PL225492B1 - Sposób sterowania silnikiem prądu stałego - Google Patents

Abstract

Sposób polega na zasilaniu silnika (2) za pośrednictwem mostka typu H napięciem o przebiegu prostokątnym o szerokości impulsu modulowanej w pętli sprzężenia zwrotnego, stosownie do sygnału z potencjometrycznego czujnika położenia (3) elementu wykonawczego silnika (2) przy użyciu regulatora proporcjonalno - całkującego. Regulatorem jest wzmacniacz pomiarowy (1), w którym wzmocnienie reguluje się przy użyciu elementu kompensacyjnego (Zc) łączącego wyjście tego wzmacniacza (1) z jego wejściem sprzężenia zwrotnego. Napięcie odniesienia podaje się na wejście nieodwracające wzmacniacza pomiarowego (1), zaś na wejście odwracające tego wzmacniacza (1) podaje się sygnał napięciowy ze styku (4) czujnika położenia (3) silnika (2). Na wejście napięcia referencyjnego wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się stałe napięcie przesunięcia (Uo). Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się na wejście odwracające pierwszego wzmacniacza różnicy sygnałów (5) i na wejście nieodwracające drugiego wzmacniacza różnicy sygnałów (6), zaś na pozostałe wejścia obu tych wzmacniaczy (5 i 6) podaje się napięcie przesunięcia (Uo). Sygnały wyjściowe z obu tych wzmacniaczy (5 i 6) podaje się na wejścia multipleksera (7). Sygnał wyjściowy multipleksera (7) skaluje się w układzie skalującym (9), skąd podaje się go na wejście modulatora szerokości impulsów (10), zawierającego zintegrowany generator sygnału prostokątnego. Sygnał z modulatora szerokości impulsów (10) podaje się na pierwsze wejście scalonego sterownika silnika (11) odpowiedzialne za cykliczne przełączanie tranzystorów mocy w mostku typu H, z którego zasila się silnik (2), przy czym sygnał wyjściowy ze wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się także na wejście sygnałowe komparatora (8), na wejście napięcia progowego komparatora (8) podaje się stałe napięcie przesunięcia (Uo), zaś sygnał wyjściowy z komparatora podaje się na wejście sterujące multiplesera (7) oraz na drugie wejście scalonego sterownika silnika (11), odpowiadające za kierunek przepływu prądu w mostku typu H.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania elementem wykonawczym silnika prądu stałego, zwłaszcza silnika liniowego, mający zastosowanie w serwomechanizmach.

Znane są i stosowane sposoby sterowania silnikiem prądu stałego realizowane przy pomocy pętli sprzężenia zwrotnego, w których sygnał z czujnika położenia elementu wykonawczego silnika wykorzystywany jest do modyfikowania napięcia zasilającego sterowany silnik za pośrednictwem mostka typu H, upraszczającego sterowanie kierunkiem ruchu tego silnika. Najczęściej silnik zasilany jest prostokątnym sygnałem napięciowym o modulowanej szerokości impulsu (PWM).

Przykład rozwiązania realizującego taki sposób sterowania ujawniono w opisie patentowym numer US 5 705 907. W rozwiązaniu tym stosuje się czujnik położenia elementu wykonawczego w postaci potencjometru, którego styk ruchomy sprzężony jest z wałem sterowanego silnika. Sygnał z tego potencjometru, zależny od położenia wału silnika kieruje się do mikrokontrolera, który steruje blokiem zasilania silnika. Sygnał sterujący, który wysyła się do bloku zasilania jest wynikiem realizacji programu uruchomionego na mikrokontrolerze. Do zasilania silnika stosuje się blok zasilania, który zawiera cztery tranzystory mocy w układzie mostka typu H.

Celem wynalazku było opracowanie nowego sposobu sterowania położeniem elementu wyk onawczego dowolnego silnika prądu stałego.

