Шаговый электропривод Советский патент 1988 года по МПК H02P8/14 

Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическими машинами и может быть использовано в электроприводе, сочетающем дискретную установку ротора в заданное положение с ускоренным вращением ротора, например в научно-исследовательской аппаратуре.

Цель изобретения - повышение момента и скорости в режиме ускоренного вращения.

На фиг. 1 показана функциональная схема электропривода; на фиг. 2- совмещенные временные диаграммы пространственного расположения векторов магнитного поля ротора и статора шагового двигателя для случая ротора с одной парой полюсов и сигналов элементов управления шаговым двигателем в режиме ускоренного вращения .

Шаговый электропривод сбдержит

10

15

20

ра 6 подключена к выходам распределителя А импульсов, а выходы - к управляющим входам четьфех ключевых усилителей 7.1-7.4 мощности, вькоды которых подключены к обмоткам шагового двигателя 8, а выход ключевого усилителя мощности 7.4 - к одному входу компаратора 9, к другому входу которого подключена шина питания и шагового двигателя 8

Прямой выход компаратора 9 подключен к входу направления счета (Е+1) реверсивного счетчика 13, инверсный выход - к входу направления счета (Е+1) реверсивного счетчика сдвоенного селектора-мультиплексора 14. К первому входу (0.0) первой группы и к четвертому входу (3.1) второй группы входов мультиплексора 14 подключен выход удвоенной частоты тактирования генератора 5 импульсов, к второму (1.0), четвертому (3.0), входам первой группы и к первому

входной коммутатор 1, блок 2 управле-25 (0.1), третьему (2.1) входам второй

группы входов мультиплексора 14 подключен выход частоты тактирования генератора 5, третий вход (2.0) первой группы и второй (1.1) вход второй группы входов подключены к общему проводу о Первый выход ( с,0) муль типлексора .14 подключен к счетному входу (с) счетчика 12, а второй выход ( .1) - к счетному входу (С) счетчика 13. Выходы заема (BR) счетчиков 12 и 13 подключены соответственно к входам установки в О (R) и в 1 (S) триггера 15, прямой выход которого подключен к первому входу второй группы, а инверсный выход - к второму входу второй группы входов коммутатора 6 и к второму адресному входу (ДСЕ2) сдвоенного селектора-мультиплексора 14. Третий и четвертый выводы второй группы входов коммутатора 6 подключены к об щему проводу. .

ния двигателем постоянного тока, цифровой блок 3 задержки, распределитель 4 импульсов, генератор 5 импульсов, четырехканальный коммутатор 6, четыре ключевых усилителя 7,1-7,4 мощности, шаговый двигатель 8, компаратор 9, двигатель 10 постоянного тока цифровой квадратурный фазовращатель 11, содержащий реверсивные счетчики 12 и 13, сдвоенный селектор-мультиплексор 14, триггер 15.

Управляющий вход входного коммутатора 1 подключен к шине режима вращения Р, первый вход - к выходу частоты приемистости генератора 5 импульсов, второй вход - к шине внешних управпяющих импульсов f ,,пр , а выход - к тактирующим входам распределителя 4 импульсов и цифрового блока 3 задержки, управляющий вход которого подключен к шине режима вра щения Р, а выход - к управляющему входу четьфехканального коммутатора 6. Управляющий вход распределителя 4 импульсов подключен к шине ревер

0

0

ра 6 подключена к выходам распределителя А импульсов, а выходы - к управляющим входам четьфех ключевых усилителей 7.1-7.4 мощности, вькоды которых подключены к обмоткам шагового двигателя 8, а выход ключевого усилителя мощности 7.4 - к одному входу компаратора 9, к другому входу которого подключена шина питания и шагового двигателя 8

Прямой выход компаратора 9 подключен к входу направления счета (Е+1) реверсивного счетчика 13, инверсный выход - к входу направления счета (Е+1) реверсивного счетчика сдвоенного селектора-мультиплексора 14. К первому входу (0.0) первой группы и к четвертому входу (3.1) второй группы входов мультиплексора 14 подключен выход удвоенной частоты тактирования генератора 5 импульсов, к второму (1.0), четвертому (3.0), входам первой группы и к первому

25 (0.1), третьему (2.1) входам второй

30

35

40

45

группы входов мультиплексора 14 подключен выход частоты тактирования генератора 5, третий вход (2.0) первой группы и второй (1.1) вход второй группы входов подключены к общему проводу о Первый выход ( с,0) мультиплексора .14 подключен к счетному входу (с) счетчика 12, а второй выход ( .1) - к счетному входу (С) счетчика 13. Выходы заема (BR) счетчиков 12 и 13 подключены соответственно к входам установки в О (R) и в 1 (S) триггера 15, прямой выход которого подключен к первому входу второй группы, а инверсный выход - к второму входу второй группы входов коммутатора 6 и к второму адресному входу (ДСЕ2) сдвоенного селектора-мультиплексора 14. Третий и четвертый выводы второй группы входов коммутатора 6 подключены к общему проводу. .

