Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1987 года по МПК H02P8/12 H02P8/36 

19, информационный и тактовый входы которого подключены к смежным выходам источника управления сигналов 1, а выход подключен к переключателю 20, соединенному входами с разнополярны- ми источниками опорных напряжений, Выход переключателя 20 через ключ 21 соединен с входом П схемы сравнения, другой вход 12 которой подключен к источнику управляющих сигналов I. Управляющий вход клноча 21 подключен через оптрон 22 к цепи 9 форсировки спада токов, в результате чего ключ

Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическими машинами и может быть использовано в автоматизированном электроприводе с шаговыми двигателями.

Цель изобретения - повьппение надежности .

На 4мг.1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - циклограмма работы устройства.

Источник 1 управляющих сигналов связан с усилителями 2 мощности, каждый из которых выполнен на двух ключевых элементах 3 и 4, причем первый Ключевой элемент 3 подключен к регулятору 5 тока, а второй - к соответствующему выходу источника 1. В качестве датчика тока к регулятору 5 подключен резистор 6. Напряжение U, снимаемое с резистора 6 и пропорциональное току обмотки управления двигателя, сравнивается с уставкой Ц

а

на входах регулятора 5. Обмотка управления, к.пючевой элемент 4, резис- тор 6 шунтированы диодом 7. Развязывающие диоды 8 с цепью 9 форсировки снижения тока, выполненной на стабилитроне 10, подключены к обмотке управления.

В состав устройства входит также схема сравнения с двумя входами 11 и I2, выполненная на операционном усилителе 13 с конденсатором 14 и диодным мостом 15 в обратной связи и поро говым элементом 16 на выходе,. Резисторы 17 и 18, подключены к источнику раэнополярных опорных напряжений iU

21 замыкается с частотой коммутации обмоток двигателя, причем время замыкания ключа 21 определяется током обмотки управления. Среднее значение тока, протекающего через ключ 21,пропорциональное произведению частоты коммутации и тока управления двигателя, сравнивается на входах 11 и 12 схемы сравнения с входным сигналом. При наличии недопустимой разности сравниваемых сигналов формируется сигнал неисправности. 2 ил.

0

5

0

Q

5

и диодам моста 15 в проводящем наг правлении, благодаря чему обеспечивается необходимая зона нечувствительности схемы сравнения.

Устройство содержит также D-триг- гер 19, переключатель 20, вспомога- ;тельный ключ 21 с оптроном 22 в цепи управления. Входы D и С триггера 19 подключены к смежным выходам -источника 1 .

Цепь управления вспомогательного ключа 21 через развязывающий оптрон 22 подключена к цепи 9 форсировки снижения токов.

Цепь управления переключателя 20 соединена с выходом D-триггера 19,. входы переключателя 20 подключены к источнику разнополярных опорных напряжений ±и, а выход переключателя 20 через ключ 21 соединен с первым входом 11 схемы сравнения. Второй вход 12 схемы сравнения соединен с источником 1 управляющих сигналов.

йсточйик 1 управляющих сигналов может быть реализован на базе однофазных преобразователей напряжение - частота и распределителей импульсов на логических схемах, обеспечивающих управление шаговыми двигателями с различным числом обмоток.

В частном случае в источнике 1 . управляющих сигналов может использоваться генератор фиксированной частоты, который в зависимости от полярности входного сигнала Ug подключается к одному или другому входу распределителя.

постоянной величиной (нестабильностью индуктивности L и опорного напряжения и стабилитрона пренебрегаем).

При постоянной длительности импульсов tg среднее значение тока, проте- кающего через резистор на первом входе П схемы сравнения, прямо пропорционально частоте коммутации ключа 21 (частоте коммутации обмоток управления двигателя по сигналам преобра- зователя напряжение - частота 1), т.е.

Ун , t о УИ

R

f.

15

где Т т - период коммутации;

и - амплитуда импульсов (Uf,. -и или Uf, и в зависимости от положения переключателя 20).

I20

Ток, протекающий через резистор на

втором входе 12 схемы сравнения, определяется выражением

Т - , 2 R 2

причем ток 1,2 противоположен по знаку току 1„ .

