RU2329588C1

RU2329588C1 - Device for stepping motor control

Info

Publication number: RU2329588C1
Application number: RU2007111209/09A
Authority: RU
Inventors: Виктор Петрович Рубцов (RU); Виктор Петрович Рубцов; Михаил Викторович Рубцов (RU); Михаил Викторович Рубцов; нов Роман Васильевич Лукь (RU); Роман Васильевич Лукьянов
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-07-20

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: device for control of stepping motor contains speed setting device, two converters voltage-frequency, pulse distributor, power amplifier, stepping motor speed detector, sign detector, addition and subtraction elements, differentiating element 10. Inlet of damping element is connected to outlet of subtraction element, and the outlet - to one of the inlets of addition element, which is connected with its other inlet to speed setting device outlet. Speed setting device outlet is connected to summing inlet of subtraction element. Subtracting inlet of subtraction element is connected to speed setting device outlet. Outlet of addition element is connected to inlet of sign detector, which is connected with its outlets to inlets of converters voltage-frequency, every of which is connected with its outlet to corresponding inlet of pulse distributor.

EFFECT: increase of stepping motor motion quality and elimination of malfunctions in operation of object control system.

1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления дискретным приводом с шаговым двигателем.The proposed technical solution relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for controlling a discrete drive with a stepper motor.

Известно устройство для управления шаговым двигателем, содержащее управляемый генератор импульсов, блок управления шаговым двигателем и шаговый двигатель, приводящий в движение рабочий орган (Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под общ. ред. М.Г.Чиликина. М., «Энергия», 1971, с.558-559). Данное устройство обеспечивает работу шагового двигателя в режиме программного управления по жестко заданной в импульсном коде программе перемещения рабочего органа. Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает работу шагового двигателя в режиме исполнительного элемента системы управления объектом, когда сигнал управления задается в аналоговой форме и в течение времени принимает произвольное значение.A device for controlling a stepper motor comprising a controlled pulse generator, a stepper motor control unit and a stepper motor driving a working body (Discrete electric drive with stepper motors. Under the general editorship of MG Chilikin. M., "Energy", 1971, p. 558-559). This device provides the operation of the stepper motor in program control mode according to the program of moving the working body rigidly specified in the pulse code. The disadvantage of this device is that it does not provide the stepper motor in the mode of the actuating element of the object control system when the control signal is set in analog form and takes an arbitrary value over time.

Известно также устройство для управления шаговым двигателем, содержащее последовательно соединенные задатчик скорости, два преобразователя напряжение-частота и блок управления шаговым двигателем, включающий в себя распределитель импульсов и усилитель мощности, подключенный выходами к шаговому двигателю (Соколов М.М., Рубцов В.П. Дискретный электропривод механизмов электротермических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.80-82). Данное устройство может использоваться в качестве исполнительного привода в системах автоматического управления, однако требует задания входного сигнала в виде импульсных кодов, что ограничивает возможности и области применения. Недостатком этого устройства является также низкое качество движения ротора шагового двигателя, обусловленное дискретным характером изменения его момента и низкими демпфирующими свойствами системы. При совпадении частоты управления с частотой собственных колебаний привода низкие демпфирующие свойства привода могут приводить к возникновению резонансных явлений, вызывающих потерю управления и выпадение двигателя из синхронизма.A device for controlling a stepper motor is also known, comprising a series-connected speed controller, two voltage-frequency converters and a stepper motor control unit, including a pulse distributor and a power amplifier connected to the outputs of the stepper motor (Sokolov M.M., Rubtsov V.P. Discrete electric drive mechanisms of electrothermal installations. - M .: Energoatomizdat, 1986, S.80-82). This device can be used as an actuator in automatic control systems, however, it requires the input signal in the form of pulse codes, which limits the possibilities and applications. The disadvantage of this device is also the low quality of movement of the rotor of the stepper motor, due to the discrete nature of the change in its moment and low damping properties of the system. If the control frequency coincides with the frequency of the natural vibrations of the drive, the low damping properties of the drive can lead to resonance phenomena that cause loss of control and loss of motor synchronism.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении качества движения шагового двигателя и устранению сбоев в работе системы управления объектом.The technical problem solved by the proposed device is to improve the quality of movement of the stepper motor and eliminate malfunctions in the operation of the facility control system.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство, содержащее последовательно соединенные задатчик скорости, два преобразователя напряжение-частота, распределитель импульсов и усилитель мощности, подключенный выходами к фазам шагового двигателя, согласно полезной модели дополнительно снабжено датчиком скорости, расположенным на валу шагового двигателя, детектором знака, элементами сложения и вычитания и дифференцирующим элементом, вход которого соединен с выходом элемента вычитания, а выход - с одним из входов элемента сложения, подключенного другим своим входом к выходу задатчика скорости, соединенного также с суммирующим входом элемента вычитания, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика скорости, причем выход элемента сложения связан с входом детектора знака, подключенного выходами к входам преобразователей напряжение-частота.The problem is solved in that the known device containing a series-connected speed controller, two voltage-frequency converters, a pulse distributor and a power amplifier connected by outputs to the phases of a stepper motor, according to a utility model, is additionally equipped with a speed sensor located on the shaft of the stepper motor, a sign detector , addition and subtraction elements, and a differentiating element, the input of which is connected to the output of the subtraction element, and the output - with one of the inputs of the layer element eniya connected at its other input to the output speed reference, also connected to the subtraction input of summing element, subtracting input connected to the output speed sensor, the output of the addition element is connected to the input of the sign detector outputs connected to the inputs of the voltage-to-frequency converters.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для управления шаговым двигателем.The drawing shows a functional diagram of a device for controlling a stepper motor.

