Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1988 года по МПК H02P8/12 H02P8/16 

(21)4050531/24-07

(22)07.04.86

(46) 15.06.88. Бгол. № 22 (72) A.M. Верба, Ю.К. Цыганков, А.И. Бондаренко и А.В. Чекед (53) 621.313.525(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1327768, кп. Н 02 Р 8/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР . № 1023614, кл. Н 02 Р 8/00, 1983.

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

(57)Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах числового программного управления станками и промышленными роботами с шаговыми электродвигателями. Цель состоит в сокращении потребления энергии и повышении плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки. Каждый канал 7 ус шителя мощности устройства содержит элемент 2И 8, первым входом соединенный с управляющим входом узла 9 формирования разрядного тока и с S-входом RS- триггера 10, а также с одним из вьпсо- дов распределителя 1 импульсов. Датчик тока 13 соединяет обмотку 14 шагового двигателя с одним выводом источника питания 2,второй ее вывод обмотки 14 соединен с узлом 9 формирования разрядного тока и через ключевой элемент 12 - с другим выводом источника питания 2. Сигнал уровня тока

с

(Л

Фаг.1

о со со ю со

стоянки, соответствующий данному режиму и поступающий в виде кода через первый регистр 5, первый преобразователь код-аналог 3 и первьй вход сумматора 15 на второй вход сумматора 11, устанавливает на его выходе и вторых входах сумматора .15 и элемента ИЛИ 21 единичный потенциал. При изменении нагрузки на роторе шагового двигателя автоматически изменяется ток .форсиров

1

Изобретение относится к управлени электрическими машинами и может быть использовано в дискретном электроприводе с форсировкой тока, работающем при переменной нагрузке.

Цель изобретения - сокращение поI

требления энергии и повышение плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки.

Па фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы; на фиг. 3 - схема функционального преобразователя; на фиг.4 - график изменения напряжения на выходе функционального преобразователя; на фиг. 5 - схема узла формирования разрядного тока..

Устройство для управления шаговым двигателем содержит распределитель I импульсов, источник 2 питания, первы преобразователь 3 код-аналог, второй преобразователь 4 код-аналог, первый регистр 5; второй регистр 6 .и многоканальный усилитель мощности, каждый канал 7 которого включает в себя элемент 2И 8, первым входом соединенный с управляющим входом узла 9 формирования разрядного тока и с S-входом и RS триггера 0, а также с одним из выходов распределителя 1 импульсов , компаратор 11, ключевой элемент 2, управляющий вход которого подключен к выходу элемента 2И 8, датчик тока 13, соединяющий обмгтку 14 шагового двигателя с одним вьшодом источника : 2 питания, второ вьгоод обмотки 4 соединен с узлск 9 формирования разрядного тока и терез ключе

ки, так как его отключение происходит в момент, когда ротор достигает определенного положения, определяемого сравнением напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с выхода второго преобразователя 4 код-аналог. При этом, шаговый двигатель потребляет энергию в соответствии с нагрузкой на роторе. 5 ил.

вой элемент 12 - с другим выводом источника 2 питания. Датчик 13 тока соединен с первым входом компаратора 11, к второму входу которого подключен выход сумматора 15, первый вход которого через первый преобразователь

3код-аналог подключен к выходам первого регистра 5, второй вход - к выходу компаратора 1I, функциональный преобразователь 16, состоящий из по - следовательно соединенных дифференцирующего звена 17 и операционного усилителя 18, дополнительный компаратор 9, дополнительный элемент 2И 20 и элемент ИЛИ 21, при этом вход функционального преобразователя 16 подключен к первому выводу обмотки 14,

а выход - к первому входу дополнительного компаратора 19, второй вход которого через второй преобразователь

4код-аналог соединен с выходами вто- рого регистра 6, R-вход триггера 10

подключен к выходу дополнительного элемента 2И 20, первый вход которого соединен с выходом дополнительного компаратора 19, а второй вход - с выходом Триггера 10, подключенным к первому входу элемента ИЛИ 21, второй

35

30 I

вход которого соединен с выходом компаратора, 11, а выход - с вторым входом элемента 2И 8, Узел 9 формирования разрядного тока содержит диод 22, катодом подключенный к общей точке обмотки 14 и ключевого элемента 12, и паралельно соединенные резистор 23 и ключевой элемент 24, управляющий вход которого соединен с выходом распределителя .1 импульсов.

