Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1992 года по МПК H02P8/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в аналоговых и цифровых следящих системах с дискретным электроприводом.

Известно устройство для управления шаговым двигателем (ШД), содержащее приемник кода и кодовый датчик положения, схему сравнения, которая управляет вместе с генератором тактовых импульсов схемой блокировки, выход которой соеди- нен с тактовым входом распределителя импульсов, переключающего обмотки ШД. При работе каждый тактовый импульс с выхода генератора проходит на тактовый вход распределителя импульсов, вызывая его срабатывание и переключение обмоток шагового двигателя. Устройство обеспечивает работу ШД в заданном направлении до начала торможения, пока с датчика положения не поступит код, сов- падающий с внешним кодом, при этом ШД не получит команд на движение. Однако ротор ШД по инерции продолжает совершать перемещение, при этом блокируются тактовые импульсы на время, пока ротор ШД совершает затухающие колебательные движения, тем самым предотвращаются автоколебания в системе. При этом происходит останов ШД.

Основным недостатком данного устрой- ства является пассивное ожидание затуханий колебательного процесса ротора при .останове ШД. Если при этом имеется высокопроизводительная механическая система с большой механической нагрузкой на ротор.ШД, работающего на максимальных частотах, превышающих частоты приемистости двигателя, обеспечить эффективное торможение и точный останов двигателя невозможно, так как кинетическая энер- гия вала ротора вращающегося двигате- ля имеет величину, Значительно превышающую силы магнитного сцепления ротора ШД со статором, и при отсутствии команд на движение механическая система с ШД будет иметь значительную линейную ошибку при остановке. Необходимо погасить эту энергию путем торможе- ния ШД подачей серии тормозящих импульсов на распределитель. К тому же

отсутствует управление частотой генератора тактовых импульсов, обеспечивающее плавный разгон ШД с минимальной частотой, которая должна быть значительно ниже частоты приемистости двигателя, что необходимо для систем с большой механической нагрузкой на ротор, что повышает устойчивость работы и снижает резонансные нагрузки всей механической системы с ШД,.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее блок формирования импульсов торможения, счетчик шагов, блок запрета, блок формирования сигналов датчика положения ротора, усилители мощности, коммутатор и триггер торможения.

При работе устройства сигналы с датчика через блок формирования, блок запрета разрешают работу коммутатора и усилителя, обеспечивая работу двигателя. Одновременно счетчик шагов с каждым шагом уменьшает свое значение на единицу. В режиме разгона и движения двигателя с постоянной скоростью триггер торможения сигналов Пуск устанавливается в состояние, при котором блокируется прохождение импульсов на блок торможения. С поступлением на счетчик сигнала торможения счетчик через блок запрета запрещает прохождение импульсов на коммутатор и усилитель ШД, а блок торможения выдает импульсы торможения, задержанные на время. Т1, последний импульс торможения выдается через время Т2, после которого работа устройства заканчивается.

Однако, если имеется высокопроизводительная механическая система с большой нагрузкой на ротор ШД, работающего с частотой, превышающей частоту приемистости двигателя, необходимо задать значительное число импульсов торможения для погашения кинетической энергии на валу ротора ШД, что удлиняет путь торможения, снижая тем самым производительность системы в целом. При этом импульсы торможения воздействуют на двигатель. При уменьшении частоты вращения ротора необходимо выждать, пока колебательные

процессы механической системы с ШД стабилизируются, при этом отсутствует изменение периода Т1 импульсов торможения в сторону увеличения во времени, что отрицательно сказывается на затухании механиче- ских колебаний системы и вынуждает увеличивать число импульсов торможения для уменьшения линейной ошибки при остановке ШД и четкой фиксации ротора на последнем импульсе торможения.

Цель изобретения - повышение производительности устройства путем снижения времени торможения шагового двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления шаговым дви- гателем. содержащее датчик шага, блок формирования импульсов, счетчик шагов, формирователь сигнала запрета, шину Пуск, формирователь, сигналов управления, коммутатор, соединенный синхронизи- рующим входом с синхронизирующим выходом блока формирования импульсов, а выходами с блоком усилителей мощности, причем датчик шага соединен выходом с . управляющим входом формирователя сигналов управления, выход включения которого подключен к входу запуска блока формирования импульсов, вход блокировки которого соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов запре- та, вход прямого счета которого соединен с прямым выходом счетчика шагов, введены блок девиации частоты и блок торможения, два входа которого соединены с двумя выходами формирователя сигналов запрета, а выход - с входом направления коммутатора фаз, вход девиации блока девиации частоты соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов управления, вход установки блока девиа- ции - с выходом установки формирователя сигналов запрета, а выход - с задающим входом блока формирования импульсов, три выхода которого соединены соответственно с входом сброса и двумя входами счета счетчика шагов, разрешающий вход которого соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов управления, выход сброса которого соединен с соответствующим входом блока формиро- вания импульсов, вход обратного счета формирователя сигналов запрета соединен с обратным выходом счетчика шагов, а прямой выход - с прямым входом блока формирования импульсов.

