Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1980 года по МПК H02P8/12 

Изобретение относится к области автоматизированного электропривода, аиме но к системам управления с шаговыми двигателями, и может быть использовано для приводов подач металлообрабатывающих станков с числовым управлением, координатографов и т.д. Известны устройства для управления шаговым двигателем, содержащие многоканальный коммутатор фаз шагового дви- ,гателя и ключевые элементы, обеспечивающие регулирование фазного напряжения li.( Недостатком указанных устройств я-в пяется одинаковая кратность форсирюв ния процессов изменения тока в фазах двигателя во всем диапазоне рабочих частот. В области высоких частот форсирование процессов нарастания и спадания тока в фазах оказывает положительное; влияние на свойства шагового привода, увеличивая момент, развиваемый двигвртелем. В области низких частот форсирование процессов измене1шя тока являет ся вредным и приводит к возникновению значительных колебаний скорости при отработке шага, перерегулированию и по тере устойчивости движения. Для улучшения качества движения в области низких частот скорость изменения тока при включении и отключении фазы необходимо снижать, что не может быть осуществлено в указанных устройствах. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее многоканальный коммутатор, каждый канал которого включает в себя основной клкзчёвой элемент, связы-. Бающий первуюклемму фазы двигателя с общей шиной источника питания постоянного тока низкого и высокого уровней, и вспомогательный ключевой элемент, связывающий шину источника высокого уровня с второй клеммой фазы двигателя, подключенной к одноименной шине источника низкого уровня через разделителыодй диод 2). Это устройство также не обеспечивает изменения кратности форсирования при пе реходе из области низких частот в облас высоких, т.е. не позволяет улучшить качество движения в области низких час тот при сохранении заданного диапазона. Принципиально улучшение качества движения в таком устройстве возможно за счет снижегия напряжения питания, однако это прИЬодцт к уменьшению диапа- зона рабочих частот, и, следовательно, такой путь непригоден. Целью изобретения является повышение плавности и устойчивости, движения двигателя в области низких частот при созфанении рабочего диапазона. Указанная цель достигается тем, что . устройство для управления шаговым двигателем содержит в каждом канапе комму татора дроссель и дополгштельные диод и ключ, например тиристор, соединяющий первую клемму фазы двигателя с шиной источника низкого уровня, подключенной через дроссель к второй клемме фазы дви гателя,. шунтированной совместно с осHOBHbiM ключевым элементом встречно, направленным дополнительным диоДом. В целях расширения диапазона плавного движения дроссель снабжен обмоткой подмаг ничивания и в устройстве установлены БТО рой дополнительный ключ и элемент ИЛИ подключенный входами к входам коммута тора, а выходом - к входу второго допол нительного ключа, связывающего обмотки подмагничивания дросселей.- всех каналов и одним из источников питания. Устройство также содержит преобразователь частота-аналог, пороговый элемент и третий дополнительный ключ, выход которого подключен к входу первого дополнительного ключа каждого канала, а вход через пороговый элемент - к вы- ходу преобразователя частота-аналог, соединенного входом с элемента ИЛИ, ТакоеВыполнение устройства позволяе в области низких частот уменьшить кратность форсирования процессов изменения тока в фазах за счет отключения высокого напряжения, снизить скорость на- расташш и спадания тока в области низ ких частот за счет увеличения постоянно времени фазы и регулировать постойкную времени фазы в фушшии частоты, обеспечивая оптимальную, с точки зрения качества движения, форму фазного тока. На фиг. 1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.

