Способ калибровки шагового электродвигателя

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ

Сеоз Советских

Социавистимеских

Республик

653713 (6!) Дополнительное к авт. сзид-ву (22) Заявлено 01.03.77 (21) 2457070/24-07 с присоединением заявки № (23} Приоритет

Опубликовано 25.03.79.бюллетень №11 (51} М. Кл.

Н 02 Р 8/00 йсударетвекай кенатет

СССР аа делам кзевретеккя я еткрнтк» (5З) УДК Â21.313.

1 3-1 33.3-525 (088.8) Дата опубликования описания 28.03.79 (72) Лвторы изобретения

В. К. Баценкин, В. К. Баранов, О. Л. Клюев и В. А. Крючков (7l) Заявитель

{ 54) СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к автоматизированному электроприводу, в частности к дискретному электроприводу с шаговым двигателем, и может быть использовано в прецизионных станках с программным управлением, установках для выращивания монокристаллов, оптико-механических устройствах и т.д.

Известны способы управления шаговым электродвигателем путем подачи на его фазы изменяющихся по определенному закону токов для уменьшения цены шага двигателя. При этом закон изменения фазных токов должен обеспечивать при каждом дискретном изменении фазных токов поворот вала двигателя на один и тот же элементарный шаг Pl).

Если бы двигатель имел строго синусоидальную форму распределения магнитных полей в воздушном зазоре, то в этом случае необходимо сформировать

Я6 ступенчатые синусоидальные (с определенным фаэовым сдвигом) токи в фазах двигателя для обеспечения дробления ос2 новного шага на целое число равных элементарных шагов. У реального двигателя закон распределения магнитных полей в воздушном зазоре отличается от синусоидального, что требует соответствующего изменения формы фазных токов (калибровки шагового электродвигателя) °

Наиболее близким к данному изобретению является способ калибровки шагового электродвигателя путем подачи на

его фазы токов и регистрации положения вала двигателя датчиком ноложення (21, Недостатками известного способа яв ляются большие затраты времени н трудоемкость задания требуемых значений момента нагрузки.

Белью настояшего изобретения asляется повышение производительности труда при проведении процесса калибровки шагового электродвигателя.

Указанная цель достигается тем, что шаговый электродвигатель вводят в режим вращения сначала с монотонно нврастаюшей, а затем с монотонно убывал

653713 щей скоростью путем регулирования угла рассогласования между результирующим вектором токов в фазах и положением ротора и производят запись временных диаграмм фазных токов и положения вала двигателя, по которым определяют зависимость фазных токов от положения вала двигателя.

Описываемый способ поясняется на примере двухфазного шагового электродвигателя с датчиком положения, изменение скорости которого путем регулирования угла рассогласования между результирующим вектором токов в фазах и положением ротора. достигается эа счет включения его в автоматическую релейную систему регулирования скорости.

На чертеже приведена структурная схема системы.

На валу двухфазного шагового электродвигателя 1 установлены датчик скорости 2 и датчик положения 3, подключенный своим выходом к первому входу . сумматора 4.

Выход сумматора связан с входами функциональных преобразователей 5 и 6, выходы которых соединены с входами усилителей мощности 7 и 8. К выходам этих усилителей подключены фазы 9 и

10 двигателя и датчики тока 11 и 12.

Выходы датчиков тока связаны с входами обратной связи по току усилителей мощности и входами регистрирующих приборов.

Выход датчика скорости 2 соединен с одним из входов схемы сравнения 13, на другой вход которой подается сигнал

0И, определяющий требуемый закон изменения скорости двигателя. Выход схемы сравнения 13 соединен со входом релейного элемента 14, выход которого связан со вторым входом сумматора 4.

Выход датчика положения 3 подключен также к регистрирующему прибору.

Калибровка шагового электродвигателя производится следующим образом.

Предположим вначале, что обратная связь цо скорости отключена (на втором входе сумматора 4 сигнал. ф 0). На первый вход сумматора подается сигнал . 9 от датчика положения, с выхода сумматора он поступает на входы функциональных преобразователей 7 и 8. Эти преобразователи образуют на своих выходах сигналы 1„„5ю 9 и I @os & где 9 — угол поворота ротора двигателя.

Под действием этих сигналов возникнут соответствующие токи в фазах 9 и 10

35 двигателя, так как усилители мощности

7 и 8 с токовыми датчиками 11 и 12 представляют собой автоматические системы поддержания заданных значений токов.

Датчик положения должен быть так установлен по отношению к валу двигателя, чтобы при разомкнутой обратной связи по скорости угол рассогласования между результирующим вектором фаэных токов и положением ротора двигателя, то есть между осями магнитных полей статора и-ротора, равнялся нулю (g =О).

