Устройство для управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага Советский патент 1993 года по МПК H02P8/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления шаговыми двигателями с электрическим дроблением шага в системах автоматиче- ского управления, а также для задания произвольной формы тока в любой индуктивной нагрузке.

Цель изобретения - повышение точности формирования тока в фазе шагового двигателя, увеличение надежнйсти и помехозащищенности.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для одного канала усилителя мощности; на фиг.2 - временная диаграмма работы схемы при отработке прямоугольного импульса; на фиг.З - временная диаграмма работы схемы при отработке входного сигнала произвольной формы.

На временных диаграммах показаны сигналы: а - входной сигнал Уз, б - напряжение на выходе первого суммирующего усилителя, соответствующее форме тока в фазе шагового двигателя, в-напряжение на выходе второго компаратора, г - напряжение на выходе первого к омпаратора.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - первый ключ, 2 -- второй ключ. 3 - обмотка фазы шагового двигателя, 4 - первый диод, 5 - первый датчик тока, б - второй датчик тока, 7 - второй диод, 8 - первый суммирующий усилитель, 9 - второй суммирующий усилитель, 10 - аналоговый переключатель, 11 - первый компаратор, 12 - источник опорного напряжения, 13-второй компаратор.

Устройство содержит многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого снабжен системой управления и образо- ван первым 1 и вторым 2 ключами, двумя диодами 4,7 и двумя датчиками тока 5,6. Первый ключ 1 включен между источником питания и п ервым выводом фазы шагового двигателя 3, этот вывод также соединен1 с катодом первого диода 4. Анод диода 4 соединен с первым выводом первого датчика тока 5. Второй ключ 2 включен между первым выводом второго датчика тока б и вторым выводом фазы шагового двигателя 43, соединенным с анодом второго диода 7. Катод диода7 подключен кисточнику питания. Вторые выводы датчиков тока 5 и 6 подключены к общей шине источника питания. Система управления, соответствующая каналу, образована первым суммирующим усилителем 8, вторым суммирующим усилителем 9, аналоговым переключателем 9, первым компаратором 11 и вторым компаратором 13. Первый вход суммирующего усилителя 8 подключен к первому выводу второго датчика тока 6. В ход аналогового

переключателя 10 соединен со вторым входом первого суммирующего усилителя 8. Первый вход второго суммирующего усилителя 9 предназначен для подключения к задатчику тока. Второй .вход второго суммирующего усилителя 9 подключен к выходу первого суммирующего усилителя 8. Выход второго суммирующего усилителя 9 подключен к первому входу первого компаратора 11 и ко второму входу второго компаратора 13. Второй вход первого компаратора 11 соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход компаратора 11 соединен с управляющим входом

первого ключа 1. Первый вход второго компаратора 13 соединен с общей шиной, выход компаратора 12 соединен с управляющим входом аналогового переключателя 10 и управляющим входом второго ключа 2. Первый диод 4 предназначен для замыкания цепи спада тока в обмотке фазы шагового двигателя 3. Второй диод 7 предназначен для замыкания цепи спада тока в обмотке фазы шагового двигателя 3 энергии

в источник питания. Первый суммирующий усилитель 8 предназначен для усиления сигналов от датчиков тока, Второй суммирую- щий .усилитель 9 предназначен для вычисления и усиления сигнала рассогласования между входным задающим сигналом U3 и сигналом обратной связи Кос, пропорциональным току в обмотке шагового дв и- гателя 3.

Устройство работает следующим образом. В зависимости от полярности сигнала

рассогласования Ui, который действует на

выходе второго суммирующего усилителя 9,

. осуществляется управление ключами 1 и 2.

Выходной сигнал первого компаратора 11

включает ключ 1, выходной сигнал второго компаратора 13 включает ключ 2 и аналоговый переключатель 10. j Рассмотрим отработку устройством входного сигнала прямоугольной формы

(фиг.2),

В исходном состоянии Кз 0, т.е. входной сигнал отсутствует, ток в фазе шагового двигателя 3 не протекает, напряжения на выходах первого суммирующего усилителя

8 и второго суммирующего усилителя 9 равны 0.Первый компаратор 11 находится в состоянии отрицательного насыщения, так как на его втором входе с помощью источника опорного напряжения 12 установлен отрицательный потенциал - Л Ui. Первый ключ 1 находится в разомкнутом состоянии. Второй компаратор 13 может находиться как Е состоянии положительного, так и отрицательного насыщения, что не сказывается на работе схемы.

