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

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

12

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управлению шаговыми двигателями, и может быть использовано, например, в приводах подач станков с программным управлением, координатографах и т.д.

Известно устройство для управления многофазными шаговыми двигателями, содержащее распределитель импульсов и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает основной ключ, связывающий фазу, двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания высокого уров:ня и подключенный своим входом к входу основного ключа через временной элемент, задающий длительность импульса форсирования 1

Недостатком этого устройства является большая погрешность в отработке шага при несимметричной коммутации, когда при изменении числа од- новременно включенных фаз двигателя изменяется его максимальный статический момент. Кроме того, изменение фазных токов при колебаниях

напряжения источника питания вызывает дополнительные потери в фазах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для управления многофазным шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает ос10 . новной ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя.

15 q источником питания высокого уров- ня, стабилизатор тока с силовым и управляющим входами и выходом и элементы ИЛИ 2 J.

Недостатком известного устройст.20 ва также явдяется погрешность в отработке шага при несимметричной коммутации фаз и увеличенные потери в двигателе при максимальном, числе включенных фаз и в ,режиме стоянки.

25

Цель изобретения - повышение КПД и точности отработки шага при неримметричной коммутации фаз двигателя .

Поставленная цель достигается тем,

30 что в устройстве для управления многофазным шаговым двигателем, содержащем распределитель импульсов, мно гоканальный усилитель, стабилизатор тока и элементы ИЛИ, введены элементы И по числу фаз двигателя с числом входов, .равным половине числ фаз , два дополнительных ключа, инвертор и дополнительные стабилизато ры тока, число которых на единицу меньше половины числа фаз, причем все стабилизаторы тока подключены своими силовыми .входами кисточнику питания низкого уровня, выходами к разделительным диодам каналов уси лителя мощности, взятых через два, а управляйадими входами - к выходам обоих дополнительн1ых ключей, связан ных управляющими входами с выходом элемента ИЛИ - один непосредственно а другой через инвертор, а входы элементы ИЛИ соединены с выходами всех элементов И, каждый из которьрс подключен к входам основных ключей усилителя мощности смежных каналов со смещением подключения входов последуквдего элемента И относительно предыдущего на один канал. ГСроме того, в устройство введены третий, четвертый, пятый и шестой дополнительные ключи, второй инвертор и формирователь длительности импульсов, подключенный входами к . входам распределителя, а выходом управляющим входам третьего и четвертого ключей непосредственно, а пятого и шестого - через второй инвертор, выходы третьего и четвертого ключей подключены к сигнальному входу первого дополнительного ключа а пятого и шестого ключей - к сигна ному входу второго дополнительного ключа. Такое выполнение устройства позволяет уменьшить различие в максимальных моментах шагового двигателя при различном числе одновременно возбужденных фаз за счет регулирова ния токов в фазах. Одновременно уме шение фазных токов при максимальном числе одновременно возбужденных фаз приводит к повышению КПД. Этому спо бствует и снижение тока в фазах дви гателя в режиме стоянки. На фиг.1 приведена функциональная схема устройства применительно шестифазному шаговому двигателю с двенадцатитактной несимметричной коммутацией; на фиг.2 - ве1 :торные диаграммы моментов шестифазного дви гателя при различном, числе одновременно включенных фаз. Устройство содержит распределитель импульсов 1, подключенный выходами к входам многоканального уси лителя мощности 2. Каждый канал усилителя 2 включает основнрй 3 и вспомогательный 4 ключи, подключающие фазу двигателя 5 к источнику постоянного тока низкого уровня и, через разделительный диод б, а к источнику высокого уровня и - непосредственно. Длительность включения вспомогательного ключа 4 задается временным элементом 7. Фаза 5. шагового двигат.еля связана с источником высокого уровня через диод 8. Между источником питания низкого уровня и и разделительными диодами 6 включены стабилизаторы тока 9 (они могут быть выполнены как параметрическими, так и импульсными).Уставки тока на входах всех стабилизаторов изменяются посредством ключей 10-15, на вхбды которых подаются сигналы с шин уставок тока ГТ ст.мин; О ст. макс; IT вр.мин; J вр. макс. Управление ключами 10 и 11 осуществляется от дешифратора режима коммутации, выявляющего число одновременно возбужденных фаз. Дешифратор построен на элементе ИЛИ 16 и элементах И. 17. Ключ 10 соединен с выходом элемента ИЛИ 16 непосредственно, а ключ 11 - через инвертор 18 Управление ключами 12-15 осуществляется от измерителя скорости (частоты управления) шагового двигателя, выполненного, например, в виде . элемента ИЛИ 19, и формирования длительности импульсов 20. Ключи 12 и 14 связаны с выходом формирователя 20 непосредственно, а ключи 13 и 15 - через инвертор 21. При выполнении распределителя импульсов 1 по схеме с одним тактовым (сигнальным) входом и двумя вхо- . дами направления движения элемент ИЛИ 19 исключается из измерителя скорости. Устройство работает следующим образом. При отсутствии на входах В или Н распределителя 1 импульсов управления fy на его выходах устанавливается определенная комбинация сигналов единичного и нулевого уровней, соответствующая некоторому числу одновременно возбужденных фаз 5 шагового двигателя. Применительно к шестифаэному шаговому двигателю, управляемому по двенадцатитактной системе коммутации, одновременно может быть воебуждено либо две, либо три фазы (фиг.2). При возбуждении двух фаз 5 результирукяций момент составл 1ет, например для фаз, создающих моменты Vl тл м Н 11 число тактов коммутации фаз где п шагового двигателя ( для двенадцатитактной ком-. мутации); максимальный статический момент одной фазы.

