Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1990 года по МПК G05B19/40 

3154

мента И-НЕ, второй вход которого соединен с вторым входом второго элемента И-НЕ и с выходом элемента ИЛИ, четвертые входы первого и второго элементов И-НЕ соединены с инверсным выходом третьего порогового элемента, выход второго элемента И-НЕ соединен с входом второго элемента гальванической развязки, выход которого соединен 1 с управляющими входами третьего и четвертого ключа, вход которого соединен с входом второго ключа, выход ко

торого соединен с анодом второго диода.

1

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при симметричной коммутации шагового двигателя с любым числом фаз объединены выходы вторых ключей каждого канального усилителя и объединены между собой одноименные входы, кроме первых, всех элементов И-НЕ каждого канального усилителя.

Цель изобретения - расширение области применения и повышение надежности работы устройства для управления шаговым двигателем. Устройство содержит последовательно соединенные задатчик программы, реверсивный распределитель импульсов, первый элемент И, канальные усилители по числу фаз шагового двигателя, каждый канальный усилитель содержит первый и второй элементы И - НЕ, первый, второй, третий и четвертый ключи, первый и второй пороговый элементы, датчик тока, первый, второй, третий и четвертый диоды. В него дополнительно введены блок защиты, элемент защиты, а в каждый канальный усилитель введены первый и второй элементы гальванической развязки, третий пороговый элемент и элемент ИЛИ.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами и в исполнительных механизмах робототехнических устройств

Цель изобретения - расширение области применения и повышение надежности устройства для управления шаговым двигателем.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, первый вариант; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы; на фиг. 3 - функциональная схема устройства, второй вариант.

Устройство (фиг. 1) содержит задат чик программы 1, элемент И 2, реверсивный распределитель 3 импульсов, канальные усилители 4 по числу фаз шагового двигателя, синхронные клю- чаи 5 и 6, элементы 7 и 8 гальвани- . ческой развязки, элементы И-НЕ 9 и 10, элемент ИЛИ 11, пороговый элемент 12 с резистором 13 уставки, поро говый элемент 14 с резистором уставки 15, пороговый элемент 16 с резистором 17 уставки, диоды 18-20, датчик 21 тока, диод 22 развязки, обмотки 23 фаз шагового двигателя, блок 24 защиты, элемент защиты 25.

Питание элементов осуществляется от шины форсированного питающего напряжения иП( и от шины питания цепей управления Un.

Устройство по фиг. 3 проще, чем устройство по фиг. 1, диоды 18 и 20, датчик 21 тока, пороговые элементы 12, 14 и 16, резисторы 13, 15 и 17 уставки, а также элемент ИЛИ 11 являются общими для всех канапов устройства.

0

5

0

35

40

45

50

5

Элементы гальванической развязки 7 и 8 и пороговые элементы 12, 14 и 16 выполнены на оптронных ключах.

В качестве оптронных ключей в предлагаемом устройстве могут быть использованы микросхемы серии К249, например оптронный переключатель-инвертор У249ЛП1В, элементы И, ИЛИ, распределитель импульсов могут быть выполнены на элементах серии К561, например К561ЛЕ5, К561ЛА8, К56ИР11, блок 24 защиты выполнен на тиристор- ном ключе, элемент 25 защиты на плавком предохранителе.

Устройство работает следующим образом.

Бри подаче команды Старт с за- датчика 1 программы на элемент И 2 тактирующие импульсы поступают на реверсивный распределитель 3 импульсов. С выхода последнего импульсы, сдвинутые по времени, поступают на два канала канального усилителя 4, подключенных к двум обмоткам 23 фаз шагового двигателя. Распределителем 3 импульсов задается такое распределение импульсов, при котором обмотки 23 фаз, имеющие общую точку подключения, находятся под током поочередно. Соответственно поочередно работают синхронные ключи 5 и 6. Оба ключа синхронных ключей 5 и 6 включаются и отключаются одновременно в течение всего такта, заданного ре- версивйым распределителем 3 импульсов. В течение такта коммутации про-с исходит многократное подключение фазы к формировочному (повышенному) напряжению питания Un. Значение тока уставки 1уст, задается датчиком 21 тока, а элементом сравнения служит