Устройство для управления шаговым двигателем 1 состоит из усилителя мощности 2, распределителя импульсов 3, двух преобразователей напряжение-частота 4 и 5, предназначенных для выработки импульсных сигналов управления прямого и обратного направления движения шагового двигателя, детектора знака 6, элемента сложения 7 (сумматора), задатчика скорости 8, элемента вычитания 9 (компаратора), дифференцирующего элемента 10 и датчика скорости 11 шагового двигателя (ШД).A device for controlling a stepper motor 1 consists of a power amplifier 2, a pulse distributor 3, two voltage-frequency converters 4 and 5, designed to generate pulse control signals for the forward and reverse direction of movement of the stepper motor, sign detector 6, addition element 7 (adder), speed adjuster 8, subtraction element 9 (comparator), differentiating element 10 and speed sensor 11 of the stepper motor (SH).

Задатчик скорости (ЗС) 8, формирующий аналоговый сигнал, пропорциональный заданной скорости ω₃ движения ШД 1, соединен с одним из входов элемента сложения (сумматора Σ) 7, второй вход которого подключен к выходу дифференцирующего элемента 10. Вход дифференцирующего элемента 10 соединен с выходом элемента вычитания (компаратором К) 9, соединенного входом сложения с выходом задатчика скорости 8, а входом вычитания - с выходом датчика скорости 11. Выход сумматора 7 соединен с входом детектора знака (ДЗ) 6, переключающего каналы управления шаговым двигателем при изменении знака сигнала управления Δω. Выходы детектора знака 6 через преобразователи напряжение-частота 4, 5, преобразующие аналоговый сигнал в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величине сигнала Δω, соединены с входами направления движения В и Н распределителя импульсов 3, преобразующего одноканальную последовательность импульсов управления в многофазную (по числу фаз ШД) систему управляющих напряжений. В зависимости от знака сигнала управления импульсы поступают на вход В (условное направление движения Вперед) или на вход Н (условное направление движения Назад). Выходы РИ 3 подключены к входам усилителя мощности 2, соединенного своими выходами с фазами шагового двигателя 1.Speed controller (ZS) 8, which generates an analog signal proportional to the set speed ω _{3 of the} motor drive 1, is connected to one of the inputs of the addition element (adder Σ) 7, the second input of which is connected to the output of the differentiating element 10. The input of the differentiating element 10 is connected to the output a subtraction element (comparator K) 9 connected by an addition input to the output of the speed setter 8, and a subtraction input to the output of the speed sensor 11. The output of the adder 7 is connected to the input of the sign detector (DZ) 6, which switches the control channels of the step motion STUDIO Δω when changing the sign of the control signal. The outputs of the sign 6 detector through voltage-frequency converters 4, 5, which convert the analog signal to a pulse train whose frequency is proportional to the signal Δω, are connected to the inputs of the direction of motion B and H of the pulse distributor 3, which converts a single-channel sequence of control pulses into multiphase (by the number of phases ШД) control voltage system. Depending on the sign of the control signal, the pulses are fed to input B (conditional direction of movement Forward) or input H (conditional direction of movement Back). The outputs of RI 3 are connected to the inputs of the power amplifier 2, connected by its outputs to the phases of the stepper motor 1.