В этом случае у двигателя, имеющего синусондально распределенные магнитные поля в воздушном зазоре и для котоpoFD справедливо выражение

M =Iù к (cos8sin(is+s )-siniiccs(isis >)=c

=I „К а1пЧ, / где М gg — электромагнитный момент двигателя; — амплитуда тока в фазе; — коэффициент пропорциональм ности

Из формулы следует, что введение постоянного угла рассогласования при заданной амплитуде фазных токов

1„„в идеализированном случае вызывает появление неизменного движущего момента и электрическая машина работает в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока. Задание угла рассогласования между осями магнитных полей статора и ротора путем подачи сигнапа 9 на второй вход сумматора 4 обеспечивается эа счет того, что датчик положения 3 жестко связан с валом двигателя 1 и его сигнал б определяет положение вектора магнитного поля ротора, а положение вектора магнитного поля статора определяется углом = 8 + Ч, поскольку фазы двигателя питаются токами, результирующий вектор которых в механических угловых единицах совпадает с .вектором магнитного поля статора. Сит нал g образуется в результате алгебраического суммирования сигнала 8

/ получаемого от датчика положения, и задаваемого сигнала . Следует отметить, что для обеспечения технической реализации функциональных преобрааоваЯ телей 5 и 6, преобразующих линейно изменяющийся сигнал в синусоиду и косинусоиду соответственно, сигнал 9 от датчика должен изменяться по пилообразному закону в функции угла поло653713 женкя вала двигателя, причем период

"пилы должен совпадать с пространственным периодом магнитного поля статора двигателя.

Периодизация сигнала & которая либо применением соответствующего датчика, либэ его предварительным преобрвзованием при помоши стандартных методов вычислительной техники, позволяет произвести суммирование углов 8 и М перед подачей их на входы функциональных преобразователей 5 и 6. Это возможно благодаря тому, что угол 9 изменяется в ограниченных пределах (меньших пространственногопериода магнитного поля

I статорадвигателя). Такимобразом,приразомкнутой пепи обратной связи по скорости система представляет собой бесконтактный двигатель постоянного тока с питанием фаз синусоидальными токами и возможностью регулирования движущего момента за счет изменения угла рассогласования между векторами магнитных полей статора и ротора.

В идеализированном случае для двигателя с синусоидальным распределением магнитных полей обеспечивается постоянство электромагнитного момента и независимость его от угла поворота ротора & при Ч =CoVl9t

В реальных двигателях наличие высших пространственнх гармоник магнитных . полей приводит к появлению пульсирующих составляющих момента, которые зависят от угла & . В описываемой системе они компенсируются путем изменения угла рассогласования 9, которое, в конечном счете, приведет к отклонению формы токов в фазах двигателя от той, которая имела бы место в идеали40 зированном случае. Изменениеугла У производится прк поддержании .заданного закона изменения скорости у З релейной системы регулирования. При замыкании

43 отрицательной обратной связи по скорости восстанавливается связь между выходом релейного элемента 14 и вторым входом сумматора 4. На выходе релейного элемента появляется сигнал f, который может принимать лишь экстремальные значения + и — 9 (практически выполняется условие /Ч „/61ЦГ электрических радианов).

В релейной системе регулирования скорости токи в фазах двигателя подвергшотся частотной и широтно-импульсиой модуляции. При помощи фильтров ниж» них частот (на чертеже не показаны) производится демодуляция фазных токов которые регистрируются приборами.

Посредством способа калибровки шагового электродвигателя можно зарегистрировать форму фазных токов в функции положения вала при поддержании заданного закона изменения скорости двигателя, например линейного.

Действительно, если двигатель нагружен постоянным моментом Ppgy то задавая постоянную скорость CO COOStaoлучим в установившемся режиме (Мдв)р = М н.

Так как релейная сйстема.-инвариантна к воэмушенкям момента, то при постоянстве момента нагрузки пульсации электромагнитного момента двигателя будут скомпенсированы соответствуюшими изменениями формы фаэных токов.

Однако обеспечение неизменности момента в пределах долей оборота вала двигателя представляет собой сложную техническую задачу. Эту трудность можно преодолеть, если установить на валу двигателя маховик с известным моментом инерции и задать монотонно возрастающий и монотонно убываюший закон изменения скорости, в частном случае линейный закон изменения скорости с постоянным ускорением и замедлением вала двигателя.

При этом

ДВ=- а1 ™ Зим= СОПб

8UU у где I — суммарный момент инерции;

ЯАд,- динамический момент. дин

Таким образом, двигатель будет нагружен неизменным по величине динамическим моментом.

Использование описанного способа калибровки шагового электродвигателя обеспечивает значительное уменьшение времени калибровки к ее упрошение, так как позволяет получить непосредственно зависимость фазных токов от времени или положения вала двигателя.

Формула изобретения

Способ калибровки шагового электро двигателя путем подачи HB его фазы токов и регистрации положения вала двигателя датчиком положения, о т л ичаюшкйся тем,что,сцелью и овыш ения производительности труда, 6537

7 двигатель вводят в режим вращения сначала с монотонно нарастающей, а затем монотонно убывающей скоростью путем регулирования угла рассогласования между результируимпим вектором токов в фазах и положением ротора и производят запись временных диаграмм фазных токов и положения вала двигателя, по которым определяют зависимости фазных токов от положения вала двигателя.

Источники информадии, принятые во внимание при экспертизе

13 8

1. Чиликин М. Г. и др. Совершенствование дискретного электропривода с шаговыми двигателями - М., труды Московского энергетического ин-та, Автоматизированный электропривод промышленных установок, вып. 223, 1975, с. 5.

2. Чиликин М. Г. и др. Электрическое дробление шага - М., труды Московского энергетического института, Электромеханические устройства с цифровым управлением, вып. 202, 1974, с. 10.

Заказ 1305/41

Тираж 856 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам-.изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Горнии

Редактор Д. Мепуришвили Техред Л, Алферова Корректор И. Ковальчук