RU116718U1

RU116718U1 - STEP MOTOR WITH ROTOR TURN CONTROL

Info

Publication number: RU116718U1
Application number: RU2012102406/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Новиков; Алексей Валентинович Беринцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ИнП"
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2012-05-27

Abstract

Шаговый двигатель с контролем поворота ротора, содержащий датчик шагов, состоящий из измерительных элементов, в качестве которых используются статорные обмотки шагового двигателя, и электронной схемы, содержащей диодную сборку с общим катодом, электронный коммутатор, преобразователь уровня напряжения и устройство обработки сигналов, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие - к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания, отличающийся тем, что устройство обработки сигналов содержит микроконтроллер, на вход компаратора которого через схему согласования, содержащую транзисторный оптрон, с выхода преобразователя уровня напряжения подается сигнал, запускающий встроенный таймер, и через заданное время задержки, необходимое для стробирования помехи, на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера подается тот же сигнал, что и на вход встроенного компаратора, где по результатам преобразования производится анализ информационного сигнала и принимается решение об очередном совершенном или несовершенном перемещении ротора шагового двигателя на один шаг. A stepper motor with rotor rotation control, containing a step sensor, consisting of measuring elements, which are the stator windings of a stepper motor, and an electronic circuit containing a diode assembly with a common cathode, an electronic switch, a voltage level converter and a signal processing device, with some ends the stator windings of the stepper motor are connected to the positive power bus, and the others to the anodes of the diode assembly and to the outputs of the electronic switch, the common point of which is connected to the negative power bus, characterized in that the signal processing device contains a microcontroller, to the comparator input of which through a matching circuit, containing a transistor optocoupler, a signal is sent from the output of the voltage level converter, which starts the built-in timer, and after a specified delay time required for gating the interference, the same signal is applied to the input of the analog-to-digital converter of the microcontroller as to the input of the built-in a comparator, where, based on the conversion results, the information signal is analyzed and a decision is made on the next perfect or imperfect movement of the stepper motor rotor by one step.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для преобразования линейных и угловых перемещений в электрический сигнал.The utility model relates to measuring technique and can be used to convert linear and angular displacements into an electrical signal.

Известен шаговый двигатель с датчиком шагов (Пат.РФ №2085020). В качестве измерительных элементов датчика шагов в данном шаговом двигателе используются статорные обмотки. Кроме того, двигатель содержит электронную схему, содержащую диодную сборку с общим катодом, дифференцирующую цепь и ждущий мультивибратор, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания. При этом, электронная схема датчика шагов выполнена в виде преобразователя уровня напряжения, транзисторного ключа, резистивно-емкостного делителя напряжения и компаратора. Общий катод диодной сборки подсоединен к входу преобразователя уровня напряжения, выполненному на первом, втором, третьем, четвертом, пятом и шестом резисторах и первом и втором транзисторах, причем первый вывод первого резистора соединен с общим катодом диодной сборки, а его второй вывод, соединен с первым выводом второго резистора и базой первого транзистора, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, а коллектор с первым выводом пятого резистора и базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом шестого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с отрицательной шиной питания, а вторые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов соединены с положительной шиной питания, коллектор второго транзистора является выходом преобразователя уровня напряжения и соединен с входом резистивно-емкостного делителя напряжения и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого соединен с базой транзисторного ключа, коллектор которого соединен с выходом резистивно-емкостного делителя напряжения и входом компаратора, а общие точки дифференцирующей цепи, резистивно-емкостного делителя напряжения и эмиттер транзисторного ключа соединены с отрицательной шиной питания, причем выход компаратора является выходом датчика шагов.Known stepper motor with a step sensor (Pat.RF No. 2085020). The stator windings are used as measuring elements of the step sensor in this stepper motor. In addition, the engine contains an electronic circuit containing a diode assembly with a common cathode, a differentiating circuit and a waiting multivibrator, with some ends of the stator windings of the stepper motor connected to the positive power bus, and others to the anodes of the diode assembly and to the outputs of the electronic switch, the common point of which is connected with a negative power bus. At the same time, the electronic circuit of the step sensor is made in the form of a voltage level converter, a transistor switch, a resistive-capacitive voltage divider and a comparator. The common cathode of the diode assembly is connected to the input of the voltage level converter made on the first, second, third, fourth, fifth and sixth resistors and the first and second transistors, the first output of the first resistor connected to the common cathode of the diode assembly, and its second output connected to the first terminal of the second resistor and the base of the first transistor, the emitter of which is connected to the first terminals of the third and fourth resistors, and the collector with the first terminal of the fifth resistor and the base of the second transistor, the emitter of which is connected n with the first terminal of the sixth resistor, the second terminals of the second and third resistors are connected to the negative power bus, and the second terminals of the fourth, fifth and sixth resistors are connected to the positive power bus, the collector of the second transistor is the output of the voltage level converter and connected to the input of the resistive-capacitive divider voltage and a differentiating circuit, the output of which is connected to the input of the standby multivibrator, the output of which is connected to the base of the transistor switch, the collector of which is connected to the output ezistivno-capacitive voltage divider and the input of the comparator and the common point of the differentiating circuit, a resistive-capacitive voltage divider and an emitter of the transistor switch connected to a negative supply rail, wherein the comparator output is the output of the sensor moves.