Благодаря наличию конденсатора 14 в обратной связи операционного усилителя 13 схема сравнения реагирует на среднее значение разности токов, протекающих на ее входах. Так как частота f прямо пропорционально входному напряжению Оц() то при

надле/кащем выборе сопротивлений резисторов R( , R, 14ОЖНО обеспечить компенсацию сигналов на входах схемы сравнения. Условие компенсации име- ет вид:

. 1

tj -о о Kj, К,2

Из-за нелинейности преоб11азователя напряжение - частота 1, изменений индуктивности обмоток управления по стабильности опорного напряжения V стабилитрона и других погрешностей точная компенсация токов на входах устройства сравнения во всем диапазоне изменения входного сигнала практически неосзтцествима. Для того, что бы исключить появление ложного сигнала на выходе усилителя 13 из-за разностного входного тока AI 1„ - 1,, , обусловленного перечисленными факторами, операционный усилитель 13 схемы сравнения охвачен нелиней- ной отрицательной обратной связью через диодный мост 15. При малых значениях разностного тока 1 диоды

5

5

0

5

О

5

0

45 0

моста 15 смещены в проводящем направлении за счет токов смещения I

и ,„

й (RC сопротивление резисторовСЛ

Rfy и R,g ) , в результате чего выходное напряжение U усилителя 13 сохраняется близким к нулю и пороговый элемент 16 находится в выключенном состоянии.

В переходных процессах при скачкообразном изменении знака входного сигнала информация об изменении очередности коммутации обмоток управления двигателя вырабатьшается D-триг- гером 19 с задержкой, поскольку переключение триггера тактовыми импульсами Ujj. в общем случае отстает от момента изменения входного сигнала. Поэтому во время переходного процесса ток 1„ совпадает по знаку с током . Однако благодаря наличию конденсатора 14 за время переходного процесса выходное напряжение U, операционного усилителя 13 не успевает достичь уровня срабатывания порогового элемента 16 и пороговый элемент остается в выключенном состоянии.

Таким образом, при наличии входного сигнала и исправной работе устройства напряжение Ug уравновещива- ется на входах схемы сравнения сигналом, формируемым на выходе цепи фор- сировки спада тока, и сигнал неисправности на выходе схемы сравнения

отсутствует. I

При возникновении отказов устройство работает следующим образом. Все разнообразие отказов устройства сводится к коммутации обмоток управления двигателя не в заданной очередности или не с заданной частотой, а также к неисправностям, проявляющимся в отклонении токов обмоток управления от заданных значений. Если очередность коммутации обмоток управления не соответствует знаку входного сигнала Ug (неправильное направление вращения двигателя), то D-триггер 19 устанавливает переключатель 20 в положение, при котором токи 1(1 и 1,1 на входах устройства сравнения имеют одинаковые знаки, т.е. взаимная компенсация токов становится невозможной. Поскольку суммарный ток I + Х, заведомо больше тока смещения I д, диодный мост 15 выключается, разрьшая отрицательную обратную связь, охватывающую усилитель 13. Последний пере

Цепь 9 форсироаки снижения токов может быть выполнена не только на стабилитронах. В качестве форсирующих элементов могут использоваться, например, балластньй резистор, после довательно соединенные резистор и коденсатор или дополнительный источник напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала Ug источник 1 управляющих сигналов находится в заторможенном состоянии, а потому вторые ключевые элементы 4 усилителей 2 мощности не коммутируются и двигатель неподвижен. Во включенных обмотках управления с помощью регуляторов 5 тока, коммутиругопщх первые ключевые элементы 3, по/адерживаются заданные значения токов, определяемые уставками UM. При этом в интервале размыкания ключа 3 ток обмотки, поддерживаемый за счет ЭДС самоиндук ции, протекает через замкнутый ключ 4, датчик 6 тока и диод 7. Цепь 9 форсировки все время обеспечена, а потому оптрон 22 и ключ 21 выключены. Следовательно, на обоих входах 11 и 12 схемы сравнения нет напряжения , выходной сигнал U, операционного yci-шителя 13 также равен нулю и пороговый элемент 16 находится в выключенном состоянии.

При наличии входного сигнала U

их

устройство работает следующим образом. Цусть при Upjj. О фазовый сдвиг между напряжения ш на смежных выходах преобразователя 1 имеет знак, обеспечивающий установку D-триггера 19 в единичное состояние, а при Ug ;0 - в нулевое. На фиг.2 в качестве примера приведены временные диа раммы изменения выходных напряжений Uj и Ujj на смежных, выходах четырех- фазного преобразователя напряжение- частота 1 , обеспечивающего парную коммутацию обмоток управления четы- рехфазного шагового двигателя. При Ugj, О обмотки управления переключаются в прямой последовательности 1,2-2,3-3,4-4-1-1,2 и напряжение Ujj отстает от Uj на угол |Г/2. Поэтому на передних фронтах импульсов Ujj, действующих на тактовом С-входе D- триггера 19, напряжение Uj , приложенное к информационному D-входу триггера 19,-имеет единичное значение и

0

15

5 -,г ,

0

35

0

5

0

триггер 19 устанавливается в единичное состояние (фиг.2).

При и - О напряжение и„ опережает и на угол и на передних фронтах импульсов Ujj напряжение Uj равно нулю, вследствие чего D-триггер 19 находится в нулевом состоянии.

