Устройство для управления многофазным шаговым двигателем

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<ч983965

Союз Советским

Социалистических

Республик (6() Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13. 03. 81 (21) 3258312/24-07

51)М Кл з

Н 02 P 8/00 с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДф 621. 313. 13-133.3(088,8) Опубликовано 231?82, Бюллетень М47

Дата опубликования описания 23. 12. 82

В.П.Рубцов, Е.A.Ïåòðûêèí, В.П.Козырев и А.A.Ñóõîâ (72) Авторы изобретения (73) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНОГОФАЗНЫИ

ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕИ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управлению шаговыми двигателями, и может быть использовано, например, в приводах подач станков с программным управлением, координатографах и т.д.

Известно устройство для управления многофазными шаговыми двигателями, содержащее распределитель импульсов и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает основной ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания высокого уров:ня и подключенный своим входом к входу основного ключа через временной элемент, задающий длительность импульса форсирования Г 1).

Недостатком этого устройства является большая погрешность в отработке шага при несимметричной коммутации, когда при изменении числа одновременно включенных фаэ двигателя изменяется его максимальный статический момент. Кроме того, изменение фазных токов при колебаниях напряжения источника питания вызы вает дополнительные потери в фазах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для управления многофазным шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает ос:новной ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания высокого уровня, стабилизатор тока с силовым и управляющим входами и выходом и элементы ИЛИ (2).

Недостатком известного устройства также является погрешность в отработке шага при несимметричной коммутации фаз и увеличенные потери в двигателе при максимальном числе рключенных фаэ и в,режиме стоянки.

Цель изобретения - повышение КПД н точности отработки шага при несимметричной коммутации фаз двигагеля.

Поставленная цель достигается тем, кто в устройстве для управления мно983965 устройство содержит распределитель импульсов 1, подключенный выходами к входам многоканального усилителя мощности 2. Каждый канал усилителя 2 включает основной 3 и .вспомогательный 4 ключи, подключаюf

65 гофазным шаговым двигателем, содержащем распределитель импульсов, многоканальный усилитель, стабилизатор тока и элементы ИЛИ, введены элементы И по числу фаз двигателя с числом входов, .равным половине числа фаз, два дополнительных ключа, инвертор R дополнительные стабилизаторы тока, число которых на единицу меньше половины числа фаз, причем все стабилизаторы тока подключены своими силовыми входами кисточнику питания низкого уровня, выходами— к разделительным диодам каналов усилителя мощности, взятых через два, а управля ощими входами — к выходам обоих дополнительных ключей, связанных управляющими входами с выходом элемента ИЛИ вЂ” один непосредственно, а другой через инвертор, а входы элементы ИЛИ соединены с выходами всех элементов И, каждый из которых подключен к входам основных ключей усилителя мощности смежных каналов со смещением. подключения входов по-. следующего элемента И относительно предыдущего на один канал.

Кроме того, в устройство введены третий, четвертый, пятый и шестой дополнительные ключи, второй инвертор и формирователь длительности импульсов, подключенный входами к входам распределителя, а выходом - к управляющим входам третьего и четвертого ключей непосредственно, а пятого и шестого — через второй инвертор„ вьжоды третьего и четвертого ключей подключены к сигнальному . входу первого дополнительного ключа, а пятого и шестого ключей — к сигнальному входу второго дополнительного ключа. 40

Такое выполнение устройства позволяет уменьшить различие в макси-.. мальных моментах шагового двигателя при различном числе одновременно возбужденных фаз за счет регулирования токов в фазах. Одновременно уменьшение фазных токов при максимальном числе одновременно возбужденных фаз приводит к повышению КПД. Этому способствует и снижение тока в фазах двигателя в режиме стоянки.

На фиг.l приведена функциональная схема устройства применительно к . шестифазному шаговому двигателю с двенадцатитактной несимметричной 55 коммутацией; на фиг.2 — векторные диаграммы моментов шестифазного двигателя при различном. числе одновременно включенных фаз. щие фазу двигателя 5 к источнику постоянного тока низкого уровня U через разделительный диод 6, а к источнику высокого уровня Ц вЂ” непо1 средственно. Длительность включения вспомогательного ключа 4 задается временным элементом 7. Фаза 5 шагового двигателя связана с источником высокого уровня через диод 8.

Между источником питания низкого уровня U< и разделительными диодами 6 включены стабилизаторы тока 9 (они могут быть выполнены как параметрическими, так и импульсными) .Уставки тока на входах всех стабилизаторов изменяются посредством ключей 10-15, на входы которых подаются сигналы с шин уставок тока Г ст.мин; 3 ст. макс; Г вр.мин; 3 вр. макс. УправлЕние ключами 10 и 11 осуществляется от дешифратора режима коммутации, выявляющего число одновременно возбужденных фаз. Дешифратор построен на элементе ИЛИ 16 и элементах

И 17. Ключ 10 соединен с выходом элемента ИЛИ 16 непосредственно, а ключ 11 — через инвертор 18.