Основными недостатками устройства являются сложность, требующая большого числа элементов, низкая точность распознавания полезного сигнала на уровне шума и трудность применения в других устройствах управления шаговыми двигателями.The main disadvantages of the device are complexity, requiring a large number of elements, low accuracy of recognizing a useful signal at a noise level and the difficulty of using other stepper motor control devices.

Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства, упрощение схемы обработки сигнала, и повышение точности распознавания полезного сигнала на уровне шума при единичном повороте ротора шагового двигателя.The objective of the proposed utility model is to simplify the design of the device, simplify the signal processing circuit, and increase the accuracy of recognition of the useful signal at a noise level with a single rotation of the rotor of a stepper motor.

Предлагаемый шаговый двигатель с контролем поворота ротора в качестве измерительных элементов использует собственные статорные обмотки, а электронная схема содержит последовательно соединенные диодную сборку с общим катодом, преобразователь уровня и миниатюрное электронно-вычислительное устройство - микроконтроллер.The proposed stepper motor with rotor rotation control uses its own stator windings as measuring elements, and the electronic circuit contains a series-connected diode assembly with a common cathode, a level converter and a miniature electronic computing device - a microcontroller.

Сущность полезной модели заключается в следующем. В четырехфазном электромагнитном шаговом двигателе с потенциальным управлением и циклом коммутации при его работе две обмотки из четырех поочередно находятся под током, осуществляя дискретное перемещение результирующего магнитного поля, а следовательно, и магнитного ротора. При дискретном перемещении ротора (т.е. совершении шага) его магнитное поле пересекает обесточенные обмотки статора, наводя в них ЭДС, которую можно снять в виде импульсов и использовать как подтверждение совершения шага двигателем, что и используется в предполагаемой полезной модели.The essence of the utility model is as follows. In a four-phase electromagnetic stepper motor with potential control and a switching cycle during its operation, two of the four windings are alternately energized, performing a discrete movement of the resulting magnetic field, and hence the magnetic rotor. During discrete displacement of the rotor (i.e., taking a step), its magnetic field crosses the deenergized stator windings, inducing an emf in them, which can be removed in the form of pulses and used as confirmation of the step being taken by the motor, which is used in the proposed utility model.

В предлагаемом шаговом двигателе с контролем поворота ротора с датчиком шагов, в качестве измерительных элементов используются статорные обмотки шагового двигателя, и электронная схема, содержащая диодную сборку с общим катодом, электронный коммутатор, преобразователь уровня напряжения и устройство обработки сигналов, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания. При этом устройство обработки сигналов содержит микроконтроллер, на вход компаратора которого через схему согласования, содержащую транзисторный оптрон и дополнительные ограничитель уровня с выхода преобразователя уровня напряжения подается сигнал, запускающий встроенный таймер и через заданное время задержки, необходимое для стробирования помехи, на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера подается тот же сигнал, что и на вход встроенного компаратора, где по результатам преобразования производится анализ информационного сигнала и принимается решение об очередном совершенном или не совершенном перемещении якоря шагового двигателя на один шаг.In the proposed stepper motor with rotation control of the rotor with a step sensor, the stator windings of the stepper motor and an electronic circuit comprising a diode assembly with a common cathode, an electronic switch, a voltage level converter and a signal processing device, one ends of the stator windings of the stepper being used as measuring elements the motor are connected to the positive power bus, and others to the anodes of the diode assembly and to the outputs of the electronic switch, the common point of which is connected to the negative w Noah power. In this case, the signal processing device contains a microcontroller, to the input of the comparator of which, through a matching circuit containing a transistor optocoupler and an additional level limiter, a signal is triggered from the output of the voltage level converter, which starts the built-in timer and after a specified delay time necessary to gate the noise, to the analog-digital input the microcontroller’s converter receives the same signal as the input of the built-in comparator, where the information is analyzed based on the results of the conversion onnogo signal and a decision about the next perfect or perfect moving armature of the stepper motor by one step.

