Способ определения положения ротора шагового двигателя

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам автоматического управления, и может быть использовано в замкнутом цифровом электроприводе с шаговыми и синхронными двигателями без применения специальных датчиков положения. Цель изобретения состоит в повышении точности определения. Способ определения положения ротора двигателя основан на выделении сигналов ЭДС движения с ортогонально расположенных обмоток двигателя и последующей их аналого-цифровой обработке. Отличие способа от известных заключается в том, что сигналы ЭДС выделяют путем разделения во времени процесса управления двигателем и измерения сигналов его ЭДС движения, а обработку сигналов ЭДС производят с помощью компенсационного следящего аналого-цифрового преобразования с фильтрацией высокочастотной составляющей и интегрированием сигнала ошибки. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1 4672 (51) 5 Н 02 P 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и АBTGPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 4627745!24-07 (22) 11 . 1 1, 88 (46) 23.09.90. Бюл. ¹ 35 (71) Московский энергетический институт (72) Б.А.Ивоботенко, С.С.Кожин, А.Л.Ландау и В.Г.Прытков (53) 621.313.525(088.8) (56) Патент ФРГ ¹ Р340421,А1> кл. Н 02 Р 8/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

Е 487144, кл. Н 02 Р 8/00, 29.06.87. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ

РОТОРА ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам автоматического управления, и может быть использовано в замкнутом цифровом электроприводе с шаговыми и синхронИзобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано в дискретном электроприводе, в частности многокоординатном.

Цель изобретения состоит в повышении точности измерения положения ротора без специальных датчиков.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для реализации способа.

Сушность способа заключается в следукшем.

На каждой обмотке двигателя суммарное напряжение при эапитке от источника тока равно ными двигателями беэ применения специальных датчиков положения. Цель изобретения состоит в повышении определения s:o÷íoñòè. Способ определе" ния положения ротора шагового двигателя основан на вьщелении сигналов

ЭДС движения с ортогонально расположенных обмоток двигателя и последующей их аналого-цифровой обработке.

Отличие способа от известных заключается B том, что сигналы ЭДС вьщеляют путем разделения во времени процесса управления двигателем и измерения сигналов его ЭДС движения, а обрабоку сигналов ЭДС производят с помощью компенсационного следящего и аналого-циФрового преобразования с Фильтрацией высокочастотной составляюшей и интегрированием сигнала ошибки. I ил.

U „- I (t) R + 1. „", + Е„(Е) (1) где Е (t) — ЭДС движения в фазе К (K = 1 или 2).

Для того, чтобы выделить из суммарного напряжения на обмотке U сигнал ЭДС движения Е (t), необходимо устранить две составляюшие от сигнала запятки обмотки: падение напряжения на активном сопротивлении обмотки I (t). R и ЭДС самоиндукции . dI (t)

В известных способах устdt ранение обеих составляюших произво1594672 дится методом компеícdnèè. Для этого

Формируются напряжения, равные по величине и противоположные по знаку указанным составляюшим. Если член

I„(t) R< компенсируется дос1аточно

5 точно. raK как значе е КФ само по себе мало и мало изменяется, то точдТ к (t} ная компенсация чпена L к край1О не затруднительна из-за большой вели чины индуктивности обмотки двигателя и ее сильной зависимости от воздушного зазора между ротором и статором двигатЕля, а также от уровня и часто- 15

1ты в обмотке.

В данном способе синусно-косинусные токи в обмотках двигателя I „(t) делают ступенчато-изменяюшимися. Тогда член L — — - в момент скачка

ПÄ Ä(t) к принимает некоторое максимальное значение, а затем экспоненциально уменьшается до нуля, максимально приближаясь к нему перед очередным скач- 25 ком тока. Поэтому напряжения на обмотках двигателя измеряют в моменты перед скачком тока и запоминают их до следуюшего аналогичного момента.

Этим обеспечивается исключение чг:ена сП „(е). из суммарного сигнала с об:— к dt моток определяемого выражения (1) .

Затем обычным методом компенсируют в полученных сигналах член 1 (t}- R+

k и выделяют тем самым искомые сигналы Э,ПС F, () .