Для шестифазного двигатели при двух возбужденных фазах момент равен

М .2М -cos . | 1,73MJ. /i-j, лл ь rtV

При возбуждении трех фаз результирующий момент, обусловленный, например моментами М ; М (фиг.2) составит для шестифазного двигателя

М 2М.. . itb . W

Несимметричная кокниутация шагового двигателя характеризуется, как правило, изменением числа одновременно возбужденных фаз на единицу при максимальном числе одновременно возбужденных фаз, близком к половине числа фаз двигателя (с округлением в большую сторону при нечетном числе фаз). Таким образом, при двенадцати тактной системе коммутации шестифазного шагового двигателя., характеризукадейся поочередным врзбуждени то двух (М ) , то трех (М- . фаз 5,результирующий момент изменяется .приблизительно на 15%, так как

М.г-

2-1,73

0,156. 1,73 i

Изменение максимального момента от одного такта коммутации к другому приводит к погрешности в отработке шага, поскольку величина угла поворота ротора двигателя & является {функцией максимального значения ребультирующего момента

Мн

& arcsin

М,

мр

где MH -. момент нагрузки;

максимальное значение результирующего момента, равное Н).1 при двух возг бужденных фазах и М. при трех фазах. Уменьшение тока двигателя при трех одновременно возбужденных фазах позволяет исключить колебания результирующего момента, уменьшив погрешность в отработке шага и снизив одновременно потери. В описываемой схеме это Достигается введением трёх стабилизаторов 9 тока (они могут быть любого типа), управляющие входы которых- подключены к выходам двух ключей 10 и 11. На сигнальные входы ключей 10 и 11 подаются сигналы уставрк тока, соответствующие трем (3 мин) и двум (J макс возбужденным фазам. Эти сигналы могут поступать непосредственно с шин уставок тока (как показано пунктиром на фиг.1), если ток в фазах 5 двигателя сохраняется неизменным как в стоянке (f i Р® 1жиме вращения (f 0)Т В большинств

случаев момент шагового двигателя в режиме стоянки может быть снижен (путем уменьшения тока) без ущерба , для качества работы системы. Для иэменения тока в фазах 5 в режимах 5 вращения и стоянки в схему введены ключи 12-15, связывающие сигнальные входы ключей 10 и 11 с шинами уставок тока и ст. мин; tl ст. макс; 3 вр. мин; ГГ вр. макс.

10

Значение уставки тока на входах стабилизаторов 9 и соответственно IB фазах 5 определяется состоянием элементов, контролирующих режимы возбуждения двигателя.В режиме стоянки (f 0) на выходе формирователя длительности импульса 20 вырабатыва тся сигнал логического нуля. При этом закрыты ключи 12 и 14 и через инвертор 21 открыты (находятся в проводящем состоянии) ключи

20 13 и 15. В этом случае на сигнальные входы ключей 10 и 11 поступак т сигналы уставок J ст. мин и J ст. макс., соответствуннцие режиму стоянки (пониженное значение тока в фазах). При этом уставка J ст.мин соответствует трем возбужденным фазам 5, а уставка ZT ст. макс - двум фазам. Уставки тока на входах стаOQ билизаторов 9 будут определяться

при этом числом одновременно возбужденных фаз 5.

При трех возбужденных фазах 5, что соответствует наличию единичного сигнала на любых трех выходах

5 распределителя 1, один из логических элементов И 17 выявляет эту комбинацию и вырабатывает на своем выходе также сигнал логической единицы, который проходит через эле0мент ИЛИ 16 на вход ключа 10 и отпирает его (переводит в проводящее состояние). Нулевым сигналом на выходе инвертора 18 при этом запирается ключ 11. В результате на управляющие входы всех стабилизаторов 9 поступает сигнал I ст. мин. Если сигнал логической единицы присутствует только на двух выходах распределителя 1 (любых), все элементы 0 И 17 (их число должно быть равно числу фаз двигателя) вьорабатывают сигнал логического нуля, который через элемент ИЛИ 16 и инвертор 18 отпирает ключ 11 и запирает ключ 10. 5 При этом на входы стабилизаторов 9 поступает сигнал уставки I ст.макс., соответствующий двум возбужденным фазам.

