Замкнутый шаговый электропривод Советский патент 1986 года по МПК H02P8/22 

. . . ,1259465

зобретение относится к электро-

чт во ша же на ан ре кл хо ци зо по ли н вы х е м х ч н о ж

технике и может быть использовано в системах автоматического управления с шаговыми электродвигателями, в частности в системам программного управления, следящих и позиционных.

Известно устройство управления шаговым электродвигателем, содержащее датчик положения ротора двигателя, сумматор (распределитель импульсов), преобразователи код - аналог, усилители мощности, питающие фазы двигателя, и схему формирования команд 1.

Недостатком этого устройства является низкий КПД, поскольку ток в фазах двигателя независимо от нагрузки на валу поддерживается максимальным. ,

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является зам- (кнутый шаговый электропривод с дроблением шага,, содержащий шаговый двигатель с датчиком положения на вал.у, блок обработки сигналов датчика положения, соединенный аналоговым выходом с одним из входов регулятора, другой вход которого подключен к шине задания скорости, а выход соедине с аналоговыми входами цифроаналоговы умножающих преобразователей по числу фаз двигателя, подключенных выходами к входам усилителей мощности с фазами двигателя на выходах, а цифровыми входами - с выходами постоянных запоминающих устройств, подключенных входами к выходам сумматора, одним входом соединенного с шиной задания положения, а другим - с цифровым выходом блока обработки сигналов датчика положения 2.

Недостатком известного устройства является невозможность получения равномерного вращения ротора двигателя npiH изменении скорости и момента нагрузки из-за насьщения магнитной системы двигателя, нарушавшего пропорциональную зависимость между током в фазах и развиваемым моментом. Отсутствие возможности регулирования временного закона изменения фазных токов при изменении насьш ения магнитной системы двигателя снижает КПД привода и ухудшает плавность движения .

Цель изобретения - улучшение плавности движения и повьш1ение КПД привода.

5

0

5

Поставленная цель достигаете тем, что в замкнутый шаговый электропривод с дроблением шага, содержащий шаговый двигатель с датчиком положения на валу, блок обработки сигналов датчика положения, соединенный аналоговым выходом с одним из входов регулятора, другой вход которого подключен к шине задания скорости, а выход соединен с аналоговыми входами цифроаналоговых умножающих преобразователей по числу фаз двигателя, подключенных выходами к входам усилителей мощности с фазами двигателя на выходах, а цифровыми входами - к выходам постоянных запоминающих устройств, подключенных входами к выходам сумматора, одним входом соединенного с шиной задания угла коммутации, а другим - с цифровым выходом блока обработки сигналов датчика положения, введены функциональные преобразователи по числу фаз двигателя с характеристикой вход - выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, входы которых подключены к выходам соответствующих цифроаналоговых умножающих преобразователей, а выходы - к входам усилителей мощности.

На чертеже приведена функциональная схема замкнутого шагового электропривода с дроблением шага применительно к двухфазному двигателю.

Устройство содержит шаговый двигатель 1, на валу которого установлен датчик 2 положения, подключенный к входу блока 3 обработки сигналов 2 датчика.

Анал оговый выход блока 3, на котором вырабатывается сигнал, пропорци- . ональный„текущему значению скорости (х),, соединен с одним входом регулятора 4, подключенного другим входом 5 к шине задания скоростиьО . Второй выход блока 3, на котором формируется цифровой сигнал (код)М , определяющий текущее положение ротора двигателя 1, соединен с одним из входов сумматора 5, свя занного другим своим входом с шиной в задания угла коммутации. Выход сумматора 5 через постоянные запоминающие устройства 6 и 7 связан с цифровыми входами цифро- аналоговых умножающих преобразователей 8 и 9, аналоговые входы которых подключены к выходу регулятора 4. Выходы преобразователей 8 и 9 через

0

5

0

0

5

И с характеристикой вход - выход, описываемой степенной функцией с дробньм показателем степени, соеди- ле.пы с входами усилителей 12 и 13 мощности, к выходам которых подключены фазы 14 и 15 шагового двигателя 1j. / ...