Для аналого-цифр ово и обработки таких ступенчатых синусно-косинусных сигналов исп<2льзуют опер ацию компен 40 сационного следяшего аналого-цифрового преобразования с Фильтрацией высокочастотной составляк1шей и интетрированием сигнала ошибки. Таким путем можно обрабатывать ступенчатые входные синусно-косинусные сигналы и

1тем самым реализовать высокук точ ость предлагаемого выделения сигналов ЭДС и в конечном счете достичь увеличения точности всей цепи перемещение ротора - аналоговые сигналы

ЭДС вЂ” цифровой код. Согласно этому методу один из сигналов ЭДС Е, =

F.. .f(t) sin a((t) умножают на cosy(u), о а другой сигнал Е z = Е f (t) cos o((t)— о на з п (u), где f (t) - ступенчатая . Функция, Š— амплитуда сигналов ЭДС;

Ы (t) — положение подвижной части двигателя в Функции времени, р{а) дискретный аргумент, Формируемый по выходному коду N, являюшемуся конечным результатом цифроаналоговой обработки.

Затем получают разностный сигнал ошибки и равный

u " Е, 1(t) (sine((t) .cosy(u)

cosg(t) .sing(u)j

- E0 f(t) sin(a((t) — p(u)g (2) Аргумент 3(u) изменяют в зависимости от сигнала и так, чтобы сигнал ошибки и ссттррееммииллся к нулю. В этом случае с (1-.) = р(п), а выходной код

N является цифровым эквивалентом преобразуемого параметра g (t) .При изменении параметра e (t) во времени в таком методе код N будет "отслеживать его значение, постоянно компенсируя через изменение сигнал ошибКИ U1

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из блока 1 возбуждения двигателя 2, блоков 3 и

4 хранения аналоговых сигналов, регуляторов 5 и 6 напряжения аналоговых сумматоров 7-9, аналого-цифровых перемножителей 10 и 11, фильтра 12, интегратора 13, преобразователя напряжение — частота (ПНЧ) 14, блока

15 знака, реверсивного счетчика 16 и синусно-косинусного цифрового преобразователя 17. Блок возбуждения двигателя имеет три входа управления

{Вх.1, Вх..2 и Вх.3) режимом .движения двигателя, соответственно с помощью задания максимума I тока запитки, фазовай скорости движения ы и интервала между ступеньками тока. Если блок возбуждения двигателя выполняется по схеме с внешней токовой обратной связью, то он имеет еше два входа (Bx.4 и Вх.5) для подключения к резистора обратной связи ос„и Кос, включенным в цепь за" пктки обмоток двигателя (укаэанные цепи показаны на чертеже пунктиром) .

Токовые выходы вых.1 и вых,2 блока 1 подключены к обмоткам двигателя 2.и информационным входам блоков 3 и 4 хранения аналоговых сигналов. Синхронизируюший вых.5 блока 1 соединен с управляющими входами блоков 3 и 4, выходы которых подключены к одним из входов сумматоров 7 и 8. Вых.3 и 4

5 159 блока > через регуляторы 5 и 6 свя- заны с другими входами сумматоров 7 и 8. Выходы сумматоров 7 и 6 связаны с аналоговыми входами перемножителей 10 и 11, цифровые входы которых связаны соответственно с синусным и косинусным выходами преобразователя

17, вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика 16. Выходы перемножителей 10 и 11 соединены с выходами сумматора 9, выход которого через последовательно включенные фильтр 12 и интегратор 13 связан с входом преобразователя 14 и блока

15 знака. Выходы последних соединены соответственно с тактовыми и знаковым входами реверсивного счетчика !6.

Устройство работает следующим образом.

Двигатель 2 с -двумя ортогональными обмотками запитывают от блока 1 возбуждения двумя ступенчато изменяющимися синусно-косинусными токами.

Далее выделяют сигналы ЭДС Е (t)

1 и E (t) из суммарного напряжения

U, и U на обмотках двигателя в дискретных точках. Для этого напряжения U u U с обмоток двигателя подают на информационные входы блоков 3 и 4 хранения. На входы управления этих блоков подают сигнал син хронизации с вых.5 блока 1. Этот сигнал представляет собой короткий импульс, по которому происходит запись напряжений U и U в блоки хранения.

