Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1987 года по МПК H02P8/18 

Изобретение относится к электротехнике.

Цель изобретения - повышение плавности движения шагового электродвигателя в области низких и сверхнизких частот за счет уменьшения колебаний мгновенной скорости.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю; на фиг, 2 - то же, вариант.

Устройство (фиг. 1) содержит распределитель 1 импульсов, многоканальный усилитель 2 мощности, в каж- дай канал которого включены фаза 3 шагового двигателя, разрядный диод 4 конденсатор 5 и распределительный ключ 6, разрядную цепь 7, генератор 8 импульсов, частотный компаратор 9 и RS-триггер 10.

Устройство (фиг. 2) может также содержать в каждом канале усилителя 2 мощности двувходовые элементы И 11 и И-НЕ 12.

Тактовый вход fv и входы В и Н на- каналов усилителя 2 мощности в пряправления движения распределителя 1 импульсов подключены к соответству- ЮШ11М выходам внешнего управляющего устройства (не показано), в качестве которого может быть использована управляющая вычислительная машина или любое другое устройствоj задающее программу движения шагового двигателя.

Конденсатор 5 в каждом канале усилителя 2 мощности через распределительный ключ 6 подключен параллельно фазе 3 шагового двигателя, которая одной клеммой соединена через р.азрядный диод 4 с разрядной цепью 7, а второй - с одной из шин источника питания постоянного тока и, Б качестве разрядной цепи 7 могут быть использованы резистор, стабилитрон, дополнительный источник питания с транзистором или конденсатор , шунтированный резистором (конкретное выполнение разрядной цепи не является существенным), Генератор 8

импульсов подключен к одному из вхо- 50 ° двигателя от стабилизаторов тока

дов частотного компаратора 9, соединенного вторым входом с тактовым входом распределителя 1 импульсов. Выходы частотного компартора 9 соединены с входами R и S триггера 10, 55 невозбужденные) целесообразно

связанного выходом с управляюшими входами распределительных ключей 6 непосредственно (фиг. 1) или через элементы И 11 (фиг 2), Выходы распределителя 1 импульсов подключены к соответствующим входам усилителя 2 мощности.

Кроме Т ого, управляющие входы

распределительных ключей 6 могут быть связаны (фиг. 2) через элементы ИЛИ-НЕ 12 и И 11 с соответствую- входами распределителя 1 импульсов. Вторые входы элементов И 11

подключены к выходу RS-триггера 10, а вторые входы элементов ИЖ-НЕ 12 - к тактовому входу распределителя 1 импульсов.

В качестве частотного компаратора 9 может быть использован, например, вычитатель импульсов.

Устройство работает следующим образом.

По сигналам управления, поступающим от внешнего устройства на тактовый вход f, распределителя 1 импульсов, последний в зависимости от сигналов на шинах В и Н направления движения осуществляет переключение

мой или обратной очередности. Соответственно и фазы 3 шагового двигателя коммутируются в последовательности, заданной формирователем 1 нмпульсов. При отключении фазы 3 энергия электромагнитного поля, накопленная в лей, передается через разрядный диод 4 в разрядную цепь 7. Если усилитель 2 мощности работает в режиме стабилизатора тока в фазах 3 шагового двигателя, то демпфирующие свойства последнего резко снижаются, что ведет к затягиванию механических переходных процессов,

значительным колебаниям скорости и, следовательно, ухудшению плавности движения,, особенна в области низких и сверхнизких частот управления, В предлагаемом устройстве для повышения демпфирующих свойств двигателя и, соответственно, плавности движения каждая фаза 3 шунтируется через распределительный ключ 6 конденсатором 5, При питании фаз 3 щаговоконденсатор 5 практически не оказывает влияния на закон изменения фазового тока, поэтому все фазы 3 шагового двигателя (как возбужденные.