Предлагаемое устройство для управле ния шаговым двигателем обладает высокой производительностью за. счет снижения времени торможения шагового двигателя.

что повышает устойчивость механической системы к резонансным явлениям.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство для управления шаговым двигателем содержит шину Пуск, формирователь 1 сигналов управления, блок 2 формирования импульсов, коммутатор 3, блок 4 усилителей мощности, шаговый двигатель 5 с датчиком 6 шага, формирователь 7 сигналов запрета, блок 8 торможения, блок 9 девиации частоты и счетчик 10 шагов.

Формирователь 1 сигналов управления включает в себя формирователь сигнала датчика, выполненный на одновибраторе. RS-триггер, два элемента НЕ и три элемента И-НЕ.

Блок 2 формирования импульсов содержит генератор импульсов, выполненный на микросхеме КР1006ВН1, устройство сброса счетчика шагов, выполненное на одновибраторе, пять элементов И-НЕ.

Коммутатор 3 содержит блок мультиплексоров, управляемый счетчиком.

Формирователь 7 сигналов запрета включает в себя RS-триггер запрета, один элемент НЕ и два элемента И-НЕ.

Блок 8 торможения собран на трех элементах И-НЕ,

Блок 9 девиации частоты включает в себя RC-цепи с усилителем на транзисторах.

.Все составные части устройства, могут быть выполнены на интегральных схемах серий К561. К564. .

Устройство работает следующим образом.

Для включения шагового двигателя на шине Пуск, управляемой от ЭВМ, устанавливается уровень логической 1, при этом формирователь 1 сигналов управления на управляющем выходе включения элемента .1.3, соединенного с входом запуска элемента 2.2 блока 2 формирования .импульсов, устанавливает уровень логического О, на управляющем выходе разрешения элемента 1.2, соединенного с разрешающим входом СЕ1 счетчика 10 шагов, устанавливает уровень логического О, блокирующий работу счетчика 10 шагов, на управляющем выходе сброса инвертора, подключенного к элементу 1.2 формирователя 1 сигналов управления, устанавливается уровень логической 1, запускающий через вход сброса одновиб- ратор в блоке 2 формирования импульсов, на одном из выходов которого, соединенном с входом сброса Р-счетчика: 10 шагов, вырабатывается положительный импульс напряжения, сбрасывающий счетчик 10 шагов в исходное состояние, при этом на обоих

выходах счетчика 10 шагов, соединенных с входами счета элемента 7.1 формирователя

7сигналов запрета, устанавливаются уровни логического О, а на выходе элемента 7.1 формирователя 7 сигналов запрета, соединенного с блокирующим входом элемента 2.1 блока 2 формирования импульсов, устанавливается уровень логической 1, при этом синхронизирующий С-вход коммутатора 3, соединенный с элементами 2.4 и 2.1 блока формирования импульсов, подключается к выходу генератора импульсов в блоке 2, выходы формирователя 7 сигналов запрета, соединенные с входами блока

8торможения, устанавливают в начальное состояние блок 8 торможения, который своим, выходом на входе направления коммута- тора 3 задает рабочее направление вращения шагового двигателя 5, обмотки статора которого через усилитель 4 подключены на выход коммутатора 3, одновременно на управляющем выходе девиации частоты буфера элемента 1.1 формирователя 1 сигналов управления, соединенного с входом девиации блока 9 дет виации частоты, устанавливается уровень логического О. Блок 9 девиации частоты, выход которого соединен с задающим входом генератора импульсов блока 2 формирования импульсов, запускает генератор, частота выходных импульсов которого плавно увеличивается до рабочего значения, при этом на синхронизирующем С-вхо- де коммутатора 3 формируются синхронизирующие импульсы, частота которых определяет скорость вращения шагового двигателя.

Таким образом, происходит разгон и вращение ротора шагового двигателя ка рабочей частоте, при этом шаговый двигатель стартует с частотой коммутации обмоток намного ниже частоты приемистости двигателя, что обеспечивает необходимый момент нагрузки, и выходит на рабочий режим, частота которого значительно выше частоты приемистости. Плавный разгон и время выхода на рабочий режим определяются параметрами блока 9 девиации частоты. В режиме работы в области высоких частот колебания ротора шагового двигателя носят характер вынужденных колебаний с частотой следования синхронизирующих импульсов. Амплитуда этих колебаний уменьшается с ростом частоты. Движение ротора приближается к синхронному вращению, резонансные колебания при этом устраняются, что повышает устойчивость работы механической системы.