В момент подачи ступени входного сигнала Уз в виде уровня напряжения отрицательной палярности ток через фазу шагового двигателя 3 не протекает, Сигнал обратной связи Doc с выхода первого суммирующего усилителя 8 отсутствует, т.е. Оос 0.

На выходе второго суммирующего уси- лителя 9 появляется напряжение отрицательной полярности Ui (Уз - Uoc) x Ki, где KI - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя 9, а Кос 0.

Когда напряжение Ui превысит по- рог срабатывания первого компаратора 11 (. Д Ui) и превысит порог срабатывания второго компаратора 13 ( Д U2), оба компаратора переключаются в состояние положительного насыщения, при этом на втором входе п ервого компаратора 11 устанавливается потенциал (Д Уз) отрицательной полярности, величина которого определяется суммой токов, поступающих с выхода первого компаратора 11 и от источ- ника опорного напряжения 12, причем I AIM ГДУз.

На первом входе второго компаратора 13 поступающим с его выхода током устаиавливается положительный потенциал . Д LM, причем I ДУл Д 1Ы. Положительное выходное напряжение первого компаратора 11 U2 замыкает первый ключ 1, Положительное выходное напряжение второго компаратора 13 U4 замыкает второй ключ 2 и размыкает аналоговый переключатель 10. Ток начинает протекать по цепи: положительный вывод источника постоянного напряжения U, первый ключ 1, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, второй датчик тока 6, общая шина источника питания U.

Ток в фазе шагового двигателя 3 начинает быстро возрастать по экспоненциальному закону с параметрами, определяемыми величиной напряжения источника постоянного напряжения U и постоянной времени цепи нагрузки.

При этом на втором датчике тока б еоз- никает падение напряжения УДт1, пропорциональное току в фазе шагового двигателя 3. Это напряжение усиливается первым суммирующим усилителем 8, на выходе которого формируется сигнал отрицательной обратной связи по току, в виде отрицательного напряжения U0c - идт| х К2, где К2 - коэффициент усиления первого суммирующего усилителя 8.Отрицательное напряжение U0c с выхода первого суммирующего усилителя 8 поступает на второй вход второго ,суммирующего усилителя 9, который производит вычитание напряжения обратной связи Uoc из входного напряжения Уз. С ростом тока в фазе шагового двигателя 3 значение отрицательного напряжения У т на выходе второго суммирующего усилителя 9 начинает уменьшаться. При достижении напряжением У1 порога срабатывания Д Уз первого компаратора 11 происходит его переключение в состояние отрицательного насыщения, На втором входе пе рвого компаратора 11 устанавливается отрицательное напряжение ДУг Так как напряжение Ui не переходит через значение О В , то второй компаратор 13 своего состояния не изменяет.

После размыкания первого ключа 1 открывается второй диод 7, и ток в фазе шагового двигателя 3, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, течет по цепи: общая шина источника питания, второй датчик тока б, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, первый датчик тока 5, общая шина. Ток в фазе шагового двигателя 3 начинает медленно спадать. Соответственно уменьшается значение отрицательного напряжения Uoc на выходе первого суммирующего усилителя 8, поступающее на второй вход первого суммирующего усилителя 9. Значение отрицательного напряжения Ui на выходе второго суммирующего усилителя 9 начинает возрастать. При достижении напряжением Ui порога срабатывания первого компаратора ДУт происходит переключение первого компаратора 11 в состояние положительного насыщения.

Первый ключ 1 замыкается, и ток в фазе шагового двигателя 3 вновь начинает возрастать. Цикл работы устройства повторяется, и устройство переходит в режим автоматической отработки тока в фазе шагового двигателя 3, пропорциональному входному сигналу Уз. При этом величина тока в фазе шагового двигателя 3 определяется как

-.:. i из11

R x Ki

где R - сопротивление датчиков тока 5 и 6 (резисторов).

