Замкнутый шаговый электропривод

 

Изобретение относится к области электротехники. Цепь изобретения - улучшение плавности движения и повышение КПД замкнутого шагового электропривода с дроблением шага. Электропривод содержит шаговый двигатель 1, на валу которого установлен датчик положения 2, подключенный к входу блока 3 обработки сигнадов датчика, регулятор 4, сумматор 5, запоминающие устройства 6,7, цифроаналоговые умножающие преобразователи 8, 9, функциональные преобразователи 10, 11 с характеристикой вход - выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, и усилители мощности , к которым подключены фазы 14, 15 двигателя. Введение функциональных преобразователей с характеристиili f ками вход - выход вида v X обеспечивает постоянство вращающего момента двигателя при повороте ротора и его линейную зависимость от ошибки систеьал по скорости. Изменение формы фазных токов при изменении их амплитудных значений обеспечивает равномерное деление шага при изменении нагрузки и скорости в широких пределах . 1 нп. СЛ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (59 4 Н 02 P 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, :

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2.1) 3689233/24-07 (22) 11.01.84 (46) 23,09.86. Бюл. Н 35 (72) В.К.Цаценкин, В.П.Рубцов, Т.С.Юргенсон, А.Н.Барков и

Ю.З.Рожанский (53) 621.313. 13 — 525(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 801217; кл. Н 02Ý 8/00, 1979.

Труды МЭИ: Автоматизированный электропривод. Вып.325, 1977,с.4-11. (54) ЗАМКНУТЫЙ ШАГОВЦЙ ЭЛЕКТРОЦРИВОД (52) Изобретение относится к области электротехники. Цель изобретения— . улучшение плавности .движения н повышение КПД замкнутого шагового электропривода с дроблением шага. Электропривод содержит шаговый двигатель 1, на валу которого установлен датчик положения 2, подключенный к входу

„.SU„„1259465 A 1 блока 3 обработки сигналов датчика, регулятор 4, сумматор 5, запоминающие устройства 6, 7, цифроаналоговые умножающие преобразователи 8, 9, функциональные преобразователи 10, 11 с характеристикой вход — выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, и усилители мощности, к которым подключены фазы 14, 15 двигателя. Введение функциональных преобразователей с характеристиками вход — выход вида у=Х обе1 спечивает постоянство вращающего момента двигателя при повороте ротора и его линейную зависимость от ошибки системы по скорости. Изменение формы фазных токов при изменении их амплитудных значений обеспечивает равномерное деление шага при изменении нагрузки и скорости в широких пределах. 1 ил.

59465

20

30

55

1 12

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления с шаговыми электродвигателями, в частности в системах программного управления, следящих и позиционных.

Известно устройство управления шаговым электродвигателем, содержащее датчик положения ротора двигателя, сумматор (распределитель импульсов), преобразователи код — аналог, усилители мощности, питающие фазы двигателя, и схему формирования команд

Е1) .

Недостатком этого устройс ва является низкий КПД, поскольку ток в фазах двигателя независимо от нагрузки на валу поддерживается максимальным.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является зам кнутый шаговый электропривод с дроблением шага, содержащий шаговый двигатель с датчиком положения на валу, блок обработки сигналов датчика положения, соединенный аналоговым выходом с одним из входов регулятора, другой вход которого подключен к шине задания скорости, а выход соединен с аналоговыми входами цифроаналоговых умножающих преобразователей по числу фаз двигателя, подключенных выходами к входам усилителей мощности с фазами двигателя на выходах, а цифровыми входами — с выходами постоянных запоминающих устройств, подключенных входами к выходам сумматора, одним входом соединенного с шиной задания положения, а другим — с цифровым выходом блока обработки сигналов датчика положения(2).

Недостатком известного устройства является невозможность получения равномерного вращения ротора двигателя при изменении скорости и момента нагрузки из-за насыщения магнитной системы двигателя, нарушающего пропорциональную зависимость между током в фазах и развиваемым моментом.

Отсутствие возможности регулирования временного закона изменения фазных токов при изменении насыщения магнитной системы двигателя снижает КПД привода и ухудшает плавность движения.

Цель. изобретения — улучшение плавности движения и повышение КПД привода.

