Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1977 года по МПК H02P7/62 

1

Изобретение относится к системам автоматического управления с шаговыми двигателями.

Известны устройства для унравления шаговым двигателем, содержаш,ие распределитель имнульсов, связанный с входами многоканального усилителя мощности, коммутирующего обмотки управления двигателя {.

В таких устройствах коммутация обмоток управления двигателя, осуществляемая усилителем мощности, вызывает скачкообразное изменение полол ;ения поля статора двигателя и соответственно скачкообразный характер движения ротора двигателя, особенно в области низких частот.

Известно также устройство для управления щаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами многоканального усилителя мощности, каждый канал которого включает в себя последовательно соединенные между собой фазу двигателя, первый ключевой элемент и датчик тока, подключенные к источнику низкого напряжения через диод, а к источнику высокого напряжения - через второй ключевой элемент, связанный своим входом с датчиком тока 2.

2

В этом устройстве скачкообразное изменение положения поля статора ухудшает качество движения шагового двигателя в области низких частот.

Цель изобретения - улучщение качества движения.

Это достигается введением в предлагаемое устройство блока измерения скорости и генераторов управляющих фазных напряжений,

связанных своими выходами с входами ключевых элементов каждого канала, одним входом - с соответствующим выходом распределителя импульсов, а -вторым - с выходом блока измерения скорости.

Кроме того, в предлагаемом устройстве генератор управляющих фазных напряжений каждого канала содержит схему синхронизации, датчик числа включенных фаз, преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы, сумматор, два ключа и три схемы совпадения, выходы двух из которых подключены к входам обоих ключевых элементов усилителя мощности, входы этих же схем совпадения подключены к соответствующему выходу распределителя и выходу блока измерения скорости, вход которого соединен с датчиком числа включенных фаз, а выход схемы совпадения, подключенный к входу первого ключевого элемента усилителя мощности, соединен с выходом одного ключа, связанного своим унравляющим входом с выходом блока измерения скорости и сигнальным входом - с выходом сумматора, нодключенного входами к выходам второго ключа и третьей схемы совиадения, соединенной одним своим входом с указанным выходом расиределителя и одним входом схемы синхронизации, а вторым - с управляющим входом второго ключа и выходом схемы синхронизации, подключенной вторым своим входом к выходу датчика числа включенных фаз, связанного своими входами с выходами расиределителя, а выходом - с входом преобразователя, соединенного своим выходом с сигнальным входом второго ключа. Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечивает плавное неремещение поля статора и соответственно ротора шагового двигателя и устраняет нежелательные колебания скорости движения ротора, т. е. улучшает качество движения. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы сигналов на отдельных элементах схемы соответственно для низких и высоких частот управления применительно к пятифазному двигателю; на фиг. 4 - структурная схема генератора управляющих фазных напряжений; на фиг. 5 - структурная схема блока измерения скорости; на фиг. 6 - временные диаграммы сигналов на элементах схемы блока измерения скорости; на фиг. 7 и 8 - временные диаграммы отработки угла щаговым двигателем соответственио при скачкообразном и плавном перемещении иоля статора. Устройство для управления щаговым двигателем, имеющим обмотки управления 1 (на фиг. 1 изображена только одна из обмоток управления шагового двигателя), содержит ключевые элементы 2 и 3, например транзисторы. Каждый канал усилителя мощности, включающий в себя об.мотку управления 1 и ключевые элементы 2 и 3, содержит датчик тока 4, разделительный диод 5, связывающий один из зажимов обмотки управления 1 с источником низкого напряжения U, и диод 6, связывающий второй зажим обмотки управления 1 с источииком высокого напрял ения f/нВ цепь источника низкого напряжения включен токоограничительный резистор 7. Логическая часть устройства (фиг. 1) содержит распределитель имиульсов 8, на вход которого поступают импульсы управлеиня Р, генератор управляющих фазных напряжений 9, выходы которого TI и TZ подключены соответственно к-одному входу триггера 10, связанного своим выходом через усилитель 11 с входом ключевого элемента 2, и ключевому элементу 3 - через усилитель 12 и сумматор 13. Второй вход триггера 10 подключен к датчику тока 4 через резистор 14 и схему ИЛИ 15, второй вход KOTOpoii через усилитель 16 соедииеи с выходом 7i генератора управляюи;их фазных напряжений 9. Одии вход генератора фазных напряжений 9 подключен к выходу расиределителя имнульсов 8, а второй - к выходу блока измерения скорости 17, вход которого связан с входом Р распределителя 8. Генератор управляющих фазных напряжеНИИ 9 (фиг. 4) включает в себя датчик числа включенных фаз 18, соединенный входами с выходами распределителя 8, иреобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы 19, подключенный своим входом к выходу датчика числа включенных фаз 18, схему синхронизации 20, один вход которой соедииен с соответствующим выходом распределителя 8, а второй - с выходом датчика числа включенных фаз 18, схемы совпадения 21, 22 и 23, ключи 24, 25 и сумматоры 26, 27. Блок измерения скорости 17 (фиг. 5) содержит инверторы 28 и 29, дифференцирующие элементы 30 и 31, схемы ИЛИ 32, совпадения 33 и задержки 34, компаратор 35, триггеры 36 37 и интегратор 38. Блок измерения скорости 17 может быть иодключен к входу распределителя импульсов 8 (как показано на фнг. 1 и 3) или к выходу датчика числа включенных фаз 18 (как иоказано на фиг. 5). Устройство работает следующим образом. Когда импульсы управления Р (фиг. 1 и 2) поступают на вход распределителя импульсов 8, последимй вырабатывает комаидные сигналы на входе генератора уиравляющих фазных напряжений 9. Одновременно импульсы управления Р поступают на блок измерения скорости 17, который вырабатывает и а выходе сигнал, разрешающий работу геиератора 9, если скорость (частота) меньще опорной, или запрещающий работу генератора 9, если скорость (частота) выше опорной. Когда частота импульсов Р меньще опорной, генератор управляющих фазных напряжений 9 вырабатывает трапецеидальное напряжение TZ (фиг. 2) и нулевое напряжение TI, обеспечивая тем самым возврат триггера 10 в исходное состояние, соответствующее заиретному транзистору 2. Задающее напрял ение TZ иоступает на вход транзистора 3 через сумматор 13 и усилитель 12. На вход сумматора 13 одновременно поступает сигиал отрицательной обратной связи ио току, снимаемый с датчика тока (резистора) 4. Транзистор 3 с датчиком тока. 4, усилителем 12 и сумматором 13 образуют линейиый усилитель тока и обесиечиваЕОт в обмотке управления двигателя (фазе) ток i (фиг. 2), повторяющий задающее напряжение TZ, вырабатываемое генератором 9. Когда частота импульсов Р становится вые опорной (фиг. 3), блок измерения скороти 17 вырабатывает сигнал, прекращающий подачу на сумматор 13 напряжения трапецеиальной формы. В этом случае на выходах Т

