Устройство для управления @ - фазным шаговым двигателем

 

Изобретение относится к управлению электрическими машинамн. Цель изобретения - повышение надежности и КПД устройства для управления гт% -фазHbw шаговым двигателем при переменной нагрузке двигателя. Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, диоды 2, 3, 8, 9, 10, тиристор 4, нагрузочные обмотки 5 - 7, конденсатор 11, гл -канальный усилитель 12 мощности, резисторные датчики тока 13 - 16, формирователь 17 импульсов , амплитудные детекторы 18

СОЮЗ.СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (594 Н02 Р800

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPGH0MV СВИДЕ ГЕЛЬСТВУ с,.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3855250/24-07 (22) 03.12.84 (46) 23.10.86. Бюл. Ф 39 (71) Институт электродинамики AH

УССР и Специальное конструкторскотехнологическое бюро Института электродинамики АН УССР (72) В.E. Тонкаль, Л.П. Мельничук, В,Г. Смолянинов, А.А. Афонин и P.Р. Билозор (53) 621.313.515(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9. 862345, кл. Н 02 P 8/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

В 1043824, кл. Н 03 К 17/56, 1983.

„„SU„„1265964 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ nï—

ФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ . (57) Изобретение относится к управлению электрическими машинами, Цель изобретения — повышение надежности и

КПД устройства для управления -фазным шаговым двигателем при переменной нагрузке двигателя, Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, диоды 2, 3, 8, 9, 10, тиристор 4, нагрузочные обмотки 5 — 7, конденсатор 11, ч -канальный усилитель 12 мощности, резисторные датчики тока 13 — 16, формирователь 17 импульсов, амплитудные детекторы 18 — Я

12659

20, компараторы 21 — 23, элементы

ИЛИ 24, 36, одновибраторы 25 — 28, элементы 2-2И-2ИЛИ 29-31, триггеры

32-35, элементы 3-ЗИ-2ИЛИ 37-39, программный блок 40. В устройстве период проводимости управляемого ключа усилителя мощности, в течение которого к обмотке двигателя подводится напряжение источника питания, автоматически регулируется в зависимости от приложенной механической нагрузки.

Причем длительность импульса проводимости ключа соответствует минималь64 ной необходимой энергии, поступающей в обмотку для перемещения якоря на один шаг, за счет чего улучшаются энергетические показатели устройства. Надежность его повышается вследствие того, что включение следующей по порядку работы обмотки двигателя и отключение работающей при поочередной коммутации не происходит до тех пор, пока не получена информация об очередном перемеще нии якоря двигателя на один шаг. 3 ил.

Изобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано для управления шаговыми двигателями, в частности линейными, а также вибраторами.

Цель изобретения cостоит в повышении надежности и КПД при переменной нагрузке двигателя.

На фиг.l приведена схема устройства управления шаговым электромагнитным двигателем, например, для случая = 3; на фиг.2 — временные диаграммы напряжений и токов на основных элементах схемы; на фиг.3 — одна из возможных схем амплитудного детектора, Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, первый и второй диоды 2 и 3, тиристор 4, нагрузочные обмотки 5 — 7, третьи диоды

8 — 10 конденсатор 11, -канальный усилитель 12 мощности, резисторные датчики 13-16 тока, формирователь 17 импульсов, амплитудные детекторы 1820, компараторы 21 — 23, первый элемент ИЛИ 24, одновибраторы 25 — 28, элементы 2-2И-2ИЛИ 29 — 31, триггеры

32 — 35, второй элемент ИЛИ 36, элементы 3-ЗИ-2ИЛИ 37 — 39, программный блок 40.

На фиг. 2 кривая 41 показывает напряжение на конденсаторе 11; кривая

42 — ток заряда конденсатора; кривая

43 — напряжение на выходе формирователя 17; кривая 44 — сигнал на выходе одновибратора 25; график 45 — сигнал на выходе триггера 35; график 46— сигнал на выходе элемента 37, график

47 — ток обмотки 5; график 48 — напряжение на выходе амплитудного детектора 18; график 49 — совмещение графиков 47 и 48, график 50 — сигнал на выходе компаратора 21; график 51 сигнал на выходе одновибратора 26; график 52 — напряжение на инверсном выходе триггера 32; кривая 53 — напряжение на обмотке 5, На графиках 5458 показаны соответственно сигнал на выходе элемента 38, ток обмотки 6, напряжение на выходе компаратора 22, сигнал на выходе одновибратора 27 и напряжение на инверсном выходе триггера 33; на графиках 59 — 63 — соответственно сигнал на выходе элемента

