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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электрического дробления основного шага т-фазного шагового электродвигателя (шэд) в дискретных автоматизированных системах. Известно устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее распределитель импульсов, группу логических элементов 2 И, связанных вьоходами с входами усилителей мощности,комму тирующих .фазы двигателя, а первыми входами с выходами распределителя импульсов, и блок дробления шага, подключенный прямым и инверсным выходами ко вторым входам элементов 2 И, взятых через один.Ег ;блок дробления .шага содержит реверсивный счетчик с перекрестной связь реверсивный делитель частоты,многопрограммный распределитель,одновибр тор,триггер управления и группу дву входовых элементов Р, со едина иную вы ходами с входами каждого разряда многопрограмглного распределителя, первыми входами - с выходами каждог разряда реверсивного .счетчика, а вт рыми входами - с выходом одновибрат ра, связанного своим .входом со счетным входом реверсивного, счетчика, и с прямьм выходом триггера управления, подключенного инверсным выходом к счетному входу реверсивно го делители частоты, связанного выходом с тактовым входом распределителя импульсов tl3. Недостатком этого устройства является большой объем аппаратуры,низ кая надежность и неравномерность отработки дробных шагов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее распрелелитель импульсов с входными шинами .реверса и тактирования, логические элементы И по числу фаз двигателя, связанные выходами со входами усилителей моашости, коммутирующих фазы двигателя, первыми входами - с выходами распределителя и myльcoв, а вторыми входами - с прямым и инверсным выходами блока дробления шага, снабженного реверсивным двоич ным счетчиком, лог.ическим элементом ИЛИ, мультиплексором нескольких каналов на один и.формирователем единичного кода, выходы которого подключены к адресныгл (информационным) входам мультиплексора,подключенного прямьтм и инверсным выходами ко -вторым входам элементов И, а управляю1Ч {ми входами - к выходам всех разрядов реверсивного счетчика соединенного выходами переноса и заема с входа ли элемента ИЛИ,подключенного своим выходом к тактовому входу распределителя импульсов и входу реверса счетчика 21, Недостатком известного устройства является неравномерность дробления шага,обусловленная насыщением магнит--, ной системы двигателя, и связанная с этим неравномерность движения ротоь. ра шагового двигателя. Цель изобретения - повышение плавности движения и точности деления шага. Поставленная цель достигается тем что устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее распределитель импульсов, с входными шинами реверса и тактирования, логические элементы И по числу фаз двигателя, связанные первыми входами с выходами распределителя импульсов, а выходами - с входами усилителей мощности, коммутир5тощих фазы двигателя, мультиплексор нес- кольких каналов на один, связанный прямьт и инверсным выходами соответственно с вторыми входами элементов И, взятых через один, двоичный рчетчик, подключенный разрядными выходами к управляющим входам мультиплексора, и шины высокочастотных и низкочастотных импульсов тактирования, снабжено реверсивным счетчиком Джонсона и логическими элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и 2 НЕ-И, последний связан прямым входом с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключенного входами к выходам первого и последнего разрядов счетчика Джонсона, связанного выходами всех разрядов с адресными входами мультиплексора, элемент 2 НЕ-И инверсным входом связан с шиной низкочастотных импульсов тактирования, а выходом - с тактовым входом распределителя импульсов, причем тактовыйВХОД счетчика Джонсона соединен с шиной низкочастотных импульсов тактирования, вход изменения направления пересчета - с шиной реверса, а двоичный счетчик , выполнен нереверсивным и подключен тактовым входом к шине высокочастотных импульсов тактирования.. На фиг,1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехфазнЬму шаговому двигателю, ни фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, Устройство (фиг.1) содержит распределитель импульсов 1 с шиной реверса 2 и тактирования 3, логические элементы И 4, связанные первыми входами с выходами распределителя 1, а выходами - с входами усилителей мощности 5, коммутирующих фазы 6 двигателя, и мультиплексор 7, связанный прямым и инверсным выходами соответственно с

вторыми входами элементов И 4,взятых через один. Оно содержит также нереверсивный двоичный счетчик -8, подключенный тактовым входом к шине высокочастотных импульсов тактирования 9, а выходами всех разрядов - к управляющим входам мультиплексора 7, реверсивный счетчик Джонсона 10, соединенный тakтoвым входом с шинойнизкочастотных импульсов тактирования 11, а входом изменения направления пересчета с шиной реверса 2. Некоторые из начальных и последних разрядных выходов реверсивного счетчика Джонсона 10 подключе ны к опре)зеленным группам адресных входов мультиплексора 7, соответствующих заданным уровням квантования токов в смежных фазах, а его .промежуточные разрядные выходы - к соответств Ьо щим остальным, адресным входам мультиплексора 7. Первый -и последний разрядные выходы счетчика Джонсо-.. на 10 подключены через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 к первому входу логического элемента 2 НЕ 13, второй вход которого подключен к шине низкочастотных импульсов тактирования 11, а выход - к шине тактирования 3 распределителя 1. Входы обнуления распределителя 1 и счетчика Джонсона 10 объединены.и подключены к шине установки устройства в исходное состояние 14.

