Устройство для управления шаговым электродвигателем Советский патент 1983 года по МПК H02P8/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления с шаговыми двигателями, например в системах числового программного управления металлорежущими стенками, графопостроителях, программных механизмах и т.д. Известно устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импуПьсов, формирователь длительности форсирования и мно гоканальный усилитель мощности, коммутирущий фазы шагового двигателя. Это устройство форсирует процесс нарастания тока в фазах посредством повышения уровня напряжения питания фаз после их переключения на определенный промежуток времени , Недостатками указанного устройства являются низкая точность формирования длительности импульса форсирования и независимость длительности форсирования от питащего напряжения что снижает нагрузочную способность двигате/1я. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для управления шаговым электродвигателем содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, подключенный через элементы И к выходам распределителя импульсов, и формирователь импульса форсирования, соединенный одним входом с входом распределителя импульсов, а другим с шиной источника питания двигателя. Устройство обеспечивает изменение длительности форсирования в зависимости от напряжения питания источника высокого напряжения. При уменьшении напряжения источника длительност форсирования увеличивается, при увеличении напряжения - уменьшается. Влагодаря этому уменьшается влияние колебаний источника питания высокого напряжения на характеристики шагового двигателя . . Недостатками этого устройства являются низкая точность вырабатываемой длительности форсирования и недостаточная надежность.. Длительность формирования зависит не только от напряжения питания источника высокого напряжения, но и от параметров элементов формирователя импульса фор сирования. Обеспечить стабильность длительности форсирования, зависящей от параметров нескольких элементов, трудно. Кроме того, низкая точность вырабатываемой длительности форсирования обусловлена тем, что в данном устройстве длительность форсирования не изменяется при колебаниях напряжения источника питания низкого напряжения, которые также влияют на характеристики шагового двигателя. Устройство имеет недостаточно высокую надежность вследствие выполнения формирователя длительности форсирования на аналоговых элементах неинтегрального исполнения. Цель изобретения - повышение точности формирования импульса форсирования и- надежности устройства для управлений шаговым электродвигателем. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для управления шаговым электродвигателем, содержащем распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, подключенный через элементь И к выходам распределителя импульсов, и соединенный входами с входом распределителя импульсов и шиной источника питания двигателя формирователь импульса Лорсирования, последний содержит преобразователь напряжение-частота, два дополнительных элемента И, счетчик и элемент ИЛИ, связанный выходом с вторыми входами основных элементов И, а первым входом - с выходом первого дополнительного элемента И, подключенного входами к инверсным выходам трех старших разрядов счетчика, выход старшего из которых соединен с одним ИЗ входов второго дополнительного элемента И, подключенного другим своим входом к второму входу элемента ИЛИ и выходу, преобразователя аналог-частота, соединенного входом с шиной источника питания двигателя, причем выход второго дополнительного элемента И соединен со счетным входом- счетчика, связанного входом установки нулевого состояния с входом распределителя импульсов. Кроме того, в формирователь длительности форсирования введен третий элемент И, один вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, другой к инверсному выходу старшего разряда счетчика, а выход подключен к вторым входам основных элементов И. Такое выполнение устройства обеспечивает повышение точности вырабатываемой длительности форсирования и надежности устройства для управления шаговым двигателем. На фиг.1 приведена функциональная схема одного варианта устройства применительно к четырёхфазному шаговому двигателю; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы напряжений на элементах схемы первого варианта; на Фиг,4 функциональная схемадругого варианта устройства; на фиг.5 - временные диаграммы сигналов на элементах схемы второго варианта. Устройство для управления.шаговым двигателем (фиг.1) содержит усилитель 1 мощности к входам которого подключены фазы 2 шагового электродвигателя, распределитель 3 импульсов и элементы И 4, выходы которых соответственно соединены с входами усилителя 1 мощности. Распределитель 3 импульсов содержит счетчик 5 и дешифратор 6, входы которого соединены с прямыми и инверсными выходами счетчика 5. а входы образуют выходы распределителя 3 импульсов. Устройство содержит также формирователь 7 импульса,форсирования, который включает в себя преобразователь 8 напряжение-частота, многоразрядный счетчик 9 элементы и 10, 11 и элемент ИШ 12. Один вход элемента И 10 соединен с выходом преобразователя 8 другой вход соединен с инверсным выходом старшего, п-го, разряда счетчика 9 а выход соединен со счетным входом счетчика 9. Входы элемента И 11 соответственно соединены с инверсными выходами п, (п-1)-го и (п-2)-го разрядов счетчика 9, а выход соединен с одним из входов элемента ИЛИ 12 другой вход которого соединен с выходом преобразователя 8. Вход установки нулевого состояния счетчика 9 соединен со счетным входом счетчика 5, образующего вход распределителя 3 импульсов, на который поступают управляющие импульсы. На управляющие входы счетчика 5 подаются сигналы,комбинация которых определяет направление вращения двигателя. Для питания шагового двигателя используется источник 13 питания, шина которого соединена с общей точкой фаз 2 шагового двигателя и с входом преобразователя 8 напряжение-частота В другом варианте устройство (фиг.), кроме перечисленных элементов, содержит элемент И k, соединен.