и Тг генератора управляющих фазных напряжений 9 вырабатываются синфазные напряжения прямоугольной формы.

При появлении на выходах Т и TZ единичных сигналов одновременно отпираются транзисторы 2, 3 и к фазе двигателя прикладывается высокое напряжение UH- Это состояние сохраняется до тех пор, пока сигнал, снимаемый с датчика тока 4, не достигнет порога срабатывания триггера 10. Последний возвратится в исходное состояние и запрет транзистор 2. Фаза 1 двигателя при этом подключается к источнику низкого напряжения Ui,, и участок ускоренного нарастания тока i переходит, как показано на фиг. 3, в участок постоянного значения тока, определяемого напряжением f/L. Максимальное значение тока t на участке нарастания регулируется резистором 14.

Аналогично описанному протекают процессы измерения тока и в остальных фазах шагового двигателя, очередность коммутации которых задается распределителем импульсов 8.

При работе на низких частотах по фазам двигателя протекают токи трапецеидальной формы, что обеспечивает его непрерывное движение без значительных колебаний скорости и угла, как показано на фиг. 8, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат - угол поворота ротора шагового двигателя. Для сравнения на фиг. 7 приведена временная диаграмма перемендения ротора двигателя при скачкообразном изменении токов в фазах.

Генератор унравляюш;их фазных напряжений 9 (фиг. 4) применительно к пятифазному шаговому двигателю с несимметричной коммутацией содержит датчик числа включенных фаз 18, вырабатывающий сигнал прямоугольной формы, соответствующий логической «1 при включении трех фаз и логическому «О при включении двух фаз. Сигнал с выхода датчика 18 усиливается и интегрируется преобразователем прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы 19, после чего поступает через ключ 24 на сумматор 26. Одновременно на сумматор 26 через схему совпадения 21 поступают разрепгающие сигналы с выхода распределителя импульсов 8 и выхода схемы синхронизации 20. Сигнал трапецеидальной формы с выхода сумматора 26 проходит на вход транзистора 3 (фиг. 1) через ключ 25, Управляемый блоком измерения скоростн 17. Последний выпабатывает на управляющем входе ключа 25 логический «О, логда частота вхолиых нлтпульсов является высокой {ключ 25 заперт, и трапецеидальные импульсы не проходят на вход транзистора 3), и логическую «1, когда частота входных импульсов низкая (транзистор 2 заперт, а на вход транзистора 3 поступают импульсы трапецеидальной формы). На фиг. 4 буквами Л, 5, С, D и обозначены выходы распределителя импульсов 8 соответственно для каждой фазы пятифазного шагового двигателя.

