Устройство для управления шаговым электродвигателем

 

()936340

Союз Советсиик

Социалистические

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61 ) Дон ол н и тел ьное к а вт. с вид- ву— (22) Заявлено 16. 07. 80 (21) 2959753/24-07 с присоединением заявки РЙ— (23) Приоритет— (5 I } M. Кд.

Н 02 Р 8/00

Н 02 К 29/02

РэсуАерстеанный комитет

СССР во делам нзоеретаннй н открытнй

ОпУбликовано 15 506 82 Бюллетень ¹

Дата опубликования описания16.06.82 (53} УДК 621 ° 313.. 13- 133.3-525 (088.8) (72) Авторы изобретения р

В.П. Рубцов, Ю.3. Рожанский, А.Н. Барков,и. 11.В. Майоров

{7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к электротехнике и может. быть использовано для .управления шаговыми электродвигателями с электрическим дроблением шага в системах числового программного управления (ЧПУ) металлорежу5 щими станками, координатографами и т.д. и

Известно устройство для управления шаговым электродвигателем, содержащее 1о усилители мощности, коммутирующие фазы двигателя, управляемые от датчика положения, установленного на валу двигателя (1 j.

Недостатком этого устройства является небольшой диапазон регулирования скорости и положения, что обусловлено ограниченным числом тактов коммутации шагового двигателя и не- zo возможностью получения требуемого угла коммутации фаз, определяющего в, конечном итоге скорость движения замкнутого шагового электропривода.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления шаговым электродвигателем с электрическим дроблением шага и датчиком положения на валу, содержащее усилители мощности, преобразователи код— аналог, постоянные запоминающие устройства, сумматор и блок управления. Оно осуществляет электрическое а дробление шага, уменьшающее дискретность регулирования положения вала двигателя и расширяющее диапазон регулирования скорости путем изменения с малой дискретностью угла коммутации фаз (2).

Недостатком устройства является низкая надежность, обусловленная использованием импульсного (инкре-. ментного) датчика положения и счетчиков, обладающих низкой помехоус.тойчивостью. Кроме того, выполнение ,импульсного датчика положения при больших кратностях электрического дробления шага (малых дискретностях

93634

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство (фиг. 1) содержит генератор тактовых импульсов 1, делитель 2, функциональный синус-косинусный преобразователь 3, выходы синусоидального U< и косинусоидального U < напряжений которого подключены к входам двухфазного датчика положения 4 (например, вращающегося трансформатора). Выход датчика положения 4 и выход опорного сигнала делителя 2 соединены с двумя входами преобразователя фаза-код

55 йривода) представляет собой трудноразрешимую технологическую задачу, поскольку его разрешающая способность

{число импульсов за оборот) должна быть равна или кратна разрешающей способности привода. Применение импульсного датчика вызывает усложнение схемы, обусловленное необходимостью введения элементов, обеспечивающих временную синхронизацию импульсов управления и импульсов обратI ной связи, поступающих с датчика.

Цель изобретения - повышение надежности и расширение диапазона регулирования шага {дискретности).

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления шаговым электродвигателем с датчиком положения на валу, содержащем усилители мощности, преобразователи код" . аналог, постоянные запоминающие устройства, сумматор и блок управ- ления, введены генератор тактовых импульсов, функциональный синус-косинусный преобразователь, преобразователь фаза-код и делитель, соединенный входом с выходом генератора тактовых импульсов, кодовыми входами с входами функционального синус-косинусного преобразователя, подключенного выходами синусного и кос1Инусного напряжения к входам датчика, связанного выходом с первым входом преобразователя фаза-код, второй вход которого соединен с выходом опор35 ного сигнала делителя, третии — с выходом генератора тактовых импульсов, а выход — с первым входом сумматора, подключенного вторым входом к выходу блока управления, а выхода40 ми - к входам постоянных запоминающих устройств.

