Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1984 года по МПК H02P8/12 H02P8/34 

f Изобретение относится к системам автоматического управления с шаговы двигателями и может быть использова но, например, при регулировании раз личных технологических процессов. Известны устройства управления шаговыми двигателями, сойержащие распределитель и многофазный усилитель мощности, каждый канал которог состоит из последовательно включенных датчика тока, основного ключевого элемента, обмотки управления двигателя, вспомогательного ключево ,го элемента, который управляется от триггера с раздельными входами по сигналам распределителя и датчика тока С 3Недостатком данных устройств является то, что они могут использоваться лишь с шаговыми двигателями, обмотки управления которых не имеют общей точки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее ключевые уси лители для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя, автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных связей по току в обмотках с датчиками, источник сигнала уставки регуляторо и форсирующие стабилитроны, подключенные через развязьшающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе Г23. Недостатком этого устройства является сравнительно низкая надежность в связи с отсутствием контрол исправности. Целью изобретения является повьш1 ние надежности устройства. Эта цель достигается тем, что в устройство,содержащее ключевые усили тели для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя,автоматические регуляторы с блоками формиро вания сигналов обратных связей по току в обмотках двигателя с датчика ми, источник сигнала уставки регуля торов и форсирующие стабилитроны, подключенные через развязывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, введены пороговый элемент сравнения с двумя терморезисторами на входах, установленными на радИаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый терморезистор через один масштабный ре05зистор подключен к источнику сигнала уставки регуляторов, а второй терморезистор через другие масштабные резисторы - к выходам блоков формирования сигналов обратных связей по токам. При этом блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управляющий вход - с выходом регулятора тока. На.фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 временные диаграммы его работы. Устройство содержит распределитель 1 импульсов, схемы 2-5 совпадений, основные ключевые усилители 6-9, развязьшан)щие диоды 10-13, форсирующие стабилитроны 14 и 15, шунтирующие транзисторные ключи 16 и 17с инверторами 18 и 19 на входах, автоматические регуляторы 20 и 21 с элементами 22 и 23 сравнения и усилители 24 и 25 с широтно импульсной модуляцией, резистивные датчики 26 и 27 токов, а также блоки формирования сигналов обратных связей по токам, вьтолненные на аналоговых запоминающих элементах 28 и 29, Запоминающие элементы вьтолнены на операционных усилителях 30 и 31 с конденсаторами 32 и 33 в обратных связях и МОП-транзисторных ключах 34 и 35 на входах усилителей. Выходы запоминающих устройств подключены к входам схем 22 и 23 сравнения, другие входы которых соединены с источником 36 сигнала уставки токов. Сигнальные входы 37 и 38 запоминаю1цих элементов соединены с датчиками 26 и 27 токов, а управляющие входы 39 и 40 подключенык выходам усилителей 24 и 25 с широтно-импульсной модуляцией, являющимся одновременно выходами регуляторов, которые через инверторы 18 и 19 соединены также с цепями управления шунтирующих ключей 16 и 17, Устройство содержит также пороговый элемент 41 сравнения с двумя терморезисторами 42 и 43 на входах, установленными на радиаторах стабилитронов 14 и 15, и масштабною резисторы 44-46, соединяющие источник 36 сигнала уставки регуляторов и выходы запоминающих элементов 28 и 29 с терморезисторами 42 и 43. (I-IV - обмотки управления шаг-ового

вигателя,причем обмотки I, III и II, IV работают в противофазе).

В качестве порогового элемента 41 сравнения используется схема на операционном усилителе 47, в обратную связь которого включен ограничитель тока на диодном мосте 48 и токоограничивающих резисторах 49, 1-0 и конденсатор 51. На выходе операционного усилителя включено реле 52 сигнализации отказа.

Шунтирукщнй ключ, форсирующий стабилитрон, регулятор тока и схема формирования обратной связи по то: ку являются общими для двух обмоток двигателя, работающих в противофазе. Принципиально регулирование токов может осуществляться в каждой обмотке двигателя с помощью отдельного регулятора..

Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме, когда на двух выходах распределителя 1 действуют единичные логические сигналы, а на двух других - нулевые, две из четырех обмоток двигателя подключаются к источнику питания Е. Пусть, например, в обмотках I и II протекают токи, а обмотки III, IV обесточены. Тогда регуляторы 20 и 21 поддерживают токи i , i- (фиг.2) в обмотках I, II в соответствии с уставкой V на выходе источника 26 путем автоматической подстройки скважности импульсов: формируемых на выходах усилителей 24 и 25. Действительно, при наличии импульсов на выходах усилителей 24 и 25 происходит замыкание ключей 6 и 8, и обмотки I, II подключаются к источнику питания, в результате чего токи 1, i нарастают (ключевые элементы 16 и 17 благодаря наличию инверторов 18 и 19 находятся при зтом в- разомкнутых состояниях) . Напряжение питания Е выбирается так, чтобы обеспечивалось форсированное нарастание токов при включении обмоток. В промежутках между импульсами (в паузах) ключи 6 и 8 закрываются и ЭДС самоиндукции обмоток I и II замыкаются через шунтирующие ключи 16 и 17. Поэтому в

1- медленно спадают

паузах токи i.

по экспонентам с постоянными времени Т, опроделяемьми индуктивностью L и сопротивлением R обмотки управления. При замыкании основных ключей 6 и 8 замыкаются также МОП-транзисторные ключи 34 и 35 аналоговых запоминающих элементов 28 и 29, которые переходят в режим слежения, отрабатывая напряжения датчиков и , Цд . В результате на выходах аналоговьгх запоминающих элементов формируются напряжения U, U-,, пропорциональные токам в обмотках, подключенных к источнику питания Е. Скорость слежения аналоговых запоминающих элементов существенно выше скорости нарастания токов в обмотках управления двигателя.

При закрывании ключей 6 и 8 МОП-транзисторные ключи 34 и 35 также размыкаются, благодаря чему запоминающие элементы 28 и 29 переходят в режим хранения информации и на их выходах поддерживаются практически неизменные напряжения, определяемые токами обмоток в моменты окончания импульсов усилителей 24 и 25.

При достаточно больших коэффициентах усиления усилителей 24 и 25 в установившемся режиме длительности импульсов и пауз автоматически устанавливаются регулятором так, что средние значения напряжений U, и и, на выходах запоминающих элементов 28 и 29 практически равны напряжению уставки , т.е. 1). 112 U Следовательно, токи i.|, i в обмотках I, II также равны заданному

,..., и . . и

значению (i - ч i , где 1 К Z к

R, R2- сопротивления датчиков 26 и

27тока и R R).

Рассмотрим работу устройства в переходных процессах при коммутации обмоток управления по сигналам распределителя. Пусть под действием сигнала распределителя 1 происходит размыкание ключа 6 и отключение обмотки 1, а схема 3 совпадений подготавливается к включению обмотки III (обмотки II и IV управления остаются в исходных Состояниях и двигатель делает один шаг). При появлении импульса на выходе усилителя 24 (момент времени t, фиг.2) происходит замыкание ключа 7 и МОП-транзистора 34. Ток i, в обмотке III начинает увеличиваться от нулевого значения, и на выходе запоминающего элемента

