, и разрядную цепь, образованную конденсатором 13 резистором 14 и диодами 15. Цепь обратной связи каждого усилителя мо ности 11 образована резистором 16, включенным последовательно (или паргшлельно ) с фазой 12 двигателя (эт не является существенным для рассма триваемого устройства). Распределитель импульсов 1 соедивен- тактовым входом Т с источнико управляющих импульсов. , а входами направления движения В и Н - с командным устройством (на чертеже не показаны). Выходы всех каналов распределителя импульсов 1 подключены к выходам преобразователей код-аналог 2 и преобразователя 3 rnn - тактового кода в т-.тактный. Выход каждого преобразователя код-аналог, 2 соединен с сигнальными входами распределительных ключей 4, взятых через один, которые связаны своими выходами с входами усилителей 11, коммутирующих фазы 12 двигателя , со сдвигом на половину периода коммутации, т.е. совместно не возбужда мые фазы. Управляющие входы распределительных ключей 4 подключены к выходам преобразователя кода 3. Юво чи обратной связи 5 подключены упра ляющими входами к выходу порогового элемента 7, а их сигнальная цепь включена в цепь обратной связи каждого усилителя мощности 11. Вход порогового элемента 7 соединен с входом рех лятора напряжения -8 и выходом преобразователя частрта-ана лог 6, подключенного входом к такто вому входу распределителя импульсов 1. Выход порогового элемента 7соединен также с управляющим входом силового ключа 10, связывающего ч общую точку фаз 12 с источником . питания высокого уровня U . Регулятор напряжения 8 соединяет источник питания низкого уровня (Jj черге диод 9 также с общей точкой фаз 12. Выходные зажимы фаз 12 через диоды 15 подключены к общей разрядной цепи, состоящей из конденсатора 13 И резистора 14 (в общем случае, разряд нал цепь может быть выполнена любой, что не является существенным для данного изобретения). Устройство работает следующим ббразом.В.зависимости от сигналов, поданных, на входы направления движения В и Н распределителя импульсов 1 обеспечивается прямое или обратное чередование сигналов на его выходах. При подаче на вход В единичного сигнала, а на вход Н - нулевого импульт са, поступающие на тактовый вход Т распределителя импульсов 1, обеспечивают прямое чередование выходных сигналов. Подача на.вход Н единичного сигнала, а вход В - нулевого изменяет порядок чередования выходных сигналов распределителя. На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов применительно к четырехфазному шаговому двигателю с дроблением шага в 3 раза (число.фаз двигателя m 4; коэффициент дробления шага п З). При подаче на тактовый вход Т иМпульсов с частотой ( U- на фиг. 2 ) .на выходах распределителя импульсов 1, имеющего число тактов коммутации, равное mn (для рассматриваемого случая число тактов коммутации равно 12) вырабатывается двенадцатиканальная и двеиадцатитактная последовательность прямоугольных итутульсов Up - (фиг. 2), скважность которых зависит от схемы построения распредели- . теля и в общем случае может быть произвольной. Преобразователь кода 3 преобразует nir -тактную последовательность импульсов на выходе распределителя импульсов 1 в m-такт-. ную ( на фиг. 2), которая используется для управления распре-, делительными ключами 4. Преобразователи код-аналог 2 вырабатывают аналоговые сигналы, изменяющиеся по ступенчато-синусоидгшьному закону и сдвинутые относитель-. : но друг друга на 1/т цик.ла pacnpe-i делителя .(для рассматриваемого случая напряжения на выходах преобразователей код-аналог 2 сдвинуты на i 1/4 периода). Сигналы на выходах , преобразователей код-а.налог обозначены на фиг. 2 как Оо,2 . Распределительные ключи 4 по, сигналам преобразователя кода 3 поочередно . подключают выходы преобразователей код-аналог 2 к. различным усилителям мощности 11. При этом каждый преобразователь код-аналог 2 соединен с выходами двух ключей 4, которые соединены с усилителями мощности 11, коммутирующими две одновременно не возбуждаемые фазы 12 шагового двигателя. Для рассматриваемого случая управления четырехфазным шаговым двигателем сигнал Uj), поочередно подключается к усилителям мощности первой и третьей фаз, а сигнал (.-Bsor

рой и четвертой фаз. В результате .взаимодействия сигналов q преобраЭователе м ;Код-аналог 2 и преобразователя кодов 3 на входы усилителей мощности 11 и, соответственно на фазы шагового двигателя, подаются напряжения (при -наличии в усилителе мощностицепи отрицательной обратной связи по напряжению ) или по ним протекают токи (при наличии в усилителе мощности .цепи отрицательной обратной связи ро току, как показано на фиг. 1), форма которых соответствует сигналам Uj-U на фиг, 2. Транзисторы усилителей мощности при этом работают в активном режиме, изменяя в соответствии с заданными входными напряжениями либо напряжения на фазах двигателя ( когда используется цепь обратной связи по напряжению ), либо ток (ког да используется цепь обратной связи по току /.

С точки зрения достигаемого эффета конкретное выполнение цепи отрицательной обратной связи в усилител мощности 11 (по току или напряжению не является существенным. Важно, чтбы такая обратная связь была.

