Устройство для управления шаговым двигателем

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (») 5529!3

Союз Йоеетскил

Социалистически®

Республик

Н ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 25.04.74 (21) 2025233/07 (23) Приоритет — (32) 26.04.73 (31) 47727/73; 47728/73 (33) Япония

Опубликовано 30.03.77. Бюллетень № 12

Дата опубликования описания 19.04.77 (51) М. Кл. Н 02Р 7/62

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР пе делам изобретений и открытий (53) УДК 621.313.58 (088.8) (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Норито Еситаке, Хироси Юсами, Кацуо Кобари, Хиро И и Есики Фудзиока (Япония) Иностранные фирмы

«Фудзицу Лимитед» и «Фудзицу фанук Лимитед» (Япония) (71) Заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к системам автоматического управления с шаговыми двигателями.

Известны устройства для управления шаговым двигателем, содержащие распределитель импульсов, связанный с входами многоканального усилителя мощности, коммутирующего обмотки управления двигателя (11.

В таких устройствах коммутация обмоток управления двигателя, осуществляемая усилителем мощности, вызывает скачкообразное изменение положения поля статора двигателя и соответственно скачкообразный характер движения ротора двигателя, особенно в области низких частот.

Известно также устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами многоканального усилителя мощности, каждый канал которого включает в себя последовательно соединенные между собой фазу двигателя, первый ключевой элемент и датчик тока, подключенные к источнику низкого напряжения через диод, а к источнику высокого напряжения — через второй ключевой элемент, связанный своим входом с датчиком тока (2).

В этом устройстве скачкообразное изменение положения поля статора ухудшает качество движения шагового двигателя в области н и эких ч а с тот.

Цель изобретения — улучшение качества движения.

Это достигается введением в предлагаемое устройство блока измерения скорости и генераторов управляющих фазных напряжений, 1р связанных своими выходами с входами ключевых элементов каждого канала, одним входом — с соответствующим выходом распределителя импульсов, а вторым — с выходом блока измерения скорости.

Кроме того, в предлагаемом устройстве генератор управляющих фазных напряжений каждого канала содержит схему синхронизации, датчик числа включенных фаз, преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы, сумматор, два ключа и три схемы совпадения, выходы двух из которых подключены к входам обоих ключевых элементов усилителя мощности, входы этих же схем совпадения подключены к соответствующему выходу распределителя и выходу блока измерения скорости, вход которого соединен с датчиком числа включенных фаз, а выход схемы совпадения, подключенный к входу первого ключевого элемента усилителя мощности, соединен с выходоil одного ключа, связанного своим управляющим входом с выходом блока измерения скорости и сигнальным входом — с выходом сумматора, подключенного входами к выходам второго ключа и третьей схемы совпадения, соединенной одним своим входом с указанным выходом распределителя и одним входом схемы синхронизации, а вторым с управляющим входом второго ключа и выходом схемы синхронизации, подключенной вторым своим входом к выходу датчика числа включенных фаз, связанного своими входами с выходами распределителя, а выходом — с входом преобразователя, соединенного своим выходом с сигнальным входом второго ключа.

Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечивает плавное перемещение поля статора и соответственно ротора шагового двигателя и устраняет нежелательные колебания скорости движения ротора, т. е. улучшает качество движения.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3— временные диаграммы сигналов на отдельных элементах схемы соответственно для низких и высоких частот управления применительно к пятифазному двигателю; на фиг. 4— структурная схема генератора управляющих фазных напряжений; на фиг. 5 — структурная схема блока измерения скорости; на фиг. 6— временные диаграммы сигналов на элементах схемы блока измерения скорости; на фиг. 7 и

8 — временные диаграммы отработки угла шаговым двигателем соответственно при скачкообразном и плавном перемещении поля статора.

