Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1986 года по МПК H02P8/12 

I

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управлению шаговыми двигателями, и может быть использовано в дискретных системах автоматического и программного управ- ления, например, металлорежущих станков с числовым программным управлением, координатографах и т.д.

Цель, изобретения - повышешие равномерности движения и устойчивости шагового двигателя.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для управления шаговым двигателем; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов на основных элементах схемы, поясняющие принцип ее работы.

Устройство (фиг.1) содержит распрделитель 1 импульсов и многоканальный усилитель мощности, кa. ка- нал которого включает в себя первый ключевой элемент 2, связывающий фазу 3 шагового двигателя через разделительный диод 4 с источником постоянного тока низкого уровня U , второй ключевой элемент 5, связывающий фазу 3 с источником постоянного тока высокого уровня U, формирователь 6 импульсов форсирования, пер- вьй и второй инверторы соответствен но 7 и 8, элементы И 9 и ИЛИ 10, диод 1 1 рекуперации. Устройство может содержать датчик 12 тока, подключен ньй к входу формирователя 6 импульс форсирования (штриховая линия,фиг.1

Формирователь 6 импульсов может быть подключен входом к входу первого элемента 2 или к датчику 12 тока. Выход формирователя 6 импульсов подключен к второму входу элемента ИЛИ 10 и входу второго инвертора 8, соединенного выходом с вторым и третьим входами элементов И 9 смежных каналов усилителя мощности. Первый вход элемента 1ШИ 10, подключенного выходом к входу второго ключевого элемента.5, соединен с выходом элемента И 9, первый вход которого подключен через первый инвертор 7 к .входу первого ключевого элемента 2, а второй и третий входы элемента И 9 соединены с выходами вторых инверторов 8 смежных с данным каналов.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на вход распределителя 1 импульсов сигнала управления fx, (фиг, 2) на его входах вьфабатыва

5

0 5 о

5

ются напряжения прямоугольной формы V 5 которые поступают на вход первого ключевого элемента 2 и открывают его. Одновременно формирователь импульсов форсирования вьфаба- тывает импульс U (фиг.2), который через элемент ПОИ 10 поступает на вход второго ключевого элемента 5. При открывании первого и второго ключевых элементов к фазе 3 шагового двигателя прикладывается повышенное напряжение U (U, фиг.2), что обеспечивает ускоренное (форсированное) нарастание тока i.

Длительность t импульса форсирования Un может вырабатываться в функции времени по сигналу И , поступающему на вход формирователя 6, или в функции тока i в фазе двигателя, сигнал, пропорциональный которому, поступает на вход формирователя 6 с датчика 12 тока. Способ формирования длительности tcp импульса форсирования и,, в функции времени или тока не является существенным и не влияет на работу схемы. По окончании импульса форсирования UH второй ключевой элемент 5 закрывается и к фазе 3 через разделительный диод 4 прикладывается низкое напряжение U , обеспечивающее протекание в фазе тока, близкого к номинальному.

После того как сигнал U,, на выходе распределителя 1 импульсов становится равньм нулю (момент време40

НИ t , фиг. 2);, ток в фазе 3 замыкается по цепи: диод 11 рекуперации, встречно включенный источник U, источник и.,, разделит ел ьньш диод 4. При этом к фазе 3 прикладывается встречное напряжение , а накопленная в ней электромагнитная энергия передается в .источник питания / Под действием встречно приложенного напряжения ток в отключенной фазе быстро спадает до нуля, что обеспечивает высокое быстродействие привода и работу шагового двигателя в области высоких частот.

После спадания тока icp до нуля встречное напряжение , запирает диод 11 рекуперации и цепь фазы 3 оказывается разомкнутой, что уменьшает внутреннее демпфирование двига- 35 теля, снижает устойчивость движения и вызывает большие колебания мгновенной скорости, ухудшающие равномерность движения. Для повьш:ения

50

демпфирующих свойств шагового двигателя в рассматриваемой схеме после спадания тока в фазе до нуля, момент которого соответствует окончанию импульса форсирования Ut, , сигнал еди- нично о уровня с выхода первого инвертора 7 открывает элемент И 9, на

.остальных входах которого также присутствуют сигналы единичного уровня. Сигнал единичного уровня с выхода элемента И 9 через элемент ИЛИ 10 вновь открывает второй ключевой элемент 5, что обеспечивает закорачивание фазы 3 по цепи: диод 11, ключевой элемент 5. В закороченной фазе 3 под действием ЭДС вращения протекает ток, вызывающий демпфирование колебаний мгновенной скорости ротора двигателя. Если отключенную фазу 3 держать закороченной при коммутации

.смежных с ней фаз, имеющ51х магнитную .связь, то это замедляет протекание в них электромагнитных переходных процессов нарастания и спадания тока, что приводит к снижению диапазона рабочих частот привода. Поэтому в рассматриваемой схеме предусмотрены связи смежных каналов усилителя мощности через инверторы 8, запирающие элемент И 9 и, соответственно, второй ключевой элемент 5 при включении формирователя 6 импульсов любого из смежных каналов. Для четырехфазного двигателя, например, первая фаза должна быть разомкнута при включении

второй и четвертой фаз.

