Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1990 года по МПК H02P8/12 

Изобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано в дискретном электроприводе.5

Цель изобретения - повьпиение КПД и помехозапщщенности.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы работы устройства. Q

Устройство (фиг. 1) содержит распределитель 1 импульсов, имеюш й входы В (условное направление движения Вперед) и Н (условное направление движения Назад), на которые от про- }5 граммного устройства (не показано) поступают поочередно импульсы управ- .- ления. Выходы распределителя импульсов подключены к входам многоканальсостоит из п стабилизаторов 24 тока, содержащих последовательно соединенные последовательный резонансный LC- контур 25, выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора 26, вторичная обмотка которого соединена с последовательно соединенным выпрямителем 27 и фильтром 28, а средняя точка последовательно соединенных конденсаторов 29 и 30 соединена через индуктивность 31 со средней точкой последовательно соединенных диодов 32 и 33, причем анод диода 33 и катод диода 32 соединены с отрица- тельной и положительной шинами силового выпрямителя и фильтра 34 транзисторного инвертора 35, управляющие входы которого соединены с в ьгходом

ного усилителя мощности, каждый канал 20 моДУ ятора 36, причем выход транзисторного инвертора 35 соединен со входами п последовательных резонансных контуров 25 и первичной обмоткой трансформатора 37 канала источника 38 напрялсения высокого уровня, вторичная обмотка которого соединена с последовательно соединенными выпрямителем 39 и фильтром 40.

30

которого включает в себя первый ключевой элемент 2, второй ключевой элемент 3 соединенные с фазой 4 двигателя, разделит ел ь.ные диоды 5 и 6. Каждый канал усилителя мощности снаб- 25 жен формирователем длительности импульса форсирования, включающим в себя интегратор 7 с резисторами 3 и 9 на входе, выход которого соединен с компаратором 10, выход которого соединен с R-входом триггера 11, выход которого соединен с первым входом элемента И 12, второй вход которого соединен с шиной 13 выбора диапазона рабочих частот, а выход элемента И 12 соединен с управляющим входом управляемого ключа 14 и входом ключевого элемента 3, причем управляемый ключ 14 включен между ииной питания высокого уровня и резистором 8, второй конец резистора 9 через управляемый ключ 15 соединен с регулятором 16 опорного напряжения, причем синхро- вход С триггера 11 соединен с вхо35

40

торного инвертора 35 соединен со входами п последовательных резонансных контуров 25 и первичной обмоткой трансформатора 37 канала источника 38 напрялсения высокого уровня, вторичная обмотка которого соединена с последовательно соединенными выпрямителем 39 и фильтром 40.

Устройство работает следующим образом.

Распределит1вль 1 импульсов вьфа- батывает на каждом из своих вькодов систему сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов напряжения. Этот сигнал поступает на вход ключа 2, синхро- вход С триггера 11 и вход элемента И-НЕ 17. При этом происходит замыкание ключевых элементов 2 и 3, что приводит к подаче на фазу 4 напряжения высокого уровня от источника 38 напряжения, вызывающего форсированное нарастание тока i. При этом также происходит замыкание управляемого ключа 14 и происходит разряд конденсатодом ключевого элемента 2, входом эле- 45 Р 22 интегратора 7, который бьш предмента И-НЕ 17, выход которого соединен с входом одновибратора 18 и первым входом элемента И 19, выход которого соединен с управляюпщм входом управляемого ключа 15, причем выход одновибратора 18 соединен с входом элемента И-ПЕ 20 и с управляющим входом управляемого ключа 21, подключенного параллельно конденсатору 22 интегратора 7, выход элемента И-НЕ 20 соединен с вторым входом элемента И 19.

Источник 23 питания, обеспечиваю-- 1ЦИЙ пгтание ключевых элементов 3 и 2,i

состоит из п стабилизаторов 24 тока, содержащих последовательно соединенные последовательный резонансный LC- контур 25, выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора 26, вторичная обмотка которого соединена с последовательно соединенным выпрямителем 27 и фильтром 28, а средняя точка последовательно соединенных конденсаторов 29 и 30 соединена через индуктивность 31 со средней точкой последовательно соединенных диодов 32 и 33, причем анод диода 33 и катод диода 32 соединены с отрица- тельной и положительной шинами силового выпрямителя и фильтра 34 транзисторного инвертора 35, управляющие входы которого соединены с в ьгходом

моДУ ятора 36, причем выход транзис

торного инвертора 35 соединен со входами п последовательных резонансных контуров 25 и первичной обмоткой трансформатора 37 канала источника 38 напрялсения высокого уровня, вторичная обмотка которого соединена с последовательно соединенными выпрямителем 39 и фильтром 40.

