Устройство для управления шаговым двигателем

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя, автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных связей по току в обмотках двигателя с датчиками, источник сигнала уставки регуляторов и форсирующие стабилитроны, подключенные через развязывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, о т л ичающееся тем, что, с целью повьгаения надежности, в него введены пороговый элемент сравнения с двумя терморезисторами на входах, установленными на радиаторах стабилитронов , и три масштабных резистора, причем первый тёрморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигнала уставки регуляторов , а второй терморезистор через другие масштабные резисторы - к выходам блоков формирования сигналов обратных связей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом , сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управляющий вход - с выходом регулятора тока.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

И

РЕСПУБЛИК

agl О!) р Н 02 Р 8/00 з

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3383652/24-07 (22) 13.01.82 (46) 07.07.84. Бюл. N - 25 (72) M.Н.Глазов, А.A.Äåäþøèí и Э.С.Никулин (53) 621..313.58 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

ll 505395, кл. Н 02 P 7/62, 1971.

2, Рубцов В.П. Инверторы для шагового электропривода с дроблением шага. — Труды МЭИ, 1980, вып. 477, с. 37-44. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя, автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных связей по току в обмотках двигателя с датчиками, источник сигнала уставки регуляторов и форсирующие стабилитроны, подключенные через развяэывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения надежности, в него введены пороговый элемент сравнения с двумя терморезисторами на входах, установленными на радиаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый терморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигнала уставки регуляторов, а второй терморезистор через другие масштабные резисторы — к выходам блоков формирования сигналов обратных связей.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управ- Ф ляющий вход — с выходом регулятора тока.

1102005 2

Изобретение относится к системам автоматического управления с шаговыми двигателями и может быть использовано, например, при регулированни раз.— личных технологических процессов. 5

Известны устройства управления шаговыми двигателями, содержащие распределитель и многофазный усилитель мощности, каждый канал которого состоит из последовательно включенных датчика тока, основного ключевого элемента, обмотки управления двигателя, вспомогательного ключево,го элемента, который управляется от триггера с раздельными входами по сигналам распределителя и датчика тока $13.

Недостатком данных устройств является то, что они могут использоваться лишь с шаговыми двигателями, обмотки управления которых не имеют общей точки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя, автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных свя30 эей по току в обмотках с датчиками, источник сигнала уставки регуляторов и форсирующие стабилитроны, подключенные через развязывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе (23.

Недостатком этого устройства является сравнительно низкая надежность в связи с отсутствием контроля исправности.

Целью изобретения является повыше40 ние надежности устройства.

Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования

43 токов в обмотках двигателя,автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных связей по току в обмотках двигателя с датчиками, источник сигнала уставки регуляторов и форсирующие стабилитроны, подключенные через развязывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, введены пороговый элемент сравнения с двумя терморезисторами на входах, установленными на радиаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый терморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигнала уставки регуляторов, а второй терморезистор через другие масштабные резисторы — к выходам блоков формирования сигналов обратных связей по токам.

При этом блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управляющий вход — с выходом регулятора тока.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 временные диаграммы его работы.

Устройство содержит распределитель 1 импульсов, схемы 2-5 совпадений, основные ключевые усилители

6-9, развязывающие диоды 10-13, форсирующие стабилитроны 14 и 15, шунтирующие транзисторные ключи

16 и 17 с инверторами 18 и l9 на входах, автоматические регуляторы

20 и 2 1 с элементами 22 и 23 сравнения и усилители 24 и 25 с широтно импульсной модуляцией, резистивные датчики 26 и 27 токов, а также блоки формирования сигналов обратных связей по токам, выполненные на аналоговых запоминающих элемецтах 28 и 29.

Запоминающие элементы выполнены на операционных усилителях 30 и 3 1 с конденсаторами 32 и 33 в обратных связях и МОП-транзисторных ключах

34 и 35 на входах усилителей. Выходы запоминающих устройств подключены к входам схем 22 и 23 сравнения, другие входы которых соединены с источником 36 сигнала уставки токов. Сигнальные входы 37 и 38 запоминающих элементов соединены с датчиками 26 и 27 токов, а управляющие входы 39 и 40 подключены к выходам усилителей

24 и 25 с широтно-импульсной модуляцией, являющимся одновременно выходами регуляторов, которые через инверторы 18 и 19 соединены также с цепями управления шунтирующих ключей

16 и 17.