В результате записи на выходе блоков

3 и 4 хранения появляются напряжения

V u U a момент записи. момент за1 писи, т. е, момент поступления импульса синхронизации с блока 1, непосредственно предшествует очередному скачку тока в обмотках двигателя.

Таким образом, с помощью элементов аналоговой памяти в виде блоков 3 и

4 формируют исходные ступенчатые сигналы, равные напряжениям на обмотках двигателя в воменты перед скачком то" ков запитки и сохранявшие свое значение между этими моментами °

Вычитают из исходных ступенчатых сигналов сигналы, равные падению напряжения от тока запитки на внешнем активном сопротивлении цепи запитки.

Для этого на вых.3 и 4 формируют напряжения

f (t) sin t

U< U, . f(t)cos(d t

4672 О где Uo = klo, k — постоянный коэффициент.

Пропускают эти сигналы через регуляторы 5 и 6 н устанавливают на их

5 выходах напряжения, равные

Б1, = 1, Б, f(t) .sin(et u

1, ° R 1 Х(t) - cos t

Сигналы ЭДС Е (t) и E (t) получают на выходе сумматоров 7 и 8 после вы" читания сигналов с блоков 3, 5 и 4, 6 соответственно.

По полученным ступенчатым синуснокосннусным сигналам ЭДС Е (t) и

Е (t ) опр ед ел яют цифр ов ой к од пол ожения ротора путем компенсационного следящего аналого-цифрового преобразования с Фильтрацией высокочастотной составляющей и интегрированием сигнала ошибки. Для этого подают сигналы ЭДС на аналоговый вход перемножителей 10 и 11 ° На цифровые входы перемножителей поступают коды с синусно-косинусного преобразователя 17, на вход которого поступает циФровой код И с реверсивного счетчика 16. В качестве преобразователя может быть использовано любое постоянное программируемое запоминающее устройство с синусно-косинусной прошивкой. Полученные после перемножения сигналы с выходов перемножителей 10 и 11 вычитаются аналоговым сумматором 9. В ре- .

35 зультате на выходе сумматора получают сигнал ошибки. После фильтрации и интегрирования сигнала ошибки блоками 12 и 13 он поступает на входы

40 ПНЧ 14 и блока 15 знака. В зависимости от знака и значения сигнала ошибки реверсивный счетчик осуществляет изменения кода N. на его выходе. Это изменение делают таким, чтобы сигнал ошибки на выходе. блока 9 при изменении N стремился к нулю. В этом случае по цифровому коду N на выходе реверсивного счетчика определяют текущее положение ротора двигателя.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет повысить точность определения положения ротора двигателя и обладает по сравнению с ним рядом преимушеств.

При увеличении точности расширяется и диапазон допустимых скоростей движения ротора, так как точность выделения и обработки сигналов ЭДС не зависит от их уровня и частоты.

1594672

Составитель В. Алфимов

Техред М.Дидык Корректор С.Черни

Редактор Н. Лазоренко

Заказ 2837 Тираж 45I Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

Обеспечивается возможность точного определения положения ротора ши.рокого класса двигателей, имеющих большую H непостоянную величину ин5 дуктивности обмоток (например, ппанарного шагового двигателя на воздушной подушке). . Существенно упрощается реализующее способ устройство при резком l0 сокращении в нем числа необходимых регулировок — всего до двух.

Исключаются грубые случайные ошибки определения положения ротора, т.е. увеличивается помехозащищенность за 15 счет наличия эФФекта усреднения конечного результата.

Формула и з о б р е т ения

Способ определения положения ротора шагового двигатепя с парами орто- 20 гонально расположенных обмоток, включающий питание одной обмотки в паре синусоидальным, а другой — косинусоидальным токами, выделение на каждой обмотке ЭДС движения и преобразование их в циФровой код, о т л и,,ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, упомянутые токи изменяют скачками, ЭДС движения выделяют в моменты времени, предшествующие скачкам, вычитают.из них падения напряжения на активном сопротивлении обмоток и результаты преобразуют в цифровой код посредством нелинейного компенсационного аналого-цифрового преобразования с фильтрацией и интегрированием ошибки.