Устройство работает следующим образом. Аналоговый сигнал ω₃ с выхода задатчика скорости 8 поступает через сумматор 7, детектор знака 6 и преобразователь ПНЧ 4 или 5 на один из входов распределителя импульсов 3, что вызывает движение ШД 1 в том или ином направлении со скоростью ω. Сигнал с выхода датчика скорости 11, пропорциональный скорости ω ШД, вычитается из сигнала, пропорционального заданному значению ω₃ скорости и после дифференцирования сигнал dΔω/dt поступает на второй вход сумматора 7. В результате движение ротора ШД будет определяться суммой сигналов Δω=ω₃+dΔω/dt, что эквивалентно введению в ШД момента, пропорционального разности заданной и текущей скоростей.The device operates as follows. The analog signal ω ₃ from the output of the speed adjuster 8 is fed through an adder 7, a sign detector 6 and an IF converter 4 or 5 to one of the inputs of the pulse distributor 3, which causes the movement of the motor drive 1 in one direction or another with speed ω. The signal from the output of the speed sensor 11, proportional to the speed ω ШД, is subtracted from the signal proportional to the set value ω _{3 of the} speed and, after differentiation, the signal dΔω / dt is fed to the second input of the adder 7. As a result, the movement of the rotor of the ШД will be determined by the sum of the signals Δω = ω ₃ + dΔω / dt, which is equivalent to introducing into the SD the moment proportional to the difference between the given and current speeds.

Такой момент создает демпфирующая короткозамкнутая обмотка в классическом синхронном двигателе. Введение демпфирующего момента в ШД приводит к повышению устойчивости движения, исключает сбои в области резонансных частот и повышает быстродействие привода.Such a moment is created by a damping short-circuited winding in a classic synchronous motor. The introduction of a damping moment in a stepper motor increases the stability of motion, eliminates malfunctions in the region of resonant frequencies, and increases the speed of the drive.

Как показали исследования, введение в дискретный привод с ШД предлагаемой корректирующей связи по производной скорости ротора эквивалентно наличию в двигателе короткозамкнутой демпфирующей обмотки. Выполнить конструктивно короткозамкнутую демпфирующую обмотку в ШД не представляется возможным из-за зубчатой конструкции статора и ротора. Улучшение демпфирующих свойств дискретного привода с ШД обеспечивается традиционно введением момента «сухого трения», снижающего нагрузочные свойства двигателя, или, в единичных случаях, «заливкой» двигателя минеральным маслом, что также приводит к снижению момента двигателя. Предлагаемая корректирующая обратная связь по разности скоростей не приводит к снижению нагрузочных характеристик ШД. Более того, введение такой связи приводит к увеличению быстродействия и нагрузочной способности привода, а также обеспечивает возможность регулирования величины демпфирования путем изменения коэффициента обратной связи.Studies have shown that the introduction of the proposed corrective coupling with respect to the derivative of the rotor speed into a discrete drive with a motor drive is equivalent to the presence of a short-circuited damping winding in the motor. It is not possible to carry out a structurally short-circuited damping winding in the SM due to the gear structure of the stator and rotor. Improving the damping properties of a discrete drive with motor drive is traditionally provided by introducing the moment of "dry friction", which reduces the load properties of the engine, or, in rare cases, "filling" the engine with mineral oil, which also leads to a decrease in the engine torque. The proposed corrective feedback on the speed difference does not lead to a decrease in the load characteristics of the stepper motor. Moreover, the introduction of such a connection leads to an increase in the speed and load capacity of the drive, and also provides the ability to control the damping by changing the feedback coefficient.

Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу повышения демпфирующих свойств дискретного привода с ШД и улучшения качества движения схемотехническими методами без конструктивного изменения двигателя.Thus, the proposed device solves the problem of increasing the damping properties of a discrete drive with a motor drive and improving the quality of movement by circuit methods without constructive change of the engine.

Claims

A device for controlling a stepper motor, comprising a speed controller, two voltage-frequency converters, a pulse distributor and a power amplifier connected by outputs to the phases of the stepper motor, characterized in that it is additionally equipped with a stepper motor speed sensor, a sign detector, addition and subtraction elements, and a differentiating element whose input is connected to the output of the subtraction element, and the output to one of the inputs of the addition element connected by its other input to the output of the speed setter, also connected to the summing input of the subtraction element, the subtractive input of which is connected to the output of the speed sensor, the output of the addition element being connected to the input of the sign detector connected to the inputs of the voltage-frequency converters, each of which is connected by the output to the corresponding input of the pulse distributor.