Устройство для управления шаговым двигателем

 

с» сев с о «оса,,э

Союз Советски к

Соцналкстическмк

Республик (iii 738О92

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф.;Ф (61) Доттолвительное к авт. свил-ву(22) Заявлено 04.11.76 (2! ) 2419340/24-07 с присоединением заявки .%— (51)М. Кл.

Н 02 P 8/00

Гесударстввнный комитет (23) Приоритет—

,(53) УДК621.313. . 1 3-13 3.3:

:6 2-83 (088.8) по делам изобретений и открытий

Опубликовано 30.05.80. Бюллетень % 20

Дата опубликования описания 02 06 80

/ (72) Авторы изобретения

В. А. Федукин и В. М. Писеев

Московский институт электронной техники (71) Заявитель

/ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к электротех« нике, в частности к электроприводам, и может быть использовано для управления шаговым двигателем в системах автоматического регулирования.

Известно устройство для управления

S шаговым двигателем, содержащее много- канальный датчик положения ротора, свя» занный со входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя и осу10 ществляющих модуляцию фазных напряже» ний Ц.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для управления шаговым двигателем, !

5 содержащее элемент сравнения, многоканальный датчик положения ротора, связанный со входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, через элементы И, вторые входы которых соединены с выходом широтно-импульсного модулятора (2).

Недостатком указанных устройств является невозможность получения равномерного движения при низких скоростях.

Целью изобретения является повышение равномерности движения шагового двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит преобразователь многофазной системы напряжения датчика в однофазную пилообразную и функциональный генератор пилообразного напряжения с элементом синхронизации, связанный своими входами с выходами датчика положения, а выходом - с одним входом элемента сравнения, подключенного вторым своим входом к выходам датчика положения через преобразователь многофазной системы напряжений в тзднофазную.

Такое выполнение устройства повышает равномерность движения шагового двигателя благодаря корректировке,законов изменения фазных токов в функции текущего положения ротора двигателя.

738092

55

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, применительно к четырехфазному шаговому двигателю, на фиг. 2-3 - временные диаграммы сигналов на отдельнык элементах устройства и моментные кривые для различных режимов работы.

Устройство (фиг. 1) содержит шаговый двигатель 1, на валу которого укреплен многофазный датчик 2 положе ния ротора, выкоды которого через ключи 3 — 6, связанные управляющими выходами с первой группой формирователей

7 - 10, входы которык соединены с выходами датчика, связаны с входами сум° мирующего усилителя 11, выход которого цодключен к первому входу элемента сравнения 12, соединенного выхоцом со входом широтно-импульсного модулятора

13. Второй вход элемента сравнения через ключи 14 и 15, управляемые по шинам 16 и 17, соответственно связан с шиной задающего сигнала 18 и с выходом управляемого функционального генератора 19, управляющий вход которого через элемент ИЛИ 20 подключен к выходам второй группы формирователей 21—

24, входы которых соединены с выходами первой группы формирователей, Фазные обмотки шагового двигателя через усилители мощности 26 - 28 связаны с выходами элементов ИЛИ 29 — 32, первые . входы которых соединены с выходами второй группы элементов И 33 — 36, а вторые входы-с выходами второй группы элементов И 37 — 40. Первые вкоды элементов И первой группы связаны с выходами первой группы формирователей, а вторые входы - с выкодом широтно-. импульсного модулятора. Первые входы элементов И второй группы связаны с выходами первой группы формирователей, а вторые входы через инвертор 41-с выищом широтно-импульсного модулятора.

Работа описанного устройства при подаче управляющего сигнала по шине 18 поясняется временными диаграммами сигналов на отдельных элементах (фиг. 2), где показаны напряжения 01 на выходах фаз датчика 2 положения ротора ll< и, lj,,Ä4.; напряжения U на выходак Ф, Ф, Ф, Ф формирователей 7 - 10; напряжения О, на выходах K<„K<„K>„

К ключей 3 - 6; сигналы,. поступающие с выхода суммирующего усилителя Ug u по шине задающего сигнала О. йа два входа устройства сравнения 12; сигнал на вкоде широтно-импульсного модуУ ф лятора 13, а также сигналы L4 и Оц на выходе этого модулятора и инвертора

41 соответственно.