Управление ключами 12-15 осуществляется от измерителя скорости (частоты управления) шагового двигателя, выполненного, например, в виде

Ф элемента ИЛИ 19, и формирования длительности импульсов 20. Ключи 12 и 14 связаны с выходом формирователя 20 непосредственно, а ключи 13 и 15 — через инвертор 21.

При выполнении распределителя импульсов 1 по схеме с одним тактовым (сигнальным) входом и двумя входами направления движения элемент ИЛИ 19 исключается из измерителя скорости.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии на входах В или Н распределителя 1 импульсов управления f на его выходах устанавливаУ ется определенная комбинация сигналов единичного и нулевого уровней, соответствующая некоторрму числу одновременно возбужденных фаз 5 шагового двигателя. Применительно к шестифазному шаговому двигателю, управляемому по двенадцатитактной системе коммутации, одновременно может быть возбуждено либо две, либо три фазы (фиг.2). При возбуждении двух фаз 5 результирующий момент составляет, например для фаз, создающих моменты М, и М

М. = 2М соз —, 2 . м n где n — число тактов коммутации фаз шагового двигателя (n=12 для двенадцатитактной ком-, мутации);

М вЂ” максимальный статический и момент одной фазы.

983965

Для шестифазного двигателя при двух возбужденных фазах момент равен

М = .2M -cos ° -" = 1,73М . м 6 м

При возбуждении трех Фаз результирующий момент, обусловленный, например моментами -М„; 14<, М> (Фиг.2), составит для шестифазного двигателя

2М

М1 2. Ь м

Несимметричная .коммутация шагового двигателя характеризуется, как правило, изменением числа одновременно возбужденных фаз на единицу при максимальном числе одновременно возбужденных фаз, близком к половине числа фаэ двигателя (с округлением в большую сторону при нечетном .числе фаз) . 1аким образом, при двенадцатитактной системе коммутации шестифазного шагового двигателя., характеризующейся поочередным возбуждени у то двух (М ), то трех (M ) фаз 5,результирующий момент измен

АЗ няется .приблизительно на 15%, так как

Меъ Н k 21 73

М„1,П

Изменение максимального момента от одного такта коммутации к друго- му приводит к погрешности в отработке шага, поскольку величина угла поворота ротора двигателя 0 является ункцией максимального значения ре зультирующего момента

М

Мн мр гДе МН -.момент нагРУзки1

М вЂ” максимальное значение реМР зультирующего момента, равное М,, при двух воз бужденных фазах и М

+й3 при трех фазах.

Уменьшение тока двигателя при трех одновременно возбужденных фазах позволяет исключить колебания результирующего момента, уменьшив погрешность в отработке шага и снизив одновременно потери. В описываемой схеме это 1 остигается введением трех стабилизаторов 9 тока (они могут быть любого типа), управляющие входы которых. подключены к выходам двух ключей 10 и 11. На сигнальные входы ключей 10 и. 11 подаются сигналы уставок тока, соответствующие трем (3 мин) и двум (7 макс) возбужденным Фазам. Эти сигналы могут поступать непосредственно с шин уставок тока (как показано пунктиром на фиг.l), если ток в фазах 5 двигателя сохраняется неизменным как в стоянке (f = О), так и в ре жиме вращения (f ф О). В большинстве случаев момент шагового двигателя в режиме стоянки может быть снижен (путем уменьшения тока) без ущерба для качества работы системы. Для изменения тока в фазах 5 в режимах

: 5 вращения и стоянки в схему введены ключи 12-15, связывающие сигнальные входы ключей 10 и 11 с шинами уставок тока 3 ст. мину Х ст. макс;

3 вр. мин; У вр. макс.

10 Значение уставки тока на входах стабилизаторов 9 и соответственно в фазах 5 определяется состоянием элементов, контролирующих режимы возбуждения двигателя. В режиме стоf5 янки (f> =О) на выходе формирователя длительности импульса 20 вырабатывается сигнал логического нуля.

При этом закрыты ключи 12 и 14 и . через инвертор 21 открыты (находят2() ся в проводящем состоянии) ключи

13 и 15. В этом случае на сигнальные входы ключей 10 и ll поступают сигналы уставок З ст. мин и 3 ст. макс., соответствующие режиму сто» янки (пониженное значение тока в фазах). При этом уставка .Г ст.мин соответствует трем возбужденным фазам 5, а уставка .Г ст. макс — двум фазам. Уставки тока на входах стаЗ-О билизаторов 9 будут определяться при этом числом одновременно возбужденных фаз 5.

При трех возбужденных фазах 5, что соответствует наличию единично35 го сигнала на любых трех выхоцах распределителя 1, один из логических элементов И 17 выявляет эту комбинацию и вырабатывает на своем выходе-также сигнал логической единицы, который проходит через эле4О мент HJIH 16 на вход ключа 10 и отпирает его (переводит.в проводящее состояние). Нулевым сигналом на выходе инвертора 1.8 при этом запирается ключ ll. В результате на управ45 ляющие входы всех стабилизаторов 9 поступает сигнал I ст. мин. Йсли сигнал логической единицы присутствует только на двух выходах распределителя 1 (любых), все элементы

50 И 17 (их число должно быть равно числу фаэ двигателя) вырабатывают сигнал логического нуля, который через элемент ИЛИ 16 и инвертор 18 отпирает ключ 11 и запирает ключ 10 °

55 .При этом на входы стабилизаторов 9 поступает сигнал уставки I ст.макс., соответствующий двум возбужденным фазам.

