Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1991 года по МПК H02P8/00 

tf Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления шаговыми электродвигателями либо электромеханическими преобразователями, применяемыми в системах автоматики и робототехники.

Цель изобретения - повышение плавности движения выходного вала двигателя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, на фиг„ 2 - диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство содержит распределитель импульсов 1, выходы которого

соединены с управляющими входами усилителя мощности, состоящего из ключей 2-5 по числу фаз, источник постоянного тока 6, подключенный к фазам 7-10 двигателя через разделительные диоды 11, форсирующие цепи, соединенные с группами неодновременно включаемых фаз и включающие в себя накопительный конденсатор 12, ключевые элементы 13, 14, разрядные диоды 15-18, соединяющие в пределах каждой группы выводы фаз 7-10 с накопительным конденсатором 12 соответствующей форсирующей цепи, форсирующий конденсатор 19, соединенный

ел

через ключевой элемент 13 с общей точкой фаз одной группы, которая через обратные диоды 20 соединена с общей шиной. Блок сравнения частоты 21 служит для сравнения частоты- управляющих импульсов с пороговым значением. Каждая форсирующая цепь снабжена дополнительным ключевым элементом 22 и трансформатором 23. Первая обмотка трансформатора 23 включена между точкой соединения форсирующего конденсатора 19 с ключевым элементом 13 и общей точкой разрядных диодов 15-18 соответствующей форсирующей цеп;и через дополнительный ключевой элемент 22. Управляющий вход дополнительного ключевого элемента 22 соединен с выходом блока сравнения частоты 21. Другая обмотка трансформатора 23 включена через ключевой элемент 14 встречно-параллельно по отношению к первой.

Устройство работает следующим об- разом.

Предположим,что одна из фаз 8 шагового двигателя в момент времени Ь0 отключается, другая фаза 10 включается, а третья фаза 9 остается включенной, т.е. рассмотрим работу устройства при однополярной парной системе коммутации фаз электродвигателя. При замыкании ключевого элемента 5 фаза 10 подключается к источнику питания 6. Управляющие импульсы также поступают на ключевой элемент 13. Предварительно заряженный в предыдущем такте коммутации форсиро- вочный конденсатор 19 разряжается на включаемую фазу 10 двигателя по цепи: ключевой элемент 13 - включаемая фаза 10 - замкнутый ключевой элемент 5. При разряде форсировочно- го конденсатора 19 осуществляется форсированное нарастание тока во включаемой фазе 10 двигателя в течение времени как показано на фиг„ 2, где Iw- ток в фазе 10 двигателя. При снижении напряжения на обкладках форсировочного конденсатора 19 до значения напряжения источника питания 6 ключевой элемент 13 запирается. Тогда через включаемую фазу 10 двигателя протекает ток от источника питания 6 по цепи: разделительный диод 11 - фаза двигателя 10 - ключевой элемент 5. В это же время происходит размыкание ключевого элемента 3 (момент t0 на фиг. 2). Фаза 8 двигателя отключается от ис

5

0

5

0

5

0

5

0

5

точника питания 6. За счет энергии, запасенной в магнитном поле отключаемой фазы 8, происходит заряд накопительного конденсатора 12. Ток протекает по следующему контуру: разрядный диод 15 - накопительный конденсатор 12 - обратный диод 20 - отключаемая фаза 8. Длительность переходного процесса спадания тока фазы зависит от уровня и знака напряжения на обкладках накопительного конденсатора 12 в момент коммутации фазы двигателя. Причем, чем выше уровень напряжения на обкладках накопительного конденсатора 12 в момент отключения фазы от источника питания, тем меньше время переходного процесса спадания тока в отключаемой фазе 8 двигателя. При уменьшении уровня напряжения на. обкладках накопительного конденсатора 12 до нуля или даже смене знака напряжения время переходного процесса спадания тока в отключаемой фазе 8 двигателя увеличивается. На фиг. 2 показано напряжение на обкладках накопительного конденсатора 12. Ток Ig - в отключаемой фазе 8 двигателя, на низкой частоте переключений фаз двигателя (время tQ-t,) и на высокой частоте (время tj.-t, ) при начальном значении напряжения на обкладках накопительного конденсатора 12, равном нулю. Следовательно, изменяя уровень напряжения на обкладках накопительного конденсатора 12 в момент коммутации фаз двигателя, изменяют время переходного процесса спадания тока в отключаемой фазе 8 двигателя.

