Устройство для управления шаговым двигателем Советский патент 1982 года по МПК H02P8/12 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления с шаговыми двигателями, например, в системах числового программного управления металлорежущими станками, координатографами и т.д.

Известны устройства для управления шаговым двигателем, содержащие распределитель импульсов и многоканальный усилитель мощности, коммутирующий фазы шагового двигателя.

Одни из такого рода устройств обеспечивают управление шаговым двигателем от одного источника питания без форсирования процессов нарастания тока в фазах или с форсированием путем повышения уровня напряжения источника питания и введения последовательно с фазой двигателя токоограничивающего резистора 1.

Эти устройства просты, но либо работают в узком диапазоне частот (при отсутствии форсирования), либо имеют низкий КПД (при введении токоограничивающих резисторов) .

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого содержит первый ключевой элемент, подключенный входом к соответствующему выходу распределителя и связывающий общую шину питания источников напряжения высокого и низкого уровней с одной из клемм фазы двигателя, подключенной второй клеммой через разделительный диод к источнику питания низкого уровня и к источнику питания высокого уровня через второй ключевой эле10мент, соединенный входом с выходом формирователя длительности форсирования 2.

Недостатком такого устройства является зависимость тока в фазе двигателя при форсировании от колебаний напряжения ис15точника питания высокого уровня. При импульсном форсировании процессов нарастания тока в фазе двигателя длительность импульсов форсирования выбирается постоянной. Колебания напряжения питания

20 (обычно для этих целей используют нестабилизированные источники питания) приводят либо к превышению тока в фазах двигателя выше номинального (что увеличивает нагрев двигателя), либо к снижению его

ниже номинального, что уменьшает нагрузочную способность двигателя.

Применение же стабилизированного источника нитания для шагового двигателя усложняет устройство для его управления.

Цель изобретения - упрощение устройства и повышение нагрузочной способности двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что формирователь длительности импульса форсирования снабжен элементом И, пороговым элементом, ограничителем и интегр4.;руюшей цепью из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенной последним к обшей шине источников питания, резистором - к источнику питания высокого уровня, а общей точкой соединения резистора и конденсатора - к ограничителю и входу порогового элемента, связанного выходом с одним входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу распределителя соответствующего канала, а выход - ко входу второго ключевого элемента.

Кроме того, введен инвертор и третий ключевой элемент, подключенный параллельно кйнденсатору интегрирующей цепи и соединенный своим входом с выходом распределителя соответствующего канала через инвертор.

В устройство введен диод, связывающий обшую точку соединения конденсатора и резистора интегрирующей цепи с общей точкой соединения первого ключевого элемента и клеммы фазы двигателя смежного, работающего в противофазе, канала усилителя мощности, и введена шина выбора диапазона рабочих частот, к которой подключены третьи входы элементов И всех каналов.

Такое выполнение устройства обеспечивает автоматическое изменение длительности импульса форсирования при изменении напряжения питания высокого уровня, что приводит к стабилизации максимального значения тока в фазах двигателя, а следовательно, позволяет полностью использовать нагрузочные свойства двигателя без перегрева его обмоток.

На фиг. I приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу отдельных элементов устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит распределитель 1 импульсов, имеющий два входа В (условное направление движения Вперед) и Н (условное направление движения Назад), на которые от программного устройства (не показано) поступают поочередно импульсы управления f . Выходы распределителя I импульсов подключены ко входам многоканального усилителя мощности, каждый канал которого включает в себя первый ключевой элемент 2 (например транзистор), второй ключевой элемент 3 (например транзистор), фазу 4 двигателя, разделительные диоды 5,и 6, связывающие фазу 4 с источниками постоянного тока низкого UH и высокого UB уровней соответственно.

Каждый канал усилителя мощности снабжен формирователем длительности импульса форсирования, образованным элементом И 7, пороговым элементом 8, интегрирующей цепью из резистора 9 и конденсатора 10, разрядной цепью из диода И, резистора 12 и ограничителя 13 (например стабилитрона). В зависимости от варианта выполнения формирователя он может содержать третий ключевой элемент 14, вход которого связан через инвертор 15 с соответствующим выходом распределителя 1 (входом первого ключевого элемента 2), или диод 16, связывающий общую точку соединения конденсатора 10 и резистора 9 с общей точкой соединения первого ключевого элемента 2 и фазы 4, работающего в противофазе смежного канала (связи показаны на чертеже пунктиро.м). Такое выполнение формирователя, упрощающее его схему, возможно лищь при си.мметричной коммутации фаз (например, для четырехтактной коммутации 4-х фазного двигателя, 6-ти тактной коммутации 6-ти фазS ного двигателя и т.д.).

Для обеспечения плавности движения в области низких частот и повыщения КПД привода отключают источник повышенного напряжения Ug. С этой целью в устройство

введена щина 17 выбора диапазона рабочих частот.

Сущность изобретения не изменяется, если, например, не каждый канал усилителя мощности содержит формирователь длиJ тельности импульса форсирования. Допустима работа одного формирователя на два и более каналов, в том числе и одного формирователя на все каналы усилителя мощности. Устройство работает следующим образом.