Устройство для управления шаговым двигателем, имеющим обмотки управления 1 (на фиг. 1 изображена только одна из обмоток управления шагового двигателя), содер кит ключевые элементы 2 и 3, например транзисторы. Каждый канал усилителя мощности, включающий в себя обмотку управления 1 и ключевые элементы 2 и 3, содержит датчик тока 4, разделительный диод 5, связывающий один из зажимов обмотки управления 1 с источником низкого напряжения У, и диод 6, связывающий второй зажим обмотки управления 1 с источником высокого напряжения (7д.

В цепь источника низкого напряжения включен токоограничительный резистор 7.

Логическая часть устройства (фиг. 1) содержит распределитель импульсов 8, на вход которого поступают импульсы управления Р, генератор управляющих фазных напряжений

9, выходы которого Т и Т> подключены соответственно к одному входу триггера 10, связанного своим выходом через усилитель 11 с входом ключевого элемента 2, и ключевому элементу 3 — через усилитель 12 и сумматор

13. Второй вход триггера 10 подключен к датчику тока 4 через резистор 14 и схему ИЛИ

33

4О

55 со

13

15, второй вход которой через усилитель 16 соединен с выходом 7 t генератора управляющих фазных напряжений 9. Один вход генератора фазных напряжений 9 выходу распределителя импульсов 8, а второй — — к выходу блока измерения скорости 17, вход которого связан с входом P распределителя 8.

Генератор управляющих фазных напряжений 9 (фиг. 4) включает в себя датчик числа включенных фаз 18, соединенный входами с выходами распределителя 8, преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы 19, подключенный своим входом к выходу датчика числа включенных фаз 18, схему синхронизации 20, один вход которой соединен с соответствующим выходом распределителя 8, а второй — с выходом датчика числа включенных фаз 18, схемы совпадения 21, 22 и 23, ключи 24, 25 и сумматоры

26, 27.

Блок измерения скорости 17 (фиг. 5) содержит инверторы 28 и 29, дифференцирующие элементы 30 и 31, схемы ИЛИ 32, совпадения

33 и задер;кки 34, компаратор 35, триггеры 36

37 н интегратор 38. Блок измерения скорости

17 может быть подключен к входу распределителя импульсов 8 (как показано на фиг. 1 и 3) или к выходу датчика числа включенных фаз 18 (как показано на фиг. 5).

Устройство работает следующим образом.

Когда импульсы управления P (фиг. 1 и 2) поступают на вход распределителя импульсов

8, последний вырабатывает командные сигналы на входе генератора управляющих фазных напряжений 9. Одновременно импульсы управления Р поступают на блок измерения скорости 17, который вырабатывает на выходе сигнал, разрешающий работу. генератора

9, если скорость (частота) меньше опорной, илн запрещающий работу генератора 9, если скорость (частота) выше опорной. Когда частота импульсов P меньше опорной, генератор управляющих фазных напряжений 9 вырабатывает трапецеидальное напряжение Т (фиг. 2) и нулевое напряжение Ть обеспечивая тем самым возврат триггера 10 в исходное состояние, соответствующее запретному транзистору 2.

Задающее напряжение Т поступает на вход транзистора 3 через сумматор 13 и усилитель

12. На вход сумматора 13 одновременно поступает сигнал отрицательной обратной связи по току, снимаемый с датчика тока (резистора) 4. Транзистор 3 с датчиком тока. 4, усилителем 12 и сумматором 13 образуют линейный усилитель тока н обеспечивают в обмотке управления двигателя (фазе) ток i (фиг. 2), повторяющий задающее напряжение

Т>, вырабатываемое генератором 9.

Когда частота импульсов P становится выше опорной (фиг. 3), блок измерения скорости 17 вырабатывает сигнал, прекращающий подачу на сумматор 13 напряжения трапецеидальной формы. В этом случае на выходах Т

552913 и Т,. генератора управляющих фазных напряжений 9 вырабатываются синфазные напряжения прямоугольной формы.