Cel taki spełnia sposób według wynalazku polegający na zasilaniu sterowanego silnika za pośrednictwem mostka typu H napięciem o przebiegu prostokątnym o szerokości impulsu modulowanej w pętli sprzężenia zwrotnego stosownie do sygnału z potencjometrycznego czujnika położenia elementu wykonawczego silnika przy użyciu regulatora proporcjonalno-całkującego. Sposób charakteryzuje się tym. że stosuje się regulator proporcjonalno-całkujący w postaci wzmacniacza pomiarowego, w którym wzmocnienie reguluje się przy użyciu elementu kompensacyjnego łączącego wyjście wzmacniacza pomiarowego z jego wejściem sprzężenia zwrotnego. Napięcie odniesienia podaje się na wejście nieodwracające wzmacniacza pomiarowego, a na wejście odwracające wzmacniacza pomiarowego podaje się sygnał napięciowy ze styku ruchomego potencjometrycznego czujnika położenia elementu wykonawczego silnika. Na wejście napięcia referencyjnego wzmacniacza pomiarowego podaje się stałe napięcie przesunięcia. Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza pomiarowego podaje się na wejście odwracające pierwszego wzmacniacza różnicy sygnałów i na wejście nieodwracające drugiego wzmacniacza różnicy sygnałów. Na pozostałe wejścia obu wzmacniaczy różnicy sygnałów podaje się napięcie przesunięcia. Sygnały wyjściowe z obu wzmacniaczy różnicy sygnałów podaje się na wejścia multipleksera. Sygnał wyjściowy multipleksera skaluje się w układzie skalującym, skąd podaje się go na wejście modulatora szerokości impulsów, zawierającego zintegrowany generator sygnału prostokątnego. Sygnał z modulatora szerokości impulsów podaje się na pierwsze wejście scalonego sterownika silnika, odpowiedzialne za cykliczne przełączanie tranzystorów mocy w mostku typu H, z którego zasila się sterowany silnik. Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza pomiarowego podaje się także na wejście sygnałowe komparatora, a na wejście napięcia progowego komparatora podaje się stałe napięcie przesunięcia. Sygnał wyjściowy z komparatora podaje się na wejście sterujące multipleksera oraz na drugie wejście scalonego sterownika silnika odpowiadające za kierunek przepływu prądu w mostku typu H.

Wynalazek umożliwia precyzyjne sterowanie pozycyjne zarówno tradycyjnym obrotowym silnikiem prądu stałego jak i silnikiem liniowym typu VCM (Voice Coil Motor), przy wykorzystaniu tylko jednego napięcia zasilania i powszechnie dostępnych scalonych sterowników silników prądu stałego. Układ realizujący sposób według wynalazku ma budowę modułową, przy czym poszczególne moduły to łatwo dostępne na rynku układy scalone. Rozwiązanie takie daje oszczędność miejsca, a jednocześnie zapewnia elastyczność w doborze komponentów, zależnych na przykład od mocy sterowanego silnika.

Przykładowy układ realizujący sposób według wynalazku został uwidoczniony na rysunku, przy czym fig. 1 przedstawia schemat ideowy tego układu, zaś fig. 2 przedstawia schemat ideowy przykładowego regulatora proporcjonalno-całkującego wchodzącego w skład takiego układu.