Пульсации тока в фазе шагового двигателя 3 Д Ui при отработке входного сигнала Уз постоянного уровня определяется, как

л. I ДЦЭ i -I AUi I. R x Ki x «2

Если значение отрицательного входного сигнала Us уменьшается до нуля, а ток в фазе шагового двигателя 3 спадает медленно, значение отрицательного выходного напряжения Uoc первого суммирующего усилителя 8 превысит значение входного напряжения из. При этом напряжение Ui на выходе второго суммирующего усилителя 9 становится положительным. Если значение напряжения Ui превысит значение положительного напряжения A U4, являющееся порогом срабатывания второго компаратора 13, второй компаратор 13 переключается в состояние отрицательного насыщения и на его первом входе устанавливается отрицательный потенциал 2, размыкается второй ключ 2 и замыкается аналоговый переключатель 10. Первый компаратор 11 остается в состоянии отрицательного насыщения, первый ключ 1 разомкнут. ЭДС самоиндукции фазы шагового двигателя 3 открывает второй диод 7 и первый диод 4, ток начинает быстро спадать по цепи: общая шина источника питания U, второй датчик тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, первый диод 4, источник постоянного напряжения U. Энергия, запасенная в фазе шагового двигателя 3 возвращается (рекуперируется) в источник постоянного напряжения U. При спаде тока в фазе шагового двигателя 3 значение отрицательного напряжения Uoc на выходе первого суммирующего усилителя 8 уменьшается и становится равным напряжению входного сигнала Уз. Выходное напряжение рассогласования Ui на выходе второго суммирующего усилителя 9 становится .равным нулю. Так как входное напряжение Уз равно нулю, устройство переходит в исходное состояние,

Рассмотрим отработку входного сигнала Ш произвольной формы (рис. 3). При отработке входного сигнала произвольной формы возможны сочетания следующих режимов работы устройства: быстрое нарастание тока в фазе шагового двигателя 3 при замкнутых первом 1 и втором 2 ключах, медленный спад тока в фазе шагового двигателя 3 при разомкнутом первом 1 и замкнутом втором 2 ключах и открытом первом диоде 4, быстрый спад тока в обмотке шагового двигателя 3 с рекуперацией энергии в источник питания при разомкнутых первом 1 и втором 2 ключах и открытых первом 4 и втором 7 диодах.

Если при отработке возрастающего отрицательного входного напряжения Уз его значение растет медленнее, чем возрастает ток в фазе шагового двигателя 3, значение отрицательного выходного напряжения Uoc на выходе первого суммирующего усилителя 8 превышает значение отрицательного входного напряжения Уз. Ток при этом протекает по цепи: положительный вывод источника постоянного напряжения U, первый ключ 1, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, второй датчик тока 6, общая шина

источника питания U. Выходное напряжение I второго суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в сторону более положительного потенциала. При достижении напряжением Ui уровня переключения первого компаратора 11 A Ui, он переходит в состояние отрицательного насыщения, размыкая первый ключ 1. На втором входе первого компаратора 11 устанавливается напряжение Уз. После размыкания первого

ключа 1 открывается второй диод 7, и ток в фазе шагового двигателя 3, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, течет по цепи: общая шина источника питания, второй датчик тока б, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, первый датчик тока 5, общая шина. Ток в фазе шагового двигателя 3 начинает медленно спадать, При этом уменьшается значение отрицательного напряжения Uoc на выходе первого суммирующего усилителя 8. Когда это значение становится меньше значения входного сигнала Us, напряжение Ui на выходе второго суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в сторону более отрицательного потенциала. При достижении напряжением Uv уровня переключения первого компаратора. 11 А Уз, он переходит, в состояние положительного насыщения, замыкая первый ключ 1. Через включенные первый 1 и второй 2

ключи ток в фазе шагового двигателя 3 опять начинает быстро возрастать. Далее процесс циклически повторяется. Таким образом происходит отработка возрастающего отрицательного входного напряжения Уз. В зависимости от скорости изменения этого напряжения автоматически меняются длительности включенного и выключенного со- отояния первого ключа 1.