ный выходом с вторыми входами элементов и 4, а входами - с выходом элемента ИЛИ 12 и инверсным выходом стя шего п-го разряда счет-мика 9. Устройство работает следующим образом. Преобразователь 8 напряжение-частота формирует на выходе последовательность импульсов, частота которых изменяется пропорционально изменению величины постоянного напряжения источника 13 питания. При работе устройства, по мере поступления управляющих импульсов на счетный вход счетчика 5 (фиг.2,а), сигналы логической единицы с распределителя 3 импульсов последовательно поступают на входы элементов И k (фиг.1. Поступление управляю1цего импульса приводит к сбросу счетчика 9 в нулевое состояние. При этом сигналы на инверсных выходах его h-ro, (п-Л-го и ( разрядов (()иг.2,в,г,д) и выходах эле 4ентов И 11 и ИЛИ 12 (фиг,2,е,ж) представляют собой логическую единицу. Поступление логической единицы с инверсного выхода старшего разряда счетчика 9 на вход элемента И 10 приводит к поступлению на счетный вход счетчика 9 импульсов, формируемых преобразователем 8 напряжение-частота (фиг,2,б). После прихода управляющего импульса и поступления первого импульса с преобразователя 8 на счетчик 9, на входы элементов И i с выхода элемента ИЛИ 12 поступают логические едишцы, в результате чего на соответствующую фазу 2 шагового двигателя поступает напряжение с источника 13 питания. Номер фазы шагового двигателя, подключаемой к источнику 13, опреде- . ляется числом, записанным в счетчике 5 к моменту поступлений импульса с преобразователя 8 на счетчик 9. Изменение напряжения на фазе 2 шагового двигателя показано на фиг.2,з. По мере поступления импульсов на счетный вход счетчика 9 его содержимое увеличивается, в результате чего через соответствующий промежуток времени на инверсном выходе (п-2У7ГО разряда вместо логической единицы появляется логический нуль (фиг.2,в). На выходе элемента И 11 при этом также появляется логический нуль, в результате чего при дальнейшем увеличении содержимого счетчика 9 на выходе элемента ИЛИ 12 формируется импульсный сигнал, аналогичный сигналу на $1 выходе преобразователя-8 напряжениечастота /фиг.2,б,ж). На фазу 2 шагового двигателя с источника 13 питани при этом также начинают поступать им пульсы напряжения с той же частотой и скважностью фиг.2,з). Очередное изменение логического сигнала на инверсном выходе (п -2) -го разряда счетчика 9 (фиг.2,в) не сказывается на сигнале, формируемомна выходе элемента И 11, так как на.инверсном выходе («-О-го разряда при этом появляется логический нуль (фиг.2,г). В результате на соответст вующую фазу 2 двигателя с источника 13 по-прежнему поступают импульсы напряжения той же частоты (фиг.2,д. Наконец, когда содержимое г.четчика 9 увеличивается настолько, что произой дет изменение состояния его старшего . разряда, в результате чего на инверсном выходе этого разряда появится логический, нуль, поступление импульсов на счетчик 9 с преобразователя 8 прекращается. На фазу шагового двигателя при этом продолжают поступать импульсы напряжения питания такой же частотыи скважИости, что и на выходе преобразователя 8 напряжение-частота, до поступления следующего управлягощего импульса на счетный вход счетчика 5 распределителя 3 импульсов и сброса в нуль счетчика 9. Работа схемы устройства управления при поступлении следующего управляющего импульса не отличается oj опи санной, за исключением того, что ввиду изменения состояния счетчика 5 напряжение с источника 13 питания будет поступать на другую фазу 2 шагового двигателя. Таким образом, при поступлении управляющих импульсов схема устройства показанная на фиг.1, обеспечивает последовательную подачу на фазы 2 шагового двигателя серий импудьсов, в каждой из которых первый (форсирующий импульс Имеет относительно большую длительность, определяемую периодом импульсов, формируемых преобразователем 8, и номером младшего из промежуточных разрядов счетчика 9, выходы которых соединены с входами элемента И 11, а остальные импульсы имеют относительно небольшую длительность, равную длительности импульсов на выходе преобразователя 8. Частота импульсов,формируемых преобразователем 8 напряжение-часто-, 25 та, изменяется пропорционально изменению напряжения на выходе источника 13 питания. При возрастании питающего напряжения частота импульсов, формируемых на выходе преобразователя 8, увеличивается, как показано на фиг.3, на которой временные, диаграммы соответствуют изменению напряжений в тех же точках схемы устройства управления, что и временные диаграммы на фиг.2, обозначенные теми же буквами. При увеличении частоты импульсов, формируемых преобразователем 8, порядок изменения логических сигналов на выходах счетчика 9 и логических элементов И 10, 11 и ИЛИ 12 Лри по-: ступлении управляющего импульса на очередной вход счетчика 5 распределителя 3 импульсов не изменяется, однако скорость изменения указанных логических сигналов ввиду более быстрого заполнения счетчика 9 возрастает в той же пропорции, что и частота импульсов на выходе преобразователя 8. Поэтому формирование сигнала логического нуля на инверсном выходе (п-2)-го разряда счетчика 9 произойдет через более короткий промежуток времени после поступления управляющего импульса. Длительность форсирующего импульса на выходе элемента ИЛИ 12 уменьшится пропорционально увеличению частоты импульсов на выходе преобразователя 8 и увеличению питающего напряжения. Аналогичным образом, уменьшение питающего напряжения приводит к пропорциональному уменьшению частоты импульсов, формируемых Иреобразовйтелем 8, и пропорциональному увеличению длительности форсирующего импульса при поступлении на счетный вход счетчика 5 управляющего импульса. Если в формирователь длительности форсирования введен элемент ИИ (фиг.), то от момента поступления управляющего импульса до формирования сигнала логического нуля на инверсном выходе старшего разряда счетчика 9 устройство работает как и уст ройство, изображенное на фиг.1, и сигнал на выходе элемента И Tt (фиг.5и, управляющий усилителями 1 мощности, изменяется так. же, как и сигнал на выходе элемента ИЛИ 12 (фиг.5, ж). Диаграммы сигналов на Фиг.5 а-з аналогичны соответствующим сигналам на иг.2, а-з. После переброса старшего разряда счетчика в нуль и формирования