Устройство работает следующим образом.

Распределит1вль 1 импульсов вьфа- батывает на каждом из своих вькодов систему сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов напряжения. Этот сигнал поступает на вход ключа 2, синхро- вход С триггера 11 и вход элемента И-НЕ 17. При этом происходит замыкание ключевых элементов 2 и 3, что приводит к подаче на фазу 4 напряжения высокого уровня от источника 38 напряжения, вызывающего форсированное нарастание тока i. При этом также происходит замыкание управляемого ключа 14 и происходит разряд конденсатоварительно заряжен от источника опорного напряжения через регулятор 16, управляемой ключ 15 и резистор 9. Заряд конденсатора 22 происходит в момент времени Ц , когда включается управляемый ключ 15 сигналом с выхода элемента И 19. На вход элемента И 19 поЬтупает с выхода элемента И-НЕ 17 и проинвертированный элементом И-НЕ 20 сигнал с выхода одновибратора 18, В момент времени tj после прихода импульса на вход С триггер 11 включается, импульс с его выхода поступает на вход элемента И 12, ас

to

его выхода на вход ключевого элемен- .та 3 и управляемого ключа 14. При этом происходит разряд конденсатора 22 (илтервал ) током, ограниченным резистором 8. При окончании раз- ряда конденсатора 22 срабатывает компаратор 10 и выключает триггер по входу R. При изменении напряжения высокого уровня изменяется ток разряда конденсатора 22 и он будет разряжаться либо быстрее, либо медленнее, тем самым регулируя длительность открытого состояния ключевого элемента 3. . Наличие интегратора позволяет осуществить сравнение площадей входного опорного сигнала и выходного (напряжения высокого уровня Tig) на тактовом промежутке, т.е. за время полного такта t,-t двух полупериодов. При этом сравнивается площадь S импульса, обеспечивающего заряд конденсатора 22 интегратора 7 и площадь импуль- са с выхода управляемого ключа 14 (фиг. 2з), т.е. S,KSj, где К - постоянный коэйх| ициент, равный соотношению резисторов 8 и 9. В этом случае изменение напряжения высокого уровня UB будет приводить к изменению длительности импульса „. Чем меньше амплитуда импульса, тем больше длительность импудьса- и наоборот. При этом площадь S импульса и максимальный ток D фазе при фиксированной частоте

те вращения двигателя будет иметь место большое потребление тока фазо Такой режим часто встречается в тех лЬгических операциях при перемещени подложки в вакуумных камерах при из товлении микросхем. В этом случае, кроме снижения надежности работы уст ройства (выход из строя источника пи танья и„ из-за перегрузки по току), будет иметь место снижение ЮТД уст- ройства из-за перегрева двигателя, д полнительных потерь в источнике питания .

„Чтобы не было перегрузки по току и был высокий ЩЦ в качестве источни ка 1 используется стабилизатор тока В этом случае величина тока будет по держиваться постоянной во всей рабочей области частот (низкие и сверхнизкие) .

Стабилизатор 24 тока состоит из последовательного резонансного LC- контура 25, к выходу которого подклю

25 чен трансформатор 26, вторичная обмо ка которого соединена с .последовательно соединенными выпрямителем 27 и фильтром 28. При подаче на вход по следовательного резонансного LC-кон30 тура последовательности прямоугольны импульсов на выходе контура будет на пряжение синусоидальной формы (перва гармоника последовательности дрямо- угольных импульсов). Последовательный

15

20

будет постоянной и определяется толь- езонансньТт Г « вД вательны :ко входным опорньп. сигналом. Преиму- - щество сравнения сигналов по площади билизировать ток в нагрузке, подклюв отличии от сравнения в одной точке (прототип) в том, что такая система более помехозащищенная и обеспечивает сравнение сигналов на всем промежутке времени действия импульса, который поступает в фазу двигателя. Заряд конденсатора 22 интегратора 7 от опорного напряжения обеспечивает минимальную ошибку и высокую помехоустойчивость, так как импульсная помеха сглаживается конденсатором интегратора. В предла аемом устройстве площадь занесения (вп .эвнес) имеет минимальную чувствительность к импульсной помехе , которая, как правило, по времени намного меньше времени заряда.

