Устройство для управления шаговым двигателем

 

Изобретение относится к электротехнике , к системам автоматического управления с шаговыми двигателями. Целью является повьшение надежности устройства путем введения контроля частоты и порядка коммутации обмоток двигателя и токов управления. Порядок коммутации контролируется D-триггером (Л «Кв./

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (58 4 Н 02 Р 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3964268/24-07 (22) 16,10.85 (46) 07.03.87. Бюл. Р 9 (72) N.Н.Глазов, А.А.Дедюшин и В.Н.Ларина (53) 621.313.525(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ô 811477, кл. Н 02 P 8/00, 1981.

Авторское. свидетельство СССР

11- 1102005, кл. Н 02 Р 8/00, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (57) Изобретение относится к электротехнике, к системам автоматического управления с шаговыми двигателями.

Целью является повышение надежности устройства путем введения контроля частоты и порядка коммутации обмоток двигателя и токов управления. Порядок коммутации контролируется D-триггером

19, информационный и тактовый входы которого подключены к смежным выходам источника управления сигналов 1, а выход подключен к переключателю 20, соединенному входами с разнополярными источниками опорных напряжений, Выход переключателя 20 через ключ 21 соединен с входом 11 схемы сравнения, другой вход 12 которой подключен к источнику управляющих сигналов 1. Управляющий вход кюноча 21 подключен через оптрон 22 к цепи 9 форсировки спада токов, в результате чего ключ

1295501

21 замыкается с частотой коммутации обмоток двигателя, причем время замыкания ключа 21 определяется током обмотки управления. Среднее значение тока, протекающего через ключ 2l,про" порциональное произведению частоты коммутации и тока управления двигателя, сравнивается на входах 11 и 12 схемы сравнения с входным сигналом.

При наличии недопустимой разности сравниваемых сигналов формируется сигнал неисправности. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическими машинами и может быть использовано в автоматизированном электроприводе с шаговыми двигателями.

Цель изобретения — повышение надежности.

На фиг.l показана схема предлагае.мого устройства; на фиг.2 циклограмма работы устройства.

Источник 1 управляющих сигналов связан с усилителями 2 мощности, каждый из которых выполнен на двух ключевых элементах 3 и 4, причем первый ключевой элемент 3 подключен к регулятору 5 тока, а второй — к соответствующему выходу источника 1. В качестве датчика тока к регулятору 5 подключен резистор 6. Напряжение U, снимаемое с резистора 6 и пропорциональное току обмотки управления двигателя, сравнивается с уставкой U> иа входах регулятора 5. Обмотка yn i равления, ключевой элемент 4, резистор 6 шунтированы диодом 7. Развязывающие диоды 8 с цепью 9 форсировки снижения тока, выполненной на стабилитроне 10, подключены к обмотке управления.

В состав устройства входит также схема сравнения с двумя входами ll u

12, выполненная на операционном усилителе 13 с конденсатором 14 и диодным мостом 15 в обратной связи и поро говым элементом 16 на выходе., Резисторы 17 и 18, подключены к источнику разнополярных опорных напряжений fU и диодам моста 15 в проводящем на правлении, благодаря чему обеспечивается необходимая зона нечувствительности схемы сравнения.

Устройство содержит также D-триггер 19, переключатель 20, вспомога° тельный ключ 21 с оптроном 22 в цепи управления. Входы D и С триггера 19 подключены к смежным выходам источника !.

Цепь управления вспомогательного ключа 21 через развязывающий оптрон

22 подключена к цепи 9 форсировки снижения токов.

Цепь управления переключателя 20 соединена с выходом D-триггера 19,. входы переключателя 20 подключены к источнику разнополярных опорных напряжений +U, а выход переключателя

20 через ключ 21 соединен с первым входом ll схемы сравнения. Второй вход 12 схемы сравнения соединен с источником 1 управляющих сигналов.

Источйик 1 управляющих сигналов может быть реализован на базе однофазных преобразователей напряжение— частота и распределителей импульсов на логических схемах, обеспечивающих

3О управление щаговыми двигателями с различным числом обмоток.

В частном случае в источнике 1 управляющих сигналов может использоваться генератор фиксированной частоты, который в зависимости от полярности входного сигнала 11 „ подключается к одному или другому входу распределителя.