В каждом отдельном случае исполнения предлагаемого устройства число объединенных в группы начальных и оконечных информационных входов мультиплексора 7 определяется принятьш нелинейным законом квантования токов в смежных фазах двигателя - в зависимости от его установленной степени насыщенности магнитнойсистемы и соответственно кривой изменения магнитног потока в воздушном зазору.

Устройство работает сjieдующим образом.. .

Импульс, поступающий на шину 14 устанавливает/ счетчик Джонсона 10 и распределитель импульсов 1 в нулевое состояние. К шине рев-ерса .2 прикладывается логический уровень потенциала, соответствующий требуемому направлению вращения. При этом на всех разрядных выходах счечика Джонсона 10 и на прямом выходе, мультиплексора 7-оказываются нулевые логические потенциалы, а на инверсном выходе мультиплексора 7 - единичный логический потенциал Одновременно с этим на первых двух выходах 15 и 16 распределителя импульсов 1, в случае четырехфазного шагового двигателя, работающего в парном режиме коммутации фаз, присутствуют единичные, а на остальныз

его выходах 17 и 18 - нулевые логические потенциалы. В результате этого разрешающие потенциалы на входе элемента И 4 первого канала открывают усилитель мощности5 и через, первую фазу б протекает номинальный (максимальный) ток 3(1 на фиг.2).

При поступлениипервого импульса на шину йизкочастотных импульсов

0 тактирования 11 (3 фиг.2) в первом разряде счетчика Джонсона 10 записывается единица, т.е. в нем ус- . танавливается логическая кодовая комбинация 100000. После подачи на шину 9 высокочастотных импульсов

5 тактирования посредством двоичного счетчика 8 производится поочередный опрос информационнь1х входов мультиплексора 7 и выдача на его выходы вырабатываемых счетчиком 10 логичес0ких потенциалов. При этом, благодаря объединенным перв-ым двум входам мультип лек сора 7 на его прямом вы- . ходе периодически вырабатываются прямоугольные высокочастотные импуль5сы со скважностью С 8/2, а на его инверсном выходе - со ,скважность.ю С- 8/6. Это приводитк формированию, токов в первой фазе б амплитудой i i, 6/8 Т и во второй его фазе ам0плитудой 2 2/8 Т,. (при нулевых значениях токов в остальных двух фазах) о ,.,...

В последующих четырех тактах работы устройртва происходит потакт5ное изменение кода в Счетчике Джон- сона 10; 110000; 111000; 111,100; 111110. Это приводит к поочередному формированию прямоугольных импульсов со скважностью, 8/3; 8/4; 8/5; 3/6 - на его прямом выходе (2

0 л на фиг.2) и со скважностью 8/5; 8/4; 8/3, 8/2 - на его инверсном выходе (J, 2 фиг.2). В результате прбрзсходит потактное увеличе5 ние тока во второй фазе: 3/8 3,; 4/8 Э 5/8 б/а JH и соответствующее уменьшение тока в первой фазе: 5/8Эн, 4/8. 3/8 i 2/8. .

В последнем шестом такте первого полуцикла работы устройства в счет0 .чике Джонсона 10 записывается мак-: симальный код 111111. При этом, бла-годаря объединенным последним двум входам мультиплексора 7 на его прямом выходе возникает постоянный еди5ничный, а на его инверсном выходе постоянный нулевой потенциал. В результате этого во второй, фазе б двигателя обеспечивается номинальный ток 7 (при нулевых токах во 0 всех остальных трех фазах).

После установки всех разрядов счетчика Джонсона в единичные состояния на выходе элемента 12 (диаграмма 12 на фиг.2) возникает еди5 йичный потенциал. Благодаря этому

от заднего фронта шестого тактового импульса.через элемент 13 (диаграмма 13 на фиг.2) запускается распределитель 1 и меняется его исходное состояние. После этого единичны логические потенциалы возникают на выходах 15-18 (фиг.2).

Предполагается, что элементы памяти распределителя 1 и счетчика Джонсона 10 срабатывают от передних фронтов поступающих непосредственно к их тактовым входам прямоугольных импульсов. Этим завершается первый полуцикл функционирования устройства, при котором за шесть тактов поступления импульсов на шину 11 в пер.вой фазе двигателя осуществляется по описанному закону шестиступенчатое уменьшение, а во второй фазе шестиступенчатое увеличение тока. Влйгодаря этому, если принятый закон квантования токов в определенной степени точности компенсирует влияние насыщенностимагнитной системы данного ШЭД, то происходит равномерный ступенчатый поворот суммарного вектора электромагнитного момента и соответственно ротора. В результате ротор отрабатывает шесть равномерных дробных шагов, величиной

