Устройство для управления шаговым электродвигателем

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ по авт. св. № 736333, отличаю-, щ е е с я тем, что, с целью повышения точности позиционирования и КПД,введены источник опорного напряжения , шесть дополнительных аналоговых ключей, дополнительный инвертор и два блока умножения, первый вход одного из которых подключен к выходам первого, второго, третьего и четвертого основных ключей, первый вход другого блока умножения - к выходам основных ключей - с пятого по восьмой, вторые входы обоих блоков умножения соединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входгииси соответственно с выходом фазочувствительного усилителя и источником опорного напряжения, выход одного из блоков умножения подключен через третий и пятый дополнительные ключи к входу одноименного усилителя мощности, а выход другого блока умножения через четвертый и g шестой дополнительные ключи - к вхо (Л |ДУ другого усилителя мощности, управляющие входы первого, третьего и шестого дополнительных ключей соединены с выходом порогового устройства через дополнительный инвертор , а второго, четвертого и пятого дополнительных ключей - непосредственно .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„.SU„„1032584 А

ЗЮО Н 02 Р 8 00

И ABTOPGHOMY СВ ЙТЕЛЬСТВУ (61) 736333 (21) 3350860/24-07 (22) 04.11.81 (46) 30.07 ° 83. Бюл. II 28 (72) В.К. Цаценкин В.П. Рубцов, Т.С. Юргенсон, Ю.М. Беленький, В.П. Введенский и В.И. Селиверстов чен к выходам первого, второго, третьего и четвертого основных ключей, первый вход другого блока умножения — к выходам основных ключей — с пятого по восьмой, вторые входы обоих блоков умножения соединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входами соответственно с выходом фазочувствительного усилителя и источником опорного напряжения, выход одного иэ блоков умножения подключен через третий и пятый дополнительные ключи к входу одноименного усилителя мощности, а выход другого блока умножения через четвертый и шестой дополнительные ключи — к вхо ду другого усилителя мощности, управляющие входы первого, третьего и шестого дополнительных ключей соединены с выходом порогового устройства через дополнительный инвертор, а второго, четвертого и пятого дополнительных ключей — непосредственно, (53) 621. 313. 13-133. 3-525 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 736333, кл. Н 02 Р 8/00, 1977. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ по авт. св. 9 736333, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности позиционирования и

КПД,введены источник опорного напряжения, шесть дополнительных аналоговых ключей, дополнительный инвертор и два блока умножения, первый вход одного из которых подклюГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИOTHPbITHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1032584

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для управления шаговым электродвигателем, и может быть использовано в научных приборах, оптико-механических устройствах совмещения изобра- 5 жений, в электромеханических устройствах отббражения информации, станках и установках.

По основному авт. св. Р 736333 известно устройство для управления 10 шаговым электродвигателем, содержащее усилители мощности, питающие фазы электродвигателя, распределитель импульсов, пороговое устройство, ключевое устройство, генератор импульсов, фазочувствительный усилитель, сравнивающий элемент, восемь аналоговых ключей, два инвертора и два функциональных преобразователя Г1 J.

Входы функциональных преобразо- Ж в ат еле и соеди иены с выходом фа з очувствительного усилителя, выход одного преобразователя связан с входом первого инвертора и аналоговыми входами первого и шестого ключей, 25 выход другого преобразователя — с . входом второго инвертора и аналого-., выми входами четвертого и пятого ключей, выход первого инвертора подсоединен к аналоговым входам ЗО третьего и восьмого ключей, выход второго инвертора — к аналоговым входам второго и седьмого ключей, выходы первого, второго, третьего и четвертого аналоговых ключей соединены с входом одного из усилителей мощности, выходы ключей с пятого по восьмой — с входом другого усилителя мощности, а четыре выхода распределителя импульсов связаны соответственно с управляющими входами первого и пятого, второго и шестого, третьего и седьмого, четвертого и восьмого аналоговых ключей.

В указанном устройстве точность g5 слежения и позиционирования ограничены иэ-за того, что вблизи точки рав.,овесия электромагнитный момент шагового электродвигателя уменьшается пропорционально углу рассогласования между векторами магнитных полей статора и ротора двигателя,, а электрические потери остаются практически неизменными.

Цель изобретения — повьыение точности и КПД устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления шаговым электродвигателем введены источник опорного напряжения, шесть дополнительных аналоговых ключей, дополни- 60 тельный инвертор и два блока умножения, первый вход одного из .которых подключен к выходам первого, второго, третьего и четвертого основных ключей, первый вход другого блока умножения — к выходам основных ключей — с пятого по восьмой, вторые входы обоих блоков умножения соединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входами соответственно,с выходом фазочувствительного усилителя и источником опорного напряжения, выход одного из блоков умножения через третий и пятый дополнительные ключи подключен к входу одноименного усилителя мощности, а выход другого блока умножения через четвертый и шестой дополнительные ключи — к входу другого усилителя мощности, управляющие входы первого, третьего и шестого дополнительных ключей соединены с выходом порогового устройства через дополнительный инвертор, а второго, четвертого и пятого дополнительных ключей - негосредственно.