1 12955 постоянной величиной (нестабильностью индуктивности L и опорного напряжения стабилитрона пренебрегаем) .

При постоянной длительности импульсов t, среднее значение тока, протекающего через резистор на первом входе 11 схемы сравнения, прямо пропорционально частоте коммутации ключа

21 (частоте коммутации обмоток управления двигателя по сигналам преобра- 10 зователя напряжение — частота 1), T ° е

При возникновении отказов устройство работает следующим образом. Все разнообразие отказов устройства сводится к коммутации обмоток управления двигателя не в заданной очередности или не с заданной частотой, а также к неисправностям, проявляющимся в отклонении токов обмоток управления от заданных значений. Если очередность коммутации обмоток управления не соответствует знаку входного сигнала

Е1з„ (неправильное направление вращения двигателя), то Р-триггер 19 устанавливает переключатель 20 в положение, при котором токи Е„ и I,q на входах устройства сравнения имеют одинаковые знаки, т.е. взаимная компенсация токов становится невозможной. Поскольку суммарный ток I« + заведомо больше тока смещения I p Ä диодный мост 15 выключается, разрывая отрицательную обратную связь, охватывающую усилитель 13. Последний переUn "о Un — — = — t f

1i R T R P

Н f1

1 где Т = — — период коммутации;

U амплитуда импульсов (Ut,, =

= -U или U U в зависимости от поло— жения переключателя 20).

Ток, протекающий через резистор на втором входе 12 схемы сравнения, определяется выражением

Usx

<2

25 причем ток I противоположен по знаку току I«

Благодаря наличию конденсатора 14 в обратной связи операционного усилителя 13 схема сравнения реагирует З0 на среднее значение разности токов, протекающих на ее входах. Так как час. тота f прямо пропорционально входному напряжению Up„(f KU „ ), то нри надлежащем выборе сопротивлений резисторов R<,, R можно обеспечить компенсацию сигналов на входах схемы сравнения. Условие компенсации имеет вид:

К U 1 — — t

И 12

Из — за нелинейности преобразователя напряжение — частота 1, изменений индуктивности обмоток управления по стабильности опорного напряжения U стабилитрона и других погрешностей точная компенсация токов на входах устройства сравнения во всем диапазоне изменения входного сигнала практически неосуществима. Для того, чтобы исключить появление ложного сигнала на выходе усилителя 13 из-эа разностного входного тока ЬЕ I«

I, обусловленного перечисленными факторами, операционный усилитель

13 схемы сравнения охвачен нелинейной отрицательной обратной связью через диодный мост 15. При малых значениях разностного тока gI диоды

01 6 моста 15 смещены в проводящем направлении за счет токов смещения I см

U — (R — сопротивление резисторов р,„см

К,7 и К„б ), в результате чего выходное напряжение U > усилителя 13 сохраняется близким к нулю и пороговый элемент 16 находится в выключенном состоянии.

В переходных процессах при скачкообразном изменении знака входного сигнала информация об изменении очередности коммутации обмоток управления двигателя вырабатывается D-триггером 19 с задержкой, поскольку переключение триггера тактовыми импульсами U > в общем случае отстает от момента изменения входного сигнала. Поэтому во время переходного процесса ток I, совпадает по знаку с током I y.

Однако благодаря наличию конденсатора 14 за время переходного процесса выходное напряжение U,> операционного усилителя 13 не успевает достичь уровня срабатывания порогового элемента 16 и пороговый элемент остается в выключенном состоянии.

Таким образом, при наличии входного сигнала и исправной работе устройства напряжение Е1ц„ уравновешивается на входах схемы сравнения. сигналом, формируемым на выходе цепи форсировки спада тока, и сигнал неисправности на выходе схемы сравнения отсутствует. !

1295501 4 триггер 19 устанавливается в единичное состояние (фиг. 2) .

При U>Ä < 0 напряжение U опережает U на угол в /2 и на переднихфрон1 тах импульсов U напряжение U равно нулю, вследствие чего D-триггер 19 находится в нулевом состоянии.