Вход направления счета счетчика 13 является прямым управляющим входом цифрового квадратурного фазо

Изобретение относится к электротехнике, к электроприводу, сочетающему дискретную установку ротора заданное положение с ускоренным вращением ротора. Цель состоит в повышении момента и скорости в режиме дискретного вращения. Для лостиже IW AV 1П1я пели в ycTpoiiCTBo введены цифро- иой блок задержки 3 и четырехканаль- iiiiiii коммутатор 6, выходы которого |1О,дкл:очены к управляющим входам че- i nipex ключевых усилителей мощности 7.1-7,4, первая группа входов - к выходам распределителя импульсов 4, а управляющий вход - к выходу цифрового блока задержки 3, управляющий вход которого соединен с шиной режима вращения Р, а тактирующий вход- С выходом входного коммутатора 1, цпфрово квадратурный фазовращатель 11 и компаратор 9, один вход которого соединен с выходом четвертого ключевого усилителя мощности 7.4, :;ругой вход - с тиной питания шагового двигателя. Схема обеспечивает подключение шагового двигателя, создавая дополнительный момент за счет того, что магнитное поле, создаваемое одной парой его обмоток, синхронизировано взаимодействует с магнитным полем ротора. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. i (Л DO Ю сд эо ел ой/г/

са (вперед-назад) ВН, к которой так- 50 вращателя 11, вход направления счеже подключен один вход блока 2 управления двигателя постоянного тока, другой вход которого подключен к шине режима вращения Р, а выходы к входам двигателя 10 постоянного тока, 55 енного селектора-мультиплексора 14

ось которого жестко связана с осью шагового двигателя 8. Первая группа входов четырехканального коммутатота счетчика 12 и первый адресный вход селектора 14 являются инверсным управляющим входом фазовращателя 11„ Входы 1.0, 3.0, 0.1 л 2.1 сдвоявляются первым тактирующим входом фазовращателя 11, а входы 0.0 и 3.1 мультиплексора 14 являются вторым

(удвоенной частоты) тактирующим входом фазовращателя. Прямой и инверсный выходы триггера 15 являются соответствующими выходами фазовращателя 1 1 .

Устройство для управления шаговы приводом может быть выполнено на базе интегральных микросхем преимущесвенно серии К 561,

Входной 1 и четырехканальный 6 коммутаторы могут быть выполнены на базе микросхемы К 561ЛС2. Генератор 5 импульсов выполнен на базе инверторов К561ЛН2 и делителя часто ты на основе счетчиков К56ШЕ10, соответствующие выводы которых используются для формирования удвоенной частоты тактирования, частоты тактирования и частоты приемистости Распределитель 4 импульсов реализуется на реверсивном счетчике с дешифратором, построенном на сдвоенных четырехканальных мультиплексорах К561КП1. Цифровой блок 3 задержки непосредственно реализуется на счетчиках К56ШЕ10, вход сброса является входом управления блоком, а выход одного из разрядов - выходом блока, для сохранения состояния выходного сигнала он используется и для блокировки счетных импульсов. Компаратор 9 может быть выполнен на микросхеме К554САЗ. Реверсивные счетчики 12 и 13 выполняются на микросхемах К561ИЕ11, триггер 15 - на микросхеме К561ТМ2, мультиплексор 14 - на микросхеме К561КП1,,

Ключевые усилители 7.1-7.4 мощности и блок 2 управления двигателем постоянного тока выполняются на составных транзисторах.