39, ток обмотки 7, напряжение на выходе компаратора 23, сигнал на выхо20 де одновибратора 28 и напряжение на инверсном выходе триггера 34; на графиках 64 и 65 — напряжение на выходах программного блока, 25

Амплитудный детектор содержит конденсатор 66, подключенный ко входу операционного усилителя 67, а также операционный усилитель 68. Конденсатор 66 шунтирован ключом 69, выход о усилителя 68 через диод 70 соединен с конденсатором 66, а выход усилителя 67 соединен с инверсным входом усилителя 68 через резистор 71. Прямой вход 72 усилителя 68 является

35 сигнальным входом амплитудного детектора, управляющий вход 73 ключа 69 является управляющимвходом детектора, 5964 4 ходом детектора.

Первые выводы нагрузочных обмоток

5 — 7 через соответствующие управляемые ключи -канального усилителя 12 мощности и резисторные датчики 13

15, соединены с первым полюсом источника 1 питания, а через соответствующие третьи циоды 8 — 10 — со второй обкладкой конденсатора 11 и первым >О выходным электродом тиристора 4, второй выходной электрод которого соединен со вторым выводом нагрузочных обмоток и с одноименными электродами первого и второго диодов 2 и 3, ко- !5 торые включены встречно последовательно между вторым и первым полюсом источника 1 питания, причем первый диод 2 включен по отношению к источнику питания в прямом направле- 2ц нии.

К первому полюсу источника 1 пита ния через реэисторный датчик 16 подключена первая обкладка конденсатора

ll соединенная с входом формирова- 25 теля 17 импульсов, выход которого через одновибратор 25 соединен с первым входом триггера 35, один выход ,которого соединен с третьими входами первых и вторых ячеек элементов И 37-зо

39, а общие точки соединения управляемых ключей -канального усилителя

12 мощности и резисторных датчиков 13 — 15 соответственно соединены с сигнальными входами амплитудных де35 текторов 18-20 и первыми входами компараторов 21 — 23, вторые входы которых соединены с выходами амплитудных детекторов 18 — 20, а выходы компараторов 21 и 23 через одновибрато40 ры 26 — 28 соединены с первыми входами триггеров 32 — 34 и входами второго элемента ИЛИ, выход которого связан со вторым входом триггера 35, а

;первый вход 32 триггера связан со вторым входом второй ячейки элемента

И 30 и вторым входом первой ячейки элемента И 31.

Первый вход триггера 33 соединен со вторым входом второй ячейки элемента И 31 и со вторым входом первой ячейки элемента И 29, а первый вход триггера 34 соединен со вторым входом второй ячейки элемента И 29 и вторым входом первой ячейки элемента 55

И 30. Выходы элементов 29 — 31 соответственно соединены со вторыми входами триггеров 32 — 34, причем пряз 126 а выход 74 усилителя 67 является вымой выход триггера 32 соединен с управляющим входом амплитудного детектора !8, а прямой выход триггера 33с управляющим входом амплитудного детектора 19, Прямой выход триггера

34 соединен с управляющим входом амплитудного детектора 20, инверсный выход триггера 32 — со вторым входом первой ячейки элемента И 38 и вторым входом второй ячейки И элемента 39, а инверсный выход триггера 33 соединен со вторым входом первой ячейки элемента И 39 и вторым входом второй ячейки элемента И 37. Инверсный выход триггера 34 соединен со вторым входом первой ячейки элемента И 37 и вторым входом второй ячейки элемента И 38 °

Первые входы первых ячеек элементов И 29 — 31 и элементов 37 - 39 соединены с первым выходом программного блока 40, осуществляющего управление движением "Вперед", а первые входы вторых ячеек элементов И 29 - 31 и элементов 37 — 39 соединены со вторым выходом блока 40, осуществляющего управление движением Назад", Выходы элементов 37 — 39 соединены t:o входами соответствующих ключей -канального усилителя !2 мощности и входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим электродом тиристора 4, Устройство работает следующим образом.

После подачи питания и импульса на вход "Начальная установка" на инверсных выходах триггеров появляется сигнал логического "0", кроме одного,, на инверсном выходе которого появляется сигнал логической I" например, у триггера 34 (63 фиг.2). В качестве триггеров можно использовать IKтриггер с установочными входами R-S.