Н. фиг. 4 приняты следующие обо- значения: Ml, М2, МЗ - нагрузка на

роторе шагового двигателя, где Ml М2 -МЗ.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии (фиг. 2) с выхода распределителя 1 поступает сигнал логического нуля, который устанавливает на выходе триггера 10, первом входе элемента ИЛИ 21 и втором входе дополнительного элемента 2И 20 единичный потенциал, а узел 4 формирования разрядного тока - в состояние большого сопротивления и запирает элемент 2И 8, что обеспечивает отклю- чение обмотки 14 от источника 2 питания запертым ключевым элементом 12, поэтому на первом входе компаратора 11, входе и выходе функционального преобразователя 16 напряжение равно нулю. Сигнал уровня тока стоянки, соответствующий данному режиму и поступающий в виде кодов от ЭВМ или другого программного устройства через первый регистр 5, первый преобразователь 3 код-аналог и первый вход сумматора 15 на второй вход компаратора 11, устанавливает на его выходе и вторых входах сумматора 15 и элемента ИЛИ 21 единичный потенциал. Сигнал уровня тока форсировки, также соответствующий данному режиму и поступающий в виде кодов от ЭВМ или другого программного устройства через второй регистр 6 и второй преобразователь 4 код-аналог на второй вход дополнительного компаратора 19, устанавливает на его выходе единичный потенциал, который проходит через дополнительный элемент 2И 20, работающий в режиме повторения сигналов на его первом входе, так как на его втором входе присутствует единичный потенциал, поступающий с выхода триггера 10. При этом на выходе сумматора 15 будет напряжение

и

(5 /«акс

К,5(и,з- и„ ),

где и 5 - напряжение на выходе первого преобразователя 3 код- анало г;

и,, - напряжение на выходе компаратора 11;

К,5 - коэффициент усиления сумматора 15.

Б то время, когда на выходе компаратора 11 единичный потенциал - на выходе сумматора 15 будет напряжение

J45 макс когда нулевой потенциал

15 мин

При поступлении с распределителя 1 импульсов сигнала логической единицы триггер 10 начинает работать в режиме деления частоты, при котором изменение состояния триггера 10 происходит по переднему фронту импульса на его входе, узел 9 формирования разрядного тока включением ключевого элемента 24 устанавливается в состояние малого сопротивления, а на выходе элемента 2И 8 появляется единичный потенциал, открывающий ключевой элемент 12, через который источник 2 питания подключается к обмотке 14 и по ней протекает ток, создшощий на датчике 13 тока падение напряжения и, , поступающее на вход функционального преобразователя 16 и первый вход компаратора 11

И UZ-RO

R,,. -ьКн

-t(R.,+ R,4

1-е

- напряжение источника 2

питания J

- активное сопротивление- датчика 13 тока и обмотки 14 соответственно; - индуктивность обмотки 14.

Напряжение на выходе функционального преобразователя 16, состоящего из последовательно соединенных-диффе-. ренцирующего звена 17 и операционного силителя 18, определяется формулой

II (f}- (ft R ,

16 R -I-R f- -7- R,3 +«14 14 - П

t-H

-е

t

)

/

д 15 20 25 зо

45

55

где K,g - коэффициент усиления операционного усилителя 18; С, - постоянная времени дифференцирующего звена 17; иС,-, - активное сопротивление

и емкость дифференцирующего звена 17 соответственно .

Данная формула справедлива только для случая, когда ротор шагового двигателя будет неподвижен, т.е. индуктивность L обмотки 14 будет постоянной .

Постоянная времени Г R, С,7 дифференцирующего звена 17 выбирается в зависимости от значения постоянной времени С, (R,--Ri4 ) обмотки

изменяется максимально145 таким образом, чтобы напряжение и (g на выходе функдионально1 о преобрзователя 16 (фиг. 4) к моменту t,, соответствующему началу перемещения ротора шагового двигателя при минимальной нагрузке М, на нем, достигло :Уровня, превьшающего напряжения Uu на выходе второго преобразователя 4 код-аналог, а затем изменяются в не- больших пределах до момента t, соответствующего началу перемещения ро iTopa шагового двигателя при максимальной нагрузке М на нем. Во время перемещения ротора шагового двигате- ря на одно полюсное деление и индук- ивность обмотки 14 IDT минимального LfJ до

Г° -и вследствие чего 1зменяется ток в обмотке 14, а следо :зательно,.и напряжение , на выходе функционального преобразователя 16, : еличина которого при этом будет со- |Ьтветствовать положению ротора отно- ителъио оси обмо.тки 14.

: Когда падение напряжения (фиг. 2) достигнет величины макси Мяльного напряжения на выходе сумма- t.opa 15, па выходе компаратора 11 йоявится нулевой потенциал, в резуль фате чего на выходе сумматора 15 ус- fanoBHTCH напряжение . Од- 1|:ако Ключевой элемент 12 будет оста- аться открытым, так как триггер 10 охраняет свое прежнее состояние, при Котором на его выходе единичный по- , Тенциал.

Во время наростания напряжения Ujj на шунте 13 происходит увеличение наПряжения U,g на выходе функционально- го преобразователя 16, при достижении им уровня напряжения U. на, выходе вто рого преобразователя 4 код-аналог Kia выходе дополнительного ьсомпарато- ра 19 установится нулевой потенциал, сохраняющийся до тех пор, пока при перемещении ротора шагового двигате

ля напряжение U, на выходе функционального преобразователя 16 не уменьшится до величины напряжения U, на выходе дополнительного компаратора 19 появится сигнал логической единицы, передний фронт которого переводит

50 мого путем сравнения напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с выхода второго преобразователя 4 код-аналог. При этом шаговый двигатриггер 10 в состояние, когда на его выходе будет нулевой потенциал, посту gg тель потребляет энергию в соответст- пающий на второй вход дополнительного вии с нагрузкой на era роторе, что элемента 2И 20, не пропуская импуль- уменьшает потребление энергии и повы- сы с выхода компаратора 19 на R-вход шает плавность движения шагового дви- триггера 10, и через элемент ИЛИ 21 гателя.