Электропривод работает следующим образомо

Исходное состояние устройства определяется режимом принудительной коммутации обмоток шагового двигателя 8, задаваемой внешними сигналами Режим задается сигналом на шине Р, поступающим от внешнего устройства (не показано), При зтом входной коммутатор 1 пропускает на тактирующий вход распределителя 4 импульсов импульсы тактирования от внешнего устройства по шине f . Выходные сигналы распределителя 4 через пед- вую группу входов четырехканального коммутатора 6 поступают на управляющие входы ключевых усилителей 7.1-

10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

В зависимости го устройства на распределитель 4

от сигнала внешне- щине реверса ВН устанавливает последовательность включения обмоток шагов ого двигателя 8, соответствующую заданному направлению вращения. Сигнал шины Р, соответствующий рассматриваемому режиму вращения, воздействуя на блок 2 управления, отключает питание двигателя 10 постоянного тока. Его обмотки закорачиваются, что повышает коэффициент демпфирования, улучшая динамические параметры привода.

Изменение режима вращения начинается установкой на шине Р сигнала, соответствующего форсированному вращению. По этому сигналу блок 2 управления производит включение двигателя 10 в соответствии с направлением, задаваемым на шине ВН. Одновременно коммутатор 1 подключает на тактирующий вход распределителя 4 импульсы с частотой приемистости, поступающие от генератора 5. Кроме того, сигнал шины Р подается на цифровой блок 8 задержки, но выходной сигнал этого блока остается таким же, как при принудительной коммутации, в течение определенного числа периодов тактирующих импульсов. Поэтому в течение времени задержки шаговый двигатель 8 продолжает работать в режиме принудительной коммутации, разгоняя привод до скорости, максимально допустимой для этого режима.

Сигнал на выходе 3 остается неизменным до тех пор, пока счетчик этого блока не насчитывает определенное (порядка 16-32) число тактирующих импульсов. Затем этот сигнал становится соответствующим формированному режиму и изменяет состояние коммутатора 6, На выход коммутатора 6 подключаются входы второй группы, изменяя структуру управления шаговым двигателем В

и новои структуре коммутируются две обмотки а и b двигателя 8 син- хронизированно с положением ротора двигателя, которое контролируется сигналами на отключенной обмотке d. Чтобы получить максимальный момент от взаимодействия магнитных полей обмоток а и b статора (Ф«.) и ротора (Фр), их взаимное положение в пространстве должно соответствовать, представленному на фиг. 2 (для случая вращения по часовой стрелке). Если обмотки а и b (они создают магнитные поля противоположных направлений) коммутировать так, чтобы направление магнитного поля изменялось в соответствии с представленным на фиг с 2, то момент двигателя 10 постоянного тока дополняется моментом, развиваемым на шаговом двигателе 8.

Для получения информации о положении ротора используется ЭДС вращения (Egp), наводимая на отключенной обмотке IV (она ортогональна обмоткам а-Ь) магнитным полем ротора (фиг. 2)о Напряжение на обмотке d компаратором 9 преобразуется в прямоугольные импульсы (Ug) - меандр, имеющий период, соответствую ций частоте вращения ротора. В соответствии с пространственным расположением обмотки d эти импульсы сдвинуты по фазе на 90° (электрический угол) по отношению к импульсам, которые следует подавать на обмотки а-Ь для достижения максимального дополнителного момента шагового двигателя 8. Поэтому прежде, чем сигналы компаратора 9 поступают через коммутатор 6 на усилители 7.1 и 7.2, они с помощью цифрового квадратурного фа- 11 сдвигаются на 90

зовращателя

ВЫ«1Ь

сдвигаются на (сигнал и„,,ц 15, фиг. 2).

Работа элементов фазовращателя иллюстрируется (фиг. 2) временными диаграммами сигналов (U - выход компаратора 9; и - выход .1 мультиплексора , и выход

13

счетчика 13 U о выход

заема

оО

BR

мультиплексора 14, Цг| выход заема BR счетчика 12 и U g-выход триггера 13 При низком уровне выходного сигнала

(и

устанавливается в режим сложения (E-t-1), а на первый адресный вход мультиплексора (1) подается 1. В этом случае сигнал на выход ( .0)

0) компаратора 9 счетчик 12

я

13725856

U,Q- мультиплексора 14 и далее на счетный вход-счетчика 12 проходит через входы 1.0 и 3.0, которые подключены к выходу частоты тактиро5

20

30

35

40

вания f генератора 5. В результате в течение полупериода U О на счетчике 12 накопится число, пропорциональное длительности полупериода. O В следующий полупериод Ug 1