7282O5 2 показаны временные: диаграммы тока и напряжения 0 на фазе двигателя в области низких частот управле1шя; на фиг. 3 - аналогичные диаграммы в области высоких частот. Устройство содержит многоканальный коммутатор, каждый канал которого включает в себя основной ключевой элемент 1, фазу 2 двигателя, связанную с источником питанияпостоянного тока низкого уровня и через разделительный диод 3 и рабочую обмотку 4 дросселя, и вспомогательный ключ 5, соединяюший фазу 2 с источником питания высокого -уровня Ug , Фаза 2 связана также с общей шиной обоих источников и и и в через встречно включенный диод 6, с шиной источника U, через диод 7 и с источника U/| через дополнитель.ный ключ (тиристор) 8, Обмотки подмагничивания 9 дросселей всех каналов подключены к источнику питания низкого уровня и .через дополнител1ный ключ 1О. и могут быть, соединены между собой последовательно или параллельно. Управление ключевыми элементами 1 коммутатора осуществляется от расяфё- делителя 11 импульсов, выходы которого подключены к входам ключевых элементов 1 непосредственно, а к входам ключевых элементов 5 через узел 12 задания длительности форсирования, выполненный, например-, в виде элемента сравнения 13 и триггера 14. Вход элемента сравнения подключен к резистору 15 обратной связи . Входы направления движения В и Н распределителя 11 через элемент ИЛИ 16 подключены к входам ключа 10, а через элемент ИЛИ 16, преобразователь частота-аналог 17, пороговый 18 и ключ 19 - к входу тиристора 8,. Выход ключа 19 подключен также через инвертор 20 к одному их входов элемента И 21, установленного в цепи отпирания ключевого элемента 5, Устройство работает следующим образом. При поступлении управляющих им- : пульсов с частотой fa на один из входов(ВилиН) распределителя 11 импульсоз на его выходах образуется многоканальная последовательность прямоугольгных импульсов, обеспечивающих отпирание ключевых элементов 1, коммутирук щих в заданной последовательности фазы 2 двигателя и разрешающих работу вспомогательных ключевых элементов 5, 1 осуществляющих форсирование процессов нарастания и спадания тока в фазах 2 двигателя за счет приложения к ним в переходные моменты времени повышенного напряжения Ug (фиг. З). Если шаговый двигатель работает в области низких частот, при которых ток 1ф в фазе за время включенного состояния (фиг. 2) успевает достигнуть установившегося значения при низком уровне напряжения питания J,, то вспомогательные ключи 5 запираются и высо коенапряжение фазы двигателя не поступает. Граничная частота, до которой ключи 5 заперт ы, определяется настройкой порогового, элемента 18, напряже- ние на входе которого, поступающее с пр образователя частота - аналог 17, пропорционально частоте входных импульсов . .Импульсы на преобразователь 17 поступают со входов распределителя 11 через элемент ИЛИ 16. Элементы 16, 17, 18, и 19 образуют измеритель частоты (скорости шагового двигателя). который может быть выполнен не только по приведенной структуре, но и любым другим образом. При ivj fj.( f 5- Граничная частота диапазона низких частот, определяемая настройкой порогового элемента 18) ключ 19 находится в проводящем состо нии, отпирая тиристоры 8 и через инвертор20, запирая цепи включения ключевых элементов 5. Такое состояние элеме тов схемы обеспечивает ее работу с низким напряжением U , вызывающим, как это следует из диаграмм на фиг. 2, замедленное нарастание тока 1 ф и спадание его по цепи: фаза 2, тиристор 8, рабочая обмотка 4 дросселя, диод 3, фаза 2. Однако даже при подаче на фазь 2 шагового двигателя низкого нйпря;жения и , величина которого выбирается равной ф-ф- U, где Зф- номинальный ток фазы; Иф активное сопротивление цепи фазы; kU - падение напряжения на ключевых элемен тах и диодах в цепи фазы, ток в област низких частот нарастает слишком быстро что вызывает нежелательные колебания ротора при отработке каждого шага. Колебания угла и скорости в области ни ких частот, обусловленные скачкообразным нарастанием тока, увеличивают дина мическую ошибку, ухудшают качество движения, что отрицательно сказывается на работе механизмов, приводимых в движение двигателем, и может, вызвать сбои, , в работе самого шагового двигателя (особенно в области частот электромеха- ническохх резонанса, когда частота выходных импульсов совпадает с частотой собственныхколебаний привода). Для уменьшения колебаний угла и скорости двигателя в области низких частот необходимо еще в большей степени замедлить процесс нарастания и спадания тока в фазах. В описываемом устройстве это достигает- ся введением в цепь фазы 2 дроссели и тиристора 8. Увеличение индуктивности в цепи фазы 2 обеспечивает снижение ско- рости изменения тока 1 ф в сравнении с естественным процессом (соответствующие кривые тока 1ф показаны на фиг. 2 .тиром), имеющим место при отсутствии дополнительной.