Пульсации тока в фазе шагового двигателя ЗА I при отработке возрастающего от- рицательного входного сигнала Us определяются, как. А. I AU31 I -l-AUrl Al RxKixK2

ЕСЛИ отрицательное входное напряжение Us уменьшается быстрее, чем спадает ток в фазе шагового двигателя 3, значение отрицательного выходного напряжения Uor на выходе первого суммирующего усилителя 8 превышает значение отрицательного входного напряжения Уз. При этом ток е фазе шагового двигателя 3, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, течет по цепи: общая шина источника питания, второй датчик

тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, первый датчик тока 5, общая шина. Выходное напряжение 1 второго суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в-сторону более положительного потенциала, При достижении напряжением Ui уровня переключения второго компаратора 13 ALM.OH переходит в состояние отрицательного насыщения, размыкая второй ключ 2. На первом входе второго компаратора 13 устанавливается напряжение A Da. ЭДС самоиндукции фазы шагового двигателя 3 открывает второй диод 7 и первый диод 4, ток начинает быстро спадать по цепи: общая шина источника питания U, второй датчик тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, первый диод 4, источник постоянного напряжения U. Энергия, запасенная в фазе шагового двигателя 3 возвращается (рекуперируется) в источник постоянного напряжения U. При этом уменьшается значение отрицательного напряжения Uoc на выходе первого суммирующего усилителя 8. Когда это значение становится меньше значения входного сигнала Кз, напряжение Id на выходе второго суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в сторону более отрицательного потенциала. При достижении напряжением Ui уровня переключения второго компара- . тора 13 AUs, он переходит в состояние положительного насыщения, замыкая второй ключ 2. Через открытые первый диод 4 и второй ключ 2 ток в фазе шагового двигателя 3 опять начинает медленно спадать. Далее процесс циклически повторяется. Таким образом происходит отработка уменьшающегося отрицательного входного напряжения 11з. В зависимости от скорости изменения этого напряжения автоматически меняется соотношение между длительностью включенного и выключенного состояния второго ключа 2.

Пульсации тока в фазе шагового двигателя Г при отработке уменьшающего г: от- рицательного входного сигнала 3

определяются, как-..

А, I AU I +I AIM I а . RxKixK2

Таким образом, введение в устройство описанных связей обеспечивает повышение надежности и помехозащищенности, повышение точности формирования тока в фазе шагового двигателя за счет изменения и упрощения структуры устройства. Одного .входного сигнала Уз достаточно для отработки устройством тока произвольной формы в фазе шагового двигателя 3.

Технические преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототи- 5 пом заключаются в его упрощении, повышении надежности и помехозащищенности, повышении точности формирования тока в фазе шагового двигателя, достигаемые за счет использования только одного 0 входного сигнала, изменения и упрощения структуры, сокращении количества узлов в устройстве (исключены распределитель и элементы И).

Формула изобретения 5 Устройство для управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага, содержащее многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого снабжен.системой управления и образован

0 двумя ключами, двумя диодами и двумя датчиками тока, первый, ключ одним выводом подключен к источнику питания, а другим, предназначенным для подключения первого вывода фазы шагового двигателя, соеди5 нен с катодами первого диода, анод которого соединен с первым выводом первого датчика тока, подключенного вторым выводом к общей шине источника, второй ключ одним выводом, предназначенным для

0 подключения второго вывода фазы шагового двигателя, соединен с анодом второго диода, катод которого подключен к источнику питания, другим выводом подключен к первому выводу второго датчика тока, сое5 диненного своим вторым выводом с общей шиной источника питания, а система управления, соответствующая упомянутому кзна- лу, образована первым суммирующим усилителем, первый вход которого подклю0 чен к первому выводу второго датчика тока, аналоговым переключателем, вход которого соединен с первым выводом первого датчика тока, а выход - с вторым входом первого суммирующего усилителя, вторым суммиру5 ющим усилителем, первый вход которого

предназначен для подключения к задатчику тока, двумя компараторами, первый вход второго из которых соединен с общей шиной, а второй вход подключен к выходу вто0 рого суммирующего усилителя, источником опорного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности управления путем уменьшения дискретности шага регулирования, выход первого сумми5 рующего усилителя соединен с вторым входом второго суммирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, второй вход первого компаратора соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход-с управляющим входом первого ключа, выход второго компаратора - с управляющим входом

аналогового переключателя и управляющим входом второго ключа.

Использование: для управления шаговыми двигателями в системах автоматического управления. Сущность: устройство содержит многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого образован ключами 1,2, диодами 4,7, датчиками-тока 5,6 и снабжен системой управления, состоящей из суммирующих усилителей 8,9, аналогового переключателя 10, компараторов 11,13 и источника 12 опорного напряжения. Сигнал задания может иметь произвольную форму и за счет уменьшения дискретности шага регулирования повышается точность управления. 3 ил.

а о

Ч б О

I,Voc

6 о

Ч

V

I/