Поставленная цель достигается тем, что в замкнутый шаговый электропривод с дроблением шага, содержащий шаговый двигатель с датчиком положения на валу, блок обработки сигналов датчика положения, соединенный аналоговым выходом с одним из входов регулятора, другой вход которого подключен к шине задания скорости, а выход соединен с аналоговыми входами цифроаналоговых умножающих преобразователей по числу фаз двигателя, подключенных выходами к входам усилителей мощности с фазами двигателя на выходах, а цифровыми входами — к выходам постоянных запоминающих устройств, подключенных входами к выходам сумматора, одним входом соединенного с шиной задания угла коммутации, а другим — с цифровым выходом блока обработки сигналов датчика положения, введены функциональные преобразователи по числу фаз двигателя с характеристикой вход — выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, входы которых подключены к выходам соответствующих цифроаналоговых умножающих преобразователей, а выходы— к входам усилителей мощности, На чертеже приведена функциональная схема замкнутого шагового электропривода с дроблением шага примени. тельно к двухфазному двигателю.

35 Устройство содержит шаговый двигатель 1, на валу которого установлен датчик 2 положения, подключенный к входу блока 3 обработки сигналов 2 датчика, 40 Аналоговый выход блока 3, на котором вырабатывается сигнал, пропорциональный„текущему значению скорости

«,),, соединен с одним входом регулятора 4, подключенного другим входом

45 к шине задания скорости 1 . Второй ь выход блока 3, на котором формируется цифровой сигнал (код)М,, определяющий текущее положение ротора двигателя 1, соединен с одним из входов сумматора 5, связанного другим своим входом с шиной В задания угла коммутации. Выход сумматора 5 через постоянные запоминающие устройства 6 и

7 связан с цифровыми входами цифроаналоговых умножающих преобразователей 8 и 9, аналоговые входы которых подключены к выходу регулятора 4.

Выходы преобразователей 8 и 9 через

1259465 I функциональные преобразователи 10 и

11 с характеристикой вход — выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, соеди,нены с входами усилителей 12 и 13 5 мощности, к выходам которых подключены фазы 14 и 15 шагового двигатеza (1J.

Устройство работает следующим образом. Для упрощения рассуждений предположим, что управляющее воздейсчвиес) задающее необходимое значеУ ние скорости вращения двигателя, постоянно. Кроме того, будем считать, что момент нагрузки постоянен и равен М„ ° Тогда в установившемся режиме вал двигателя вращается с практически постоянной скоростью, близкой к заданной, т.е.и3 =иЗ, а электромагнитный момент двигателя М бу- 20

Я дет уравновешивать момент нагрузки, т.е. М Ь= М„.

При вращении ротора двигателя 1 и связанного с ним датчика 2 на выходах блока 3 обработки сигналов датчика появляется информация о положении и скорости ротора двигателя. Информация о текущей скорости .ротора с аналогового выхода в виде сигна- . ла 1 поступает на один из входов ре- 30

1 гулятора 4. Сигнал N, о положении ротора, снимаемый с цифрового выхода блока 3 обработки сигналов датчика, представляет собой код, изменяющийся при вращении двигателя по пилообраз- З5 ному закону и характеризующий положение ротора внутри полюсного деления двигателя М = 211/Р (где P- число пар полюсов двигателя). Этот код поступает на один из входов сумматора 40

5. На второй вход сумматора 5 подается сигнал В, обеспечивающий согласование относительного положения валов двигателя 1 и датчика 2 (угол коммутации).

50

N + В

1 при (N +В) с и;

1 при (N +В) > п;

4 при (N -В) > 0; при (N -В) < 0, + В-и

К вЂ” В

И -8+n

Выходной код сумматора 5 < изменяется также по пилообразному закону, описываемому выражениями где и — число шагов двигателя внутри его полюсного деления.

Таким образом, выходной сигнал сум-. матора 5 оказывается сдвинутым относительно кода N, поступающего с

Ф блока 3 обработки сигналов датчика, на угол, пропорциональный коду В.

Выходной код сумматора 5, величина которого изменяется при вращении ротора двигателя по пилообразному закону, поступает на входы постоянных запоминающих устройств 6 и 7, в которых предварительно записаны требуемые законы изменения фазных токов.

Они преобразуют, пилообразный код сумматора 5 в коды, изменяющиеся по синусойдальному и косинусоидальному законам. Выходные коды постоянных запоминающих устройств 6 и 7 преобразуются посредством цифроаналоговых умножающих преобразователей 8 и 9 в аналоговые синусоидальный и косинусоидальный сигналы, амплитуда которых пропорциональна сигналу ошибки, снимаемому с регулятора 4 ° Аналоговые сигналы через функциональные преобразователи 10 и 11 поступают на входы усилителей 12 и 13 мощности, близких по характеристикам к идеальным источникам тока, и задают амплитуду и форму тока в фазах 14 и 15 двигателя. При этом вектор результирующего электромагнитного поля двигателя, положение которого определяется кодом N, оказывается сдвинутым на угол коммутации Ч, пропорциональный

У коду В, по отношению к оси ротора, определяемой кодом Ы„, что необходимо для возникновения электромагнитЯ ного момента двигателя.