На фиг. 1 изображена структурная схема контроля поворота шагового двигателя. На фиг.2 - алгоритм программы микроконтроллера.In FIG. 1 shows a block diagram of the rotation control of a stepper motor. Figure 2 - algorithm of the microcontroller program.

Шаговый двигатель, имеющий схему контроля поворота ротора, изображенную на фиг. 1, работает следующим образом.A stepper motor having a rotor rotation control circuit shown in FIG. 1, works as follows.

При подаче фазных питающих токов в статорные обмотки шагового двигателя ротор начинает дискретное круговое движение относительно оси и своим магнитным полем пересекает витки статорных обмоток, наводя в них ЭДС, используемую в предлагаемом устройстве в качестве информационного сигнала о совершении шага ротором. Этот информационный сигнал можно снимать только с обесточенных статорных обмоток, а именно, с той обмотки, которая была обесточена последней, т.к. именно мимо нее в эту фазу проходит ротор. В момент обесточивания обмотки в ней наводится ЭДС самоиндукции, которая является помехой при выявлении информационного сигнала.When applying phase supply currents to the stator windings of the stepper motor, the rotor starts discrete circular motion about the axis and crosses the turns of the stator windings with its magnetic field, inducing the EMF in them, which is used in the proposed device as an information signal about the step taking by the rotor. This information signal can be removed only from deenergized stator windings, namely, from the winding that was de-energized last, because it is just past her in this phase that the rotor passes. At the moment of de-energizing the winding, the self-induction EMF is induced in it, which is a hindrance to the detection of an information signal.

И помеха, и информационный сигнал наводятся относительно положительной шины питания, а относительно отрицательной шины питания имеют смещение уровня напряжения, равное напряжению питания шагового двигателя. Съем информационного сигнала и помехи со статорных обмоток 1 производится через диодную сборку 2, осуществляющую пропуск их на преобразователь уровня напряжения, не допуская шунтирования этих сигналов открытыми ключами электронного коммутатора. В преобразователе уровня напряжения в исходном состоянии первый и второй транзисторы 6 и 10 закрыты, т.к. делители напряжения из первого и второго резисторов 3 и 4 и четвертого и третьего резисторов 7 и 8 имеют одинаковый коэффициент деления, равный примерно, 0,5-0,75, а сопротивления обмоток статора 1 малы по сравнению с сопротивлениями делителей. При появлении помехи и информационного сигнала, первый и второй транзисторы 6, 10 открываются и переходят в линейный режим, а на резистивном делителе появляются сигналы, повторяющие входные сигналы, но уже относительно отрицательной шины питания. Так как сигнал помехи имеет всегда фиксированную длительность, то он легко убирается с помощью стробирования.Both the noise and the information signal are induced relative to the positive power bus, and with respect to the negative power bus they have a voltage level offset equal to the supply voltage of the stepper motor. The information signal and interference from the stator windings 1 are removed through the diode assembly 2, which passes them to the voltage level converter, preventing these signals from being shunted by the public keys of the electronic switch. In the voltage level converter in the initial state, the first and second transistors 6 and 10 are closed, because voltage dividers from the first and second resistors 3 and 4 and the fourth and third resistors 7 and 8 have the same division coefficient equal to about 0.5-0.75, and the resistance of the stator windings 1 is small compared with the resistance of the dividers. When noise and an information signal appear, the first and second transistors 6, 10 open and go into linear mode, and signals that repeat the input signals appear on the resistive divider, but they are already relative to the negative power bus. Since the interference signal always has a fixed duration, it is easily removed using gating.

С выхода преобразователя уровня напряжения через схему согласования, содержащую транзисторный оптрон 12 нагрузочный резистор 13, сигналы поступают на вход компаратора 14 микроконтроллера, на второй вход которого подается пороговое напряжение Uref с потенциометра или внутреннее опорное напряжение микроконтроллера.. При снижении входного сигнала ниже этого порога вырабатывается сигнал, запускающий встроенный таймер 15 и через заданное время задержки, необходимое для стробирования помехи запускается аналого-цифрового преобразователь, АЦП 16, на вход которого подается тот же сигнал, что и на вход встроенного компаратора.From the output of the voltage level converter through a matching circuit containing a transistor optocoupler 12 load resistor 13, the signals are fed to the input of the comparator 14 of the microcontroller, the second input of which is supplied with a threshold voltage Uref from the potentiometer or the internal reference voltage of the microcontroller .. When the input signal decreases below this threshold, it is generated the signal that starts the built-in timer 15 and after a predetermined delay time necessary for gating the interference, the analog-to-digital converter, ADC 16 is started whose input is supplied with the same signal as the input of the built-in comparator.