0 Распределитель 1 импульсов вырабатывает на каждом из своих выходов систему сдвинутых по фазе прямоугольных импульсов напряжения (на фиг. 2 показаны сигналы Ui; U2 на двух работающих в противофазе выходах распределителя 1). Сигнал Оз Ц , т.е. его получают как с соответствующего выхода распределителя (при сим.метричной коммутации), так и с выхода инвертора 15, подключенного к выходу Ui распределителя 1.

Кроме того, этот сигнал соответствует и сигналу на выходе ключа 2, подключенному к выходу U2 распределителя. Сигнал U2 обеспечивает запирание ключевого элемента 14 и включение, тем самым, интегрирующей цепи 9-10. Напряжение U (фиг. 2) на конденсаторе 10 при запирании ключевого элемента 14 меняется по закону, близкому к линейному.

При поступлении на вход ключевого элемента 2 сигнала Ui с распределителя 1 происходит замыкание ключевых элементов 2 и 3, что приводит к подаче на фазу 4 напряжения OB высокого уровня (сигнал U на фиг. 2), вызывающего форсированное нарастание тока i . Включение ключевого элемента 3 при поступлении сигнала J обеспечивается наличием на входах элемента И 7 сигналов, соответствующих логической единице (сигнал U и сигнал Uqj с выхода порогового элемента 8). Сигнал на выходе порогового элемента 8 соответствует логической единице до тех пор, пока ,, где Un -напряжение срабатывания (порог срабатывания) порогового элемента 8. При достижении условия Uc Un пороговый элемент 8 включается и сигнал Ucp на его выходе становится равным логическому нулю. Это приводит к запиранию элемента И7 и отключению ключевого элемента 3. При этом фаза 4 двигателя через диод 5 подключается к источнику UH низкого уровня (U на фиг. 2). После отключения сигнала U (когда он соответствует логическому нулю) запирается и ключевой элемент 2. К фазе 4 через диод 6 прикладывается встречное напряжение Ug - U, что вызывает форсированное спадание тока в ней и рекуперацию накопленной электромагнитной энергии в источник питания Ug. Когда U, равно нулю, сигнал U2 Ui принимает значение логической единицы и открывает ключ 14, вызвав, тем самым, разряд конденсатора 10, т.е. обеспечив установку интегрирующей цепи 9-10 в исходное состояние. Для ограничения тока разряда конденсатора 10 предусмотрен резистор 12, который блокируется диодом 11 при заряде конденсатора 10.

При подаче на шину 17 сигнала логической единицы, устройство работает так, как описано выше. Подача на шину 17 сигнала логического нуля обеспечивает отключение ключей 3 всех каналов. В области низких частот работа двигателя от источника пониженного уровня UH обеспечивает замедленное нарастание тока в фазах и более плавное движение ротора при отработке шага.

При симметричной коммутации фаз двигателя всегда имеется фаза (канал усилителя мощности), работающая в противофазе (сигналы U,, Uj на фиг. 2). В этом случае функции ключевого,элемента 14 может выполнять ключевой элемент 2, смежного канала. Связь ключевого элемента 2 канала U2 через диод 16 (показана пунктиром на фиг. 1) обеспечивает разряд конденсатора 10 при . При этом ключевой элемент 14 и инвертор 15 могут быть исключены.

В общем случае при несимметричной коммутации фаз 4 двигателя формирователь длительности импульса форсирования снабжен

ключевым элементом 14 и инвертором 15. Такой вариант выполнения формирователя является универсальным и пригоден для любого вида коммутации.

Изменение напряжения U приводит к изменению наклона прямой U (пунктирные линии на фиг. 2), что при неизменном пороге срабатывания Up const порогового элемента 8 приведен к изменению длительности импульса форсирования от (при Ug, равном максимальному значению) до (при Ug, равном минимальному значению). Настройка системы производится на среднее значение напряжения, обеспечивающее длительность импульса форсирования, равную to (сплошная линия на фиг. 2).

5 Зависимость длительности импульса to форсирования от напряжения Ug вытекает из следующих соотношений. При Uj. Ug можно с достаточной степенью точности считать, чтоU(.,

0 где С - емкость конденсатора 10.

Следовательно, при уменьшении UB скорость заряда конденсатора 10 (наклон Uc) уменьшается, что приводит к увеличению длительности импульса форсирования и,

5 наоборот, при увеличении Ug скорость заряда конденсатора 10 возрастает, вызывая уменьшение t. Поскольку максимальное значение тока i в фазе 4 двигателя при форсировании не зависит от активного сопротивления, а определяется в основном индуктивностью L фазы, то при L const

N -. to-const

Постоянство IM делает независимой нагрузочную способность двигателя, а также егс

5 нагрев от колебаний напряжения питания. Это позволяет использовать нестабилизированные источники питания, что упрощает устройство, снижает его габариты и вес и повышает КПД.

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет снижения стоимости источника питания, уменьшения габаритов и веса устройства и повышения его КПД.

45

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

t

лиг. 2.