28формируется напряжение U , пропорциональное току ij. Пока напряжение U не приблизится к уставке U, На выходе усилителя 24 дейструет импульс, удерживающий ключи 7 и ЗД в замкнутых состояниях (интервал С фиг. 2). Скорость спада тока i в обмотке I определяется напряжением пробоя стабилитрона 14, причем спад тока происходит форсированно по линейному закону. В результате за время нарастания тока в обмотке II (интервал т ) ток в обмотке I успе вает снизиться практически до нуля (интервал Ти). . Таким образом, в устройстве дост гается форсировка как нарастания, так и спада тока при включении и отключении обмотки по сигналам распределителя. В то же время в устано вившемся режиме форсировка обеспечивается только при подключении обмотки к источнику пятация. СпаД же тока происходит через шунтирующий ключевой элемент по экспоненциально му закону с постоянной времени, опр деляемой параметрами обмотки управления . Поэтому при исправной работе уст ройства токи через стабилитроны 14 и 15 протекают только при, коммутаци обмоток по сигналам распределителя. Следовательно, мощности, рассеиваемые на стабилитронах, и температуры радиаторов, на которых ониустановлены.,одинаковы. Соответственно сопр тивления терморезисторов, 42 и 43 Rj) . Поскольку на,равны IL и 0. на выходах запопряжения W- г. „ минающих элементов 28 и 29 практически равны по абсолютной величине и противоположны по знаку напряжению уставки и, при выполнении ус.„ R46 2R44(R44- %) - противления резисторов 44-46) результирукмций ток 1, поступающий на вход операционного усилителя 47 порогового элемента 41, равен нулю и и 0) . РазR 0, R брос сопротивлений резисторов на входах порогового элемента, а также погрешности регуляторов 20 и 21 могут приводить к появлению некоторого разностного тока иг. Однако этот ток меньше тока ограничения .1диодного моста 48 в цепи обратной связи операционного усилителя 47. Поэтому выходное напряжение этого усилителя практически равно нулю и реле 52 обесточено. Для предотвращения срабатывания реле в переходных процессах при коммутации обмоток двигателя по сигналам распределителя, когда напряжения U и U .существенно отличаются от уставки,U, операционный усилитель 47 снабжен конденсатором 51 в обратной связи,который обеспечивает необходимую задержку. Рассмотрим теперь работу схемы контроля при отказе устройства. Отказы любых элементов, входящих в контур регулирования тока, приводят к нарушению равенства U U U. Вследствие этого появляется результирующий ток на входе операционного усилителя 47, которьй превышает ток ограничения диодного моста 48. Это ведет к насыщению операционного усилителя и срабатыванию реле 52, сигнализирующего неисправность устройства. Таким путем обнаруживаются отказы всех основных элементов и узлов устройства управления, в т.ч.. и отказы в цепях, шунтирующих обмотки управления. Так, обрывы форсирующих стабилитронов и развязывающих диодов приводят к недопустимым перенапряжениям на основных ключевых элементах и в конечном счете вызывают их отказы, в результате чего напряжения на выходах запоминаюпщх элементов существенно отличаются от напряжения уставки U. При обрыве же шунтирующего ключа и других неисправностях,- которые ведут к размыканию шунтирующего ключа, спад токов обмоток двигателя происходит через форсирующий стабилитрон не только в переходных процессах при коммутации обмоток по сигналам распределителя, но и в процессе регулирования токов в подключенных обмотках. Это вызьгоает резкое увеличение тепловой мощности, рассеиваемой на соответствующем стабилитроне, и существенное повышение температуры одного из терморезисторов. В результате нарушается баланс токов на входе операционного усилителя 47, разностный ток превьппает пороговый уровень IQ, и реле 52 срабатывает, сигнализируя о неисправности устройства управления. Аналогичным образом выявляются еисправности, приводящие к замыкаию шунтирующих ключей или стабилиронов, поскольку мощности, р;)ссеи7 110200 ваемые в стабилитронах, и соответст-. венно температуры и сопротивления терморезисторов 42, 63 оказьгааются разными. Лишь на низких частотах коммутации различие температур ста-5 новится весьма незначительным и подобные неисправности не обнаруживаютсй. Однакб на низких частотах от-. казы, которые сводятся к короткому 58 )амыканию шунтирующего ключа, не триводят к отказу устройства управления в целом, так как затягивание заднего фронта импульса тока в обмотках двигателя влияет лишь на дикамику привода и практически не проявляется при низких частотах. При увеличении же частоты коммутации такие отказы сразу же вьтвляются.

Фаг. 2

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя, автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных связей по току в обмотках двигателя с датчиками, источник сигнала уставки регуляторов и форсирующие стабилитроны, подключенные через развязывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, о т л ичающееся тем, что, с целью повьгаения надежности, в него введены пороговый элемент сравнения с двумя терморезисторами на входах, установленными на радиаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый тёрморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигнала уставки регуляторов, а второй терморезистор через другие масштабные резисторы - к выходам блоков формирования сигналов обратных связей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управляющий вход - с выходом регулятора тока.