Sposób według wynalazku realizuje regulację w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Za regulację położenia odpowiada regulator proporcjonalno-całkujący zrealizowany przy użyciu wzmacniacza pomiarowego 1 (ang.: instrumentation amplifier). Regulator zawiera element kompensujący Zc łączący wyjście wzmacniacza 1 z jego zaciskiem sprzężenia zwrotnego. Wejście napięcia referencyjnego wzmacniacza 1 połączone jest ze źródłem stałego napięcia przesunięcia U_o. Aby ustawić żądaną poPL 225 492 B1 zycję wirnika lub cewki silnika 2, należy podać na wejście układu napięciowy sygnał odniesienia U_ref odpowiadający żądanej pozycji elementu wykonawczego silnika 2. Sygnał napięciowy U_ref o maksymalnej dopuszczalnej wartości U_p porównywany jest z sygnałem zwrotnym pętli sprzężenia zwrotnego U_fb pochodzącym z potencjometru 3 zasilanego napięciem o wartości U_p, którego styk ruchomy 4 sprzężony jest z wirnikiem lub cewką silnika 2. Różnica wartości tych sygnałów, stanowiąca uchyb, podawana jest na wejście regulatora. Regulator dodaje do wzmocnionego sygnału uchybu (sygnału sterowania U_s) stałe dodatnie napięcie przesunięcia U_o, przez co dla zerowego uchybu, na wyjściu regulatora występuje napięcie U_o. Sygnał sterowania U_s przesunięty o napięcie U_o podawany jest na wejście odwracające pierwszego wzmacniacza różnicy sygnałów 5 i na wejście nieodwracające drugiego 6 wzmacniacza różnicy sygnałów (ang.: difference amplifier), pracujących w przeciwfazie i ze wzmocnieniem k = 1. Na pozostałe wejścia obu wzmacniaczy różnicy sygnałów 5 i 6 podawane jest stałe napięcie przesunięcia U_o. Taki układ powoduje, że od sygnału podawanego na wejścia wzmacniaczy 5 i 6 odejmowane jest dodane wcześniej napięcie przesunięcia U_o. Jeżeli suma sygnałów U_s i U_o jest większa od U_o, na wyjściu wzmacniacza 6 pojawia się sygnał U_s, a na wyjściu wzmacniacza 5 pojawia się sygnał zerowy, gdyż ze względu na użycie (pojedynczego) źródła dodatniego napięcia zasilania nie jest możliwe wygenerowanie ujemnych sygnałów. Jeżeli natomiast wartość sumy sygnałów U_s i U_o jest mniejsza od U_o, na wyjściu wzmacniacza 6 pojawia się sygnał zerowy, a na wyjściu wzmacniacza 5 pojawia się odwrócony w fazie sygnał U_s, stanowiący jego wartość bezwzględną. Sygnały wyjściowe ze wzmacniaczy 5 i 6 trafiają na wejścia multipleksera 7. Przy takiej polaryzacji zasilania silnika 2, że dla zwiększającego się napięcia referencyjnego silnik wysterowywany jest w takim kierunku, że wartość sygnału z potencjometru 3 rośnie (sygnał U_ref jest zgodny w fazie z sygnałem U_fb) możliwe jest poprawne ustalenie pożądanego kierunku ruchu wirnika lub cewki na podstawie znaku różnicy wartości U_ref i U_fb, a zatem na podstawie stwierdzenia, czy wartość sumy sygnałów U_s i U_o jest większa od U_o. To zadanie realizuje komparator 8, na którego wejście sygnałowe podawany jest sygnał U_s + U_o z wyjścia wzmacniacza pomiarowego 1, a napięcie progowe ustawione jest poziomie U_o. Na wyjściu komparatora 8 powstaje sygnał binarny określający pożądany kierunek ruchu wirnika lub cewki silnika 2, tak aby ruch ten zmierzał w kierunku pozycji zadanej. Sygnał z komparatora 8 podawany jest na wejście sterujące multipleksera 7, sygnał wyjściowy z multipleksera 7, po przeskalowaniu go w układzie skalującym 9 podawany jest na wejście modulatora szerokości impulsu 10 (PWM) zawierającego zintegrowany generator sygnału prostokątnego. Wypełnienie sygnału generowanego przez modulator 10 jest wprost proporcjonalne do podanego na jego wejście napięcia modulującego. Układ skalujący 9 dopasowuje poziomy napięć pomiędzy wyjściem wzmacniaczy 5 i 6 a wejściem modulatora 10 odpowiednio tłumiąc sygnał lub go wzmacniając. Sygnał PWM wraz z sygnałem kierunku pochodzącym od komparatora 8 trafiają na wejścia scalonego sterownika silnika 11 zawierającego mostek typu H (ang.: H-Bridge), do którego podłączony jest sterowany silnik 2. Te dwa sygnały definiują wymagane parametry wejściowe sterownika 11 powodując odpowiednie wysterowanie wirnika lub cewki silnika 2 w celu doprowadzenia do pozycji zadanej.