При появлении на выходах Т, и Т2 единичных сигналов одновременно отпираются транзисторы 2, 3 и к фазе двигателя прикладывается высокое напря>кение UII. Это состояние сохраняется до тех пор, пока сигнал, снимаемый с датчика тока 4, не достигнет порога срабатывания триггера 10. Последний возвратится в исходное состояние и запрет транзистор 2. Фаза 1 двигателя при этом подключается к источнику низкого напряжения Uz,, и участок ускоренного нарастания тока i переходит, как показано на фиг. 3, в участок постоянного значения тока, определяемого напряжением U<. Максимальное значение тока 1 на участке нарастания регулируется резистором 14, Лналогично описанному протекают процессы измерения тока и в остальных фазах шагового двигателя, очередность коммутации которых задается распределителем импульсов 8.

При работе на низких частотах по фазам

pBHI àTåëÿ протекают токи трапецеидальной формы, что обеспечивает его непрерывное движение без значительных колебаний скорости и угла, как показано на фиг. 8, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат— угол поворота ротора шагового двигателя.

Для сравнения на фиг. 7 приведена временная диаграмма перемещения ротора двигателя при скачкообразном изменении токов в фазах.

Генератор управляющих фазных напряжений 9 (фиг. 4) применительно к пятифазному щагово;lv двигателю с несимметричной коммутаппей содержит датчик числа включенных фаз 18, вырабатывающий сигнал прямоугольной формы, соответствующий логической «1» при гключении трех фаз и логическому «О» при включении двух фаз. Сигнал с выхода датчика 18 усиливается и интегрируется преобразователем прямоугольного напряжения в няпря>кение треугольной формы 19, после чего поступает через ключ 24 HB сумматор 26.

Одновременно на сумматор 26 через схему совпадения 21 поступают разрешающие сигналы с выхода распределителя импульсов 8 и выхода схемы сттнхронизации 20. Сигнал трапецепдяльпой формы с выхода сумматора 26 проходит ня вход транзистора 3 (фиг. 1) через K.ato«25, i nðàBpÿeìûé блоком измерения скорости !7. Последний выпаоатывает на управляющем входе ключа 25 логический «О», логда частота входных импульсов является высокой (ключ 25 заперт, и трапецеидальные ттМПУЛЬСЫ НЕ ПРОХОДЯТ На ВХОД тРаНЗИСтОРа

3), II логическую «1», когда частота входных имп1 льсов низкая (транзистор 2 заперт, а на вход транзистора 3 поступают импульсы трапецеидальной формы). На фиг. 4 буквами

А, В, С, D и Е обозначены выходы распределителя импульсов 8 соответственно для каждой фазы пятифазного шагового двигателя.

6о

Лнялогично выполнены генераторы управляющих фазных напряжений и для остальных фаз шагового двигателя.

Работа блока измерения скорости 17 (фиг.

5 и 6) осуществляется следующим образом.

Интегпатор 38 генерттр ет пилообразный сигнал STW (фпг. 6 1 с пепиодом. определяе tbl>I входньтхт II>.!nx Jlbcoxt P.

Реги лттруемытт источник наппяжения U< создает опорное напря>кентте Е. соответствующее опопной скорости, прп которой обеспечивается переход схемы с формирования трапецеидяльных сигналов управления на прямоугольные.

Компаратор 35 сравнивает выходное напря>кение интегратора 38 и опорное наппяжение

E- n выпабатывяет логическттй сигнал «1» (СОМО на сЬпг. 6 1„когда выходное напряжение интегрятопя болыпе опорного E.

Сигнал TRD, выпабатываемый датчиком числа вклточеннт.тх сказ 18, пост гпяет непоспедстве по ня диффепенцируютций элемент

31 и чепез инвептоп 28 — на,чттфференпит>ующий элемент 30. На выходе схемы ИЛИ 32 выпябятывается сигнал UDP (фиг. 6) управления интегратором. Этот >Ке сигнял поступает Iтя схсмх зачепжкп 34, в которой ппеобразх ется в сигнал МО, сдвттнуттпт во времени относ..ттельно сигнала UDP. Сигня.ч МО использ ется для установки тпиггера 36 и схемы 33.