В соответствии с выходным сигналом D-триггера 19 изменяется положение переключателя 20. Цри единичном сигнале и., переключатель 20 обеспечивает подключение опорного источника -UK ключу 21, при нулевом сигнале переключатель 20 переходит в другое положение и к ключу 2 подключается источник положительного опорного напряжения и. Таким образом, к ключу 21 прикладывается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению Ug,, „

Ключ 21 переключается с частотой коммутации обмоток управления, двигателя по сигналам преобразователя 1 . Действительно, при каждом размь ка- нии ключевых элементов 4 усилителей 2 мощности ЭДС самоиндукции, возникающая в отключаемых обмотках, замыкается через соответствующий разделительный диод 8 и цепь 9 форсировки, в результате чего происходит включение оптрока 22.

Во время действия ЭДС самоиндукции на стабилитроне 10 выделяются прямоугольные импульсы напряжения с амплитудой, равной опорному напряжению стабилитрона U, и через входную цепь оптрона 22 (светодиод) протекает практически постоянный по величине ток. Этот ток включает оптрон 22, что приводит к замыканию ключа 2 1 , причем время t нахождения ключа в замкнутом состоянии определяется значением тока I, который поддерживается в обмотке управления ре- гулятором 5 перед ее выключением.

Для случая быстрого снижения тока по линейногугу закону, когда IR ; U и ЭДС само1андукции уравновешивается падением напряжения на стабилитроне 10,, имеем t 1 Ь/ид,где L, I - индуктивность и номинальный ток обмотки. .

Поскольку ток I стабилизируется регулятором 5 независимо от колебаний напряжения питания, изменений темпе- ратзфы окружающей среды и других де- стабихшзирзтощих факторов {I const), .сщительность импульсов t является

.7

ХОДИТ в насыщение и на выходе усилителя возникает сигнал, вызывающий срабатывание порогового элемента 16, что свидетельствует о неисправности устройства управления.5

Выявление неисправности устройства управления в случае, когда частота коммутации обмоток f не соответствует по величине напряжению Ug , основано на том, что разность входных О токов &I 1„ - , превьщтает допустимое значение, равное току смещения При этом также выключается ди-

t- гг

одный мост 15, и на выходе схемы сравнения появляется сигнал неис- правности.

Такие неисправности, как коммутация обмоток з равления при отсутствии входного сигнала (несанкционированное перемещение исполнительного механизма) и отсутствие коммутации при наличии входного сигнала (отсутствие движения) являются частными случаями несоответствия частоты коммутации входному сигналу Ug . При этом ток протекает лишь на одном из входов схемы сравнения (при несанкциониро-п ванном перемещении течет ток 1, , а Ijj О, при отсутствии движения протекает ток 1,2 , I,, О).

129550Г8

ном заданному, а также постепенные отказы элементов, ведущие к несоответствию частоты вращения двигателя и токов в его обмотках управления заданным значениям. Важным достоинством изобретения является также высокое быстродействие контроля, поскольку время обнаружения неисправностей не превышает 20-50 мс.

Такое увеличение быстродействия контроля повьщ1ает надежность работы систем управления с шаговыми двигателями, поскольку быстрое выявление отказов устройств управления позволяет предотвратить аварийные ситуации, которые могут возникнуть из-за перемещения исполнительных механизмов за время выявления неисправности.

Лабораторная проверка, подтвердила работоспособность предлагаемого устройства. Эффективность контроля подтверждена испытаниями лабораторного макета устройства для управления четырехфазным шаговым двигателем, предназначенного для работы в следящей системе. В качестве источника зшравляющих сигналов в макете использовалось устройство, обеспечивающее коммутацию обмоток управления дви гателя с частотой, пропорциональной сигналу рассогласования (частота изменялась в пределах от О до 880 Гц). Выходные транзисторные усилители с

20

25

30

Неисправности, приводящие к отклонению токов обмоток управления от за- даннЗго значения, также вызывает увеличение разностного тока ul, так как они приводят к изменению длитель- -35 щиротно-импульсными регуляторами тока ности tp замыкания ключа 21. Б ре- и цепями форсировки спада токов на зультате даже при правильной очередности коммутации обмоток и соответствии частоты коммутации f входному

40

стабилитронах обеспечивали стабилизацию токов обмоток двигателя на уров не l,20iO,05. При испытании макета имитировались различные неисправности схемы, включая отказы типа обрыв и короткое замыкание в источнике заправляющих сигналов, выходных усилителях, регуляторах тока и источниках питания. Во всех случаях при имитации отказов возникал сигнал неисправности, причем время выявления отказов не превышало 20 мс.

сигналу среднее значение тока 1„ существенно отличается от I,- , что приводит к срабатыванию порогового элемента 16 на выходе схемы сравнения.