индуктивности в цепи фазы. Фиксированные значения постоянной времени фазы двигателя напряжения U обеспечивают оптимальную с точки зрения качества движения форму кривой фазного тока только при одном значении частоты j. Поскольку двигатель работает при переменной частоте управления, то для сохранения нагрузочной способности и обеспечения требуемого качества движения при изменении частоты , необходимо регулировать скорость нарастания и спадания тока в функции частоты, Это достигается введением в дроссель обмотки подмагничивания 9. Ключ 10 отпирается на время -Ь .-const с частотой f- , обеспечивая изменение средне1Х1 напряжения на обмотках подмагничиванияи, следовательно, тока подмагничивания пропорционально частоте управляющих импульсов. Увеличение тока подмагничивания дросселя с ростом частоты приводит к уменьшению его индуктивности, т.е. обеспечивает увеличение скорости изменения фазного тока двигателя с ростом частоты. Автоматическое изменение параметров фазы двигателя в функции частоты позволяет сохранить оптимальную форму кривой тока во всем диапазоне низких частот. При увеличении частоты выше граничной, т.е. при , пороговый элемент 18 закрывается и снимается управляющий сигнал с тиристоров 8. Одновременно снимается сигнал запрета .с элемента 772 И 21, что обеспечиБает периодическое включение ключевого элемекга 5и11одач на фазы 2 напряжения в соответствии с диаграммой на фиг. 3. Снятие сигнала -управления с тиристоров 8 обеспечивает их автоматическое запирание встречно приложенным напряжением U без введени дополнительных коммутирующих элементов Пере&тройкХ структуры схемы при ,. 1ФИВОДИТ к тому, что при отпирании ключевого элемента 1 по цепи: элемент И 21 и триггер 14, отпирается ключевой эле.мент 5, обеспечивая подачу на фазу 2 высокого напряжения U (фиг, 3). Под действием этого напряжения происходит ускоренный (форсированный) процесс нарастания тока i до значения, определенного порогом срабатывания элемента сравнения 13. Сигнал обратной связи по току снимается с резистора 15. При срабатывании элемента сравнения триггер 14 отключает ключевой элемент 5. Поскольку в момент,коммутации ключевого элемента 5 ток в рабочей обмотке 4 дросселя не равен току в фазе 2 двигателя, в схеме предусмотрев диод обеспечивающий прохождение тока в фазе 2 до момента нарастания тока в обмотке 4 дросселя. Запирание ключевого элемента 1 в конце такта коммутации (фиг. З) обеспе чивает форсированное спадание тока 1ф по цепи: фaiзa 2, диод 7, встречно включенный источник и,2 , диод 6, фаза 2. При Этом энергия, накопленная электро- магнитным полем фазы 2, рекуперирует ся в источник Uj. Таким образом, устройство, выполне ное согласно изобретению, обеспечивает улучшение качества, движения двигателя в области низких часЛгот при сохранении динамических характеристик и диапазона рабочих частот привода. Автом атйческая перестройка структур устройства обеспечивает оптимальные, с точки зрения качества движения и нагрузочных свойств, условия функционирования шагового привода. Формула изобретения 1. Устройство для управления шаговы двигателей, содёржшцёе мнргоканальнь1й 5 коммутатор, каждый канал которого включает в себя основной ключевой элемент, связывающий первую клемму фазы двигателя с общей шиной источников питания постоянного тока низкого ji высокого уровней, и вспомогательный ключевой элемент, связывающий щину источника высокого уровня с Второй клеммой фазы двигателя, подключенной к одноименной шине источника низкого уровня через разделительный диод, отличаю щ е е с-я тем, что, с целью повышения плавности и устойчивости движения двигателя в области низких частот, в каждом канале установлены дроссель, дополнительные диод и ключ, например тиристор, соединяющий первую клемму фазы двигателя с шиной источника низкого уровня, подключенной через дроссель к второй клемме фазы двигателя, шунтированной совместно с основным ключевым элементом встречно направленным дополнительным диодом. 2.Устройство ПОИ.1, отличающееся тем, что, с целью pac-i ширения диапазонаПлавного движения, дроссель снабжен обмоткой подмагничивания и установлены второй дополнительный ключ и элемент ИЛИ, подключенный входами к входам коммутатора, а выходом - к Входу второго дополнительного ключа, связывающего обмотки подмагничивания дросселей всех каналов с одним . из источников питания. 3.Устройство прп.2, отли - чающе-еся тем, что оно содержит преобразователь частота-аналог, пороговый элемент и третий дополнитёльньгй ключ,,выход которого подключен к входу первого дополнительного ключа каждого канала, а вход через пороговый элементR.выходу преобразователя частота-ана лог, соединенного входом с выходом элемента ИЛИ. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под ред. М.Г.Чиликина. М., Энергия, 1971, с. 237-244, 2.Патент США № 3757193, кл. 318-696, 1973.

:.Л

, :-:t v- :

. л/«f 5й ;-А ,.. ; .,;i: - . ...--л- -; ,-W .

728205

Иф

ц

Ф