Пусть на выходе 1 блока 40 присутствует сигнал логической "1" (64 фиг.2), а на выходе 2 блока 40 — сигнал логического "0" (65 фиг.2) . Так как на одном выходе триггера 35 присутствует сигнал логического "0" (45 фиг.2),-то на выходе элементов 37

39 также имеется сигнал логического

II tt

0 и управляемые ключи г -канального усилителя мощно с ти,раз омкнуты, В это время идет заряд конденсатора I I (4 l фиг . 2 ) по цепи : второй полюс ис -., точника I питания — диод 2 — нагрузочные обмотки — третьи диоды — конФ,12659 денсатор 11 — реэисторный датчик 16первый полюс источника ) питания.

Конденсатор 11 заряжается, Падение напряжения на резисторном датчике !

6, пропорциональное току заряда (42 фиг.2), поступает на вход формирователя импульсов 17, с выхода которого получают импульс (43 фиг.2), запускающий своим задним фронтом одновибратор 25 (44 фиг.2), который вырабатывает короткий импульс логического "0", устанавливающий выход триггера 35 в состояние логической "1" (45 фиг.2).

Появляющийся сигнал логической

"1" на трех входах первой ячейки элемента И 37 поступает на соответствующий вход п -канального усилителя мощности, замыкая ключ, подключающий нагрузочную обмотку 5 к источ- 2б нику питания, Одновременно этот же сигнал логической ")" проходя через элемент 24, обеспечивает включение тиристора 4, если напряжение на конденсаторе 11 превышает напряжение ис- 25 точника 1 питания. Протекающий через на1рузочную обмотку 5 ток (47 фиг,2 ) создает пропорциональное его величине падение напряжения на резисторном датчике 13, которое поступает на сиг-ЗО нальный вход амплитудного детектора

18 и на первый вход компаратора 21.

Ток в обмотке двигателя изменяется по определенному закону (47 фиг.2), отражающему перемещение якоря и изменение магнитных параметров системы, причем изменение тока в интервале t -t (47 фиг,2) соответствует от1 т работке шага.

Сигнал с выхода амплитудного детектора 18 (48 фиг.2) поступает на второй вход компаратора 2), который производит сравнение мгновенных значений поступающих напряжений (49 фиг.2). На выходе компаратора 21 фор45 мируется импульс, когда напряжение

48 (49 — обозначено пунктиром) боль- ше напряжения 47 (49 — обозначено сплошной линией) . Импульс с выхода компаратора 2) (50 фиг.2) задним фронтом запускает одновибратор 26, с выхода которого получают короткий импульс логического "0" (51 фиг,2), поступающий на первый вход триггера

32, изменяя его выходное состояние на противоположное; на инверсном выходе появляется сигнал логической

"1" (52 фиг.2), а на прямом выходе

64 Ь сигнал логического "0", которьй, замыкая ключ 69, разряжает конденсатор 66 амплитудного детектора 18 Одновременно импульс с выхода одновибратора 26 через второй элемент ИЛИ поступает на второй вход триггера 35, изменяя его выходное состояние (45 фиг,2).

Этот же импульс поступает на второй вход второй ячейки элемента И

30, не изменяя выходное состояние этого элемента, и на второй вход первой ячейки элемента И 31, на первый вход первой ячейки И которого поступает сигнал логической "1" с выхода программного блока. Короткий. импульс логического "0" проходящий через первую ячейку элемента. И 31, поступает на второй вход триггера

34> изменяя его выходное состояние (63 фиг,2). На прямом выходе триггера 34 появляется сигнал логической

"1", размыкающий ключ 69 амплитудного детектора 20, а на инверсном выходе сигнал логического "0", поступающий на второй вход второй ячейки элемента И 38 (не изменяя его выходное состояние), и на второй вход первой ячейки элемента И 37, снимая с

его выхода потенциал логической "l" (46 фиг.2) . При этом размыкается соответствующий ключ -канального усилителя мощности. Нагрузочная обмотка

5 отключается от источника 1 питания.

Возникающая в отключенной обмотке

5 ЭДС самоиндукции (53 фиг.2) заряжает конденсатор Il по цепи: первый вывод обмотки 5 — диод 8 — конденсатор 11 — резисторный датчик 16 — диод

3 — второй вывод обмотки 5. При этом осуществляется форсирование заднего фронта токового импульса в отключаемой обмотке. Падение напряжения на резисторном датчике 16, пропорциональное току заряда конденсатора ll (42 фиг,2), поступает на формирователь 17, с выхода которого снимается сформированный импульс (43 фиг.2), Его задний фронт запускает одновибрдтор 25 (44 фиг.2), который вырабатывает короткий импульс логического

"0", устанавливающий на выходе триггера 35 состояние логической "1" (45 фиг.2).