В случае, когда на шину 13 будет подан уровень логического нуля, ключ 14 не включится и конденсатор интегратора разрядится через ключ 21 по сигналу с выхода одновибратора (Щ пунк- низкой и сверхнизкой часто40

ченный к его выходу. Известно, что ве личина выходного напряжения последовательного резонансного LC-контура равна

(1)

e rx Uex-Q.

входное напря где О - добротность контура;

п«- 45 ex выходное и

жения.

Добротность контура зависит от величины потерь в контуре и его характеристического сопротивления при ре -. 5Q зонансе напряжения, т.е.

Чгде г - сопротивление, последовательно включенное в контур. J5 Величина его равна

. где R ц - сопротивление нагрузки. ;

Учитьшая все выражения, можно записать

o

те вращения двигателя будет иметь место большое потребление тока фазой. Такой режим часто встречается в техно- лЬгических операциях при перемещении подложки в вакуумных камерах при изготовлении микросхем. В этом случае, кроме снижения надежности работы устройства (выход из строя источника питанья и„ из-за перегрузки по току), будет иметь место снижение ЮТД уст- ройства из-за перегрева двигателя, дополнительных потерь в источнике питания .

„Чтобы не было перегрузки по току и был высокий ЩЦ в качестве источни- ка 1 используется стабилизатор тока. В этом случае величина тока будет под-, держиваться постоянной во всей рабочей области частот (низкие и сверхнизкие) .

Стабилизатор 24 тока состоит из последовательного резонансного LC- контура 25, к выходу которого подклю5 чен трансформатор 26, вторичная обмотка которого соединена с .последовательно соединенными выпрямителем 27 и фильтром 28. При подаче на вход последовательного резонансного LC-кон0 тура последовательности прямоугольных импульсов на выходе контура будет на пряжение синусоидальной формы (первая гармоника последовательности дрямо- угольных импульсов). Последовательный

5

0

езонансньТт Г « вД вательны - билизировать ток в нагрузке, подклю езонансньТт Г « вД вательны - билизировать ток в нагрузке, подклю

ченный к его выходу. Известно, что величина выходного напряжения последовательного резонансного LC-контура равна

(1)

e rx Uex-Q.

входное напря где О - добротность контура;

п«- ex выходное и

жения.

Добротность контура зависит от величины потерь в контуре и его характеристического сопротивления при ре -. зонансе напряжения, т.е.

Чгде г - сопротивление, последовательно включенное в контур. Величина его равна

. где R ц - сопротивление нагрузки. ;

Учитьшая все выражения, можно записать

„ ,. RH -f(2)

Разделив правую и левую часть на R, получим:

VBUX J.JBX

-р-.(3)

н У

Видно, что ток нагрузки будет постоянным, если и f const. Эти величины .будут постоянными при постоянной частоте ш транзисторного преобразователя и постоянной первой гармонике выходного напряжения преобразователя, что обеспечивается соответствующими методами управления с помощью модулятора 36. Модулятор име ет постоянную тактовую частоту и обратную связь по напряжению для стабилизации первой гармоники выходного напряжения.

Таким образом осуществляется стабилизация тока в цепи нагрузки последовательного резонансного LC-кон- тура и тем самым в цепи ключевого элемента 2 и фазы двигателя при низ- ком уровне питания. В этом, случае потери минимальны, так как ток в цепи, постоянный и равный требуемому для данного двигателя. Для обеспечения защиты транзисторного преобразователя от перегрузки точка соединения двух конденсаторов 29 и 30 последовательного резонансного контура через индуктивность 31 соединена с точкой соединения согласно последовательно со- единенных диодов 32 и 33, Катод дио- да 32 соединен с отрицательной шиной питания транзисторного преобразователя, а анод диода соединен с положительной шиной питания транзисторно- го преобразователя. В этом случае при достижении критической: (амплитуды на выходе резонансного LC-контура открьГ- ваются диоды 32 и 33 о При этом потребление энергии от силового блока 34 питания резко сокращается,, она расхо- дуется только на восполнение потерь в преобразователе и в контуре. Для увеличения амплитуды напряжения ограничения можно увеличить число конден- саторов в контуре (например5 до четырех, шести и т.д.) при сохранении неизменной общей емкости конденсато-г ра, а индуктивность подключать к одному или к двзгм последовательным кон- денсаторам. При этом амплитуда на выходе контура может быть увеличена в 2,3,4 и т.д, раз до момента срабатывания диодов 32 и 33 и соответственно увеличивается диапазон стабилизации выходного тока при работе двигателя в о бласти низких и сверхнизких частот.