Относительная длительность импульса форсирования и растет при увеличении частоты управления fy, поэтому в области низких частот, где колеба- ния скорости значительны, фаза двигателя закорачивается в рассматриваемой схеме на длительное время, что обеспечивает большое демпфирование. Однако в области высоких частот большое демпфирование снижает нагрузочные свойства двигателя, поэтому здесь целесообразно уменьшить время, в течение которого отключенная фаза закорочена. В рассматриваемой схеме изменение времени,, в течение которо- то отключенная фаза закорочена, обеспечивается автоматически. Поскольку длительность t,p импульса форсирования Uj, практически недзменна, а пе-;;

риод коммутации с ростом частоты управления уменьшается, то с ростом частоты уменьшается и время, в течение

10

15

20

25

0

30

35

5

которого отключенная фаза закорочена. Таким образом, демпфирование с ростом частоты уменьшается, что обеспечивает сохранение нагрузочной способности двигателя и широкого диапазона рабочих частот. .

Описанный принцип работы устройства сохраняется независимо от направления движения шагового двигателя, которое определяется сигналами на входах Б и Н распределителя 1 импульсов. При сигнале логической единицы на входе В и логического нуля на входе -Н распределитель импульсов обеспечивает прямое чередование переключаемых фаз и соответствующее ему направление движения щагового двигателя . Если на вход Н подан сигнал логической единицы, а на вход В - логического нуля, то порядок чередования фаз и направление движения двигателя изменяется на обратные.

Вьшолнение устройства управления шаговым двигателем по рассматривае-. мой схеме позволяет исключить различного рода внешние демпфирующие устройства, устанавливаемые по валу двигателя и снижающие его нагрузочные свойства и быстродействие.

Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает в .себя первый ключевой элемент, подключенный входом к соответствующему выходу распределителя импульсов и связывающий фазу двигателя через разделительный диод с источником постоянного тока низкого уровня, а через диод рекуперации - с источником постоянного тока высокого уровня, подключенного к разделительному диоду через второй ключевой элемент, и формирователь импульсов форсирования, отличающе еся тем, что, с целью повышения равномерности движения и устойчивости шагового двигателя, каждьш канал усилителя мощности снабжен элементами И, ИЛИ и двумя инверторами, первьй из которых подключен входом к входу первого ключевого элемента , а выходом - к первому входу элемента И своего канала, соединенного вторьм и третьим входами с выходами вторых инверторов смежных каналов, а выходом - с первым входом элемента ИЛИ, подключенного выходом к входу второго ключевого элемента, а вторым входом - к выходу формирова/УК к к N к к к

i

л

теля импульсов форсирования и входу второго инвертора, соединенного выходом с вторым и третьим входами элементов И смежных каналов.

Изобретение относится к электротехнике и направлено на повышение . равномерности движения и устойчивости шагового двигателя.. Устройство для управления двигателем содержит распределитель 1 импульсов и многока- нальньш усилитель мощности, каждый канал которого включает ключевые элементы 2 и 5, формирователь 6 импульсов форсирования, инверторы 7 и 8, элементы И 9 и ИЛИ 10, диод 11 рекуперации. Относительная длительность импульса форсирования растет при увеличении частоты управления, поэтому в области низких частот, где колебания скорости значительны, фаза 3 двигателя закорачивается на длительное время, что обеспечивает большое демпфирование. Однако в области высоких частот большое демпфирование снижает нагрузочные свойства двигателя, поэтому здесь целесообразно уменьшить время, в течение которого о.тключенная фаза закорочена. Изменение времени, в течение которого отключенная фаза закорочена-,- обеспечивается автоматически. 2 ил. С $ (Л § и О) со со 2lff й/г/

fpuB.2

Редактор Н.Бобкова

Составитель 3.Горняк :,

Техред Л.ОлейникКорректор М.Максимипшнец

Заказ 4019/54Тираж 631Подписное

BHmilTH Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4