0 4

5, третий вход которого подключен к выходу генератора 1. Выход преобразователя фаза — код 5 подключен к одному иэ входов сумматора 6, соединенного вторым своим входом с выходом блока управления 7. Выходы сумматора через постоянные запоминающие устройства 8 и 9 и. преобразователи код-аналог 10 и 11 соединены со входами усилителя мощности 12, коммутирующего фазы шагового двигателя 13.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходе блока управления 7 сформирован нулевой код, т.е. М„=О. Преобразователь фаза-код 5 в каждом периоде напряжений 0 уи и 0сО6 питающих фазы дат чика 4 и формируемых посредством генератора 1, делителя 2 и функционального преобразователя 3, преобразует фазу выходного напряжения датчика 4 относительно опорного сигнала, поступающего с делителя 2, в код

N <, единице которого соответствует шаг двигателя в схеме с электрическим дроблением. Для работы схемы необходимо, чтобы код на выходе преобразователя фаза-код

5 был связан с углом поворота, соединенных между собой валов датчика

4 и двигателя 13 и их параметрами соотношени м

N = -km/, Я где - угол поворота вала двигателя (датчика); коэффициент электрического дробления шага; с — "естественный шаг двигателя;

m - -число фаз двигателя; целая часть числа (» У Р с т 2й: р — число пар полюсов двигателя, т.е. код N определяет положение,< ротора ша.говогр двигателя внутри его полюсного деления ф =27г)р

Выходной код сумматора 6, который в этом случае {М =О) будет равен

N =N, через iluc;тоянные эапоминающ ка устройства 8. и 9, преобразователи код-аналог 10 и 11 и усилитель мощности 12 устанавливает некоторую комбинацию включенных фаз двигателя

13 и величин фазных токов так, что результирующий вектор магнитного поля статора совпадает с продольной

936340

5 осью ротора. Электромагнитный момент двигателя при этом равен нулю.

Рассмотренное состояние устройства соответствует началу отсчета на временных диаграммах, приведенных на фиг. 2 (диаграммы построены для примера использования датчика с одной парой полюсов).

Если в таком режиме (Му=0) к валу двигателя приложить внешн и вращающий 1О момент, то под его действием вал двигателя, а вместе с ним и вал датчи- . ка, придут в движение. При этом фаза выходного напряжения датчика 4 относительно опорного сигнала дели- % теля 2 М (фиг. 2) будет линейно изменяться в течение каждого оборота на 360 . Преобразователь фаза-код 5 преобразует это изменение фазы в линейный циклический код N с периодом 20 повторения 27/р и максимальным значением в Я единиц (фиг. 2). Так как

N> 0, то выходной код сумматора 6, будет ловторять код N>, т.е. и =й .

У

Код йл с помощью постоянных заломи- рз нающих устройств 8 и 9 преобразуется в ступенчато-синусоидальные коды и .и Й4 (фиг. 2), к т р е, в очередь, преобразуются линейными преобразователями код-аналог 10 и зв

11 в ступенчато-синусоидальные напряжения U и U<, определяющие уставки фазных токов (для упрощения на фиг. 2 и 3 ступенчато-синусоидальные коды и напряжения представлены их огибающей). Кроме того, постоянные запоминающие устройства 8 и 9 формируют сигналы U> и U4, осуществляющие коммутацию ключевых элементов усилителя мощности в соответствии с выбранной диаграммой коммутации шагового двигателя. В результате совместйого действия напряжений U ...U4 усилитель мощности 12 формирует в фазах шагового двигателя токи 1„...14 (фиг . 2). При этом смещение ротора шагового двигателя под действием внешних сил вызывает такое же смещение результирующего вектора магнитного поля статора и электромагнитный момент, развиваемый двигателем, будет оставаться равным нулю (при малых кратностях дробления внутри каждого исскуственного шага4(и = /Е будет иметь место некоторый фиксирующий

SS момент, развиваемый двигателем, обусловленный дискретным характером перемещения результирующего вектора магнитного поля статора).

1 б

Для создания электромагнитного момента и приведения ротора шагового, двигателя в движение, например вперед, с помощью блока управления 7 на второй вход сумматора 6 подают код

МУ (фиг. 1 и 3), максимальное значение которого не должно превышать

/йу/ f. При этом код Й =NEIN> на

Л выходе сумматора 6 получает приращение, что эквивалентно его сдвигу на угол к (фиг. 3). Соответствующий сдвиг получают токи i i и результирующий вектор электромагнитного момента, положение которого определяется кодом N< смещается относительно продольной оси ротора шагового двигателя, определяемой кодом N<, что вызывает электромагнитный момент и приводит в движение вал двигателя.