на счетчике 12 устанавливается режим вычитания (Е-1), а адресный код на мультиплексоре 14 подключит на счетный вход счетчика 12 выход удвоенной частоты тактирования 2f, генератора 5. Содержимое счетчика 12 станет убывать. При достижении счетчиком 12 нуля на его выходе заема ВР (соответствует переносу при работе счетчика на вычитание) появится 1 (сигнал и ), которая по входу R установит триггер 15 в В резуль тате этого изменится адресный код на мультиплексоре 14 (), кото- 25 рый присоединит счетный вход счетчика 12 к общему проводу, т.е„ прекратит подачу импульсов на счетчик, сохраняя при этом на адресном коде его нулевое состояние

Так как частота импульсов при вычитании в два раза больше, частоты импульсов при сложении, то импульс на выходе BR появляется в середине полупериода, т.е. будет сдвинут на четверть периода (90°)„ В следующем полупериоде U О на счетчике 12 снова накапливается число, пропорциональное полупериоду оборота ротора, весь описанный цикл повторяется. Таким образом, каждый период в течение одного полупериода производится измерение его длительности, а в другой полупериод формируется импульс, сдвинутый на четверть периода (половину предьщущего полупериода). Благодаря тому, что каждый период производится измерение длительности полупериода, достигается оперативная подстройка фазового сдвига под изменение частоты, т.е. скорости вращения привода.

Работа счетчика 13 происходит аналогично. На нем производится измерение полупериода при Ug 1, а сдвинутый на 90 ° импульс формируется 55 в середине полупериода Ug 0. Установочные входы R и S триггера 15 управляются импульсами заема BR соответственно счетчиков 12 и 13, в ре45

50

зультате чего на нем формируется меандр, сдвинутый на 90 по отношению к меандру компаратора 9 Сигналы с выходов триггера 15 в режиме ускоренного вращения подаются для управления усилителями 7,1 и 7о2 обмоток а и b шагового двигателя 8,,

В известном электроприводе ускоренное перемещение обеспечивается включением двигателя постоянного тока при отключении шагового двигатля. В этом случае шаговый двигатель нагружая двигатель постоянного тока, снижает допустимые момент нагрузки и скоростЬо В предлагаемом электроприводе шаговый двигатель не отключается, а, напротив, в режиме ускоренного вращения подключается, создавая значительный дополнительный момент на оси привода за счет того, что магнитное поле, созда ваемое одной парой его обмоток, синхронизировано взаимодействует с магнитным полем ротора. Причем синхронизация достигается не введением специального датчика положения ротора, а за счет использования другой пары обмоток шагового двигателя

В предлагаемом электроприводе достигаются повьш ение момента привода в 2-3 раза по сравнению с известным,превышение паспортной ско- рости вращения двигателя постоянного тока в 3-А раза, а частоты приемистости в 20-70 раз.

Формула изобретения

5

0

5

0

5

0

5

0

5

точником питания, отличающийся тем, что, с целью повышения момент: и скорости в режиме ускоренного вращения, в него введены компаратор ,1 цифровой квадратурный фазовращатель, цифровой блок задержки и четырехканальный коммутатор, выходы которого подключены к управляющим входам ключевых усилителей мощности, первая группа входов - к выходам распределителя импульсов, управляющий вход - к выходу цифрового блока задержки, управляющий вход Которого соединен с шиной режима вращения, тактирующий вход - с выходом входного коммутатора, компаратор, один вход которого соединен с выходом четвертого ключевого усилителя мощности, другой вход - с шиной питания шагового двигателя, два взаимно инверсных выхода соединены с управляющими входами цифрового квадратурного фазовращателя, тактирующие входы которого соединены с выходом частоты тактирования и выходом удвоенной частоты тактирования генераторов импульсов, а два взаимно инверсных выхода цифрового квадратурного фазовращателя соединены с первым и вторым входами второй группы входов четырехканального коммутатора, третий и четвертый входы этой группы соединены с общим проводом.

1

первый выход которого соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика, второй и четвертый входы первой группы входов и первой и третий входы второй группы входов сдвоенного селектора-мультиплексора соединены и являются первым тактирующим входом цифрового квадратурного фаз вращателя, первый вход первой группы входов и четвертый вход второй груп

10

5 пы

входов сдвоенного селектора-мультиплексора соединены друг с другом и являются вторым тактнруюш1м входом цифрового квадратурного фазовращателя, третий вход первой группы входов и второй вход второй группы входов сдвоенного селектора-мультиплексора соединены с общим проводом, а второй адресный вход соединен с . инверсным выходом триггера.

ut.Z