Устройство для управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага
Использование: для управления шаговыми двигателями в системах автоматического управления. Сущность: устройство содержит многоканальный усилитель мощности , каждый канал которого образован ключами 1,2, диодами 4,7, датчиками-тока 5,6 и снабжен системой управления, состоящей из суммирующих усилителей 8,9, аналогового переключателя 10, компараторов 11,13 и источника 12 опорного напряжения. Сигнал задания может иметь произвольную форму и за счет уменьшения дискретности шага регулирования повышается точность управления. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (ю1)ю Н 02 P 8/
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
О (л (Л
Ф
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4865368/07 (22) 10,07,90 (46) 30.03.93. Бюл. М 12 (71) Московский научно-исследовательский институт счетного машиностроения (72) Ю.А;Заборский и С.Н.Глебов (56) Авторское свидетельство СССР М 936341, кл. Н 02 P 8/00, 1982, Авторское свидетельство СССР
М 1098099, кл. Н 02 P 8/00, 1983, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕ. СКИМ ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА
„„Я2 „„1805540 А1 (57) Использование: для управления шаговыми двигателями в системах автоматического управления, Сущность: устройство содержи многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого образован ключами 1,2, диодами 4,7, датчиками тока
5,6 и снабжен системой управления, состоящей из суммирующих усилителей 8,9, аналогового переключателя 10, компараторов
11.,13 и источника 12 опорного напряжения.
Сигнал задания может иметь произвольную, форму и за счет уменьшения дискретности шага регулирования повышается точность управления. 3 ил.
1805540
20 усилителя, соответствующее форме тока в фазе шаговогодвигателя, в — напряжение на выходе второго компаратора, r — напряжение на выходе первого компаратора, На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 — первый ключ, 2 — второй ключ, 3 —, обмотка фазы шагового двигателя, 4 — первый диод, 5 — первый датчик тока, 6 - второй датчик тока, 7 — второй диод, 8 — первый суммирующий усилитель, 9 — второй суммирующий усилитель, 10 — аналоговый переключатель, 11 — первый компаратор, 12— источник опорного напряжения, 13 — второй компаратор. 35
Устройство содержит многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого снабжен системой управления и образован первым 1 и вторым 2 ключами, двумя диодами 4,7 и двумя датчиками тока 5,6. 40
55
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления шаговыми двигателями с электрическим дроблением шага в системах автоматиче ского управления, а также для задания произвольной формы тока в любой индуктивной нагрузке, Цель изобретвния — повышение точности формирования тока в фазе шагового двигателя, увеличение надежности. и помехозащищенности, На фиг,1 приведена блок-схема устройства для одного канала усилителя мощности; нэ фиг.2 — временная диаграмма работы схемы при отработке прямоугольного импульса; на фиг,3 — временная диаграмма работы схемы при отработке входного сигнала произвольной формы, На временных диаграммах показаны сигналы: а — входной сигнал Оз, б — напряжение на выходе первого суммирующего
Первый ключ 1 включен между источником питания и первым выводом фазы ILIBI08ol двигателя 3, этот вывод также соединен с катодом первого диода 4. Анод диода 4 соединен с первым выводом первого датчика тока 5, Второй ключ 2 включен между первым выводом второго датчика тока 6 и вторым выводом фазы шагового двигателя 3, соединенным с анодом второго диода 7. Катод диода 7 подключен к источнику питания.
Вторые выводы датчиков тока 5 и 6 подключены к общей шине источника питания. Система управления, соответствующая каналу, образована первым суммирующим усилителем 8, вторым суммирующим усилителем 9, аналоговым переключателем 9, первым компаратором 11 и вторым компаратором 13. Первый вход суммирующего усилителя 8 подключен к первому выводу второго датчика тока 6. В ход аналогового
15 переключателя 10 соединен со вторым входом первого суммирующего усилителя 8.