На трех входах первой ячейки элемента И 38 появляется сигнал логической "1", который проходит на выход и поступает на соответствующий вход . ъ "

1265964 канального усилителя мощности, замыкая ключ, подключающий нагрузочную обмотку 6 к источнику питания, Одновременно этот же импульс проходит через первый элемент ИЛИ на управляющий электрод тиристора 4, включая его, Конденсатор 11, заряженный до величины, превышающей величину напряжения источника питания, разряжается по цепи: конденсатор 11 — тиристор 1О

4 — обмотка 6 — усилитель мощности

12 -резисторный датчик 14 — резисторный датчик 16 — конденсатор 11, осуществляя форсирование переднего фронта токового импульса обмотки 6 ° 15

Изменение напряжения на резисторном датчике 14, пропорциональное току обмотки 6, поступает на сигнальный вход 72 амплитудного детектора

19 и первый вход компаратора 22, и 20 весь процесс повторяется (54 — 58 фиг.2). Аналогично осуществляется работа устройства при подключении на. грузочной обмотки 7 (59- — 63 фиг.2).

Дпя осуществления реверса движения 25 на выходах блока 40 логические сигналы изменяются (64, 65 фиг ° 2).

В предлагаемом устройстве период проводимости управляемого ключа усилителя мощности, в течение которого Çp к обмотке двигателя подводится напряжение источника питания, автоматически регулируется в зависимости от приложенной механической нагрузки.

Причем длительность импульса проводимости ключа соответствует минимальной .необходимой энергии, поступающей в обмотку для перемещения якоря двигателя на один шаг, за счет чего улучшаются энергетические показатели 40 устройства, а надежность его работы повышается вследствие того, что включение следующей по порядку работы обмотки двигателя и отключение работающей при их поочередной коммутации не 4g произойдет, пока не будет получена информация об очередном перемещении якоря двигателя на один шаг. Это также повышает быстродействие системы и улучшает плавность хода при длиннохо-gp довом перемещении. Устройство управления шаговым электромагнитным двигателем не требует переналадки схемы при замене одного шагового двигателя другим с отличающимися постоянными времени обмоток, что улучшает эксплуатационные характеристики шагового привода.

Ф о р м у л а и з о б р е т е и и я

Устройство для управления п -фазным шаговым двигателем, содержащее источник питающего напряжения, подключенные к его ж водам встречно соединенные диоды, к точке соединения которых подключена общая точка фаз двигателя, а также последовательная цепь из конденсатора и тиристора, подключенный выходом к его управляющему электроду первый элемент ИЛИ, -канальный распределитель импульсов, соединенный с ним выходами программный блок, соединенный с фазами дви > гателя -канальный усилитель мощности, входы которого вместе с входами первого элемента ИЛИ подключены к выходам распределителя импульсов, а фазы двигателя через диоды соединены с общей точкой конденсатора и тиристора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и КПД при переменной нагрузке двигателя, в устройство введены (m+1) резистивных датчиков тока, последовательно соединенные формирователь импульсов и первый триггер, второй элемент ИЛИ, а каждый канал распределителя импульсов содержит элемент

2-2И-2ИЛИ, элемент 3-ЗИ-2 ИЛИ и цепь определения длительности включения фазы, включающую в себя последовательно соединенные амплитудный детектор, компаратор, одновибратор, триггер и подключенную к соответствующему датчику тока, второй вход компаратора подключен к входу амплитудного детектора, вход формирователя импульсов подключен к точке соединения конденсатора и датчика тока, выход второго элемента ИЛИ соединен с вторым входом первого триггера, второй вход триггера каждого канала соединен с выходом соответствующего элемента

2-2 И-2 ИЛИ, прямой выход — с управляющим входом амплитудного детектора, а инверсный — с входами элементов

3-ЗИ-2 ИЛИ соседних каналов, выход одновибратора соединен с входами элементов 2-2И-2ИЛИ соседних каналов и входом второго элемента ИЛИ, по два входа элемента 3-ЗИ-2ИЛИ соединены с выходом первого триггера, а остальные входы элементов 2 — 2И вЂ” 2

ИЛИ и 3 — ЗИ вЂ” 2 ИЛИ соде динены с выходами програм ного блока.!

265964

Составитель В, Алфимов

Техред М.Ходанич Корректор. A- Зимоко сов.Редактор Н. Егорова

Заказ 5679/56 Тираж 631

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

}13035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д.4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4