В режиме вращения (f j 0) при частоте, большей граничной, на выходе формирователя будет постояннее присутствовать сигнал логической единицы, отпирающий ключи 12 и 14 .и запирающий ключи 13 и 15 через 5 инвертор 21. При этом на вхолы клю чей 10 и 11 поступят сигналы СС вр.м 3 вр.макс, соответствующие режиму вращения (повышенный или номинальный ток в фазах). Эти уставки будут переключаться ключами 10 и 11 по сигналам, элемента ИЛИ 16. Функции измерителя скорости, образованного элементами 19 и 20, мо.гут быть заменены внешней командой, поступающей на шину Режим работы от внешнего устройства (показана пунктиром на фиг.1). В режиме вращения распределитель 1 коммутирует фазы 5 в определенной последовательности посреДством ключей 3 и 4. При включении клк ча 3 временной элемент 7 включает на некоторое время ключ 4. В резуль тате к фазе 5 впервый момент времени прикладывается повышенное напряжение и, форсируквдее процесс нарас тания тока. Когда т.ок в фазе 5 дост гает заданного значения, ключ 4 зап рается и фаза 5 подключается ю одному из стабилизаторов 9 через разделительный диод б. Число стабилизаторов 9 должно быть равно максимальному числу одновременно возбужденных фаз ( для шестифйзного двига теля три), что соответствует, как правило, половине числа фаз. К каждому стабилизатору 9 при этом подключается через разделительные диоды б две фазы. Стабилизатор 9 ускоряет процесс установления тока в возбужденной фазе 5, поддерживает его постоянным во всех режимах рабо ты при колебаниях напряжения питания и изменении параметров двигателя (например, нагрев обмоток, технологический разброс параметров и т.д.). Наличие стабилизаторов 9 делает предлагаемое устройство не критичным к изменению параметров .двигателя и позволяет исключить дополнительную настройку схемы при за мене двигателя, а такЖе предотвращает выход из строя источника низкого напряжения при закорачивании фазы двигателя. Предлагаемая схема включения всп .могательного ключа 4 не является единственной . Управление ключом 4 может осуществляться как от временного элемента 7 (как показано на фиг.1), так и в функции фазного тока с помощью цепи обратной связи по ;току. После отключения фазы 5 ключом 3 накопленная в ней электромагнитная энергия рекуперируется в источник п танин и по цепи стабилизатор 9-диод 6 - фаза 5 - диод 8 - встречно включенный источник . Применение предлагаемого устройства позволяет повысить надежность привода, уменьшить погрешность при отработке шага и повысить КПД. Формула изобретения 1 о Устройство для управления многофазным шаговым двигателем, содёр-. жащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает в се бя основной ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделир елъный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания высокого уровня, ста,билизатор тока с силовыми и управляющими входами и выходом и элементы ИЛИ, отличающеес я тем, что, с целью повышения КПД и точности отработки шага при несимметричной коммутации фаз двигателя, введены элементы И по числу фаз. двигателя с числом входов равным половине числа фаз, два дополнительных ключа, инвертор и дополнительные стабилизаторы тока, число которых на единицу меньше половины числа фаз, причем все стабилизаторы тока подключены своими силовыми входами к источнику питания низкого уровня, выходами - к разделительным диодам каналов усилителя мощности, взятых через два, а управляющими входами - к выходам обоих дополнительных ключей, связанных управляющими входами с выходом элемента ИЛИ - один непосредственно, а другой через инвертор, а входы элемента ИЛИ соединены с выходами всех элементов И, каждый из которых подключен к входам основных ключей усилителя мощности смежных каналов со смещением подключени входов последующего элемента И относительно предыдущего на один канал. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введены третий, четвертый, пятый и шестой дополнительные ключи, второй инвертор и формирователь длительности импульсов, подключенный входами к входам распределителя, а выходом к управляющим входам третьего и четвертого ключей непосредственно, а пятого и шестого - через второй инвертор, выходы третьего и четвертого ключей подключены к сигнальному входу первого дополнительного ключа, а пятого и шестого ключей - к сигнальному входу второго дополнительного ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Луценко В.Е. и др. Электропривод с шаговыми двигателями ВИНИТИ. Электропривод и автоматизация промышленных установок . Том.б, 1978, с. 59-60.

2. Авторское свидетельство СССР 551788, кл. Н 02 Р 7/62, 1975.

«t

ff

i/t

HUH iBpfow. IcmftaJic. .Ifm./raiiA flexcu/f ffaSo/fr6/ ff ffMfof/fezo jfc/n/ffft/c/rnifa ftti.f 8 /y

J

ffe