об

ос

6

где ci(j(- - величина основного шага. Второй полуцикл функционирования устройства аналогичен описанному первому. Он начинается с момента поступления на шину 11 очередного седьмого тактирующего и myльca. Отли чие заключается лишь в том, что во втором полуцикле в счетчике Джонсока 10 происходит, поразрядное уменьшение числа логических, единиц, .т.е. смена кодов по порядку: 011111, 001111, 000111, 000011, 000001, 000000. Это приводит к ступенчатому уменьшению тока во второй фазе и одновременному увеличению в третьей , фазе (по два кванта в первой и последней ступенькахи одному - востальных ступеньках). После завершения двенадцатого такта на выходе элемента 13 опять возникает единичный потенциал. Это позволяет распределителю 1 через полутакт задержки (от заднего фронта двенеодцатого тактового импульса через элемент 13) опять изменить свое состояние, что приводит к появлению логических единиц на его выходах 17 и 18,

Последующие циклы работы устройства происходят аналогично первому. Реверсирование устройства осущест- вляется путем изменения ранее приложенного на шине 2 логического noтенциала на обратный. При этом .изменяются на обратные описанные процессы потактных формирователей ко дов в распределителе 1 и в счетчике Джонсона 10. Частота тактирующих импульсов TH на шине 11 устанавливается в соответствии с требуемой рабочей частотой отработки дробных шагов данного ШЭД, а частота тактирующих импульсов на шине 9 выбирается исходя из величины электро0 магнитной постоянной времени данного двигателя, чтобы обеспечить допустимые пульсации тока при осуществляемой широтно-импульсной модуляций фазных напряжений с учетом 5 заданного коэффициента дробления основного шага.

Устройство при наличии соответствующего распределителя импульсов

0 может быть использовано для управления двигателем с любым числом фаз. Число информационных входов мультиплексора 7 и коэффициент пере-счета двоичного счетчика 8 выбирают5 ся в соотВетствии с выбранным числом элементарных уровней квантова; ния токов. ЧисЛо разрядов счетчика Джонсона 10 выбирается в соответствии с заданным коэффициентом дробления основного шага данного ШЭД

с учетом принятого закона нелиней-.. ногр квантования токов.

На фиг. 2 диаграмма Tj, характе. ризует прямоугольные импульсы,пода5;ваемые на шину низкочастотных им- ;

пульсой тактирования 11, диаграмма

. 12 показьгоает выходные сигналызле-,

;мента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, а диаг-).

.{рамма 1з.- элемента 2 НЕ-И 13. На

0 Графиках 15-18 представлены выход- . ные сигналы распределителя импуль;сов 1 при управлении четырехфазным двигателем в режиме парной коммутации фаз. Графики 3, 3.j и J ус5 лов.но иллюстрируют процесс ступенчатого изм.енения тока в фазах (в результате потактного формирования : широтно-модулированных сигналов на выходах мультиплексора 7), который

g.имел бы место, если бы на всех выходах 15-18 распределителя 1одновременно присутствовали единичные потенциалы. Кривые i-j-ij отображают действительный ход ступенчатого изменения токов в соответствующих фазах четырехфаэного двигателя при. реальной циклограмме переключений выходов распределителя 1.

Таким образом, предлагаемое устройство при подходящем выборе нелинейно-ступенчатого закона квантования токов для каждого двигателя с определенной степенью насыщенности магнитной системы и при соответствующед подключении разрядных выходов сче.тчика Джонсона к определенным группам информационных входов .мультиплексора позволяет значитель uuHci2т 0 ,

ПППППППППППППППППППППППППППП

0, г,

но повысить плавность хода, равномерность и точность отработки дробных шагов.

пилпппппппппппппппп

r

I

УСТРОЙСТВО. ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ 1ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ДРОБЛЕНИЕМ ША-. ГА, содержащее распределитель импульсов с входными шинами реверса и тактирования, логические элементы И по числу фаз двигателя, связанные первыми входами с выходами распределителя импульсов, а выходами - с входами усилителей мощности, коммутирующих фазы -двигателя,, мульти:плексор нескольких каналов на-один, связанный прямым .и инверсным выходами соответственно с вторыми входами элементов И, взятых через один,двоич|НыЙ счетчик, подключенный-выходами К управляющим входам мультиплексора, и шины высокочастотных и низкочастотных импульсов тактирования, отличающееся тем, что, с целью повышения плавности движения и точнооти деления шага, в него введены реверсивный счетчик Джонсона, логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и 2 НЕ-И, последний связан прямым входом с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключенного входами к выходам первого и последнего разрядов счетчика Джонсона, связанного выходами всех разрядов с адресными входами мультиплексора,элемент 2 НЕ-И инверсным входом связан с шиной низкочастотных импульсов тактирования, а выходом - с тактоS вым входом распределителя импульсов, причем тактовый вход счетчика Джонсона соединенс шиной низкочастотных импульсов тактирования, вход изменения направления пересчета - с шиной реверса, а двоичный счетчик выполнен нереверсивным и подключен тактовым вхсудом к шине высо кочастотных импульсов тактирования. о: ю W