Первый вход второго суммирующего усилителя 9 предназначен для подключения к задатчику тока. Второй, вход второго суммирующего усилителя 9 подключен к выходу первого суммирующего усилителя 8.
Выход второго суммирующего усилителя 9 подключен к первому входу первого компаратора 11 и ко второму входу второго компаратора 13, Второй вход первого компаратора 11 соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход компаратора 11 соединен с управляющим входом первого ключа 1, Первый вход второго ком-. паратора 13 соединен с общей шиной, выход ком паратора 12 соединен с управляющим входом аналогового переключателя 10 и управляющим входом второго ключа 2. Первый диод 4 предназначен для замыкания цепи спада така в обмотке фазы шагового двигателя 3, Второй диод 7 предназначен для замыкания цепи спада тока в обмотке фазы шагового двигателя 3 энергии в источник питания. Первый суммирующий усилитель 8 предназначен для усиления сигналов от датчиков тока, Второй суммирующий.усилитель 9 предназначен для вычисления и усиления сигнала рассогласования между входным задающим сигналом
Ug и сигналом обратной связи Upc, пропор-. циональным току в обмотке шагового двигателя 3.
Устройство работает следующим образом. В зависимости от полярности сигнала рассогласования 01, который действует на выходе второго суммирующего усилителя 9, осуществляется управление ключами 1 и 2.
Выходной сигнал первого компаратора 11 включает ключ 1, выходной сигнал второго компаратора 13 включает ключ 2 и аналоговый переключатель 10.
Рассмотрим отработку устройством входного сигнала прямоугольной формы (фиг.2), В исходном состоянии Оз = О, т.е. входной сигнал отсутствует, ток в фазе шагового двигателя 3 не протекает, напряжения на выходах первого суммирующего усилителя
8 и второго суммирующего усилителя 9 равны О.
Первь(й компаратор 11 находится в состоянии отрицательного насыщения, так как на его втором входе с помощью источника опорного напряжения 12 установлен отрицательный потенциал — b, UI. Первый ключ 1 находится в разомкнутом состоянии. Второй компаратор 13 может находиться как I . состоянии положительного, так и отрица1805540 тельного насыщения, что не сказывается на Отрицательное напряжение U4c с выхоработе схемы. да первого суммирующего усилителя 8 поВ момент подачи ступени входного сиг- ступает на второй вход второго нала 0з в виде уровня нап ряжения отрица- .суммирующего усилителя 9, который произтельной полярности ток через фазу 5 водитвычитаниенапряженияобратнойсвяшагового двигателя 3 не протекает, Сигнал зи 0ос из входного напряжения 0з. С ростом обратной связи Ucc с выхода первого сум- тока в фазе шагового двигателя 3 значение мирующего усилителя 8 отсутствует, т,е. 0О отрицательного напряжения О! на выходе
= О. второго суммирующего усилителя 9 начинаНа выходе второго суммирующего уси- 10 ет уменьшаться, При достижении напряжелителя 9 появляется напряжение отрица- нием 01 порога срабатывания Л 0з первого тельной полярности О! = (U3 — 0ос) х Кь где компаратора 11 происходит его переключеК! — коэффициент усиления второго сумми- ние в состояние отрицательного насыщерующего усилителя 9, а 0 Когда напряжение 01 превысит по- 15 11 устанавливается отрицательное напрярог срабатывания первого компарато- жение ЛО!. Так как напряжение 01 не пера 11 (Л0 ) и превысит порог реходит через значение 0 В, то второй срабатывания второго компаратора 13 компаратор 13 своего состояния не иэменя(Л 02), оба компаратора переключаются в ет, состояние положительного насыщения, при 20 После размыкания первого ключа 1 отэтом на втором входе первого компаратора крывается второй диод 7, и ток в фазе шаго11 устанавливается потенциал (Л 0з) отри- ваго двигателя 3, поддерживаемый ЭДС цательной полярности, величина которого самоиндукции, течет по цепи: общая шина определяетсясуммойтоков, поступающих с источника питания, второй датчик тока 6, выхода первого компаратора 11 и от источ- 25 второй диод 7,. фаза шагового