Положение ротора шагового двигателя в пределах одного полюсного деления однозначно определяется номером формирователя первой группы, имеющего в данный момент времени высокий потенциал на выходе и уровнем сигнала на выходе фазы датчика, подключенной в данный момент через один из аналоговык ключей 3 6 на вход суммирующего усилителя 11. Сигнал с датчика имеет виц многофаэной системы непрерывных напряжений треугольной формы, причем, геометрия ротора датчика согласована с геометрией ротора машины.

Текущее значение уровня сигнала с фазы датчика на выходе суммирующего усилителя сравнивается устройством сравнения 1 2 с величиной уровня управляющего сигнала на шине задающего сигнала 18 или с выхода управляемого функционального генератора 1 9. Коэффициент заполнения K импульсной послеЪ довательности на выходе широтно-импульсного модулятора 1 3 пропорционален величине разностного сигнала на выходе устройства сравнения, а коэффициент заполнения импульсной последовательности на выходе инвертора 41 будет при этом (1 - К ) Сигнал с выхода каждого из формирователей 7 — 10 управляет одним из элементов И группы 33 - 36 и одним из элементов И группы 37 - 40. Например, сигнал с выхода формирователя 7 подключает сигнал с выхода широтноимпульсного модулятора через элементы

И 33, ИЛИ 29, усилитель мощности 25 к первой фазе шагового двигателя и проинвертированный инвертором 41 сигнал модулятора через элементы И 38, ИЛИ 30, усилитель мощности 26 — ко второй обмотке шагового двигателя. Час45 тота следования импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора выбирается во много раз больше частоты собственных колебаний электропривода.

При этом среднее значение токов в обмотках двигателя пропорционально коэффициенту заполнения импульсной последовательности, поступающей Hs усилители мощности.

B зависимости от уровня управляющего сигнала, поступающего по шине 18 возможны различные режимы работы уст». ройства.

738092 6

При величине управляющего сигнала, поступающего по шине 18 на устройство сравнения 12, превышающего амплитуду сигнала, поступающего на другой вход устройства сравнения с выхода суммирующего усилителя 11, на выходе устройства сравнения формируется сигнал постоянной амплитуды, которому соответствует импульсный сигнал с К -1 на выходе . широтно- -импульсного модулятора 13 (см. фиг. 2, а). В этом случае шаговый двигатель работает в режиме бесколлекторной машины постоянного тока.

При величине управляющего сигнала, равного амплитуде сигнала с выхода суммирующего усилителя, на выходе устройства сравнения формируется пилообразный сигнал с периодом, соответствующим времени отработки одного шага, которому соответствует импульсный сигнал с изменяющимся К от К -1 до

Ê2-0 на выходе широтно-импульсного модулятора (см. фиг. 2,б).

Таким образом, за период отработки одного шага среднее значение тока в одной из включенных фаз изменится от установившегося значения до нуля, а в другой фазе наоборот. Суммарная моментная характеристика, образуемая токами двух фаз шагового двигателя,равномерно сместится в диапазоне одного шага.

При уровне управляющего сигнала на шине 18 меньшем, чем амплитуда сигнала с выхода суммирующего усилителя, на выходе элемента сравнения формируется управляющий сигнал, соответствующий . заданной уровнем сигнала на шине 1 8 позиции ротора внутри шагового инвертора. При этом на выходе широтно-импульсного модулятора формируется импульсный сигнал с К, определяемым величиной сигнала на выходе устройства сравнения, и суммарная моментная ха» рактеристика, образуемая токами двух включенных соседних фаз шагового двигателя, равномерно сместится в промежуточное положение, обеспечивая установку

1 ротора двигателя в необходимое положение внутри одного шага. В случае отклонения ротора от положения; определяемого управляющим сигналом, поступающим .по шине 18, величина сигнала с датчика

2 и, следовательно, с выхода суммирующего усилителя также изменится в ту или другую сторону. Это приведет к изменению .величины сигнала на выходе устройства сравнения и к изменению К импульсного сигнала на выходе широтно о !

55 импульсного модулятора. Изменение К импульсного сигнала вызовет изменение соотнощения токов во включенных фазах шагового двигателя, суммарная моментная характеристика, образуемая токами фаз, сместится в направлении, необходимом для возвращдния ротора шагового двигателя в положение, определяемое управляющим сигналом.