Выхочной сигнал СОМО компаратора 35 устанавливает триггер 36 в исходное состояние.

Когда частота входных IlìnóëbñoB P уменьшается, выходной ттхтп льс МО схемы задержки 34 и сигнал СОМО компаратора 35 следуют поо тепедно, вследствтте чего триггер 36 переключается. и схема 33 tte пропускает выхочной I»:пхльс МО на вхоч триггепа 37. На выхоче блока т змерения скорости 17 при этом вь па батывается сигнал Us. соответствующий логической «1».

Когча частота входных ттхтпхльсов P возрастет и сттгт-тал 5TW на выходе интегратора 38 станет ниже Е;, на выходе компаратопа 35 с гттал с анет равным нулю, триггер 36 сигналом МО перев";.дется в состояние, ппи котором схема 33 отпирается, и триггеп 37 вернется в исходное состоятттте. Выходной сттгнал UB блока измерения ст орости снимается с пнвертопа 29.

Плавное изменение тока в фазах шагового двигателя па низких частотах повышает плавт ость дви>кснття ротопа, что позволяет улучшттть чистоту обрабатываемой поверхности изделття Hà металлоре>кхтцпх станках, в привочах подач которых используются шаговые двигатели.

Переход с возбуждения фаз двттгателя им;,льсямп тока трапецепдальной (треугольной) формы ня возбуждение импульсами пря. о гольнотт формы в области высоких частот оосспечивает сохранение быстродействия шаго!Oro двигателя и требуемое значение мо::тента.

552913

Формула изобретения

1. Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами многоканального усилителя мощности, каждый канал которого включает в себя последовательно соединенные между собой фазу двигателя, первый ключевой элемент и датчик тока, подключенные к источнику низкого напряжения через диод, а к источнику высокого напряжения — через второй ключевой элемент, связанный своим входом с датчиком тока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения качества движения, введены блок измере- 1 ния скорости и генераторы управляющих фазных напряжений, связанные своими выходами с входами ключевых элементов каждого канала, одним входом — с соответствующим выходом распределителя импульсов, а вторым — с выходом блока измерения скорости.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что генератор управляющих фазных напряжений каждого канала содержит схему 25 синхронизации, датчик числа включенных фаз, преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы, сумматор, два ключа и три схемы совпадения, выходы двух из которых подключены к вхо- ЗО дам обоих ключевых элементов усилителя мощности, входы этих же схем совпадения подключены к соответствующему выходу распределителя и выходу блока измерения скорости, вход которого соединен с датчиком числа включенных фаз, а выход схемы совпадения, подключенный к входу первого ключевого элемента усилителя мощности, соединен с выходом одного ключа, связанного своим управляющим цходом с выходом блока измерения скорости и сигнальным входом — с выходом сумматора, подключенного входами к выходам второго ключа и третьей схемы совпадения, соединенной одним своим входом с указанным выходом распределителя и одним входом схемы синхронизации, а вторым — с управляющим входом второго ключа и выходом схемы синхронизации, подключенной вторым своим входом к выходу датчика числа включенных фаз, связанного своими входами с выходами распределителя, а выходом — с входом преобразователя, соединенного своим выходом с сигнальным входом второго ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Дискретный электропривод с шаговым двигателем. Под общ. ред. М. Г. Чиликина.

М., «Энергия», 1971, с. 227 — 243.

2. Патент CLITА Х 3550821 кл. 3,13-)ЛЯ.

02.02.71, 552913

7@ сам

Риг, 7 йгг. У

Составитель 3. Горник

Редактор Е. Караулова Техред И. Карандашова Корректоры: Л. Орлова и О. Тюрина

Заказ 616/17 Изд. № 320 Тираж 909 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2