двигателя 3, ника опорного напряжения 12, причем второй ключ 2, первый датчик тока 5, общая l h,U>I > I Лuзl, шина. Ток в фазе шагового двигателя 3 наНа первом входе второго компаратора чинает медленно спадать. Соответственно 13 поступающим с его выхода током уста- уменьшается значение отрицательного нанавливается положительный потенциал 30 пряжения 0оснавыходепервогосуммируюЛ04, причем I 604f = (Л U2I Положитель- щего усилителя 8, поступающее на второй ное выходное напряжение первого компа- вход первого суммирующего усилителя 9, ратора 11 02 замыкает первый ключ 1, Значение отрицательного напряжения Ut Положительное выходное напряжение вто- на выходе второго суммирующего усилитеpolo компаратора 13 04 замыкает второй 35 ля 9 начинает возрастать. При достижении ключ 2 и размыкает аналоговый переключа- напряжением U> порога срабатывания пертель 10, Ток начинает протекать по цепи: вого компаратора ЛU> происходит переположительный вывод источника постоян- ключение первого компаратора 11 в ного напряжения U, первый ключ 1, фаза состояние положительного насыщения. шагового двигателя 3, второй ключ 2, второй .40 Первый ключ 1 замыкается, и ток в фазе датчик тока 6, общая шина источника пита- шагового двигателя 3 вновь начинает возрания U. стать. Цикл работы устройства повторяется, Ток в фазе шагового двигателя 3 начи- и устройство переходит в режим автоматинает быстро возрастать по зкспоненциаль- ческой отработки тока в фазе шагового двиному закону с параметрами, 45 гателя 3, пропорциональному входному определяемыми величиной напряжения ис- сигналу 0з. При этом величина тока в фазе точника постоянного напряжения U и посто- шагового двигателя 3 определяется как янной времени цепи нагрузки. I 0a< l ! — RXK1 При этом на втором датчике тока 6 воз- 50 где. R - сопротивление датчиков тока 5 и 6 никает падение напряжения 0д ь пропор- (резисторов). циональное току в фазе шагового двигателя Пульсации тока в фазе шагового двига3. Это напряжение усиливается первым теля3Л О! приотработкевходногосигнала суммирующим усилителем 8, на выходе ко- 0з постоянного уровня определяется. как торого формируется сигнал отрицательной 55 0з — Л 01 I. обратнои связи по току, в виде отрицательЬ! R õ Ê1 õ Ê2 НОГО НаПряжЕНИя Uoc = 0дт! X К2, Гдв К2 — ЕСЛИ ЭНаЧЕНИЕ ОтрИцатЕЛЬНОГО ВХОдНО-, коэффициент усиления первого суммирую- го сигнала 03 уменьшается до нуля, а ток в щего усилителя 8.. фазе шагового двигателя 3 спадает медлен1805540 15 25 35 45 55 но, значение отрицательного выходного. напряжения Up< первого суммирующего усилителя 8 превысит значение входного напряжения Оз. При этом напряжение 01 на выходе второго суммирующего усилителя 9 становится положительным, Если значение напряжения 0> превысит значение положительного напряжения Л 04, являющееся порогом срабатывания второго компаратора 13, второй компаратор 13 переключается в состояние отрицательного насыщения и на его первом входе устанавливается отрицательный потенциал 2, размыкается второй ключ 2 и замыкается аналоговый переключатель 10. Первый компаратор 11 остается в состоянии отрицательного насыщения, первый ключ 1 разомкнут. ЭДС самоиндукции фазы шагового двигателя 3 открывает второй диод 7 и первый диод 4, ток начинает быстро спадать по цепи: общая шина источника питания О, второй датчик тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, первый диод 4, источник постоянного напряжения U. Энергия, запасенная в фазе шагового двигателя 3 возвращается (рекуперируется) в источник постоянного напряжения U. При спаде тока в фазе шагового двигателя 3 значение отрицательного напряжения Up на выходе первого суммирующего усилителя 8 уменьшается и становится равным напряжению входного сигнала Оз. Выходное напряжение рассогласования 0< на выходе второго суммирующего усилителя 9 становится, равным нулю, Так как входное напряжение Оз равно нулю, устройство переходит в исходное состояние, Рассмотрим отработку входного сигнала Оз произвольной формы (рис. 3). При отработке входного сигнала произвольной формы возможны сочетания следующих ðåжимов работы устройства: быстрое нарастание тока в фазе шагового двигателя 3 при замкнутых первом 1 и втором 2 ключах, медленный спад тока в фазе шагового двигателя 3 при разомкнутом первом 1 и замкнутом втором 2 ключах и открытом первом диоде 4, быстрый спад тока в обмотке шагового двигателя 3 с рекуперацией энергии в источник питания при разомкнутых первом 1 и втором 2 ключах и открытых первом 4 и втором 7 диодах. Если при отработке возрастающего отрицательного входного напряжения Оз его значение растет медленнее, чем возрастает ток в фазе шагового двигателя 3, значение отрицательного выходного напряжения 0>< на выходе первого суммирующего усилителя 8 превышает значение отрицательного входного напряжения Оз. Ток при этом протекает по цепи, положительный вывод источника постоянного напряжения U, первый ключ 1, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, второй датчик тока 6, общая шина источника питания О. Выходное напряжение I второго суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в сторону более положительного потенциала. При достижении напряжением 01 уровня переключения первого компаратора 11 Л Ui, он переходит в состояние отрицательного насыщения, раз- . мыкая первый ключ 1. На втором входе первого компаратора 11 устанавливается напряжение Оз. После размыкания первого ключа 1 открывается второй диод 7, и ток в фазе шагового двигателя 3, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, течет по цепи, о6щэя шина источника питания, второй датчик тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, первый датчик тока 5, общая шина. Ток в фазе шагового двигателя 3 начинает медленно спадать, При этом уменьшается значение отрицательного напряжения Uo< на выходе первого суммирующего усилителя 8, Когда это значение становится меньше значения входного сигнала Оз, напряжение 0< на выходе второго суммирующего усилителя 9 начинает изме- няться в сторону более отрицательного потенциала. При достижении напряжением Ui уровня переключения первого компа раторэ. 11 ЬОз, он переходит,в состояние положительного насыщения, замыкая первый ключ 1. Через включенные первый 1 и второй 2 ключи ток в фазе шагового двигателя 3 опять начинает быстро возрастать. Далее процесс циклически повторяется, Таким образом происходит отработка возрастающего отрицательного входного напряжения Оз. В зависимости от скорости изменения этого напря>кения автоматически меняются длительности включенного и выключенного состояния первого ключа 1, Пульсации тока в фазе шагового двигателя ЗЛ (при отработке возрастающего отрицательного входного сигнала Оз определяются, как (ЛОз1 (— (h,U (ВХК1ХК2 Если отрицательное входное напряжение Оз уменьшается быстрее, чем спадает ток в фазе шагового двигателя 3, значение отрицательного выходного напряжения 0« на выходе первого суммирующего усилителя 8 превышает значение отрицательного входного напряжения Оз. При этом ток в фазе шагового двигателя 3, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, течет по цепи: общая шина источника питания, второй датчик 1805540 тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, второй ключ 2, первый датчик тока 5, общая шина, Выходное напряжение 1 второго суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в сторону более положительного потенциала, При достижении напряжением 01 уровня переключения второго ком параторэ 13 Л 04,.он переходит в состояние отрицательного насыщения, размыкая второй ключ 2. На первом входе второго 10 компарэторэ 13 устанавливается напряжение Л Uz. ЭДС сэмоиндукции фазы шагового двигателя 3 открывает второй диод 7 и первый диод 4, ток начинает быстро спэдэть 15 по цепи: общая шина источника питания 0, второй датчик тока 6, второй диод 7, фаза шагового двигателя 3, первый диод 4, источник постоянного напряжения U. Энергия, запасенная в фазе шагового двигателя 3 возвращэется (рекуперируется) в источник постоянного напряжения U. При этом 20 уменьшается значение отрицэтельного напряжения 0 на выходе первого суммирующего усилителя 8. Когда это значение становится меньше значения входного сигнала 0з, напряжение 0> нэ выходе второго 25 суммирующего усилителя 9 начинает изменяться в сторону более отрицательного потенциала. При достижении напряжением 0< уровня переключения второго компарэ- 30 .