шунтировать конденсатором 5, Это обеспечивается подачей сигнала единичного уровня от триггера 10 на управляющие входы всех ключей 6,

Емкость конденсатора 5 необходимо выбирать из условия достижения резонанса напряжений в цепи, состоящей из емкости конденсатора 5 и индуктивности фазы 3, на частоте собственных колебаний привода, т.е. необходимо обеспечить равенство

--- uJL ЫС

или

U) LC 1,

где uJ- круговая частота ЭДС вращения, соответствующая частоте собственных колебаний механической системы привода; L - среднее значение индуктивности фазы 3;

С - емкость конденсатора 5, Все колебания мгновенной скорости (и угла) шагового двигателя происходят с частотой, близкой к частоте собственных колебаний механической системы привода, поэтому настройка электрической цепи, состоящей из фазы 3 двигателя и конденсатора 5 в резонансе именно для этой частоты, обеспечивает значительное уменьшение

)5

Поскольку емкость конденсатора 5 выбирается исходя из условия обеспечения резонанса на частоте собственных колебани механической системы привода, т.е. для сравнительно высокой частоты, то эта емкость мала и практически не влияет на работу усилителя 2 мотлщости в области низких частот. При повышении частоты управления f, двигателем колденса- тор 5 начинает оказывать более значительное вл гяние па работу усилителя 2 мощности. Вместе с тем на этих частотах колебаыия скорости сглам-г- ваются механической инерционностью 25 привода и сами по себе достаточно малы. Повышения демпфируюптих свойств двигателя на высоких частотах управ- 5 как правило, ке требуется и

, 20

ления

конденсаторы- 5 могут быть от7сгпсче;1ы.

,1 ° п°™ ™1 н ° -30 Япя этого в устройство введены частотный компаратор 9, Триггер 0 и

ка, создаваемого ЗДС вращения. Напри мер, для индукторных шаговых двигателей отношение постоянной составляющей индуктивности фазы L к переменной составляющей L, определяющей ЭДС вращения, лежит в пределах L/L / 8-10, а активное сопротивление фазы R в 5-10 раз меньше индуктивного сопротивления .

Поэтому эквивалентное сопротивле35

40

импульсный генератор 8 опорной часто ты fp, которая выбирается в зависимости от требуемого диапазона рабочих частот шагового двигателя и определяет границу между областью пиз- ких частот, где требуется повышение демпфируюш х свойств двигателя, и областью высоких частот, где желатель но уменьшение внутреннего демтфиро- вания,

ние фазы Z X +R , определяющее ток, создаваем лй ЭДС вращения, „.

Ii

uJLi ---, где 1 номинальный ток -И Z двигателя, обусловлено в основном

Х. ЛК, м

индуктивным .сопротивлением Z При этом ток от ЭДС вращения, харак- тepизyIoш й дeмпфиpyюшJte свойства шагового двигателя, равен

1е-1н- (0,1-0,12)1„,

Введение конденсатора 5, емкостное сопротивление которого Х l/u)C Хц, уменьшает эквивалентное

(о о

R

сопротивление Z ()W «

почти в 10 раз, поскольку R/X ,10,2. Пропорционально возрастает ток от ЭДС вращения

10

IaJ:idL i

R

н

10

)5

создающий демпфир упопий ь;омент, спо- собствую ций затуханию колебаний скорости и повышающий плавность движения ,

Поскольку емкость конденсатора 5 выбирается исходя из условия обеспечения резонанса на частоте собственных колебани механической системы привода, т.е. для сравнительно высокой частоты, то эта емкость мала и практически не влияет на работу усилителя 2 мотлщости в области низких частот. При повышении частоты управления f, двигателем колденса- тор 5 начинает оказывать более значительное вл гяние па работу усилителя 2 мощности. Вместе с тем на этих частотах колебаыия скорости сглам-г- ваются механической инерционностью 25 привода и сами по себе достаточно малы. Повышения демпфируюптих свойств двигателя на высоких частотах управ- 5 как правило, ке требуется и

20

ления

35

40

импульсный генератор 8 опорной частоты fp, которая выбирается в зависимости от требуемого диапазона рабочих частот шагового двигателя и определяет границу между областью пиз- ких частот, где требуется повышение демпфируюш х свойств двигателя, и областью высоких частот, где желатель но уменьшение внутреннего демтфиро- вания,

В области низких частот f и fp « на вход S триггера 10 с частотного

„

2 компаратора -j поступают импульсы разностной частоты f Q-f v , которые устанавливают триггер Ш в единично состояние, соответствующее сигналу единичного уровня на его выходе,

5Q Этот сигнал открывает распределителные ключи 6, обеспечивая шунтирование фаз 3 шагового двигателя конденсаторами 5, Для уменьшения переходного сопротивления ключей 6 их

