Устройство для управления шаговым двигателем

 

пг 1 а,,,фх,ь" с ея (Союз Советских

Соцмалистическмх

Республик

< 728205

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ е= (61) Jlîíîëíèòåëüíîå к авт. свнл-ву (22) Заявлено 11.04.77 (21) 2475352/24-07 (5t)M. Кл.

Н 02 P 8/00 с прнсоелнненнем заявки №

Госудерствеииый комитет

СССР (23) Приоритет оо делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 15.04.80. Бюллетень № 14 (53) УДК 621.313.

13. 133(088.8) Дата опубликования описания 17.04.80 (72) Авторы изобретения

В. П. Рубцов, М. С. Зайдин, Ю. Г. Филатов и B. Н. Козырев !

Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро низковольтного аппаратостроения производственного объединения «Мос ;электроаппарат" (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к области автоматизированного электропривода, а именно к системам управления с шаговыми двигателями, и может быть использовано для приводов подач металлообрабатывающих станков с числовым управлением, координатографов и т.д.

Известны устройства для управления шаговым двигателем, содержащие многоканальный коммутатор фаз шагового дви.,гателя и ключевые элементы, обеспечи10 ваюшие регулирование фазного напряжения Pl).

Недостатком указанных устройсть явттяется одинаковая кратность форсирования процессов изменения тока в фазах двигателя во всем диапазоне рабочих частот. В области высоких частот форсирование процессов нарастания и спадания тока в фазах оказывает положительное влияние на свойства шагового привода, увеличивая момент, развиваемый двига-. телем. В области низких частот форсирование процессов изменения тока являет ся вредным и приводит к возникновению значительных коЛебаний скорости при отработке шага, перерегулированию и потере устойчивости движения. Для улучшения качества движения в области низких частот скорость изменения тока при включении и отключении фазы необходимо снижать, что не может быть осуществлено в указанных устройствах.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для управления шаговым двигате лем, содержащее многоканальный коммутатор, каждый канал которого включает в себя основной ключевой элемент, связывающий первую клемму фазы двигателя с общей шиной источника питания постоянного тока низкого и высокого уровней, и вспомогательный ключевой элемент, связывающий шину источника высокого уровня с второй клеммой фазы двигателя, подключенной к одноименной шине источника низкого уровня через разделительный диод t2j, Зто устройствотакже не обеспечивает изменения кратности форсирования при переходе из области низких частот в область высоких, т.е. не позволяет улучшить качество движения в области низких частот при сохранении заданного диапкзона.

Принципиально улучшение качества движения в таком устройстве возможно за счет снижения напряжения питания, однако это приводит к уменьшению диана- 10 зона рабочих частот, и, следовательно, такой путь непригоден.

Целью изобретения является повышение плавности и устойчивости движения двигателя в области низких частот при сохранении рабочего диапазона.

Указанная цель достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем содержит в каждом канале коммутатора дроссель и дополнительные диод N и ключ, например тиристор, соединяющий первую клемму фазы двигателя с шиной источника низкого уровня, подключенной через дроссель к второй клемме фазы двигателя, шунтированной совместно с основным ключевым элементом встречно. направленным дополнительным диодом.

В целях расширения диапкзона плавного движения дроссель снабжен обмоткой подма ничивания a a устройстве установлены вто Зо рой дополнительный ключ и элемент ИЛИ, подключенный входами к входам коммутатора, а выходом — к входу второго дополнительного ключа, связывающего обмотки подмагничивания дросселей, всех каналов и одним из источников питания.

Устройство также содержит йреобразователь частота-аналог, пороговый элемент и третий дополнительный ключ, выход которого подключен к входу первого дополнительного ключа каждого канала, а вход через пороговый элемент — к выходу преобразователя частота-аналог, соединенного входом с вых ом элемента

ИЛИ. 45

Такое выполнение устройства позволяет в области низких частот уменьшить кратность форсирования процессов изменения тока в фазах за счет отключения высокого напряжения, снизить скорость нарастания и спадания тока в области.низких частот за счет увеличения посеянной времени фазы и регулировать постоянную времени фазы в функции частоты, обеспечивая оптимальную, с точки зрения качества движения, форму фазного тока.

На фиг. 1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.

728205 . 4

2 показаны временные. диаграммы тока и напряжения ljy на фазе двигателя в области низких частот управления; на фиг. 3 — аналогичные диаграммы в области высоких частот.