тора 13 Л 02, он переходит в состояние положительного насыщения, замыкая второй ключ 2. Через открытые первый диод 4 и второй ключ 2 ток в фазе шагового двигателя 3 опять начинает медленно спадать. Дэ35 лее процесс циклически повторяется. Таким образом происходит отработка уменьшающегося отрицэтельного входного напряжения 0з, В зависимости от скорости изменения этого напряжения эвтоматиче- 40 ски меняется соотношение между длительностью включенного и выключенного состояния второго ключа 2.! ЛЦг 1+! Л04! М . RXK1XK2 Таким образом. введение в устройство описанных связей обеспечивает повышение надежности и помехозащищенности, повышение точности формирования тока в фазе шагового двигателя за счет изменения и упрощения структуры устройства. Одного . входного сигнала 0з достаточно для отрэПульсации тока в фазе шагового двигэ- 45 теля 3 Л1 при отрэботке уменьшающего, отрицательного входного сигнала 3 определяются, кэк ботки устройством тока произвольной формы в фазе шагового двигателя 3, Технические преимущества предлагаемого устройства по срэвнению с прототипом заключаются в его упрощении, повышении надежности и помехозэщищенности, повышении точности формирования тока в фазе шагового двигателя, достигаемые зэ счет использования только одного входного сигнала, изменения и упрощения структуры, сокращении количества узлов в устройстве (исключены распределитель и элементы И). Формула изобретения Устройство для управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага, содержащее многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого снабжен. системой управления и образован двумя ключами, двумя диодами и двумя дэтчиками тока, первый ключ одним выводом подключен к источнику питания, а другим, предназначенным для подключения первого вывода фазы шэгового двигателя, соединен с катодами первого диода, анод которого соединен с первым выводом перврго датчика тока, подключенного вторым выводом к общей шине источника, второй ключ одним выводом, предназначенным для подключения второго вывода фазы шагового двигателя, соединен с анодом второго диода, катод которого подключен к источнику питания, другим выводом подключен к первому выводу второго датчика тока, соединенного своим вторым выводом с общей шиной источника питания, э система управления, соответствующэя упомянутому каналу, обрэзовэна первым суммирующим усилителем, первый вход которого подключен к первому выводу второго дэтчикэ тока, аналоговым переключателем, вход которого соединен с первым выводом первого датчи-. ка тока, а выход — с вторым входом первого суммирующего усилителя, вторым суммирующим усилителем, первый вход которого предназначен для подключения к задэтчику тока, двумя компэрэторэми, первый вход второго из которых соединен с общей шиной, э второй Вход подключен к выходу второго суммирующего усилителя, источником опорного напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения.точности управления путем уменьшения дискретности шага регулирования, выход первого суммирующего усилителя соединен с вторым входом второго суммирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, второй вход первого компэратора соединен с выходом источника опорного напряжения, э его выход — с упрэв1805540 I, Doc Составитель Г.Шостакович Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар Редактор Заказ 946 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ляющим входом первого ключа. выход второго компаратора — с управляющим входом а о Уз и о аналогового переключателя и управляющим входом второго ключа.
