Устройство для управления шаговым двигателем

 

Цель изобретения - расширение области применения и повышение надежности работы устройства для управления шаговым двигателем. Устройство содержит последовательно соединенные задатчик программы, реверсивный распределитель импульсов, первый элемент И, канальные усилители по числу фаз шагового двигателя, каждый канальный усилитель содержит первый и второй элементы И - НЕ, первый, второй, третий и четвертый ключи, первый и второй пороговый элементы, датчик тока, первый, второй, третий и четвертый диоды. В него дополнительно введены блок защиты, элемент защиты, а в каждый канальный усилитель введены первый и второй элементы гальванической развязки, третий пороговый элемент и элемент ИЛИ.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 Г 05 В 19/40

ГОсУДАРственный Ho MOTET

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3977767/24 — 24 (22) 19. 11. 85 (46) 07.02..90. Бюл. Н 5 (7 l) Институт сверхтвердых материалов

AH УССР (72) А,П. Мантуло, А.В. Золотухин и Е.Ф. Кузьменко (53) 62.50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1012207, кл. С 05 В 19/40, 1981.

Авторское свидетельство СССР

¹ 811477„ кл. H 02 P 8/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N- 1043598, кл. С 05 В 19/40, 1982. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее последовательно соединенные задатчик программы и реверсивный распределитель импульсов, второй вход которого через первый элемент И соединен с частотным и первым управляющим выходом задатчика программы, а выход реверсивного распределителя импульсов соединен с входами канальных усилителей по числу фаз шагового двигателя, каждый канальный усилитель содержит первый и второй элементы И-НЕ, первый, второй, третий и четвертый ключи, первый и второй пороговый элементы, датчик тока, выход которого соединен с общей шиной, первый, второй, третий и четвертый диоды, причем выход первого ключа соединен с первым выводом первой обмотки фазы шагового двигателя и с катодом второго диода, вход первого ключа соединен через первый диод с вторым выводом первой обмотки фазы шагового двигателя и с входом второго ключа, выход которого соединен с входом датчика тока, с выходом четвертого ключа и с входами

2 первого и второго пороговых элемен тов, инверсный выход первого порогового элемента соединен с третьими входами первого и второго элементов

-HF., первые входы которых соединены с выходами реверсивного распределите-ля импульсов, первый вывод второй обмотки фазы шагового двигателя соединен с выходом третьего ключа и с катодом третьего диода, второй вывод второй обмотки фазы шагового двигателя соединен с входом четвертого ключа, отличающее с я тем, что, с целью расширения области применения и повышения надежиости работы устройства для управления шаговым двигателем, в него введены

Й блок защиты, элемент защиты, а в каждый канальный усилитель введены первый и второй элементы гальванической С развязки, третий пороговый элемент и элемент ИЛИ, первый вход которого 2 соединен с первым управляющим выхо дом задатчика программы, второй вход элемента ИЛИ соединен с инверсным выходом второго порогового элемента, вход которого соединен с инверсным входом третьего порогового элемента, с анодом третьего диода и с анодом Ж четвертого диода развязки, катод которого соединен с управляющим входом блока защиты, выход которого соединен с общей шиной, вход блока защиты через элемент защиты соединен с шиной форсированного питающего напряжения, а непосредственно — с входом йм первого и третьего ключа, управляющие входы первого и второго ключа соединены с выходом первого элемента гальванической развязки, вход которого соединен с выходом первого эле-

1541560 мента И-НЕ, второй вход которого соединен с вторым входом второго элемента -HE и с выходом элемента ИЛИ, четвертые входы первого и второго элементов И-НЕ,соединены с инверсным

5 выходом . третьегв порогового элемента, выход второго элемента И-НЕ соединен с входом второго элемента гальванической развязки, выход которого соединен 10 с управляющими входами третьего и четвертого ключа,,вход которого соединен с входом второго ключа, выход коИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в автоматизирован20 ных системах управления технологическнми процессами и .в исполнительных .механизмах робототехнических устройств .

Цель изобретения — расширение

25 области применения и повышение надежности устройства для управления шаговым двигателем.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, первый вариант, на фиг. 2 — временные диаграммы его работы; на фиг.. 3 — функциональная схема устройства, второй вариант.