Устройство содержит многоканальный коммутатор, каждый канал которого включает в себя основной ключевой элемент 1, фазу 2 двигателя, связанную с источником питания постоянного тока низкого уровня U4 через разделительный диод 3 и рабочую обмотку 4 дросселя, и вспомогательный ключ 5, соединяющий фазу 2 с источником питания высокого уровня Ug. Фаза 2 связана также с об- щей шиной обоих источников Ц и (3 через встречно включенный диод 6, с шиной источника U через диод 7 и с ши ной источника U4 через дополнительный ключ (тиристор) 8. Обмотки подмагничивания 9 дросселей всех каналов подключены к источнику питания низкого уровня

U4 через дополнительный ключ 10. и могут быть соединены между собой последовательно или параллельно.

Управление ключевыми элементами 1 коммутатора осуществляется от распределителя 11 импульсов, выходы которого подключены к входам ключевых элементов 1 непосредственно, а к входам ключевых элементов 5 через узел 12 задания длительности форсирования, выполненный, "например; в виде элемента сравнения 13 и триггера 14. Вход элемента сравнения подключен к резистору

15 обратной связи . Входы направления движения В и Н распределителя 11 через элемент ИЛИ 16 подключены к входам ключа 10, а через элемент ИЛИ 16, преобразователь частота-аналог 17, пороговый элемент 18 и ключ 19 — к входу тиристора 8..Выход ключа 19 подключен также через инвертор 20 к одному их входов элемента И 21, установленного в цепи отпирания ключевого элемента 5.

Устройство работает следующим образом.

При поступлении управляющих импульсов с частотой fy на один из вхо дов (В илиН) распределителя 11 импуль-. сов на его выходах образуется многоканальная последовательность прямоугольных импульсов, обеспечивающих отпирание ключевых элементов 1, коммутирующих в заданной последовательности фазы

2 двигателя и разрешающих работу вспомогательных ключевых элементов 5, +ьи, 5. 7282 осуществляющих форсирование процессов нарастания и спадания тока в фазах 2 двигателя эа счет приложения к ним в переходные моменты времени повышенного напряжения 0,2 (фиг. 3).

Если шаговый двигатель работает

Г в области низких частот, при которых ток 1ф в фазе за время включенного состояния (фиг. 2) успевает достигнуть установившегося значения при низком уровне напряжения питания Ц, то вспомогательные ключи 5 запираются и "высо-кое"напряжение 0 на фазы двигателя не поступает. Граничная частота, до которой ключи 5 заперты, определяется настрой15 кой порогового. элемента 18, напряжение на входе которого, поступающее с преобразователя частота - аналог 17, пропорционально частоте входных импульсов . Импульсы на преобразователь 17

Ч поступают со входов распределителя 11 через элемент ИЛИ 16. Элементы 16, 17, 18, и 19 образуют измеритель частоты (скорости шагового двигателя), 25 который может быть выполнен не только по приведенной структуре, но и любым другим образом.

При у (т. (1 граничная частота диапазона низких частот, определяемая настройкой порогового элемента 18)

30 ключ 19 находится в проводящем состоянии, отпирая тиристоры 8 и через инвертор 20, запирая цепи включения ключевых элементов 5. Такое состояние элементов схемы обеспечивает ее работу с низким

" 35 напряжением U4, вызывающим, как это следует из диаграмм на фиг. 2, замедленное нарастание тока 1ф и спадание его по цепи: фаза 2, тиристор 8, 40 рабочая обмотка 4 дросселя, диод 3, фаза 2.

Однако даже при подаче на фазы 2 шагового двигателя "нйзкого напряжения Ц, величина которого выби

45 рается равной где 3ф- номинальный ток фаэы; %ф активное сопротивление цепи фазы; дЦ— падение напряжения на ключевых элементах и диодах в цепи фазы, ток в области низких частот нарастает слишком быстро, что вызывает нежелательные колебания ротора при отработке каждого шага. Колебания угла и скорости в области нжьких частот, обуоловленные скачкообркьным нарастанием тока, увеличивают дина

05 6 мическую ошибку, ухудшают качество движения, что отрицательно сказывается на работе механизмов, приводимых в движение двигателем, и может вызвать сбои,,в работе самого шагового двигателя (особенно в области частот электромеханического резонанса, когда частота вы ходных импульсов совпадает с частотой собственных колебаний привода). Зля уменьшения колебаний угла и скорости двигателя в области низких частот необходимо еще в большей степени замедлить процесс нарастания и спадания тока в фазах.

В описываемом устройстве это достигает ся введением в цепь фазы 2 дроссел и тиристора 8. Увеличение индуктивности в цепи фазы 2 обеспечивает снижение сжэрости изменения тока 1ф в сравнении с естественным процессом (соответствующие кривые тока 1ф показаны на фиг. 2 пунктиром), имеющим место при отсутствии дополнйтельной индуктивности в цепи фазы.

Фиксированные значения постоянной времени фазы двигателя напряжения 04 обеспечивают оптимальную с точки зрения качества движения форму кривой фазного тока только при одном значении частоты fg . Поскольку двигатель работает при переменной частоте управления, то для сохранения нагрузочной способности и обеспечения требуемого качеств ва движения при изменении частоты,„ необходимо регулировать скорость нарастания и спадания тока в функции частоты.