Циклический код с выхода преобразователя фаза-код 5, суммируемый с кодом NУ вызывает перемещение результирующего вектора магнитного поля статора синхронно с движением ротора.

При этом поддерживается рассогласование вектора поля и оси ротора, заданные кодом N>. Для работы схемы необходимо, чтобы сумматор 6 работал по циклическому закону так, чтобы максимальное значение кода на его выходе М„ не превышало значения

m Е, т. е. N< mf. Работа сумматора описывается соотношениями

Й ФМ при (Й йу) п

М Фй„-m Е при (М ЙУ )> m F

Niii-й„при (Niii-й„) rr0

Nq Й fm f. flpN (МЧ Nó ) (0

Иомент, развиваемый двигателем, пропорционален рассогласованию результирующего вектора магнитного поля статора и оси ротора (коду N ) и работа устройства в этом режиме эквивалентна разгону двигателя постоянного тока.

Иеняя величину кода М на втором вхо1 де сумматора 6, можно обеспечить любое значение электромагнитного момента двигателя. Подача на второй вход сумматора 6 отрицательного дополнительного) кода вызывает изменение знака момента, развиваемого двигателем. формируя на втором входе сумматора 6 с помощью блока управления 7 необходимые значения кода МУ, можно обеспечить работу шагового йривода в любом режиме, получая в зависимос-. ти от назначения системы слежения, позиционирование и программирование движения.

936340

Такое выполнение устройства позволяет не разрабатывать специальные датчики положения, а использовать серийные синус-косинусные вращающиеся трансформаторы, обладающие малыми габаритами и низкой стоимостью. Структура предлагаемого устройства позволяет изменить коэффициент дробления шага (дискретность привода) при неизменном датчике путем изменения коэффициента деления делителя и коэффициента пересчета преобразователя фаза-код, т.е. воздействием на электронную часть схемы.

Предложенное устройство может быть использовано при любом числе пар полюсов датчика положения и двигателя и коэффициента электрического дробления шага, путем выполнения преобразователя фаза-код 5 и сумматора 6 с соответствующими коэффициентами пересчета.

Такое исполнение устройства обеспечивает широкие функциональные возможности привода и расширяет диапазон регулирования шага (дискретности) привода.

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства обусловлен снижением стоимости привода за счет исключения дорогостоящих импульсных датчиков положения, увеличением его помехоустойчивости, поскольку информация с датчика положения повторяется в течение каждого периода питающих его напряжений и случайные импульсные помехи не нарушают работы привода. Кроме того, широкие функциональные возможности позволяют разработать ряд модификаций привода, отличающихся дискретностью, на основе одних и тех же двигателя и датчика положения. формула изобретения

Устройство для управления шаговым электродвигателем с электрическим дроблением шага и датчиком положе" ния на валу, содержащее усилитель мощности, преобразователи код-аналог, постоянные запоминающие устройства, сумматор и блок управления, 1Î о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и расширения диапазона регулирования шага, введены генератор тактовых импульсов, функциональный синус15 косинусный преобразователь, преобразователь фаза-код и делитель, соединенный входом с выходом генератора тактовых импульсов, кодовыми выходами - с входами функционального си20 нус-косинусного преобразователя, подключенного выходами синусного и косинусного напряжения к входам датчика, связанного выходом с первым входом преобразователя фаза-код, второй вход которого соединен с выходом опорного сигнала делителя, третий — с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с первым входом сумматора, подключенного вторым входом к выходу блока управления, а выходами - к входам постоянных запоминающих устройств.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

35 1. Луценко В.Е., Рубцов В.П.

Электропривод с шаговыми двигателями.-"Итоги науки и техники", сер.

"Электропривод и автоматизация промышленных установок". T. 6, M., 1978, с. 74-80.

2. Чиликин M.Ã. и др. Замкнутый дискретный электропривод с цифровым управлением в сб; "Труды МЗИн, вып. 325. 1977, с. 4- 11.