Устройство содержит также пороговый элемент 41 сравнения с двумя терморезисторами 42 и 43 на входах, установленными на радиаторах стабилитронов 14 и 15, и масштабнйе резисторы 44-46, соединяющие источник

36 сигнала уставки регуляторов и выходы запоминающих элементов 28 и

29 с терморезисторами 42 и 43. (Е-?Ч вЂ” обмотки управления шаговс.го

02005

10 о-.

Э 11 двигателя, причем обмотки I, III и II, IV работают в противофазе).

В качестве порогового элемента

4 1"сравнения используется схема на операционном усилителе 47, в обратную связь которого включен ограничитель тока на диодном мосте 48 и . тскоограничивающих резисторах 49, О и конденсатор 51. На выходе операционного усилителя включено реле

52 сигнализации отказа.

Шунтирующий ключ, форсирующий стабилитрон, регулятор тока и схема формирования обратной связи по т ку являются общими для двух обмоток двигателя, работающих в противофазе.

Принципиально регулирование токов может осуществляться в каждой обмот ке двигателя с помощью отдельного регулятора.

Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме, когда на двух выходах распределителя 1

25 действуют единичные логические сигналы, а на двух других — нулевые, две из четырех обмоток двигателя подключаются к источнику питания

Е. Пусть, например, в обмотках

I u II протекают токи, а обмотки

III, IU обесточены. Тогда регуляторы 20 и 21 поддерживают токи 1.

i (фиг.2) в обмотках I, II в соответствии с уставкой Ч на выходе источника 26 путем автоматической подстройки скважности импульсов ишим Паем ф Рмиру мых aa sbmopax

1 усилителей 24. и 25. Действительно, при наличии импульсов на выходах усилителей 24 и 25 происходит замыка- ние ключей 6 и 8, и обмотки I, II подключаются к источнику питания, в результате чего токи 1„, 1 нарастают (ключевые элементы 16 и 17 благодаря наличию инверторов 18 и 19 находятся при этом в. разомкнутых состояниях, . Напряжение питания Е выбирается так, чтобы обеспечивалось форсированное нарастание токов при включении обмоток. В промежутках между импульсами (в паузах) ключи

6 и 8 закрываются и ЭДС самоиндукции обмоток I u II замыкаются через шунтирующие ключи 16 и 17. Поэтому в паузах токи i>, i медленно спадают по экспонентам с йостоянными времени Т, определяемыми индуктивностью

L и сопротивлением R обмотки управления. При замыкании основных ключей

6 и 8 замыкаются также МОП-транзисторные ключи 34 и 35 аналоговых запоминающих элементов 28 и 29, которые переходят в режим слежения, отрабатывая напряжения датчиков 04 э

Ug . В результате на выходах аналого2 вых запоминающих элементов формируются напряжения U, U2, пропорциональные токам в обмотках, подключенных к источнику питания E. Скорость слежения аналоговых запоминающих элементов существенно выше скорости нарастания токов B обмотках управления двигателя.

При закрывании ключей 6 и 8

МОП-транзисторные ключи 34 и 35 также размыкаются, благодаря чему запоминающие элементы 28 и 29 переходят в режим хранения информации и на их выходах поддерживаются практически неизменные напряжения, определяемые токами обмоток в моменты окончания импульсов усилителей 24 и 25.

При достаточно больших коэффициентах усиления усилителей 24 и 25 в установившемся режиме длительности импульсов и пауз автоматически устанавливаются регулятором так, что средние значения напряжений U . и U на выходах запоминающих эле2 ментов 28 и 29-практически равны напряжению уставки, т.е. U„, = U< = U

Следовательно, токи i. i в обмотках I, II также равны заданному

U .. U значению (1 = — и i = —, где

R,,R — сопротивления датчиков 26 и

27 тока и R< = R ) .

Рассмотрим работу устройства в переходных процессах при коммутации обмоток управления пс сигналам распределителя. Пусть под действием сигнала распределителя 1 происходит размыкание ключа 6 и отключение обмотки I а схема 3 совпадений подготавливается к включению обмотки III (обмотки II u IV управления остаются в исходных состояниях и двигатель ! делает один шаг) . При появлении импульса на выходе усилителя 24 (момент времени е1,,,фиг.2) происходит замыкание ключа 7 и МОП-транзистора

34. Ток i в обмотке III начинает увеличиваться от нулевого значения, и на выходе запоминающего элемента

28 формируется напряжение U,, пропорциональное току 13 . Пока напряже1102005 ние V, не приблизится к уставке V, на выходе усилителя 24 действует импульс, удерживающий ключи 7 и 34 в замкнутьж состояниях (интервал фиг. 2) . Скорость спада тока i1 в 5 обмотке I определяется напряжением пробоя стабилитрона 14, причем спад тока происходит форсированно по линейному закону. В результате за время нарастания тока в обмотке III (интервал g, ) ток в обмотке I успенает снизиться практически до нуля (интервал ) °

° Таким образом, в устройстве достигается форсировка как нарастания, так и спада тока прч включении и отключении обмотки по сигналам распределителя. В то же время в установившемся режиме форсировка обеспечивается только при подключении об- >0 мотки к источнику питания. Спад же тока происходит через шунтирующий ключевой элемент по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой параметрами обмотки управления.