Устройство работает следующим образом. Для упрощения рассуждений предположим, что управляющее воздействие cJ , задающее необходимое значение скорости вращения двигателя, постоянно. Кроме того, будем считать, что момент нагрузки постоянен и равен М,, Тогда в установившемся реН

жиме вал двигателя вращается с практически постоянной скоростью, близкой к заданной, T.e. , а электромагнитный момент двигателя дет уравновешивать момент наг рузки, т.е. М„.

При вращении ротора двигателя 1 и связанного с ним датчика 2 на выходах блока 3 обработки сигналов датчика появляется информация о положении и скорости ротора двигателя. Информация о текущей скорости .ротора с аналогового выхода в виде сигнала uJ, поступает на один из входов регулятора 4. Сигнал N, о положении ротора, снимаемый с цифрового выхода блока 3 обработки сигналов датчика, представляет собой код, изменяющийся

-

при вращении двигателя по пилообраз- коду В, по отношению к оси ротора, ному закону и характеризующий положение ротора внутри полюсного деления двигателя Ч. 2ТТ/Р (где Р- число пар полюсов двигателя). Этот код поступает а один из входов сумматора 0 5. На второй вход сумматора 5 подается сигнал В, обеспечивающий согласование относительного положения валов двигателр 1 и датчика 2 (угол коммутации),

определяемой кодом N , что необхо димо для возникновения электромагн ного момента двигателя.

Поскольку электромагнитный моме шагового двигателя определяется ка Мдб Mgg( ib)sin4j, то код В яв ляется входом задания максимального значения вращающего момента двигате ля. В рассматриваемом устройстве ко

45 В выбирается таким образом, чтобы V ТТ/2, что обеспечивает максимальное значение вращающего момента.

Выходной код сумматора 5N.J изменяется также по пилообразному закону, описываемому выражениями

N.

«- В при(N +В) П;

+ В-п при() П;

при() 0;

при() iO,

- В -В+п

где п - число шагов двигателя внутри его полюсного деления.

матора 5 оказывается сдвинутым относительно кода N

поступающего с

10

15

20

блока 3 обработки сигналов датчика, на угол,пропорциональный коду В. . Выходной код сумматора 5, величина которого изменяется при вращении ротора двигателя по пилообразному закону, поступает на входы постоянных запоминающих устройств 6 и 7, в которых предварительно записаны тре- буемые законы изменения фазных токов. Они преобразуют,пилообразный код сумматора 5 в коды, изменяющиеся по синусоидальному и косинусоидальному законам. Выходные коды постоянных запоминающих устройств 6 и 7 преобразуются посредством цифроаналоговых умножающих преобразователей 8 и 9 в аналоговые синусоидальный и косинусои- дальный сигналы, амплитуда которых пропорциональна сигналу ошибки, снимаемому с регулятора 4. Аналоговые сигналы через функциональные преоб- 25 разователи 10 и 11 поступают на входы усилителей 12 и 13 мощности, близких по характеристикам к идеальным источникам тока, и задают амплитуду и форму тока в фазах 14 и 15 двигателя. При этом вектор результирующего электрюмагнитного поля двигателя, положение которого определяется кодом N, оказывается сдвинутым на угол коммутации Ч , пропорциональный

30

коду В, по отношению к оси ротора, 0

коду В, по отношению к оси ротора,

определяемой кодом N , что необходимо для возникновения электромагнитного момента двигателя.

Поскольку электромагнитный момент шагового двигателя определяется как Мдб Mgg( ib)sin4j, то код В является входом задания максимального значения вращающего момента двигателя. В рассматриваемом устройстве код

В выбирается таким образом, чтобы V ТТ/2, что обеспечивает максимальное значение вращающего момента.

Конкретное значение кода В устанавливается на входе сумматора 5 при

настройке привода после измерения положения датчика 2 относительно ротора двигателя 1.

Если в приводе используется ин- дукаторный шаговый двигатель с само- возбуждением, фазы которого питаются от идеальных источников тока, то суммарный электромагнитньпЧ момент от обеих фаз в предположении, что прово димость воздушного зазора характеризуется только основной гармоникой, можно представить как

М

K(i signi sirWt + (i| sign i cosu)t ,

(1)

ипостоянный коэффициент; f, мгновенные значения то- в фазах а иfeдвигателя.