Устройство (фиг. 1) содержит задатчик программы 1, элемент И 2, реверсивный распределитель 3 импульсов, 35 канальные усилители 4 по числу фаз шагового двигателя, синхронные ключаи 5 и 6, элементы 7 и 8 гальванической развязки, элементы И-НЕ 9 и 10, элемент ИЛИ 11, пороговый эле- 40 мент 12 с резистором 13 уставки, пороговый элемент 14 с резистором уставки 15, пороговый элемент 16 с резистором 17 уставки, диоды 18-20, датчик 45

21 тока, диод 22 развязки, обмотки 23 фаз шагового двигателя, блок 24 защи ты, элемент защиты 25.

Питание элементов осуществляется

"oT шины форсированного питающего на» пряжения Б)),и от шины питания цепеи управления П,„. пz

Устройство по фиг. 3 проще, чем устройство по фиг. 1, диоды 18 и 20, датчик 21 тока, пороговые элементы

12, 14 и 16, резисторы 13, 15 и 17

55 уставки, а также элемент ИЛИ 11 являются общими для всех каналов устройства. торого соединен с анодом второго диода.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что при симметричной коммутации шагового двигателя с любым числом фаз объединены выходы вторых ключей каждого канального усилителя и объединены между собой одноименные входы, кроме первых, всех элементов И-НК каждого канального усилителя.

Элементы гальванической развязки

7 и 8 и пороговые элементы 12, 14 и 16 выполнены на оптронных ключах.

В качестве оптронных ключей в предлагаемом устройстве могут быть использованы микросхемы серии К249, например оптронный переключатель-инвертор У249ЛП1В, элементы И, ИЛИ, распределитель импульсов могут быть выполнены на элементах серии К561, например K561IIE5, К561ЛА8, К56ИР11, блок 24 защиты выполнен на тиристорном ключе, элемент 25 защиты на плавком предохранителе.

Устройство работает следующим образом.

При подаче команды "Старт" с задатчика 1 программы на элемент И 2 тактирующие импульсы поступают на реверсивный распределитель 3 импульсов. С выхода последнего импульсы, сдвинутые по времени, поступают на два канала канального усилителя 4, подключенных к двум обмоткам 23 фаз шагового двигателя. Распределителем

3 импульсов задается такое распределение импульсов, при котором обмотки 23 фаз, имеющие общую точку под" ключения, находятся под током поочередно. Соответственно поочередно работают синхронные ключи 5 и 6. Оба ключа синхронных ключей 5 и 6 включаются и отключаются одновременно в течение всего такта, заданного реверсивйым распределителем 3 импульсов. В течение такта коммутации про- исходит многократное подключение фазы к формировочному (повышенному) напряжению питания U„. Значение тока

1 уставки Т),, задается датчиком 21 тока, а элементом сравнения служит

5 154 пороговый элемент 12 на оптронном ключе, который служит также элементом гальванической развязки мощных высоковольтных цепей питания U шагоtlat ного двигателя от элементов управле ния, подключенных к другому источнику питания Uz (U ) Ц ). па «<

В исходном состоянии пороговые элементы 12, 14 и 16 на оптронных ключах заперты, на их инверсных выходах присутствует уровень логической "1", который поступает на элементы И-НЕ 9 и 10, При подаче тактового импульса от распределителя 3 импульсов открывается соответствующий элемент И-НЕ 9 (10), и на выходе появляется уровень логической "1". В результате срабатывает пороговый элемент 7 (8) на оптронном ключе, служащий для развязки цепей управления от цепей питания фаз шагового двига» теля (11Щ) и включается синхронный ключ 5 (6), подключая одну из обмоток фаз 23 к источнику питания Uä . Ток

1 в фазе начинает расти, растет соответственно напряжение на датчике 21 тока, что приводит к срабатыванию порогового элемента 14 на оптронном ключе, а затем порогового элемента

12 на оптронном ключе ° Разница в уров нях срабатывания ключей 14 и 12 обусловлена разницей сопротивлений 15 и 13 уставки (Р„ и Rvq ) ° При этом Ry<„,) Rvcr . Однако переключение оптронного ключа 14 не оказывает влияния на ход нарастания тока, так как отрицательный перепад с инверсного выхода порогового элемента

14 на оптронном ключе блокируется схемой ИЛИ 11, если нет команды

"Стоп". При срабатывании порогового элемента 12 на оптронном ключе отрицательным перепадом с его выхода закрывается элемент И-HE 9 (10), что приводит к запиранию синхронного ключа 5 (6) и разряду индуктивности фазы по цепи U>< датчик 2 1 токй, диод 19, обмотка 23 фазы, диод 18, U„ с возвратом части накопленной

< энергии в источник питания U . При

< этом отрицательный перепад напряжения на датчике 21 тока (ток через датчик 21 тока нри разряде течет в обратном направлении благодаря схеме подключения диодов 19 и 20) приводит к срабатыванию порогового элемента 16 на оптронном ключе, подключен1560

10 !

