Устройство для управления шаговым двигателем
1, УСТЮЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕ- г НИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С дроблениет : шага, содержащее подключенные к фазам двига1теля усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор на- : пряжения, связываняций фазы двигйте- . ля с источником питания постоянного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключейныё входами к выходам распределителя импульсов , отличающееся тем, что, с целью повышения плавности движения и расширения диапа- ; зона частот двигателя, устройство . 1 ; I - ---«А. снабжено преобразователем частотааналог , пороговым элементом и распределительныгли ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из которых установлен ключ, подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом регулятора напряжения и выходом преобразователя частота-аналог, подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов, причем выходы распределительных ключей соединены с входами соответствующих усилителей мощности, управляющие входы этих ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигнальные входы распределительных ключей, взятыхчерез один, подключены к выходам соот (Л ветствующих преобразователей код:аналог . . 2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я. тем, что в него введен силовой ключ, связывающий источник питания постоянного токаI с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента . 4 ND СД
. СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
3(51) Н 02 Р 8/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ:
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
i (21) 3378595/24-07 (22) 07. 01. 82 (46) 15.09.83. Бюл. Р 34 (72) В.П. Рубцов и Т.10. Деревенко (71) Московский ордена Ленина.и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 621.313.13-133.3(088.8) (56) 1. Электропривод и автоматиза-., ция промьяаленных установок. Т. б
1978,- с. 82-83.
2. Там же, с. 84-85.
3. Авторское свидетельство СССР
Ф 514410, кл. Н 02 Р 7/62, 1974. (54)(57) 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ УИРАВЛЕ
НИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ с дроблением: шага, содержащее подключенные к фазам двигателя усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор на- пряжения, связывающий фазы двигате-, ля с источником питания постоянного . тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода подключенные входами к выходам распределителя импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения плавности движения и расширения диапазона частот двигателя, устройство
„„SU„„1042151 А снабжено преобразователем частотааналог, пороговым элементом и распределительными ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из которых установлен ключ, подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом .регулятора напряжения и выходом преобразователя частота-аналог,. подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов, причем выходы распределительных ключей соединены с .входами соответствующих усилителей мощности, управляющие входы этих ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигнальные входы а распределительных ключей, взятых.че- @ реэ один, подключены к выходам соответствующих преобразователей коданалог, 2. Устройство по п. 1, о т л и- ч а ю ai е е с я тем, что в него введен силовой ключ, связывающий источник питания постоянного тока. с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом () к выходу порогового элемента. в 1042151
Недостатком укаэанного устройства является огРаниченный диапазон рабочих частот и колебания скорости в области низких частот управления, .что обусловлено высокой скоростью нарастания тока в фазах двигателя. Ограничение диапазона рабочих частот обусловлено модуля- 60 цией фаэных токов как в области низких, так и высоких частот. Если модуляция-токов в области низких частот уменьшаег цену шага и приводит к повышению плавности движения, то 65
Изобретение относится к электро технике, а именно к управлению шаговыми электродвигателями, и может .быть использовано в дискретных системах автоматического управления металлорежущих станков с программным 5 управлением, координатографов, манипуляторов и других. механизмов.
Известны устройства для управления шаговым. двигателем с дробленией шага.
Одно из таких устройств содержит ключи, управляемые от элементов
ИЛИ-НЕ, распределитель импульсов и токоограничивающие резисторы, соединенные последовательно с фазами шагового двигателя 1 ).
НедостаткоМ этого устройства является большое число силовых ключей и токоограничивающих резисторов, усложняющих устройство и увеличивающих его габариты. 20
Известно также устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содеРжащее два делителя частоты, распределитель импульсов и усилитель мощности 2 . 25
В этом устройстве модуляция фазных токов для уменьшения цены шага осуществляется подачей иа входы распределителя импульсов двух частот, что вызывает дополнительную gp коммутацию силовых ключей усилителя мощности и изменение амплитуды фаэных токов с разностной частотой, Недостатком такого устройства является низкий КПД, обусловленный коммутацией силовых ключей усилителя мощности с высокой частотой, боль. шие пульсации тока и неравномерность деления шага из-за линейного измене ния фазных токов.