I/

552913

Аналогично выполнены генераторы управляющих фазных напрял ений и для остальных фаз шагового двигателя.

Работа блока измерения скорости 17 (фиг. 5 и 6) осуществляется следующим образом.

Интегратор 38 генерирует пилообразный сигнал ST (фиг. 61 с пеоиодом, определяемым входным импульсом Р.

Регулируемый источник наппяжения С/в создает опорное напряжение f, соответствующее опорной скорости, при которой обеспечивается переход схемы с формирования трапецеидальных сигналов управления на прямоуго.льньте.

Компаратор 35 сравнивает выходное напряжение интегратора 38 и опорное напрялсение Е II вырабатывает логический сигнал «1 (СОМО на (Ьнг. 6), когда выходное напрялсение интегрптора больп1е опорного Е.

Сигнал TRT), вырабатываемый датчиком числа включенных фаз 18, поступает непоспеяственно на дифференцирующий элемент 31 и через инвертор 28 - на дифференттирующий элемент 30. На выходе схемы ИЛИ 32

вырабатывается сигнал f/DP (фиг. 6 управлеияя интегратором. Этот же сигнял поступает на схему задерл ки 34, в которой преобразуется в сигнал МО, сдвинут тй во времени относительно сигнала UDP. Сигнал МО используется для установки триггера 36 и схемы 33. Выходной сигнал СОМО компаратора 35 устанавливает триггер 36 в исходное состояние. Когда частота входных импульсов Р уменьшается, выходной ИМПУЛЬС МО схемы задержки 34 и сигнал СОМО компаратора 35 следуют поочередно, вследствие чего триггер 36 переключается, и схема 33 не пропускает выходной ИМПУЛЬС МО на вход триггера 37. На

выходе блока измерения скорости 17 ири этом вырабатывается сигнал Vs. соответствуюишй логической «1.

Ког.иа частота входных импульсов Р возрастет и сигнал STW на выходе интегратора 38

станет ниже , на выходе компаратора 35 станет равным нулю, триггер 36 сигналом МО переведется в состояние, нри котором схема 33 отпирается, и триггер 37 вернется в исходное состояние. Выходной сигнал f/s

блока измерения скорости снимается с инвертора 29.

Плавное изменение тока в фазах шагового двигателя на низких частотах повышает плав.ость ротора, что позволяет улучИ1 1ть чистоту обрабатываемой поверхности изделия на металлорежущих станках, в приводах иодач которых используются шаговые двигатели.

Переход с возбул дения фаз двигателя им; ульсамп тока трапецеидальной (треугольной) формы на возбуждение импульсами пря о тольной формы в области высокт х частот обеспечивает сохранение быстродействия шагового двигателя и требуемое значение момента.

Формзла изобретения

1.Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами многоканального усилителя мош;ности, каждый канал которого включает в себя последовательно соединенные между собой фазу двигателя, первый ключевой элемент и датчик тока, подключенные к источнику -низкого напряжения через диод, а к источнику высокого напряжения - через второй ключевой элемент, связанный своим входом с датчиком тока, отличающееся тем, что, с целью улучщения качества движения, введены блок измерения скорости и генераторы управляющих фазных .напрялсений, связанные своими выходами с входами ключевых элементов каждого канала, одним входом - с соответствующим выходом распределителя импзльсов, а вторым - с выходом блока измерения скорости.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор управляющих фазных напряжений каждого канала содержит схему синхронизации, датчик числа включенных фаз, Преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы, сумматор, два ключа и три схемы совпадения, выходы двух из которых подключеньг к входам обоих ключевых элементов усилителя мощности, входы этих же схем Совпадения подключены к соответствующему выходу распределителя и выходу блока измерения скорости, вход которого соединен с датчиком числа включенных фаз, а выход схемы совпадения,

подключенный к входу первого ключевого элемента усилителя мощности, соединен с выходом одного ключа, связанного своим управляющим уходом с выходом блока измерения скорости и сигнальным входом - с выходом сумматора, подключенного входами к выходам второго ключа и третьей схемы совпадения, соединенной одним своим входом с указанным выходом распределителя и одним входом схемы синхронизации, а вторым - с управляющим входом второго ключа и выходом схемы синхронизации, подключенной вторым своим входом к выходу датчика числа

включенных фаз, связанного своими входами

с выходами распределителя, а выходом - с

входом преобразователя, соединенного своим

выходом с сигнальным входом второго ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Дискретный электропривод с шаговым двигателем. Под общ. ред. М. Г. Чиликина. М., «Энергия, 1971, с. 227-243.

2.Патент CUTA .№ 3560821. кл. 318-138. 02.02.71,

17

f I I I I I I I I I I I I

-о%

I II I III I Illlllllll II I I I