Такое выполнение устройства позволяет вбли-и точки равновесия осуществить регулирование величины электромагнитного момента путем изменения амплитуды фазных токов в функции сигнала рассогласования, получаемогона выходе сравнивающего элемента.

При этом электромагнитный момент двигателя не зависит от угла рассогласования между векторами магнитных полей статора и ротора. Другими словами, шаговый двигатель работает в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока с регулированием электромагнитного момента в функции тока якоря, что привод т к значительному повышению КПЦ,поскольку развиваемый,цвигателем момент не бходим только для уравновешивания момента нагрузки. Кроме того, повышается точность устройства, так как устраняется влияние рассогласования векторов магнитных полей статора. и ротора на величину электромагнитного момента, На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехтактному шаговому двигателю; на фиг. 2а,б,в,г,д — примерный вид характеристик вход-выход фазочувствительного усилителя и функциональных преобразователей, на фиг. 2е — векторная диаграмма токов в фазах.

Устройство фиг . 1 ) содержит двухфазный шаговый электроцвигатель

l, вал которого связан с сравнивающим элементом "., выход которого подключен к входами порогового устрой . ства 3 и фазочувствительного усилителя 4, подсоеДыненного Одним своим выхОдОм (Й )к .-вхОдам функциональных преобразователей 5 и б. В= рой выход фазочувствительного усили еля 4.. по которому гереда=тся сигнал о знаке рассогласования,. соедин .и с входом

1032584

55 бО

65 выбора направления вращения распределителя 7 импульсов, управляющий вход которого связан с выходом ключевого устройства 8, соединенного одним входом с выходом генератора 9 импульсов, а другим — с выходом порогового устройства 3. Выход функционального преобразователя 5 связан с входом инвертора 10 и аналоговыми входами ключей 11 и 12, выход функционального преобразователя 6 — c входом инвертора 13 и аналоговыми входами ключей 14 и 15 выход инвертора 10 — с аналоговыми входами ключей 16 и 17, выход инвертора,13 — с аналоговыми входами ключей 18 и 19.

Выходы аналоговых ключей 11, 14, 16, 18 соединены с одним из входов блока 20 умножения, а выходы аналоговых ключей 12, 15, 17, 19 — с одним иэ входов блока 21 умножения, Другие входы блоков 20 и 21 связаны с выходами аналоговых ключей 22 и 23. Выход блока 20 подключен к аналоговым входам ключей 24 и 25, а выход блока 21 — к аналоговым входам ключей 26 и 27. Выходы ключей

25 и 27 соединены с входом усилителя 28 мощности, к выходу которого подсоединена фаза 29 (фаза А ) шагового двигателя, а выходы ключей 24 и 26 - с входом усилителя 30, к выходу которого подсоединена фаза

31 (фаза В ) двигателя. Аналоговый вход ключа 22 соединен с выходом фаэочувствительного усилителя 4, а аналоговый вход ключа 23 — с выходом источника 32 опорного напряжения, Выходы 33, 34, 35, 36 распределителя 7 импульсов связаны соответственно с управляющими входами аналоговых ключей 11 и 15, 12 и 18, 16 и 19, 14 и 17. Управляющие входы аналоговых ключей 22, 24

27 соединены с выходом порогового устройства 3 через инвертор 37, а управляющие входы аналоговых ключей

23, 25 и 26 — непосредственно. устройство работает следующим образом.

Вал шагового электродвигателя на:.ходится в таком положении, что сигнал рассогласования E на выЖде сравнивающего элемента 2 равен нулю.

Сигналы на выходах усилителя 4 и порогового устройства 3 отсутствуют и распределитель 7 импульсов находится в таком состоянии, что потенциал на .одном иэ его выходов открывает аналоговые ключи 11 и 15. Кроме -,.ого, потенциал на выходе инвертора 37 открывает аналоговые ключи

22, 24 и,27, В этом случае сигналы с выходов .функциональных преобразователей 5 и 6 поступают на входы блоков 0 и 21 умножения соответственно. Примерный вид характеристик вход-выход функциональных преобраэо5

50 вателей и фаэочувствительного усилителя 4 приведен на фиг. 2 а, д. Усилитель 4 обеспечивает линейную характеристику (фиг. 2, а J в пределах заданной зоны, ширина которой по входному сигналу совпадает с шагом . двигателя d-, а за ее пределами имеет место ограничение (коэффициент усиления К равен нулю).