55 ного к входной цепи в обратной полярности по отношению к оптронным ключам 12 и 14. Напряжение срабатывания порогового элемента 16 на оптронном ключе вырабатывается с помощью резисторB 17 (Нхат прич™ v<,- - В уст, Оптронный ключ 16 "подхватывает" выключение синхронного ключа 5 (6} и элемента 7 (8) гальванической развязки и обеспечивает требуемый гистерезис тока в фазе, уменьшая коммутационные потери. Этот гистерезис легко регулировать, установив переменный резистор 17 уставки. Так как диод 19 (20) подключен не непосредственно к корпусу, а к датчику тока, датчик тока как при включении синхронных ключей, так и при их отключении постоянно контролирует ток в фазе, причем при отключении ключей ток через датчик меняет свое направление на противоположное. Таким образом, отрабатывается каждый импульс, поступающий с распределителя 3 импульсов.

При поступлении команды "Стоп" на элемент ИЛИ 11 и элемент И 2 прекращается поступление импульсов на распределитель 3 импульсов и он переходит в режим хранения предыдущего состояния, что обеспечивает выдержку 111Д под током в заданном положении и исключает ложные шаги при повторной подаче команды "Старт«. В этом случае устройство переходит в режим пониженного потребления энергии за счет снижения в несколько раз тока через фазу 23 11Я<1. Этот режим реализуется следующим образом; Уровнем логического "0" сигнала <Стоп", поступившим на схему ИЛИ 11, разрешается влияние выходного сигнала с онтронного ключа

14 на схему И-HE 9 (10). Поскольку величина сопротивления 15 R „ < -R „,, то срабатывание порогового элемента 1 < на оптронном ключе происходит при значительно меньшем напряжении на датч<..ке 21 тока, т.е. при меньшем токе через обмотку 23 фазы, причем это уменьшение тока пропорционально величине отношения Rycx /Ryct и определяется требуемым фиксттрующим моментом 1<1,1 при стоянке под током.

Таким образом, для правильной работы устройства должно быть выдержано условие

1541560 фт, vcт R Yc y . Поскольку с переходом на режим стоянки под током уменьшается время достижения тока уставки, то при 5

R К „автоматически уменьшается гистереэис сниженного тока в фазе, т.е. колебания тока становятся чаще, а величина тока меньше, Для обеспечения надежности работы устройства, помехоустойчивости и защиты его от высокого напряжения (U z ) 1 00 ... 150 В) применены оптд Г ро нные, ключи, совместившие функции гальванических разделителей и лоро говых элементов. Кроме того, защита обеспечена введением блока 24 защиты, который срабатывает при любом превышении номинальных режимов питания фаз и защищает не только сами фазы, но и другие элементы при превышении тока через фазу и в случае электрического пробоя..

Сохранение большой величины гисте- 5 резиса, в режиме стоянки под током при парной коммутации, может приводить к дрожанию вала ШД, поскольку несовпадающие колебания тока в соседних фазах приобретут значительную величи30 ну по отношению к среднему значению тока. Предлагаемое техническое pcme- . ние автоматически снижает величину гистерезиса в режиме стоянки под то.— ком и практически исключает дрожание вала.

Синхронное включение — отключение двух ключей позволяет в два раза поднять напряжение питания фаз и, следовательно, ускорить форсировку процесса заряда индуктивности фаэ (напряжение на TpRH3HcTopHblx ol раничено -предельно допустимым напряжением U> (U щ) на одном ключе), а также производить рекуперацию энергии в источник не только по окончании такта коммутации, но и во все моменты переключения синхронного ключа.

Устройство, выполненное по первому варианту (фиг. 1), может быть применено при любом типе коммутации (симметричные, несимметричные) и позволяет испольэовать шаговый двигатель с нерасщепленными фазами, устройство

IIo второму варианту (фиг. 3) значительно проще, но применимо только при симметричной коммутации.

154)5áÎ (54 1560

1541560

Составитель Е. Власов

Техред M.ÄHäûê

Корректор Л. Патай

Редактор Е. Папп

Заказ 279 Тираж 671 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101