Модуляция фазных токов (напряжений ) в соответствии с диаграммами обеспечивает уменьшение цены шага двигателя (в рассматриваемом случае в h 3) и, следователь но, повышает плавность движения. Работа транзисторов усилителей мощности в активном режиме исключает пульсации тока в фазах двигателя и спо;Собствует более плавному Движению при отработке каждого шага. Этой же цели служит и регулятор напряжения, который подает на фазы двигателя по1й1женное напряжение, необхо димое для выполнения условия

U ,

где U(j, - напряжение на выходе реч

гулятора 8;

J;n - максимальное знач.ение тока в фазе 12 двигателя; R - сопротивление фазы 12; ли - падение напряжения в уси лителе мощности и резисторе обратной связи. Дробление шага особенно эффектив но в области низких частот, когда Двигатель успевает отрабатывать каждый шаг и фиксироваться после отработки, а также в области средних частот (в частности, в области резонанса), обеспечивая снижение колебаний скорорти. При этом плав-, ность движения повышается с уменьшением напряжения питания.

Однако работать в широком диапазоне частот при иф srconst двигатель не может, поскольку с увеличнием частоты f растет ЭДС вращения

уменьшающая тбк в фазах двигателя и снижающая развиваемый двигателем момент. Для сохранения нагрузочной способности двигателя в диапазоне средних частот в предлагаемом устройстве используется преобразователь частота-аналог 6, вырабатывающий вы .ходное напряжение, пропорциональное частоте f . Это напряжение подается на вход регулятора напряжения 8 и увеличивает выходное напряжение регулятора 8с ростом частоты f .Эти обеспечивается постоянство момента шагового двигателя в области низких и средних частот.

В области высоких частот .движение шагового двигателя носит непрерывный характер, колебания сравнительно малы и эффективность- дробления шага низка. Более того, изменение вход ных сигналов усилителей мощности по ступенчато-синусоидальному закону из-за существенного влияния индуктивности фаз на процессы изменения тока в области высоких частот приводит к снижению фазного напряжения и следовательно, к уменьшению момента двигателя и максимальной рабочей скорости. Работе шагового двигателя в области высоких частот препятствует и активный режим транзисторов усилителя мощности 11, поскольку из-за низкой мощности, управляембй транзисторами в этом режиме, невозможно повысить питающее напряжение J Для увеличения максимал1ьной скорости двигателя в предлагаемом устройстве используется, переключение транзисторов усилителей мощности 11 из активного режима работы ,в ключевой, обеспечивающими комму татцию значительно больших мощностей. Переключение режимов работы усилителей мощности 11 обеспечивается пороговым элементом 7, порог срабатывания которого настраивается на режим непрерывного движения шагового двигателя, и ключами обратной связи 5 разрывакицими цепь обратной связи в каждом усилителе мощности. Ключ 5 шунтирует резистор 16 обратной связи по току, в результате чего транзистор переходит в режим насыщения при минимальной ступени задающего напряжения U, -U , При этом к фазам 12 двигателя прикладывается на всем интервале проводимости неизменное напряжение. Диаграммы фазных напряжений в этом случае аналогичны диаграммам напряжений ( на. выходах преобразователя кода 3.

Дальнейшее повышение максимальной скорости шагового двигателя можно получить путем подачи на фазы двигателя -в области высоких частот напряжения ,. В предлагаемом устройстве это обеспечивается введением силового ключа 10, который открывается сигналом с выхода порогового элемента 7. Диод 9 препятствует закорачиванию источника питания и на и2 . В этом режиме регуля-. тор напряжения 8 не используется. Для уменьшения перенапряжений при отключении фаз 12, возникающих при- работе усилителей мощности 11 в клю чевом режиме, используется разрядная цепь из конденсатора 13 и гасящего резистора 14, связанная диодами 15 с фазами 12 двигателя. При этом энергия отключаемых фаз 12 гасится в.(резисторе 14.В рамках данного изоб ретения схема выполнения разрядной цепи не является существенной. Моясе:т быть использован любой известный способ уменьшения перенапряжений на усилителях мощности, а также любой способ рекуперации энергии отключаемых фаз 12. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает работу усилителей мощности в режиме параметрической стабилизации в области низких частот с подачей на фазы двигателя пониженного напряжения, что повышагет плавность движения и переводит усилители мощности в ключевой режим с подачей на фазы двигателя повышенного напряжения, что приводит к увеличению максимальной рабочей скорости.

1, УСТЮЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕ- г НИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С дроблениет : шага, содержащее подключенные к фазам двига1теля усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор на- : пряжения, связываняций фазы двигйте- . ля с источником питания постоянного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключейныё входами к выходам распределителя импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения плавности движения и расширения диапа- ; зона частот двигателя, устройство . 1 ; I - ---«А. снабжено преобразователем частотааналог, пороговым элементом и распределительныгли ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из которых установлен ключ, подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом регулятора напряжения и выходом преобразователя частота-аналог, подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов, причем выходы распределительных ключей соединены с входами соответствующих усилителей мощности, управляющие входы этих ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигнальные входы распределительных ключей, взятых- через один, подключены к выходам соот(Л ветствующих преобразователей код:аналог. . 2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я. тем, что в него введен силовой ключ, связывающий источник питания постоянного токаI с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента . 4 ND СД

ЖА

г ТП

4/г./

11 I i 11 И 111 И 111 111 111 И 111111 И

B.