Одновременно с приходом следующего управляющего импульса на распределитель импульсов 1 импульсы управления поступают на ключевой элемент 14, При включении ключевого элемента 14 накопительный конденсатор 12 перезаряжается по следующему контуру: ключевой элемент 14 - согласно включенная обмотка трансформатора 23 - форсировочный конденсатор 19. По встречно включенной обмотке трансформатора 23 ток не протекает, так как на низкой частоте переключений фаз ключевой элемент 22 разомкнут. Процесс перезаряда накопительного конденсатора 12 может быть как периодическим, так и апериодическим в зависимости от значения индуктивности обмотки трансформатора 23 (индуктивное сопротивление контура перезаряда конденсаторов равно емкостному

51

сопротивлению данного контура), переходный процесс в контуре перезаряда становится периодическим. По окончании переходного процесса напряжение на обкладках накопительного конденсатора 12 уменьшается до нуля (фиг.2 диаграмма , время tq.) или даже изменяет знак. При уменьшении тока, протекающего в контуре перезаряда до нуля, ключевой элемент 14 запирается (фиг. 2, диаграмма тока 1р, время .) . Напряжение на обкладках накопительного 12 и форсировочно- го 19 конденсаторов сохраняется до следующего включения фаз двигателя. При последующих переключениях фаз двигателя работа устройства на низких частотах повторяется.

При увеличении частоты управляющих импульсов выше порогового значения на выходе блока сравнения частоты 21 формируется сигнал единичного уровня, который разрешает прохождение управляющего импульса на управляющий вход ключевого элемента 22, осуществляя его замыкание (замыкание и размыкание ключевого элемента 22 осуществляется синхронно с ключевым элементом 14). В этом случае изменяется эквивалентная индуктивность трансформатора, включенного в контур перезаряда. При протекании по обмоткам трансформатора 23 равных по значению токов и учитывая, что коэффициент связи между обмотками, которые намотаны на одном сердечнике, равен 0,95-0,99, эквивалентная индуктивность уменьшается. При таком включении обмоток эквивалентная индуктивность трансформатора равна

эхе

L,Lg. - М 1ц + L2 +

2М

М

М

где L,, L0 - индуктивности первой и второй обмоток трансформатора соответственно, - коэффициент взаимоиндукции .

Тогда процесс перезаряда конденсаторов 12, 19 становится апериодическим, В этом случае уменьшается длительность форсированного спадания тока в отключаемой фазе 8 двигателя (фиг. 2, диаграмма тока Ig - в отключаемой фазе 8, интервал tg.-tg и диаграмма тока I - в контуре перезаряда, интервал Ц-tg) . С приходом следующего управляющего импульса ра443546

бота устройства повторяется. При переключениях фаз 7, 9 двигателя форсированный спад и нарастание тока обеспечивают конденсаторы 12, 19 со- 5 ответствующей форсировочной цепи.

При таком выполнении устройства достигается повышение плавности движения выходного вала путем изменения степени форсирования процесса спадания тока в отключаемой фазе шагового электродвигателя в функции частоты управляющих импульсов, при сохранении высоких динамических характеристик двигателя.

10

15

5

0

5

0

5

0

Формула изобретения Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, выходы которого соединены с управляющими входами усилителя мощности, состоящего из ключей по числу фаз, источник постоянного тока, подключенный к фазам двигателя через разделительные диоды, форсирующие цепи, соединенные с группами неодновременно включаемых фаз, каждая из которых включает в себя накопительный конденсатор, два ключевых элемента, разрядные диоды, соединяющие в пределах каждой группы выводы фаз с накопительным конденсатором соответствующей форсирующей цепи, форсирующий конденсатор, соединенный через первый ключевой элемент с общей точкой фаз одной группы, которая через обратные диоды соединена с общей шиной, отличающеесятем, что, с целью повышения плавности движения выходного вала двигателя, в устройство введен блок-сравнения частоты управляющих импульсов с пороговым значением, а каждая форсирующая цепь снабжена дополнительным ключевым элементом и трансформатором, первая обмотка которого включена последовательно с дополнительным ключевым элементом между точкой соединения форсирующего конденсатора с первым ключевым элементом и общей точкой разрядных диодов соответствующей форсирующей цепи, другая обмотка трансформатора включена через второй ключевой элемент встречно- параллельно по отношению к первой, управляющий вход дополнительного ключевого элемента подключен к выходу блока сравнения, вход которого подключен к входу тактовой частоты распределителя импульсов.

fa

и,

tz

| XT,-4

L/JLA

I/

a

/9

з

4o

Ј4

Ј0 2 ty tif

Фиё.2

ts ts Ј7 te

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления шаговыми электродвигателями. Цель изобретения - повышение плавности движения выходного вала. Устройство содержит распределитель импульсов 1, выходы которого соединены с управляющими входами, источник постоянного тока 8, подключенный к фазам 7-10 двигателя через диоды 11, накопительный конденсатор 12, ключе- ,вые элементы 13, 14, разрядные диоды 15-18, форсирующий конденсатор 19, обратные диоды 20, блок 21 сравнения частоты управляющих импульсов с пороговым значением, дополнительный ключевой элемент 22 и трансформатор 23. При увеличении частоты управляющих импульсов выше порогового значения на выходе блока 21 формируется сигнал замыкания ключа 22. В результате коммутации обмоток трансформатора 23 изменяется его эквивалентная индуктивность, изменяется характер процесса перезаряда конденсаторов 12, 19, вследствие чего изменяется уровень остаточного напряжения на обкладках накопительного конденсатора 12 и изменяется длительность форсированного спада тока в- отключаемой фазе 8. 2 ил. о «э