При открытых аналоговых ключах

11 и 15 сигналА, поступающий с выхода усилителя 4 на функциональные преобразователи 5 и 6 и--преобразуемый в соответствии с функциональными зависимостями, приведенными на фиг. 2, б, попадает на входы блоков

20 и 21 умножения, обеспечивая требуемую форму фазных токов 1д и для шагового режима. Так как в исходном состоянии сигнал рассогласования = 0 и Ь = О, то в соответствии с фиг. 2, б ток 1, = О, а ток 1 максимален. Результирующий вектор токов совпадает с вектором тока 1й и располагается в центре первого квадранта (фиг. 2, е 2 . Из векторной диаграммы на фиг. 2, е видно, что в случае, когда двигатель имеет синусоидальное распределение в воздушном зазоре поля статора и ротора,.плавное перемещение результирующего вектора магнитного поля статора, пропорциональное сигналу рассогласования б, можно обеспечить, если токи в фазах изменяются по синусоидальному и косинусоидальному законам. Такое изменение токов обеспечивается в пределах первого квадранта эа счет характеристик преобразователей 5 и б (фиг. 2, б ).

Если распределение магнитных полей отличается от синусоидального, то шаговый двигатель можно прокалибровать, и в соответствии с полученными результатами определить вид характеристик вход-выход функциональных преобразователей 5 и 6..

Поскольку в рассматриваемом состоянии открыт аналоговый ключ 22 и сигнал, поступающий через этот ключ на входы умножителей 20 и 21, равен нулю, то результирующие сигналы на выходах блоков умножения также равны нулю и токи в фазах двигателя отсутствуют.

При возникновении сигнала рассогласования Е меньшего по модулю, чем половина ширины зоны нечувствительности порогового устройства 3, например, за счет изменения нагрузки, величина сигнала L! будет отличаться от нуля и в фазах двигателя возникнут токи, зависящие от сигнала и выходных сигналов функциональных преобразователей 5 и б. Сигналы с выходов функциональных преобразователей 5 и б, умноженные в блоках

20 и 21 на сигнал 4 (c учетом

i 32584 его знака ), поступят через открытый аналоговые ключи 24 и 27 на входы усилителей 30 и 28 мощности соответственно. Возникающие при этом токи в фазам двигателя 31 и 29 создадут электромагнитный момент, величина которого определяется только сигналом рассогласования а (c учетом масштабных коэффициентов) и не зависит от угла между векторами магнитных полей статора и ротора. Знак электромагнитного момента, зависящий от знака сигнала Й, таков, что вал двигателя вращается в направлении, обеспечивающем уменьшение сигнала рассогласования E, . После окончания переходного процесса вал двигателя занимает прежнее положение, определяемое сигналом задающего воздействия 8> с точностью

До статической ошибки системы. Другими словами, при сигнале рассогласования Е, обеспечивающем работу системы в пределах зоны нечувствитель ности порогового устройства 3, шаговый двигатель переводится в режим бесконтактного двигателя постоянного тока с формированием фазных токов в функции угла поворота ротора. При этом повышается точность системы и КПД двигателя.

Если сигнал рассогласования пре-, вышает половину ширины зоны нечувСтвительности порогового устройства

3 то сигнал с его выхода открывает ключевое устройство 8 для подачи импульсов от генератора 9 на вход распределителя 7 импульсов. Одновременно закрываются аналоговые ключи

22, 24, 27, а ключи 23, 25, 26 открываются. При этом на входы блоков умножения поступает сигнал от источника 32 опорного напряжения, обеспечивая постоянство амплитуды фазных токов двигателя. Команда выбора направления движения вала двигателя подается на распределитель импульсов в зависимости от знака сигнала рассогласования.

Таким образом, большие рассогласования отрабатываются двигателем

)Q в шаговом режиме, а малые — в режиме .бесконтактного двигателя постоянного тока за счет изменения амплитуды фазных токов в функции угла рассогласования (с учетом знака ).

Из графиков на фиг. 2, а, б, в, r, д видно, что при больших рассогласованиях токи в обмотках двигателя по модулю равны 0,7071 I и при коммутации аналоговых ключей по сигналам распределителя импульсов изменяются только по знаку, обеспечивая парную четырехтактную коммутацию шагового двигателя.

Шаговый двигатель может иметь другое число тактов коммутации и фаз, а также расщепленные фазы. В этом случае соответственно изменяют число функциональных преобразователей аналоговых ключей и усилителей мощности, 3О Предлагаемое устройство благодаря введению блоков умножения, источника опорного напряжения, дополнительных аналоговых ключей и инвертора обес" печивает изменение амплитуды фазных токов бесконтактного двигателя постоянного тока в функции сигнала рассогласования и повышает точность и

КПД .автоматической системы с шаговым электродвигателем.

1032584

1032584

d КЕ

Составитель 3. Горник

Редактор Н. Стащишина Техред М.Контура Корректор С. Шекмар

Заказ 5418/59 Тираж 687

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4