Наиболее близким к изобретению 40 по технической сущности и достигаемому результату является устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее подклю; ченные к фазам двигателя усилители 45 мощности с цепями обратной связи, регулятор напряжения, связывающий фазы двигателя с источником питания постоянного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь 5О кода, .подключенные входами к выходам распределителя импульсов С33. в области высоких частот, где движение непрерывное и колебания скорости малы, она уменьшает нагрузочную способность двигателя, уменьшая тем самым максимальную рабочую частоту двигателя.
Целью изобретения является повышение плавности движения и расширение диапазона рабочих частот двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор напряжения, связывающий фазы двигателя с источникам питания постоянно го тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключенные.входами к выходам распределителя импульсов, снабжено преобразователем частота-аналог, пороговым элементом, распределительными ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из ко" торых установлен ключ, подключенный управляющим входом к выходу пороговаго элемента, соединеннего входом с входом регулятора напряжения и выходом преобразователя частота-аналог, подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов, причем выходы распределительных ключей соединены с входами усилителей; мощности, управляющие входы распределительных ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигнальные входы распределительных ключей, взятых через Ьдин, подключены .к выходам соответствующих преобразователей код-аналог.
Кроме того, в устройство введен силовой ключ, связывакнций источник питания постоянного тока с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом к выходу пора гового элемента.
Такое выполнение устройства позволяет замедлить процессы изменения, така в фазах двигателя в области низких частот благодаря подаче напряжения низкого уровня, регулируемого в функции частоты. Это приводит к уменьшению колебаний скорости в области низких частот, т.,е. повышает равномерность и плавность движения.
Кроме того, в области высоких частот устройство переводит шаговый двигатель в режим нормальной коммутации беэ дробления шага (но беэ . потери числа отработанных шагов ), обеспечивая при этом подачу на фазы двигателя повышенного напряжения,. что приводит к увеличению максимальной рабочей частоты.
На фиг. 1 приведена схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю с цепью обратной связи по току; на фиг. 2 - вре1042151
3 менные диаграммы сигналов на отдель-, ных элементах.
Устройство (фиг. 1) содержит распределитель импульсов,1, преобразо -ватели код-аналог 2, преобразователь
Зппп = тактного кода в rn =тактный;.: 5 (где rn —; n — коэффициент дробления шага, ), распределительныЕ ключи 4, ключи обратной связи 5, преобразователь частота-аналог 6., пороговый элемент 7, регулятор на- . пряжения 8, разделительный диод 9,:--. силовой ключ 10, усилители мощности— (коммутирующие ключи ) 11, соединяю-. щие фазы 12 шагового. двигателя с источниками питания. низкого Vg и высокого ()„ уровней, и разрядную цепь, образованную коиденсатором 13, резистором 14 и диодами 15. Цепь обратной связи каждого усилителя мОщности 11 образована резистором 16, включенным последовательно (или па» 2О раллельно ) с фазой 12 двигателя (это: не является существенным для рассматриваемого устройства).
Распределитель импульсов 1 сое-- 25 динен ° тактовым входом Т с источником управляющих импульсов. f, а входами . направления движения В и Н вЂ” с ко= -.мандным устройством (на чертеже не, показаны ). Выходы всех каналов. рас;, -ЗО пределителя импульсов 1 подключены к выходам преобразователей код-ана-, лог 2 и преобразователя 3 rnn — тактового кода в rn †.тактный. Выход каждого преобразователя код-аналог, З5
2 соединен с сигнальными входами распределительных ключей 4, взятых: через один, которые связаны своими выходами с входами усилителей 11, коммутирующих фазы 12 двигателя со сдвигом на половину периода ком- . 4О мутации, т.е. совместно не возбуждаемые фазы. Управляющие входы распре-. делительных ключей 4 подключены к выходам преобразователя кода 3. Кхае- -: чи обратной связи 5 подключены ущ>йв- 45 ляющими входами-к выходу пороговож., элемента 7, а их сигнальная цепь включена в цепь обратной связи каж-,. дого усилителя мощности 11. Вход порогового элемента 7 соединен с .:.;- . . 5О входом регулятора напряжения 8 и выходом преобразоватеЛЯ частота-ана. лог 6, подключенного входом к такто-" вому входу распределителя импуль- . .сов 1. Выход порогового элемента 7 соединен также с управляющим входои .силового ключа 10, связывающего общую точку фаз 12 с источником питания высокого уровня 01 . Регулятор напряжения 8 соединяет источ- ник питания низкого уровня 02 через диод 9 также с общей точкой фаэ 12. ;
Выходные зажимы фаэ 12 через диоды
15 подключены к общей разрядной цепи, состоящей из конденсатора 13 й. резистора 14 (в общем случае, разряд" 5 ная цепь может быть выполнена любой, что не является существенным для данного изобретения ).