Это достигается введением в дроссель обмотки подмагничивания 9. Ключ 10 отпирается на время 1; = conSt с частотой 1, обеспечивая изменение среднего напряжения на обмотках подмагничивания

Оср ОА 1у-%1 и, следовательно, тока подмагничивания пропорционально частоте управляющих импульсов. Увеличение тока подмагничивания дросселя с ростом частоты приводит к уменьшению его индуктивности, т.е. обеспечивает увеличение скорости изменения фазного тока двигателя с ростом частоты. Автоматическое изменение параметров фазы двигателя в функции частоты позволяет сохранить оптимальную форму кривой тока во всем диапазоне низких частот.

При увеличении частоты выше граничной, т.е. при Х.. - У -, пороговый элемент

18 закрывается и снимается управляющий сигнал с тиристоров 8. Одновременно сцимается сигнал запрета с элемента

7 728205

И 21, что обеспечивает периодическое включение ключевого элемента 5 и подач на фьэы 2 напряжения в соответствии с диаграммой на фиг. 3. Снятие сигнала .управления с тиристоров 8 обеспечивает их автоматическое запирание встречно приложенным напряжением 0. без введения дополнительных коммутирующих элементов.

Перестройк-> структуры схемы при j>) . приводит к тому, что при отпирании ключевого элемента 1 по цепи: элемент И21 и триггер 14, отпирается ключевой эле.— мент 5, обеспечивая подачу на фазу 2

«высокого" напряжения О (фиг. 3). Под действием этого напряжения происходит ускоренный (форсированный) процесс нарастания тока 1ф до значения, определен- ного порогом срабатывания элемента сравнения 13. Сигнал обратной связи по току снимается с резистора 15. При срабатывании элемента сравнения триггер 14 отключает ключевой. элемент 5.

Поскольку в момент коммутации ключевого элемента 5 ток в рабочей обмотке 4 дросселя не равен току в фазе

2 двигателя, в схеме предусмотрен диод 6, обеспечивающий прохождение тока" в фазе

2 до момента нарастания тока в обмотке

4 дросселя.

Запирание ключевого элемента 1 в конце такта коммутации (фиг. 3) обеспечивает форсированное спадание тока 1 ь по цепи: фаза 2, диод 7, встречно. включенный источник U, диод 6, фаза 2.

При этом энергия, накопленная электромагнитным полем фазы 2, рекуперируется в источник U .

Таким образом, устройство, выполненное согласно изобретению, обеспечивает

4О улучшение качества. движения двигателя в области низких частот при сохранении динамических характеристик и диапазона рабочих частот привода.

45 .

Автоматическая перестройка структуры устройства обеспечивает оптимальные, с точки зрения качества движения и нагрузочных свойств, условия функциощ рования шагового привода.

Формула изобретения М

1. Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее мйогоканальный коммутатор, каждый канал которого включает в себя основной ключевой эльмент, связывающий первую клемму фазы двигателя с общей шиной источников питания постоянного тока низкого и высокого уровней, и вспомогательный ключевой элемент, связывающий шину источника высокого уровня с второй клеммой фазы двигателя, подключенной к одноименной шине источника низкого уровня через разделительный диод, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения плавности и устойчивости движения двигателя в области низких частот, в каждом канале установлены дроссель, дополнительные диод и ключ, например тиристор, соединяющий первую клемму фазы двигателя с шиной источника низкого уровня, подключенной через дроссель к второй клемме фазы двигателя, шунтированной совместно с основным ключевым

Ф элементом встречно направленным дополнительным диодом.

2. Устройство по н. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью рас ширения диапазона плавного движения, дроссель снабжен обмоткой подмагничивания и установлены второй дополнительный ключ и элемент ИЛИ, подключенный входами к входам коммутатора, а выходом - к входу второго дополнительного ключа, связывающего обмотки подмагничивания дросселей всех каналов с одним из источников питания.

3. Устройство по и. 2, о т л и— ч а ю щ е -е с я тем, что оно содержит преобразователь частота-аналог, пороговый элемент и третий дополнительный ключ,.выход которого подключен к входу первого дополнительного ключа каждого канала, а вход через пороговый элемент» й. выходу преобразователя частота-ана- лог, соединенного входом с выходом элемента ИЛИ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под ред. М.Г. Чиликина.

М.„1971, с. 237-244, 2. Патент США N. 3757193, кл. 318-696, 1973.

Ф г z

Составитель 3. Горник Редактор Т. Юрчикова ТехредИ. Асталош КорректорЕ Па и

Заказ 1149/51 Тираж 783 Подлисное

LlHHH11H Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4