Поэтому при исправной работе устройства токи через стабилитроны 14 и 15 протекают только при коммутации обмоток по сигналам распределителя. 30

Следонательно, мощности, рассеиваемые на стабилитронах, и температуры радиаторов, на которых они установлены, одинаковы. Соответственно сопротивления терморезисторов,42 и 43 д равны (Rq2= 43= Rò). Поскольку напряжения П„ и 0 на выходах запоминающих элементов 28 и 29 практически равны по абсолютной величине и противоположны по знаку напря- 4О жению уставки Б, при выполнении ycaosHs К4й- К4 2R 44(R4<- Q) противления резисторов 44-46) результирующий ток i, поступающий на вход операционного усилителя 47 порогового элемента 41, равен нулю (j

U U — О) . РазR44+ Кт 0,514 + Кт брос сопротивлений резисторов на входах порогового элемента, а также погрешности регуляторов 20 и 21 могут приводить к появлению некоторого раэностного тока Di ° Однако этот ток меньше тока ограничения,?, диодного моста 48 в цепи обратной снязи операционного усилителя 47.

Поэтому выходное напряжение этого усилителя практически равно нулю и реле 52 обесточено. Для предотвращения срабатывания реле в переходи»ж процессах при коммутации обмоток двигателя по сигналам распределителя, когда напряжения U u U существенно

2 отличаются от уставки V, операционный усилитель 47 снабжен конденсатором 51 в обратной связи, который обеспечивает необходимую задержку.

Рассмотрим теперь работу схемы контроля при отказе устройства. Отказы любых элементов, входящих в контур регулирования тока, приводят к нарушению равенства U = U = U.

Вследствие этого появляется результирующий ток на входе операционного усилителя 47, которьп преньппает ток ограничения 1 диодного моста 48.

Это ведет к насыщению операционного усилителя и срабатыванию реле 52, сигнализирующего неисправность устройства. Таким путем обнаруживаются отказы всех основных элементов и узлов устройства управления, в т.ч.. и отказы в цепях, шунтирующих обмотки управления. Так обрывы форсирующих стабилитронов и развязывающих диодов приводят к недопустимым перенапряжениям на основных ключевых элементах и в конечном счете вызывают их отказы, в результате чего напряжения на выходах запоминающих элементов существенно отличаются от напряжения уставки U. При обрыве же шунтирующего ключа и других неисправностях, которые. ведут к размыканию шунтирующего ключа, спад токов обмоток двигателя происходит через форсирующий стабилитрон не только в переходных процессах при коммутации обмоток по сигналам распределителя, но и в процессе регулирования токов в подключенных обмотках. Это вызывает резкое увеличение тепловой мощности, рассеиваемой на соответствующем стабилитроне, и существенное повышение температуры одного из терморезисторов. В результате нарушается баланс токов на входе операционного усилителя 47, разностный ток превьппает пороговый уровень

I, и реле 52 срабатывает, сигнализируя о неиспранности устройства управления.

Аналогичным образом выявляются неисправности, приводящие к зямьи<анию шунтирующих ключей или стабилнтронов, поскольку мощности, рассеи1102005 ваемые в стабилитронах, и соответственно температуры и сопротивления терморезисторов 42, 43 оказываются разными. Лишь на низких частотах коммутации различие температур становится весьма незначительным и подобные неисправности не обнаруживаются. Однакб на низких частотах отказы, которые сводятся к короткому замыканию шунтирующего ключа, не приводят к отказу устройства управления 8 цепом, так как затягивание заднего фронта импульса тока в об5 мотках двигателя влияет лишь на дина" мику привода и практически не проявляется при низких частотах. При увеличении же частоты коммутации такие отказы сразу ае выявляются.

1102005

1102005 4и) шин/

Составитель В.Рубцов

Редактор Т.Кугрышева Техред.Л. Коиюбняк Корректор М.Демчик

Заказ 4780/42 Тираж 667 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР па делам изобретений и открытий

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

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