55 желательно выполнять, например, на реле или герконаХ} хотя могут быть использованы и бесконтактные ключи. Однако для достижения положительного эффекта ключи 6 обязательно долж

ны обладать двусторонней проводимостью,

В области высоких частот fv| „

импульсы разностной частоты fy-fo поступают с другого выхода частотного компаратора 9 на вход триггера 10, устанавливая его в нулевое состояние, ключи 6 при этом размь кают- ся, и конденсаторы 5 отключаются, что повьшает КПД устройства,, поскольку не расходуется энергия на заряд конденсаторов,

Если усилитель 3 мощности работает в ключевом режиме, особенно при наличии импульсного форсирования, то шунтирование возбужденной фазы 3 шагового двигателя конденсатором 5 нежелательно из-за больших зарядных токов конденсатора, которые могут вывести усилитель мощности из строя, В этом случае целесообразно шунтировать конденсаторами 5 только отключенные в данном такте коммутации фазы 3, В схеме по фиг. 2 это обеспечивается введением элементов И 11 и ШШ-НЕ 12, которые размыкают ключи 6 возбужденных в данном такте коммутации фаз, Ключи 6 размыкаются и на. время крммутационных процессов переключе1-шя фаз 3, что обеспечивается подачей на вторые входы элементов ИЛИ-НЕ 12 импульсов управления f , , поступающих на тактовый вход распределителя 1 импульсов. Тем самым исключается влияние конденсаторов 5 на работу усилителя 2 мощности.

Работа элементов 8 - Ш, определяющих состояние распределительных ключей 65 в схеме по фиг, 2 происходит так же, как и в схеме по фиг„ 1.

Формула изобретения

I, Устройство.для управления шаговым двигателем, содержащее распре

0925 6

делитель импульсов с тактовым входом; многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого связан через фазу двигателя с источником питания

с постоянного тока, связанный управляющими входами с соответствующими выводами распределителя импульсов и распределительные ключи по числу фаз двигателя, отличающееся

fO тем, что5 с целью повышения плавности движения в области низких и сверхнизких частот за счет уменьшения колебаний мгновенной скорости, в каждый канал усилителя мощности

15 введен конденсаторj подключенный одной обкладкой к одной клемме фазы двигателя своего канала, а другой - через распределительный ключ -- к второй клемме этой же фазы, причем

20 распределительный ключ выполнен с двусторонней проводимостью.

2,Устройство по п. 1, отличающееся тем5 что, с целью расширения диапазона рабочих частот;

каждый канал усилителя мощности содержит двухвходовый элемент И и двух- входовый элемент ИЛИ-НЕ, подключенный первым входом к тактовому входу распределителя импульсов, вторым к

управляющему входу своего канала усилителя моищости, а выходом - к первом входу элемента И своего канала, соединенного выходом с уп- равляюи им входом распределительного

ключа этого же канала.

3,Устройство по п, 2 у отличающее ся тем, что, с целью повышения КГЩ, введены КЗ-триггер, частотный компаратор и генератор

импульсо в, подключенный выходом к первому входу частотного компаратора, соединенного вторым входом с тактовым входом распределителя импульсов, а выходами - с входами Ей S тригrepaj подключенного выходом к вторым входам элементов И всех каналов

В ffl Jj

Фиг 2

Изобретение относится к области электротехники. Цель изобретения - повышение плавности движения шагового электродвигателя в области низких и сверхнизких частот за счет уменьшения колебаний мгновенной скорости. Устройство содержит распределитель импульсов , коммутирующий канал усилителя мощности 2, к которому подключены фазы двигателя 3, шунтированные конденсаторами 5 через распределительные ключи 6. Конденсаторы 5 и ключи 6, обладающие двусторонней проводимостью, создают контуры, по которым замыкаются токи, вызываемые ЭДС вращения, и уменьшают эквивалентное сопротивление этих контуров. 2 3.п. ф-лы, 2 ил. (Л 6о О 0 Is3 сл

Составитель 3. Горник Редактор И. Николайчук Техред М.Ходанич Корректор- Л, Пилипенко

Заказ 1803/53Тираж 661Подписное

ВНИИПИ 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