В соответствии с выходным сигналом

D-триггера 19 изменяется положение переключателя 20. При единичном сигнале

U переключатель 20 обеспечивает под<9 ключение опорного источника — U к ключу 21, при нулевом сигнале переключатель 20 переходит в другое положение и к ключу 21 подключается источник положительного опорного напряжения U. Таким образом, к ключу 21 приЦепь 9 форсировки снижения токов может быть выполнена не только на стабилитронах. В качестве форсирующих элементов могут использоваться, например, балластный резистор, после довательно соединенные резистор и ко денсатор или дополнительный источник напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала Ьв„ источник 1 управляющих сигналов находится в заторможенном состоянии, а потому вторые ключевые элементы 4 усилителей 2 мощности не коммутируются и двигатель неподвижен. Во включенных обмотках управления с помощью регуляторов 5 тока, коммутирующих первые

20 ключевые элементы 3, поддерживаются заданные значения токов, опр еделяемые уставками 1. . При этом в интерва3 ле размыкания ключа 3 ток обмотки, поддерживаемый за счет ЭДС самоиндук- >.

25 ции, протекает через замкнутый ключ

4, датчик 6 тока и диод 7 . Цепь 9 форсировки все время обеспечена, а потому оптрон 22 и ключ 21 выключены. Следовательно, на обоих входах

11 и 12 схемы сравнения нет напряжения, выходной сигнал U операционного усилителя 13 также равен нулю и пороговый элемент 16 находится в выключенном состоянии.

При наличии входного сигнала U вх устройство работает следующим образом . Пусть нри 1 „, > 0 фазовый сдвиг между напряжениями на смежных выходах преобразователя 1 имеет знак, обеспечивающий установку D-триггера

19 в единичное состояние, а при

U c 0 — в нулевое. На фиг.2 в качевх стве примера приведены временные диаг раммы изменения выходных напряжений

Б и Б„ на смежных, выхоцах четырехфазного преобразователя напряжениечастота 1, обеспечивающего парную коммутацию обмоток управления четырехфазного шагового двигателя. При

Бв„ > 0 обмотки управления переклю50 чаются в прямой последовательности

1,2-2,3-3,4-4-1-1,2 и напряжение Бд отстает от U> на угол /2. Поэтому на передних фронтах импульсов U действующих на тактовом С-входе D.—

55 триггера 19, напряжение U» прило кен ное к информационному D-входу триггера 19,.имеет единичное значение и кладывается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению Овх

Ключ 21 переключается с частотой коммутации обмоток управления, двигателя по сигналам преобразователя 1.

Действительно, при каждом размыкании ключевых элементов 4 усилителей

2 мощности ЭДС самоиндукции, возникающая в отключаемых обмотках, замыкается через соответствующий разделительный диод 8 и цепь 9 форсировки, в результате чего происходит включение оптрона 22.

Во время действия ЭДС самоиндукции на стабилитроне 10 выделяются прямоугольные импульсы напряжения Бю с амплитудой, равной опорному напряжению стабилитрона U и через входную цепь оптрона 22 (светодиод) протекает практически постоянный по величине ток. Этот ток включает опт— рон 22, что приводит к замыканию ключа 21, причем время t нахождения ключа в замкнутом состоянии определяется значением тока I, который поддерживается в обмотке управления регулятором 5 перед ее выключением.

Для случая быстрого снижения тока по линейному закону, Koгда IR (< и ЭДС самоиндукции уравновешивается падением напряжения на стабилитроне

10,, имеем .". I ° L/U где L, индуктивность и номинальный ток обмотки.

Поскольку ток I стабилизируется регулятором 5 независимо от колебаний напряжения питания, изменений температуры окружающей среды и других дестабилизирующих факторов (I=const) длительность импульсов t, является

1295501

-ходит в насыщение и на выходе усилителя возникает сигнал, вызывающий срабатывание порогового элемента 16, что свидетельствует о неисправности устройства управления.

Выявление неисправности устройства управления в случае, когда частота коммутации обмоток f не соответствует по величине напряжению U6„, основано на том, что разность входных токов dI = I« â€,I превышает допустимое значение, равное току смещения

Х . При этом также выключается диодный мост 15, и на выходе схемы сравнения появляется сигнал неисправности.

Такие неисправности, как коммутация обмоток управления при отсутствии входного сигнала (несанкционированное перемещение исполнительного механизма) и отсутствие коммутации при наличии входного сигнала (отсутствие движения) являются частными случаями несоответствия частоты коммутации входному сигналу U . При этом ток протекает лишь на одном из входов схемы сравнения (при несанкциониро-„ ванном перемещении течет ток Iн, а

Т; = О, при отсутствии движения протекает ток I, I,» = О).