При подаче управляющего сигнала на шину 17 на вход устройства сравнения

12 через ключ 15 задающий сигнал поступает с выхода управляемого функционального генератора 19. Форма управляющего сигнала повторяет форму сигнала датчика положения 2 в те отрезки времени, на которые ключи 3 - 6 подключают соответствующие выходы через суммирующий усилитель 11 к элементу сравнения 12 (В описываемом варианте при линейной форме сигналов с датчика управляемый функциональный генератор должен быть генератором линейно изменяющегося напряжения, например, интегратором). Запускается функциональный генератор от передних фронтов сигналов с формирователей 7 — 10, выделяемых формирователями 21 — 24 через элемент

ИЛИ 20. При этом происходит процесс непрерывного сравнения текущего значения уровня сигнала функционального гене- .. ратора 19 и сигнала датчика 2„вырабатываемого на выходе суммирующего усилителя 1 1.

При скоростях нарастания сигнала функционального генератора, меньших скорости механических переходных процессов шагового двигателя, осуществляется процесс непрерывного слежения сигнала датчика за сигналом с выхода функционального генератора, и следовательно, положения ротора за сигналом функционального генератора.

Работа схемы по непрерывному слежению полностью аналогична вышеоцисанному процессу установки дискретных значений позиции внутри одного шага.

Работа устройства в режиме бесколлекторной машины постоянного тока на высоких скоростях при стабилизации скорости иллюстрируется временными диаграммами и моментными кривыми на фиг. 3. Здесь фиг. 3, а соответствует случаю, когда скорость шагового двигателя, определяемая крутизной сигнала с датчика, меньше скорости, задаваемой ,крутизной сигнала О „ на выходе функционального генератора; фиг. 3, б соот7 . 73 ветствует скорости шагового двигателя больше заданной. Сигналы с прямого и инвертированного выходов генератора 13, 1, соответственно U и Oä, условяо показаянйе в меньшем масштабе времени, определяют уровень возбуждения двух фаз двигателя, участвующих в формировании суммарной моментной характеристики.

На фиг. 3 для обоих случаев показаны четыре реализации суммарной моментной характеристики, I, П, Ш, 1У, откуда видно, что при оставании скорости от заданной, двигатель постоянно находится под действйем положительных разгоняющих моментов, в случае опережения баланс псложительных и отрицательных движущих моментов воздействует на двигатель в сторОну уменьшения его ско»рости. Этим достигается стабилизация скорости в режиме бесколлекторной машины постоянного тока.

Таким образом, устройство обеспечивает следующие режимы работы двигате"ля. позиционирование внутри шага; равномерное движение poropa при работе в режиме самокоммутации; стабилизацию и управление скоростью в режиме самокомМутации; управляемое равномерное движение на низких и инфранизких.скоростях.

Устройство также позволяет получить различные сочетания указанных выше режимов путем простейших переключений во внешйих цепях управления. Последовательность этих режимов в различных

"" сочетанйях реализуется чисто электричес- ким путем без применения механических связей и устройств, например, редукторов

8092 ь с зубчатыми и другими передачами. Это позволяет значительно уменьшить вес и размеры и увеличить надежность приводов с шаговым двигателем для роботов, 5 манипуляторов, установок автоматического .скрайбирования и других систем, в которых требуется сочетание подобных разнообразных режимов работы привода, Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее элемент сравнения, многоканальный датчик положения ротора, связанный со входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, через элементы И, вторые входы которых соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения рав20 номерности движения, оно содержит преобразователь многофазной системы нап-" ряжений датчика в однофазную пилообразную и функциональный генератор пилообразного напряжения с элементом синхронизации, связанный своими входами с выходами датчика положения, а выходомс одним вхбдом элемента сравнения, подключеного вторым своим входом к выходам датчика положения через преобра30 эователь многофазной системы напряжений в однофаэную.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

l4 556542, кл. Н 02 К 29/02, 1974.

2. Патент США No. 3305713, кл. 318-138, 1967.

Составитель 3. Горник

Редактор H. Коляда. TexpenÆ,Kàñòåëåâè÷ Корректор М.Пожо

Заказ 2826/35 Тираж 783 Подписное

UHHHliH Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

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