При останове механического устройства с шаговым двигателем формирователь 1

сигналов управления по командам от датчика б или по шине Пуск, управляемой от ЭВМ, на управляющем выходе разрешения элемента 1.2 устанавливает уровень логической 1, включающий счетчик 10 шагов, одновременно формирователь 1 сигналов управления изменяет состояние входа девиации блока 9 девиации частоты на противоположное, изменяя режим его работы на

0 входе генератора импульсов в блоке 2 формирования импульсов, который, в свою очередь, плавно увеличивает период синхронизации импульсов на С-входе коммутатора 3, которые также поступают на

5 вход С1 счетчика 10 шагов. Начинается режим торможения шагового двигателя. На прямом выходе счетчика 10 шагов устанавливается уровень логической 1, при этом с выхода инвертора формирователь 7 сиг0 налов запрета включает блок 8 торможения, который на входе направления коммутатора 3 изменяет на противоположное состояние вход управления счетчика коммутатора 3, при этом блок мультиплек5 соров коммутатора через усилитель 4 изменяет фазу коммутации обмоток статора шагового двигателя 5, изменяя на обратное направление вращения магнитного поля шагового двигателя. Происходит

0 форсированное торможение двигателя и механической системы в целом. При этом на роторе шагового двигателя вращающимся магнитным полем создается обратное усилие, которое преодолевает инерцию

5 момента нагрузки на ротор механической системы. Происходит быстрое затухание кинетической энергии механической системы, путь торможения резко сокращается, а время торможения и точность останова опреде0 ляются работой блока 9 девиации частоты и количеством тормозящих импульсов, установленных в счетчике 10 шагов.

После заполнения счетчика ТО шагов тормозящими импульсами на обратном вы5 ходе его устанавливается уровень логической 1, при этом на блокирующем выходе элемента 7.1 формирователя 7 сигналов запрета устанавливается уровень логического О, блокирующий прохождение син0 хронизирующих импульсов на коммутатор 3 и счетчик 10 шагов с помощью элементов 2.1 и 2.4 в блоке 2 формирования импульсов. Прекращается возбуждение вращающегося магнитного поля в статоре

5 шагового двигателя, ротор двигателя фиксируется статическим магнитным полем статора, а с выхода установки элемента 7.2 формирователя 7 сигналов запрета уровень логического О форсирует переход в исходное состояние блока 9 девиации частоты.

Торможение механической системы с шаговым двигателем ведется в области высоких частот, при этом вращающееся магнитное поле статора воздействует на ротор, создавая незначительную амплитуду колебаний синхронизирующего момента всей механической системы, что исключает резонансные явления и повышает, надежность работы как двигателя, так и всей механической системы. Режим работы блока 9 деви- ации частоты, а также выбор количества тормозящих импульсов определяются путем моделирования системы математическими методами или экспериментальными работами.

По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет сократить время торможения на 20-30%.

Таким образом, применение предлагавмого устройства для управления шаговым двигателем позволяет повысить производительность за счет снижения времени торможения шагового двигателя, что положительно влияет на устойчивость механиче- ской системы к резонансным явлениям.

Формулаиз обретен и я Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее датчик шага, блок формирования импульсов, счетчик шагов, формирователь сигнала запрета, шину Пуск, формирователь сигналов управления, коммутатор, соединенный синхронизирующим входом с синхронизирующим выходом блока формирования импульсов, а

выходами - с блоком усилителей мощности, причем датчик шага соединен выходом с управляющим входом формирователя сигналов управления, выход включения которого подключен к входу запуска блока формирования импульсов, вход блокировки которого соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов запрета, вход прямого счета которого соединен с прямым выходом счетчика шагов, от л и ч а- ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности путем снижения времени торможения шагового двигателя, вве- деньТ блок девиации частоты и блок торможения, два входа которого соединены с двумя выходами формирователя сигналов запрета, а выход с входом направления коммутатора фаз, вход девиации блока девиации частоты соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов управления, вход установки блока девиации - с выходом установки формирователя сигналов запрета, а выход - с задающим входом блока формирования импульсов, три выхода которого соединены соответственно с входом сброса и двумя входами счета счетчика шагов, разрешающий вход которого соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов управления, выход сброса которого соединен с соответствующим входом блока формирования импульсов, вход обратного счета формирователя сигналов запрета соединен с обратным выходом счетчика шагов, а прямой выход - с прямым входом блока формирования импульсов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в дискретном электроприводе. Цель изобретения - повышение производительности путём снижения времени торможения шагового двигателя. Устройство для управления шаговым двигателем содержит блок 2 формирования импульсов, счетчик 10 шагов, формирователь 7 сигналов запрета, блок 8 торможения, шину