В режиме вращения (f> g О) при частоте, большей граничйой, на вы- ходе формирователя будет постояннс присутствовать сигнал логической единицы, отпирающий ключи 12 и 14 и .запирающий ключи 13 и 15 через

65 инвертор 21. При этом на входы клю983965 чей 10 и 11 поступят сигналы Z вр.мин вр.макс, соответствующие режиму вращения (повышенный или номинальный ток в фазах) . Эти уставки будут переключаться ключами 10 и ll no сигналам. элемента ИЛИ 16.

Функции измерителя скорости, образованного элементами 19 и 20, мо.— гут быть заменены внешней командой, поступающей на шину " Режим работы от внешнего устройства (показана пунктиром на фиг.l) .

В режиме вращения распределитель 1 коммутирует фазы 5 в определенной последовательности посредст-; вом ключей 3 и 4. При включении кхп ча 3 временной элемент 7 включает на некоторое время ключ 4. В резуль- тате к фазе 5 впервый момент времени прикладывается повышенное напряжение U„„ форсирующее процесс нарастания тока. Когда ток в фазе 5 достигает заданного значения, ключ 4 запирается и фаза 5 подключается к одному из стабилизаторов 9 через разделительный диод 6. Число стабилизаторов 9 должно быть равно максимальному числу одновременно возбужденных фаз (для шестифЬзного двигателя три), что соответствует, как правило, половине числа фаз. К каждому стабилизатору 9 при этом подключается через разделительные диоды б две фазы. Стабилизатор 9 ускоряет процесс установления тока в возбужденной фазе 5, поддерживает его постоянным во всех режимах работы при колебаниях напряжения питания и изменении параметров двигателя (Например, нагрев обмоток, технологический разброс параметров и т.д.) . Наличие стабилизаторов 9 делает предлагаемое устройство не критичным к изменению параметров .двигателя и позволяет исключить дополнительную настройку схемы при замене двигателя, а также предотвращает выход из строя источника низкого напряжения при закорачивании фазы двигателя.

Предлагаемая схема включения вспо.могательного ключа 4 не является единственной . Управление ключом 4 может осуществляться как от временного элемента 7 (как показано на фиг.l), так и в функции фазного то-, ка с помощью цепи обратной связи по току.

После отключения фазы 5 ключом 3 накопленная в ней электромагнитная энергия рекуперируется в источник ци тания U по цепи стабилизатор 9-диод б — фаза 5 — диод 8 — встречно включенный источник U .

Применение предлагаемого устройства позволяет повысить надежность привода, уменьшить погрешность при отработке шага и повысить КПД.

Формула изобретения

1. Устройство для управления многофазным шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает в себя основной ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания по15 стоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогатель-. ный ключ, связывающий фазу двигате.ля с источником питания высокого уровня, стабилизатор тока с силовыми и управляющими входами и выходом и элементы ИЛИ, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения

КПД и точности отработки шага при несимметричной коммутации фаз двигателя, введены элементы И по числу фаз двигателя с числом входов равным половине числа фаэ, два дополнительных ключа, инвертор и дополнительные стабилизаторы тока, ЗО число которых на единицу меньше половины числа фаз, причем все стабилизаторы тока подключены своими силовыми входами к источнику питания низкого уровня, выходами — к разделительным диодам каналов усилителя мощности, взятых через два, а управляющими входами — к выходам обоих дополнительных ключей, связанных управляющими входами с выходом элемента ИЛИ вЂ” один непосредственно, а другой через инвертор, а входы элемента ИЛИ соединены с выходами всех элементов И, каждый иэ которых подключен к входам основных ключей усилителя мощности смежных каналов со смещением подключени входов последующего элемента И относительно предыдущего на один канал.

2. Устройство по п.l, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что введены третий, четвертый, пятый и шестой дополнительные ключи, второй инвертор и формирователь длительности импульсов, подключенный входами к входам распределителя, а выходом— к управляющим входам третьего и четвертого ключей непосредственно, а пятого и шестого — через второй инвер60 тор, выходы третьего и четвертого ключей подключены к сигнальному входу первого дополнительного ключа, а пятого и шестого ключей — к сигнальному входу второго дополнительного

g$ ключа.

983965

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Луценко В.Е. и др. Злектропривод с шаговыми двигателями ВИНИЛИ. Электропривод и автоматизация про-

Ф мыапенных установок . Том.б, 1978, с. 59-60.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 551788, кл. Н 02 P 7/62, 1975.

983965

Фиг.2

Составитель 3. Горняк

Техред М. Гергель Корректор У. Пономаренко

Редактор Н.Егорова филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Эаказ 9951/71 Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113р35 Москва, Ж-35, Раушская наб.,-д. 4/5