Устройство работает следующим образом.
В зависимости от сигналов, поданных на входы направления движения
В и Н распределителя импульсов 1 обеспечивается прямое или обратное чередование сигналов на его выходах.
При подаче на вход В единичного сигнала, а на вход Н вЂ” нулевого импуль-. са, поступающие на тактовый вход Т распределителя импульсов 1, обеспечивают прямое .чередование -выходных сигналов. Подача на .вход Н единичного сигнала, а вход В - нулевого изменяет порядок чередования выходных сигналов распределителя. На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов применительно к четырехфазному шаговому двигателю с дроблением шага в 3 раза (число..фаз двигателя rn = 4, коэффициент дробления шага ь = 3).
При подаче на тактовый вход Т импульсов с частотой Ф (U на фиг. 2 ) на выходах распределителя импульсов. 1, имеющего число тактов коммутации, равное rnn (для рассматриваемого слу- чая число тактов коммутации равно 12) ю вырабатывается двенадцатиканальная и двенадца ти так тная последовательность прямоугольных импульcoa 0Р1 — Up<2 (фиг. 2), скважность которййх зависит от схемы построения распредели" теля и в общем случае может быть произвольной. Преобразователь. кода 3 преобразует tan -тактную последовательность импульсов на выходе распределителя импульсов .1 в rn - тактную (0„„-0„, на фиг. 2 ), которая используется для управления распре-. делительными ключами 4.
Преобразователи код-аналог 2 вырабатывают аналоговые сигналы, изменяющиеся по ступенчато-синусоидальному закону и сдвинутые относитель-.. но друг друга на 1/щ цикла распре-; делителя (для рассматриваемого случая напряжения на выходах преобразователей код-аналог 2 сдвинуты на;
1/4 периода). Сигналы на выходах преобразователей код-аналог обозначены на фиг. 2 как Оо„и Оо, . Распределительные ключи 4 по,сигналам преобразователя кода 3 поочередно подключают выходы Преобразователей код-аналог 2 к различным усилителям мощности 11. При этом кансцый пре" образователь код-аналог 2 соединен с выходами двух ключей 4, которые соединены с усилителями мощности 11, коммутирунхаими две одновременно не возбуждаемые фазы 12 шагового двигателя. Для рассматриваемого случая управления четырехфазным шаговым двигателем сигнал V „ поочередно подключается к усилителям мощности пер" . вой и третьей фаэ, а сигнал Од>.-вто1042151 рой и четвертой фаз. В результате взаимодействия сигналов с преобразователем код-аналог 2 и преобразователя кодов 3 на входы усилителей мощности 11 н, соответственно на фазы шагового двигателя, подаются напряжения (прн наличии в усилителе мощности цепи отрицательной обратной связи по напряжению ) или по ним протекают токи (при наличии в усилителе мощности цепи отрицатель- 10 ной обратной связи по току, как показано на фиг. 1), форма которых соответствует сигналам 0 — V > на фиг. 2. Транзисторы усилителей мощности при этом работают в активном режиме, изменяя в соответствии с заданными входными напряжениями либо напряжения на фазах двигателя (когда используется цепь обратной связи по напряжению ), либо ток (ког-. да используется цепь обратной связи по току ).
С точки зрения достигаемого эффекта конкретное выполнение цепи отрицательной обратной связи в усилителе мощности 11 (по току или напряжению ) не является существенным. Важно, чтобы такая обратная связь была.
Модуляция фазных токов (напряжений ) в соответствии с диаграммами
Π— U — обеспечивает уменьшение це- З0
IV ны шага двигателя (в рассматриваемом случае в и = 3) и, следовательно, повышает плавность движения. Работа транзисторов усилителей мощности в активном режиме исключает пуль- 35 сации тока в фазах двигателя и спо,собствует более плавному движению при отработке каждого шага. Этой же цели служит и регулятор напряжения, который подает на фазы двигателя пониженное напряжение, необхо димое для выполнения условия
0 =3 Р+Л0, где 0ф — напряжение на выходе ре гулятора 8;
Э вЂ” максимальное значение тока в фазе 12 двигателя;
R - сопротивление фазы 12; йО - падение напряжения в усилителе мощности и резис- 50 торе обратной связи °
Дробление шага особенно эффектив но в области низких частот, когда
Двигатель успевает отрабатывать каждый шаг и фиксироваться после 55 отработки, а также в области средних частот (в частности, в области резонанса), обеспечивая снижение колебаний скорости. При этом плав-. ность движения повышается с уменьшением напряжения питания.