пороговый элемент 12 на оптронном ключе, который служит также элементом гальванической развязки мощных высоковольтных цепей питания U шагового двигателя от элементов управле- («ия, подключенных к другому источнику питания U

Пг

Uht

VВ исходном состоянии пороговые элементы 12, 14 и 16 на оптронных ключах заперты, на их инверсных выходах присутствует уровень логической 1, который поступает на элементы И-НЕ 9 и 10. При подаче тактового импульса от распределителя 3 импульсов открывается соответствующий элемент И-НЕ 9 (10), и на выходе появляется уровень логической 1. В результате срабатывает пороговый элемент 7 (8) на оптронном ключе, служащий для развязки цепей управления от цепей питания фаз шагового двигателя (ШД, и включается синхронный

10

15

70

Оптронный ключ 16 подхватывает выключение синхронного ключа 5 (6) и элемента 7 (8) гальванической развязки и обеспечивает требуемый гистерезис тока в фазе, уменьшая коммутационные потери. Этот гистерезис легко регулировать, установив переменный резистор 17 уставки. Так как диод 19 (20) подключен не непосредственно к корпусу, а к датчику тока, датчик тока как при включении синхронных ключей, так и при их отключении постоянно контролирует ток в фазе, причем при отключении ключей ток через датчик меняет свое направление на противоположное. Таким образом,

ключ 5 (6), подключая одну из обмоток 5 обрабатывается каждый импульс, по- фаз 23 к источнику питания Un. Ток ступающий с распределителя 3 импульв фазе начинает расти, растет соответственно напряжение на датчике 21 тока, что приводит к срабатыванию порогового элемента 14 на оптронном ключе, а затем порогового элемента 12 на оптронном ключе. Разница в уровнях срабатывания ключей 14 и 12 обусловлена разницей сопротивлений 15 и 13 уставки (RVCT2 и Куст, ) При этом RVCT( RYCT Однако переключение оптронного ключа 14 не оказывает влияния на ход нарастания тока, так как отрицательный перепад с инверсного выхода порогового элемента 14 на оптронном ключе блокируется схемой ИЛИ 11, если нет команды Стоп. При срабатывании порогового элемента 12 на оптронном ключе отрицательным перепадом с его выхода закрывается элемент И-НЕ 9 (10), что приводит к запиранию синхронного ключа 5 (6) и разряду индуктивности фазы по цепи иП| , датчик 21 тока1, диод 19, обмотка 23 фазы, диод 18, Un с возвратом части накопленной

30

35

сов.

При поступлении команды Стоп на элемент ИЛИ 11 и элемент И 2 прекращается поступление импульсов на распределитель 3 импульсов и он переходит в режим хранения предыдущего состояния, что обеспеч гвает выдержку ШД под током в заданном положении и исключает ложные шаги при повторной подаче команды Старт. Б этом случае устройство переходит в режим пониженного потребления энергии за счет сни- 40 женил в несколько раз тока через фазу 23 1ИЦ. Этот режим реализуется следующим образом,- Уровнем логического О сигнала Стоп, поступившим на схему ИЛИ 11, разрешается влияние выходного сигнала с оитронного ключа 14 на схему И-НЕ 9 (10). Поскольку величина сопротивления 15 RvcTa - - R уст т° срабатывание порогового элемента 14 на оптронном ключе происходит при значительно меньшем напря жении ка датчике 21 тока, т.е. при меньшем токе через обмотку 23 фазы, причем это уменьшение тока пропорционально величине отношения КуСт( и определяется требуемым Фиксирующим моментом ШД при стоянке под током. Таким обратом, для правильной работы устройства должно быть выдержано условие

45

50

энергии в источник питания U,

этом отрицательный перепад напряжения на датчике 21 тока (ток через датчик 21 тока при разряде течет в обратном направлении благодаря схеме подключения диодов 19 и 20) приводит к срабатыванию порогового элемента 16 на оитронном ключе, подключен