Функции sign la и sign i в выражении (1) отражают периодичность изменения магнитодвижущихся фаз двигателя. В функциональной схеме изменение знака магнитодвижущей силы производится за счет расщепления фаз 14 и 15.

Как следует из выражения (1), синусоидальные законы изменения фазных токов не обеспечивают в случае использования индукторного двигателя постоянства его вращающего момента, что приводит к неравномерному вращению ротора двигателя. Кроме того, результирующий момент двигателя нелинейно зависит от фазных токов, амплитуда которых в замкнутой системе определяется ощибкой по скорости, что вызывает дополнительные колебания скорости и снижает КПД привода.

Для обеспечения неизменной величины электромагнитного момента двигателя токи в фазах должны изменяться по законам, близким к

|l .sinJt| II. sinukl

111

ЛТ cosJtI U eosultj

Mn

If

(2)

(3)

где I - максимальное значение тока н фазе.

Действительно, подставив выражения (2) и (3) в (1), получим

Mju „ Им sign(sinuk).

«sin .u}i+ Lcosu)t( sign(costJt) К„1„()Ь + coslJt) К„1и.

Таким образом, в идеализированном случае введение в схему устройства функциональных преобразователей с ахарактеристиками вход - выход вида

l/ij

у X обеспечивается постоянство вращающего момента двигателя при по- вороте ротора и его линейную зависиШОПП Заказ 5137/57

Произв.-по/шгр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5

5

мость ОТ ошибки системы по ско- .рости.

в реальных Т1ндукторных шаговых ;ДВИгаТелях из-за насыщения магнитной системы зависимость фазных составляющих момента от соответствующих токов несколько отличается от квадра- тических зависимостей. Представленных в вьфажении (1). В этом случае

0 характеристика вход - выход функциональных преобразователей,обеспечивающая постоянство электромагнитного момента двигателя и его прямую зависимость от ощибки системы по скоро5 сти, также отличается от степенной функции с показателем степени, равным 1/2, как это следует из выражений (2) и (3), но близка к ней. Изменение формы фазных токов при

0 изменении их амплитудных значений обеспечивает равномерное деление шага при изменении нагрузки и скорости в широких пределах.

5Формулаиз обретения

Замкнутый шаговый электропривод с дроблением шага, содержащий шаговый двигатель с датчиком положения на валу, блок обработки сигналов датчика положения, соединенный аналоговым выходом с одним из входов регулятора, другой вход которого подключён к шине задания скорости, а выход со- еданен с аналоговым входами цифроана- 5 логовых умножающих преобразователей по числу фаз двигателя, подключенных выходами к входам усилителей мощности с фазами двигателя на выходах, а цифровыми входами - к выходам постоянных запоминающих устройств, под ключенных входами к выходам сумматора, одним входом соединенного с щи- ной задания угла коммутации, а другим - с цифровым вьгходом блока обработки сигналов датчика положения, отличающийся тем, что, с целью улучшения плавности движения и повышения КПД, в него введены функци- oHanbHbie преобразователи по числу фаз двигателя с характеристикой вход - выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, входы которых подключены к выходам соответствующих цифроаналоговых умножающих преобразователей, а выходы - к входам усилителей мощности.

0

0

0

Тираж 631

Подписное

Изобретение относится к области электротехники. Цепь изобретения - улучшение плавности движения и повышение КПД замкнутого шагового электропривода с дроблением шага. Электропривод содержит шаговый двигатель 1, на валу которого установлен датчик положения 2, подключенный к входу блока 3 обработки сигнадов датчика, регулятор 4, сумматор 5, запоминающие устройства 6,7, цифроаналоговые умножающие преобразователи 8, 9, функциональные преобразователи 10, 11 с характеристикой вход - выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, и усилители мощности, к которым подключены фазы 14, 15 двигателя. Введение функциональных преобразователей с характеристиili f ками вход - выход вида v X обеспечивает постоянство вращающего момента двигателя при повороте ротора и его линейную зависимость от ошибки систеьал по скорости. Изменение фор- мы фазных токов при изменении их амплитудных значений обеспечивает равномерное деление шага при изменении нагрузки и скорости в широких пределах . 1 нп. СЛ