и элемент 2И 8 закрывающий ключевой элемент 12. Ток в обмотке 14 затухает с постоянной времени сГ , так как сопротивление узла 9 формирования ра рядного тока мало и им можно пренебречь. Напряжение на датчике тока 13 уменьшается до уровня напряжения Uic .,„.. на втором входе компаратора

WHH

1 1 в результате чего на его выходе появляется единичный потенциал, который через элемент РШИ 2 и элемент 2И 8 открывает ключевой элемент 12, после чего ток в обмотке 14 начинает увеличиваться. Увеличение тока в обмотке 14 будет происходить до тех пор, пока напряжение Uj: на шунте 13 не достигнет величины напряжения и,5 макс выходе сумматора 15, при этом на выходе компаратора i установится нулевой потенциал, который через элемент ИЛИ 21 закрьшает ключевой элемент 12. Так продолжается до появления на выходе распределителя 1 импульсов сигнала логического пуля. После этого на выходе элемента И 8 устанавливается нулевой потенциала закрывающий ключевой элем ент 12 и отключающий обмотку 14 от источника 2 питания, узел 9 формирования разрядного тока переключается в состояние большого сопротивления 5 что обеспечивает быстрое затухание тока в обмотке 14, а на выходе триггера 10 появляется единичный потенциал.

При следующем появлении сигнала логической единицы на выходе распределителя 1 импульсов цикл работы по40 вторяется.

Если происходит увеличение или уменьшение нагрузки на роторе щагово- го двигателя, то автоматически уве45 личивается или уменьшается величина тока форсировки, так как его отключение происходит в момент, когда ротор достигает определенного положения относительно оси обмотки 14, определяе50 мого путем сравнения напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с выхода второго преобразователя 4 код-аналог. При этом шаговый двигаgg тель потребляет энергию в соответст- вии с нагрузкой на era роторе, что уменьшает потребление энергии и повы- шает плавность движения шагового дви- гателя.

Формул

н

7 зоб

р е т е н и я

элемента 2И, отличающееся тем, что, с целью сокращения потребления энергии и повышения плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки, в каждый канал усилителя мощности введены функциональный преобразователь, состоящий из последовательУстройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, источник питания, два регистра, два преобразователя код-аналог и многоканальный усилитель мощности каждый канал которого включает зивакг.., ..,- --в себя элемент 2И, узел формирования ю но соединенных дифференцирующего зве- разрядного тока, RS-триггер, соединен- на и операционного усилителя, Допол ный S-входом с управляющим входом узла формирования разрядного тока, пер- вым входом элемента 2И и одним из выходов распределителя импульсов, компаратор, соединенные последовательно с источником питания и обмоткой двигателя ключевой элемент, датчик тока, подключенный к первому вхо20

ду компаратора, н сумматор, первый вход которого через первый преобразователь код-аналог подключен к выходам первого регистра, второй вход - к

выходу компаратора, а выход - к второ- „. пс

му входу компаратора, управляющий вход 25 го соединен с выходом RS-триггера, ключевого элемента соединен с выходом а выход - с R-входом RS-триггера. Vt

нительные компаратор и элемент 2И и элемент ИЛИ, первым.входом соединенный с выходом RS-триггера, вторым 15 входом - с вьгходом компаратора, выходом - с вторым входом элемента 2И, вход функционального преобразователя подсоединен к датчику тока, выход - к первому входу дополнительного компаратора, второй вход которого через второй преобразователь код-аналог подключен к выходу второго регистра, выход - к первому входу дополнительного элемента 2И, второй вход которо

8

элемента 2И, отличающееся тем, что, с целью сокращения потребления энергии и повышения плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки, в каждый канал усилителя мощности введены функциональный преобразователь, состоящий из последовательзивакг.., ..,- --ю но соединенных дифференцирующего зве- на и операционного усилителя, Допол но соединенных дифференцирующего зве- на и операционного усилителя, Допол

„. пс

го соединен с выходом RS-триггера, а выход - с R-входом RS-триггера.

нительные компаратор и элемент 2И и элемент ИЛИ, первым.входом соединенный с выходом RS-триггера, вторым входом - с вьгходом компаратора, выходом - с вторым входом элемента 2И, вход функционального преобразователя подсоединен к датчику тока, выход - к первому входу дополнительного компаратора, второй вход которого через второй преобразователь код-аналог подключен к выходу второго регистра, выход - к первому входу дополнительного элемента 2И, второй вход которо(Раг.:5

Tw 2-fO 3 Л7-3 5 Л7 .l(.

.

ipuf.S