5

0

ного к входной цепи в обратной полярности по отношению к оптронным ключам 12 и 14. Напряжение срабатывания порогового элемента 16 на оптронном ключе вырабатывается с помощью резистора 17 (Ryer3 .причем RVCT R vc-r, )

Оптронный ключ 16 подхватывает выключение синхронного ключа 5 (6) и элемента 7 (8) гальванической развязки и обеспечивает требуемый гистерезис тока в фазе, уменьшая коммутационные потери. Этот гистерезис легко регулировать, установив переменный резистор 17 уставки. Так как диод 19 (20) подключен не непосредственно к корпусу, а к датчику тока, датчик тока как при включении синхронных ключей, так и при их отключении постоянно контролирует ток в фазе, причем при отключении ключей ток через датчик меняет свое направление на противоположное. Таким образом,

к 5 обрабатывается каждый импульс, по- ступающий с распределителя 3 импульв

30

35

сов.

При поступлении команды Стоп на элемент ИЛИ 11 и элемент И 2 прекращается поступление импульсов на распределитель 3 импульсов и он переходит в режим хранения предыдущего состояния, что обеспеч гвает выдержку ШД под током в заданном положении и исключает ложные шаги при повторной подаче команды Старт. Б этом случае устройство переходит в режим пониженного потребления энергии за счет сни- 40 женил в несколько раз тока через фазу 23 1ИЦ. Этот режим реализуется следующим образом,- Уровнем логического О сигнала Стоп, поступившим на схему ИЛИ 11, разрешается влияние выходного сигнала с оитронного ключа 14 на схему И-НЕ 9 (10). Поскольку величина сопротивления 15 RvcTa - - R уст т° срабатывание порогового элемента 14 на оптронном ключе происходит при значительно меньшем напряжении ка датчике 21 тока, т.е. при меньшем токе через обмотку 23 фазы, причем это уменьшение тока пропорционально величине отношения КуСт( . и определяется требуемым Фиксирующим моментом ШД при стоянке под током. Таким обратом, для правильной работы устройства должно быть выдержано условие

45

50

55

RVCT, R YCTZ R VCT,

Поскольку с переходом на режим стоянки под током уменьшается время достижения тока уставки, то при RycT, - RvcTt автоматически уменьшается гистерезис сниженного тока в фазе, т.е. колебания тока становятся чаще, а величина тока меньше.

Для обеспечения надежности работы устройства, помехоустойчивости и зашиты его от высокого напряжения (Un .100 ... 150 В) применены опт- ронные .ключи, совместившие функции гальванических разделителей и поро- говых элементов. Кроме того, защита обеспечена введением блока 24 защиты, который срабатывает при любом превышении номинальных режимов питания фаз и защищает не только сами фазы, но и другие элементы при превышении тока через фазу и в случае электричес Кого пробоя.

Сохранение большой величины гисте- резиса, в режиме стоянки под током при парной коммутации, может приводит к дрожанию вала ШД, поскольку несовпадающие колебания тока в соседних фазах приобретут значительную величи

5

0

ну по отношению к среднему значению тока. Предлагаемое техническое решение автоматически снижает величину гистерезиса в режиме стоянки под током и практически исключает дрожание вала.

Синхронное включение - отключение двух ключей позволяет в два раза поднять напряжение питания фаз и, следовательно, ускорить форсировку процесса заряда индуктивности фаз (напряжение на транзисторных ключах ограничено -предельно допустимым напряжением UK3 (UCM) на одном ключе), а также производить рекуперацию энергии в источник не только по окончании такта коммутации, но и во все моменты переключения синхронного ключа. I

Устройство, выполненное по первому варианту (фиг. 1), может быть применено при любом типе коммутации (симметричные, несимметричные) и позволяет использовать шаговый двигатель с нерасщепленными фазами, устройство по второму варианту (фиг. 3) значительно проще, но применимо только при симметричной коммутации.

фиг.1

гш

l-utjfy

w fou/3

0951 «t

Л

фигЗ