Форм у л а изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределител импульсов и многоканальный усилитель мощности, каждьй канал которого содержит первый ключевой элемент, подключенный входом к соответствующему выходу распределителя и связьгаающий общую шину источника питания высокого и низкого уровней с одним выводом фазы двигателя, подключенной вторым вьюодом к катоду разделительного диода и к .шине питания высокого зфов- ня через второй ключевой элемент, соединенный входом с выходом первого элемента И формирователя длительности импульса форсирования, причем первый :вх од первого элемента И соединен с шиной выбора диапазона рабочих частот, а первьй элемент И-НЕ входом соединен с входом первого ключевого элемента, отличающееся тем, что, с целью повьштения КПД и помехозащищенности, формирователь дли,- тельности импульса форсирования снабжен интегратором с двумя резисторами ,на входе, регулятором уровня опорного напряжения, компаратороМу триггером, вторым элементом И-НЕ, вторым элементом И, одновибратором, тремя управляемыми ключаг-ш, а источник питания включает в себя моду-ятор, транзисторный инвертор, трансформатор, выпря .митель, фильтр и стабилизаторы тока. по числу каналов усилителя мощности, каждый из стабилизаторов тока состоит из последовательно соединенных последовательного резонансного контура, трансформатора, выпрямителя и фильтра причем инвертирующий вход интегратора через первый резистор соединен с выходом первого управляемого ключа, вход которого соединен с регулятором уровня опорного напряжения, а через второй резистор - с выходом второго управляемого ключа, вход которого соединен с шиной питания высокого .уровня, третий управляемый ключ включен параллельно конденсатору интегратора, выход интегратора соединен с неинвертирующим входом компаратора, выход которого соединен с R-входом

1599967

триггера, выход которого соединен с , вторым входом первого элемента И, выход которого подключен к управляющему входу второго управляемого клю ча, синхровход триггера соединен с

10

выходом распределителя импульсов и входом первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом одновибра- тора и первым входом второго элемента И, выход одновибратора соединен с входом второго элемента И-НЕ и управляющим входом третьего управляемого ключа, а выход второго элемента И-НЕ соединен с вторым входом второго эле- и зисторного инвертора, мента И, выход которого соединен с

управляюп им входом пер мого ключа, вмход кажд тора тока соединен с ш уровня канала, которая анодом разделительного ду транзисторного инве ны входы всех стабилиз последовательно соеди матор, выпрямитель и ф которого подключен к уровня, модулятор сое управляющими входами инвертора, а входом 10

0

и зисторного инвертора,

управляюп им входом первого управляемого ключа, вмход каждого стабилиза-;. тора тока соединен с шиной низкого уровня канала, которая соединена с анодом разделительного диода, к выходу транзисторного инвертора подключены входы всех стабилизаторов тока и последовательно соединенные трансформатор, выпрямитель и фильтр, выход которого подключен к шине высокого уровня, модулятор соединен выходом с управляющими входами транзисторного инвертора, а входом с выходом тран

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления с шаговыми двигателями, например, при изготовлении микросхем. Цель изобретения - повышение КПД устройства при повышении нагрузочной способности двигателя. Устройство для управления шаговым двигателем содержит распределитель 1 импульсов и многоканальный усилитель мощности со схемой управления, включающей интегратор 7, компаратор 10, триггер 11, стабилизаторы тока 24, транзисторный инвертор 35 и источник 36 напряжения высокого уровня. 2 ил.

и,7 Ui8

ti tz и

Sf

i

Li

SI

s/