Однако работать в широком диапазоне частот при V =const двигатель не может, поскольку с увеличением частоты f растет ЭДС вращения, 65 уменьшающая тбк в фазах двигателя и снижающая развиваемый двигателем момент. Для сохранения нагрузочной способности двигателя в диапазоне средних частот в предлагаемом устройстве используется преобразователь частота-аналог б, вырабатывающий вы" ходное напряжение, пропорциональное частоте f . Это напряжение подается на вход регулятора напряжения 8 и увеличивает выходное напряжение регулятора 8 с ростом частоты .Этим обеспечивается постоянство момента шагового двигателя в области низких и срецних частот.
В области высоких частот, движение шагового двигателя носит непрерывный характер, колебания сравнительно малы и эффективность дробления шага низка. Более того, изменение вход-, ных сигналов усилителей мощности по ступенчато-синусоидальному.закону из-за существенного влияния индуктивности фаз на процессы изменения тока в области высоких частот приводит к снижению фазного напряжения и, следовательно, к уменьшению момента двигателя и максимальной рабочей скорости. Работе шагового двигателя в области высоких частот препятствует и активный режим транзисторов усилителя мощности 11, поскольку из-за низкой мощности, управляемой транзисторами в этом режиме, невозможно повысить питающее напряжение. Для увеличения максимальной скорости двигателя в предлагаемом устройстве используется переключе- ние транзисторов усилителей мощнос-. ти.11 из активного режима работы ,в ключевой, обеспечивающйй комму;тацию значительно больших мощностей.
Переключение режимов работы усилителей мощности 11 обеспечивается поро-, говым элементом 7, порог срабатывания которого настраивается на режим непрерывного движения шагового двигателя, и ключами обратной связи 5 разрывающими цепь обратной связи в каждом усилителе мощности. ключ 5 шунтирует резистор 16 обратной связи по току, в результате чего транзистор переходит в режим насыщения при минимальной ступени задающего напряжения О - U При этом к фазам 12 двигателя прикладывается на всем интервале проводимости неизменное напряжение. Диаграммы фаэных напряжений в этом случае аналогичны диаграммам напряжений
Un -Vn на..выходах преобразователя кода 3.
Дальнейшее повышение максимальной скорости шагового двигателя можно получить путем подачи на фазы двигателя .в области высоких частот напряжения U ьО . В предлагаемом устройстве это обеспечивается вве7 :1:04? 151 дением силового ключа 10, который открывается сигналом с выхода поро-. гового элемента 7. Диод 9 препятству ет закорачиванию источника питания
U< на 02 . В этом режиме регуля-. тор напряжения 8 не используется. 5
Для уменьшения перенапряжений при отключении фаэ 12, возникающих приработе усилителей мощности 11 в клю. -. чевом режиме, используется разрядная цепь из конденсатора 13 и гасящего . резистора 14, связанная диодами 15---с фазами 12 двигателя. При. этом энергия отключаемых фаз 12 гасится
s. ðeçèñòoðå 14..В рамках данного иэобретейия схема выполнения разрядной. цепи не является существенной. Может быть использован любой известный способ уменьшения перенапряжений на усилителях мощности, а также любой способ рекуперации энергии отключаемых фаз 12.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает работу усилителей мощности в режиме параметрической стабилизации в области низких частот с подачей на фазы двигателя пониженного напряжения, что повыша-. ет плавность движения и переводит усилители мощности в ключевой режим с подачей на фазы двигателя повышенного напряжения, что приводит к увеличению максимальной рабочей скорости.
1042151
Ь
Составитель 3. Горник Редактор С. Тимохина Техред В.Далекорей Корректор О. Билак Заказ Ò В. Н Ц 1 ф2 фЗ Цц Ops ð6 Ору фВ Ору gP10 ðï Oprz дп /72 П3 Я 0ц,0g 1 t t t t t t t 7145/56 Тираж 687 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открйтий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