Оцифрованные значения напряжения поступают в программу сравнения 17, которая считывает значения уровня или(и) формы сигнала из ПЗУ 18, затем производится анализ информационного сигнала и принимается решение об очередном совершенном или не совершенном перемещении ротора шагового двигателя на один шаг. В ПЗУ, в зависимости от требуемой точности анализа входного согнала, записан код уровня или форма идеального сигнала. В первом случае программа сравнения работает как обычный компаратор. Во-втором случае формы входного и идеального сигнала сравниваются и если они совпадают (с заданной точностью) перемещение ротора на один шаг считается совершенным.The digitized voltage values are supplied to the comparison program 17, which reads the values of the signal level or (and) waveform from the ROM 18, then the information signal is analyzed and a decision is made on the next perfect or not perfect move of the rotor of the stepper motor by one step. In the ROM, depending on the required accuracy of the analysis of the input signal, the level code or the shape of the ideal signal is recorded. In the first case, the comparison program works like a normal comparator. In the second case, the forms of the input and ideal signals are compared and if they coincide (with a given accuracy), the movement of the rotor by one step is considered perfect.

Алгоритм работы программы микроконтроллера выглядит следующим образом (фиг.2). Импульсы отрицательной полярности поступают на инвертирующий вход компаратора AIN1 и вход ADC1 аналого-цифрового преобразователя. При снижении напряжения на входе компаратора ниже заданного порога Uref возникает прерывание, которое запускает таймер TCNT0. По окончании счета таймера происходит запуск АЦП и измеренные значения накапливаются в памяти микроконтроллера. После накопления достаточного количества измерений, для устранения помех, происходит цифровая фильтрация и входной сигнал сравнивается с уровнем и формой сигнала записанным в ПЗУ микроконтроллера. По результатам сравнения принимается решение об очередном совершенном или не совершенном перемещении ротора шагового двигателя на один шаг (сигнал ошибки).The algorithm of the microcontroller program is as follows (figure 2). Pulses of negative polarity are fed to the inverting input of the comparator AIN1 and the input ADC1 of the analog-to-digital converter. When the voltage at the input of the comparator decreases below a predetermined threshold Uref, an interrupt occurs, which starts the timer TCNT0. At the end of the timer count, the ADC starts up and the measured values are accumulated in the memory of the microcontroller. After accumulating a sufficient number of measurements, to eliminate interference, digital filtering occurs and the input signal is compared with the level and shape of the signal recorded in the ROM of the microcontroller. Based on the comparison results, a decision is made on the next perfect or not perfect movement of the rotor of the stepper motor by one step (error signal).

Таким образом, предлагаемый шаговый двигатель, соединений с датчиком шагов, отличается более простым схемным решением, более высокой скоростью обработки информационного сигнала, высокой помехоустойчивостью и возможностью включения в другие устройства по управлению шаговыми двигателями.Thus, the proposed stepper motor, connections with a step sensor, has a simpler circuit design, a higher processing speed of the information signal, high noise immunity and the ability to be included in other devices for controlling stepper motors.

Claims

A stepper motor with rotor rotation control, comprising a step sensor, consisting of measuring elements, which are used as stator windings of a stepper motor, and an electronic circuit containing a diode assembly with a common cathode, an electronic switch, a voltage level converter and a signal processing device, with one end the stator windings of the stepper motor are connected to the positive power bus, and the others to the anodes of the diode assembly and to the outputs of the electronic switch, the common point of which is connected to by a negative power bus, characterized in that the signal processing device contains a microcontroller, to the input of the comparator of which, through the matching circuit containing a transistor optocoupler, a signal is triggered from the output of the voltage level converter, which starts the built-in timer, and after a specified delay time necessary to gate the interference, the input of the analog-to-digital converter of the microcontroller is supplied with the same signal as the input of the built-in comparator, where the information is analyzed based on the results of the conversion signal and the decision is made about the next perfect or imperfect movement of the rotor of the stepper motor by one step.