Таким образом, в предлагаемом устройстве простыми средствами обеспе- чивается полный и глубокий контроль исправности. Оно позволяет выявить отказы не только выходных усилителей с регуляторами тока и цепями форсировки спада токов, но и всей схемы управления щаговым двигателем в целом. При этом обнаруживаются неисправнрсти, приводящие к нёсанкциони- 55 коммутации обмоток управления шарованному перемещению и отсутствию перемещения исполнительного механизма, перемещению исполнительного механизма в направлении, противоположгового двигателя. Настройкой схемы сравнения обеспечивалось формирование сигнала неисправности при отклонении максимальной частоты коммута5

О

29550Г8

ном заданному, а также постепенные отказы элементов, ведущие к несоответствию частоты вращения двигателя и токов в его обмотках управления заданным значениям. Важным достоинством изобретения является также высокое быстродействие контроля, поскольку время обнаружения неисправностей не превышает 20-50 мс.

Такое увеличение быстродействия контроля повьщ1ает надежность работы систем управления с шаговыми двигателями, поскольку быстрое выявление отказов устройств управления позволяет предотвратить аварийные ситуации, которые могут возникнуть из-за перемещения исполнительных механизмов за время выявления неисправности.

Лабораторная проверка, подтвердила работоспособность предлагаемого устройства. Эффективность контроля подтверждена испытаниями лабораторного макета устройства для управления четырехфазным шаговым двигателем, предназначенного для работы в следящей системе. В качестве источника зшравляющих сигналов в макете использовалось устройство, обеспечивающее коммутацию обмоток управления двигателя с частотой, пропорциональной сигналу рассогласования (частота изменялась в пределах от О до 880 Гц). Выходные транзисторные усилители с

20

25

30

-35 щиротно-импульсными регуляторами тока и цепями форсировки спада токов на

-35 щиротно-импульсными регуляторами ток и цепями форсировки спада токов на

40

стабилитронах обеспечивали стабилизацию токов обмоток двигателя на уроне l,20iO,05. При испытании макета имитировались различные неисправности схемы, включая отказы типа обрыв и короткое замыкание в источнике заправляющих сигналов, выходных усилителях, регуляторах тока и источниках питания. Во всех случаях при имитации отказов возникал сигнал неисправности, причем время выявления отказов не превышало 20 мс.

Q Кроме того, имитировались оосте- пенные отказы элементов (изменение номиналов резисторов и конденсаторов в источнике управляющих сигналов), которые приводили к изменению часто коммутации обмоток управления шагового двигателя. Настройкой схемы сравнения обеспечивалось формирование сигнала неисправности при отклонении максимальной частоты коммута91

ции от заданного значения, достигавшем 10-15%.

Таким образом, лабораторные испытания макета предлагаемого устройства подтвердили, что входящая в него схема контроля позволяет выявлять указанные неисправности.

Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее источник управляющих сигналов, цепь форсировки снижения тока, источник разнополяр- ных опорных напряжений, схему сравнения, подключенный к ее выходу пороговый элемент и усилители мощности, ИЗ которых включает в себя регулятор тока, датчик тока и два кпюча, соединенных последовательно с фазой двигателя и датчиком тока,

29550110

равляющие входы ключей соединены с выходами регулятора тока и источника управляющих сигналов, а выходы усилителей мощности через диоды соеди- 5 нены с цепью форсировки снижения тока

, отличающееся тем.

что, с целью повьпления надежности, в устройство введены D-триггер, оптрон, переключатель и вспомогательный ключ,

О управляющий вход которого через оптрон связан с цепью формировки снижения тока, а сигнальные входы - с одним входом схемы сравнения и выходом переключателя, входы которого соединены с источником разнополярных опорных напряжений, управляющий вход- с выходом D-триггера, тактовый и информационный входы которого соединены со смежными выходами источника уп20 равляшщих сигна.пов, вход которого сое динен с другим входом схемы сравнения

15

Ф1/г.г

Составитель Б.Алфимов Редактор Н.Тупица Техред Л.Сер/яюкова Корректор М.Пожо

Заказ 625/60 Тираж 661Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

ка

, отличающееся тем.

что, с целью повьпления надежности, в устройство введены D-триггер, оптрон, переключатель и вспомогательный ключ,

управляющий вход которого через оптрон связан с цепью формировки снижения тока, а сигнальные входы - с одним входом схемы сравнения и выходом переключателя, входы которого соединены с источником разнополярных опорных напряжений, управляющий вход- с выходом D-триггера, тактовый и информационный входы которого соединены со смежными выходами источника управляшщих сигна.пов, вход которого соединен с другим входом схемы сравнения.

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

Изобретение относится к электротехнике, к системам автоматического управления с шаговыми двигателями. Целью является повьшение надежности устройства путем введения контроля частоты и порядка коммутации обмоток двигателя и токов управления. Порядок коммутации контролируется D-триггером (Л «Кв./