Поскольку электромагнитный момент шагового двигателя определяется как

M = М (-,„ >g) znV, то код В является входом задания максимального значения вращающего момента двигателя. В рассматриваемом устройстве код

В выбирается таким образом, чтобы у =11/2, что обеспечивает максимальное значение вращающего момента.

Конкретное значение кода В устанавливается на входе сумматора 5 при настройке привода после измерения положения датчика 2 относительно ро тора двигателя 1.

Если в приводе используется индукаторный шаговый двигатель с самовозбуждением, фазы которого питаются от идеальных источников тока, то суммарный электромагнитный момент от обеих фаз в предположении, что прово б5 6 ,мость от ошибки системы по ско,рости.

В реальных индукторных шаговых двигателях из-за насыщения магнитной системы зависимость фазных составляющих момента от соответствующих токов несколько отличается от квадратических зависимостей, представленных в выражении (1). В этом случае характеристика вход — выход функциональных преобразователей,обеспечивающая постоянство электромагнитного момента двигателя и его прямую зависимость от ошибки системы по скорости, также отличается от степенной функции с показателем степени, равным 1/2, как это следует из выражений (2) и (3), но близка к ней.

Изменение формы фаэных токов при изменении их амплитудных значений обеспечивает равномерное деление шага при изменении нагрузки и скорости в широких пределах. (2} где 1 — максимальное значение тока и в фазе.

Действительно, подставив выражения (2) и (3) в (1), получим,<5

MàÜ gì (11,„sindt ) ваап(зхп ) sin dt+ jgcoadt(sign(cosset)cosset)

К f„(sin u)t + cosQ t) = K„I

Таким образом, в идеализированном 5О случае введение в схему устройства функциональных преобразователей с ахарактеристиками вход — выход вида

1fsi у х обеспечивается постоянство вращающего момента двигателя при по- 55 вороте ротора и его линейную зависиБНИИПН Заказ 5137!57 Ти

Нроиэв.-полигр. пр-тие, г.

5 12594 димость воздушного зазора характери- зуется только основной гармоникой, можно представить как.1 ((1 sign i . sindt + а

+ (11 в п is coeds) (1) К„ — постоянный коэффициент;

1ав Ь вЂ” мгновенные значения то- Ю ков в фазах а и ь двигателя.

Функции sign а и sign > в вы6 ражении (1) отражают периодичность изменения магнитодвижущихся фаэ двигателя. В функциональной схеме изменение "знака" магнитодвижущей силы производится за счет расщепления фаз

14 и 15 °

Как следует из выражения (1), синусоидальные законы изменения фазных токов не обеспечивают в случае использования индукторного двигателя постоянства его вращающего момента, что приводит к неравномерному вращению ротора двигателя. Кроме того, резуль25 тирующий момент двигателя нелинейно зависит от фазных токов, амплитуда которых в замкнутой системе определяется ошибкой по скорости, что вызывает дополнительные колебания скорости и снижает КПД привода.

Для обеспечения неизменной величины электромагнитного момента двигателя токи в фазах должны изменяться по законам, близким к 35

i =Д .sin

i„ )I cosdtf = ll cosdtj

×2 (3) Формула изобретения

Замкнутый шаговый электропривод с дроблением шага, содержащий ваговый двигатель с датчиком положения на валу, блок обработки сигналов датчика положения, соединенный аналоговым выходом с одним из входов регулятора, другой вход которого подключен к шине задания скорости, а выход соединен с аналоговым входами цифроаналоговых умножающих преобразователей по числу фаз двигателя, подключенных выходами к входам усилителей мощности с фазами двигателя на выходах, а цифровыми входами — к выходам постоянных запоминающих устройств, подключенных входами к выходам сумматора, одним входом соединенного с шиной задания угла коммутации, а другим - с цифровым выходом блока обработки сигналов датчика положения, отличающийся тем, что, с целью улучшения плавности движения и повышения КПД, в него введены функциональнйе преобразователи по числу фаз двигателя с характеристикой вход— выход, описываемой степенной функцией с дробным показателем степени, входы которых подключены к выходам соответствующих цифроаналоговых умножающих преобразователей, а выходы — к входам усилителей мощности.

Раж . 631 Подписное

Ужгород, ул. Проектная, 4