Regulator proporcjonalno-całkujący może zostać zrealizowany według schematu z fig. 2. Na schemacie tym A1, A2 i A3 oznaczają wzmacniacze operacyjne, R₁, R₂, R₃ i R_g, to rezystory łączące poszczególne wzmacniacze operacyjne w klasyczny układ wzmacniacza pomiarowego, gdy zastąpić kondensatory C_c1 zwarciem, a kondensatory C_c2 rozwarciem. Na wejście napięcia referencyjnego wzmacniacza pomiarowego podane jest napięcie przesunięcia Uo. Modyfikacją w stosunku do klasycznego układu wzmacniacza pomiarowego jest dodanie kondensatorów C_c1 i C_c2, czyli zastosowanie elementu o impedancji zespolonej Zc w miejsce rezystora R₃ w układzie klasycznego wzmacniacza pomiarowego. Element Zc to równoległe połączenie kondensatora C_c2 z połączeniem szeregowym rezystora R₃ i kondensatora C_c1. Dzięki zastosowaniu elementu Zc możliwe jest kształtowanie transmitancji pętli sprzężenia zwrotnego. Modyfikując wartości elementów C_c1, C_c2 i R₃ można uzyskać wymagane właściwości dynamiczne układu regulacji. Funkcjonalność wzmacniacza pomiarowego z rysunku 2 można uzyskać korzystając ze zintegrowanych scalonych wzmacniaczy pomiarowych dostępnych na rynku. Układy te wymagają tylko jednego elementu Zc, który łączy wyjście scalonego wzmacniacza pomiarowego z jego wejściem sprzężenia zwrotnego. Stosowanie tylko jednego elementu Zc znacznie poprawia parametry pracy wzmacniacza pomiarowego, gdyż eliminuje to problem rozrzutu produkcyjnego wartości rezystorów i kondensatorów tworzących element Zc.

Claims (1)

1. Sposób sterowania silnikiem prądu stałego, polegający na zasilaniu go za pośrednictwem mostka typu H napięciem o przebiegu prostokątnym o szerokości impulsu modulowanej w pętli sprzężenia zwrotnego stosownie do sygnału z potencjometrycznego czujnika położenia elementu wykonawczego silnika przy użyciu regulatora proporcjonalno-całkującego, znamienny tym, że stosuje się regulator proporcjonalno-całkujący w postaci wzmacniacza pomiarowego (1), w którym wzmocnienie reguluje się przy użyciu elementu kompensacyjnego (Zc) łączącego wyjście wzmacniacza pomiarowego (1) z jego wejściem sprzężenia zwrotnego, napięcie odniesienia (U_ref) podaje się na wejście nieodwracające wzmacniacza pomiarowego (1), na wejście odwracające wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się sygnał napięciowy ze styku ruchomego (4) potencjometrycznego czujnika położenia (3) elementu wykonawczego silnika (2), na wejście napięcia referencyjnego wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się stałe napięcie przesunięcia (U_o), sygnał wyjściowy ze wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się na wejście odwracające pierwszego wzmacniacza różnicy sygnałów (5) i na wejście nieodwracające drugiego wzmacniacza różnicy sygnałów (6), na pozostałe wejścia obu wzmacniaczy różnicy sygnałów (5) i (6) podaje się napięcie przesunięcia (U_o), sygnały wyjściowe z obu wzmacniaczy różnicy sygnałów (5) i (6) podaje się na wejścia multipleksera (7), sygnał wyjściowy multipleksera (7) skaluje się w układzie skalującym (9), skąd następnie podaje się go na wejście m odulatora szerokości impulsów (10), zawierającego zintegrowany generator sygnału prostokątnego, sygnał z modulatora szerokości impulsów (10) podaje się na pierwsze wejście scalonego sterownika silnika (11) odpowiedzialne za cykliczne przełączanie tranzystorów mocy w mostku typu H, z którego zasila się sterowany silnik (2), przy czym sygnał wyjściowy ze wzmacniacza pomiarowego (1) podaje się także na wejście sygnałowe komparatora (8), na wejście napięcia progowego komparatora (8) podaje się stałe napięcie przesunięcia (U_o), zaś sygnał wyjściowy z komparatora podaje się na wejście sterujące multipleksera (7) oraz na drugie wejście scalonego sterownika silnika (11) odpowiadające za kierunek przepływu prądu w mostku typu H.