Неисправности, приводящие к отклонению токов обмоток управления от за— данного значения, также вызывает увеличение разностного тока Ы, так как они приводят к изменению длитель.ности t замыкания ключа 21. В рео зультате даже при правильной очередности коммутации обмоток и соответствии частоты коммутации f входному сигналу П „среднее значение тока

Т» существенно отличается От I что приводит к срабатыванию порогового элемента 16 на выходе схемы сравнения.

Таким образом, в предлагаемом уст ройстве простыми средствами обеспечивается полный и глубокий контроль исправности. Оно позволяет выявить отказы не только выходных усилителей с регуляторами тока и цепями форсировки спада токов, но и всей схемы управления шаговым двигателем в целом. При этом обнаруживаются неисправности, приводящие к несанкционированному перемещению и отсутствию перемещения исполнительного механизма, перемещению исполнительного механизма в направлении, противополож35

55 широтно-импульсными регуляторами тока и цепями форсировки спада токов на стабилитронах обеспечивали стабилизацию токов обмоток двигателя на уровне 1,20 0,05. При испытании макета имитировались различные неисправности схемы, включая отказы типа

"обрыв" и "короткое замыкание" в источнике управляющих сигналов, выходных усилителях, регуляторах тока и источниках питания. Во всех случаях при имитации отказов возникал сигнал неисправности, причем время выявления отказов не превышало 20 мс.

Кроме то ro имитиров алис ь по с тепенные отказы элементов (изменение номиналов резисторов и конденсаторов в источнике управляющих сигналов), которые приводили к изменению частоты коммутации обмоток управления шагового двигателя. Настройкой схемы сравнения обеспечивалось формирование сигнала неисправности при отклонении максимальной частоты коммутаном заданному, а также постепенные отказы элементов, ведущие к несоответствию частоты вращения двигателя и токов в его обмотках управления заданным значениям. Важным достоинством изобретения является также высокое быстродействие контроля, поскольку время обнаружения неисправностей не превышает 20-50 мс °

Такое увеличение быстродействия контроля повышает надежность работы систем управления с шаговыми двигателями, поскольку быстрое выявление отказов устройств управления позволяет предотвратить аварийные ситуации, которые могут возникнуть из-за перемещения исполнительных механизмов за время выявления неисправности.

Лабораторная проверка, подтвердила работоспособность предлагаемого устройства. Эффективность контроля подтверждена испытаниями лабораторного макета устройства для управления четырехфазным шаговым двигателем, предназначенного для работы в следящей системе. В качестве источника управляющих сигналов в макете использовалось устройство, обеспечивающее коммутацию обмоток управления дви гателя с частотой, пропорциональной сигналу рассогласования (частота изменялась в пределах от О до 880 Гц).

Выходные транзисторные усилители с фи,1

Составитель В.Алфимов

Техред Л.Сердюкова Корректор M.Ïîæo

Редактор Н.Тупица

Заказ 625/60 Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ .Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

9 12 ции от заданного значения, достигавшем 10-15Х.

Таким образом, лабораторные испытания макета предлагаемого устройства подтвердили, что входящая в него схема контроля позволяет выявлять указанные неисправности.

Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее источник управляющих сигналов, цепь форсировки снижения тока, источник разнополярных опорных напряжений, схему сравнения, подключенный к ее выходу пороговый элемент и усилители мощности, Каждый из которых включает в себя регулятор тока, датчик тока и два ключа, соединенных последовательно с фазой двигателя и датчиком тока, уп—

95501 I0 равляющие входы ключей соединены с выходами регулятора тока и источника управляющих сигналов, а выходы усилителей мощности через диоды соединены с цепью форсировки снижения тока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, в устройство введены D-триггер, оптрон, переключатель и вспомогательный ключ, ®0 управляющий вход которого через оптрон связан с цепью формировки снижения тока, а сигнальные входы — с одним входом схемы сравнения и выходом переключателя, входы которого соединены с источником разнополярных опорных напряжений, управляющий вход— с выходом 0-триггера, тактовый и информационный входы которого соединены со смежными выходами источника уп20 равляющих сигналов, вход которого соединен с другим входом схемы сравнения.,