огического нуля на инверсном выходе

таршего разряда п счетчика 9 (фи .5 д) поступление импульсов на счетчик ч с преобразователя 8 через элемент И 10 прекращается и одновременно прекра- 5 щается подача импульсов с выхода элемента ИЛИ 12 через элемент И 1 на элементы И 4, т.е. импульсов напряжения питания через многоканальный усилитель 1 мощности на фазу 2 двигателя (фиг.5, э). Двигатель полностью обесточивается. Интервал времени от момента поступления управляющего импульса до запирания усилителей 1 мощ

ности и обесточивания фаз 2 двигателя должен быть достаточным для того,

чтобы переходной процесс отработки двигателем последнего шага закончился и к моменту запирания усилителей 1 ротор двигателя был бы неподвижен. Устройство (фиг.) можно применять

для управления шаговыми двигателями|

у которых имеется фиксаций ротора в обесточенном состоянии.

Если период следования управляющих импульсов меньше времени, необходимого для изменения состояния старшего разряда счетчика 9, последний сбрасывается в нуль управляющим импульсом

до момента переключения старшего раз-30 ряда, после чего начинается новый цикл работы схемы устройства управления, т.е. обесточивание двигателя в этом случае не происходит.

Таким образом, устройство обеспечивает последовательную подачу на фа- .

зы 2 шагового двигателя серий импульсов, в каждой из которых длительность первого (форсируюи|его импульса зависит от напряжения, питающего фазы 2, и изменяется обратно пропорционально величине изменения этого напряжения. В результате изменение амплитуды (юрсирующего импульса полностью компенсируется изменением его длительности, поэтому площадь импульса, а следовательно, и энергия, подаваемая в- фазу 2 шагового двигателя во время этого импульса, остаются неизменными при изменении питающего напряжения.

Необходимое соотношение между длительностью форсирующего импульса и общей длительностью каждой из импульр сных последовательностей, которая поступает на соответствующую фазу 2 двигателя в промежутке между приходом управляющего импульса и моментом изменения состояния CTapiuero разряда счетчика 9, может быть обеспечено путем выбора числа промежуточных разрядов этого счетчика, с выходом которых соединены входы элемента И 11.

Точность выработки импульсов форсирования в предлагаемом устройстве зависит только от линейности харйктеристики преобразователя напряжение частота, имеюи1его линейность до десятых долей процента. Повышение надежности достигается за счет использования дискретных интегральных элементов обладающих более высокой надежностью, чем аналоговые элементы.

xiiiniiiiiniiiiiiiiiiiiiiiii .

IГ1

Ь УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ И АГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, подключенный через элементы И к выходам распределителя импульсов, и формирователь импульса форсирования, соединенный одним входом с входом распределителя импульсов, а другим - с шиной источника питания двигателя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыше.ния точности формирования-импульса форсирования и надежности устройства, формирователь импульса форсирования содержит преобразователь напряжение частота, два дополнительных элемента И, счетчик и элемент ИЛИ, связанный выходом с вторыми входами основных элементов И, а первым входом - с выходом первого дополнительного элемента И, подключенного входами к инверсным выходам трех старших разрядов счетчика, выход старшего из которых соединен с одним из входов второго дополнительного элемента И, подключенного другим своим входом к второму входу элемента ИЛИ и выходу преобразователя аналог- частота, соединенного входом с шиной источника питания двигаi теля причем выход второго дополнительного элемента И соединен со счет(О ным входом счетчика, связанного входом установки нулевого состояния с С входом распределителя импульсов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введен третий дополнительный элемент И, один вход которого соединен с инверсным -ВЫХОДОМ старшего разряда счетчика, второй - с выходом элемента ИЛИ, а выход подключен к вторым входам основных элементов И.

11

/j

,1--j

At/

.JзчйV

Г7г«-J

m

F

тг-1

U,

ыад

-J

«i

6 Illllllllllllllllllllllllllllllllllllll

Г

.rl