SU1042151A1 - Устройство дл управлени шаговым двигателем - Google Patents

Abstract

1, УСТЮЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕ- г НИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С дроблениет : шага, содержащее подключенные к фазам двига1тел  усилители мощности с цеп ми обратной св зи, регул тор на- : пр жени , св зыван ций фазы двигйте- . л  с источником питани  посто нного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключейныё входами к выходам распределител  импульсов , отличающеес  тем, что, с целью повышени  плавности движени  и расширени  диапа- ; зона частот двигател , устройство . 1 ; I - ---«А. снабжено преобразователем частотааналог , пороговым элементом и распределительныгли ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной св зи каждого из которых установлен ключ, подключенный управл ющим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом регул тора напр жени  и выходом преобразовател  частота-аналог, подключенного входом к тактовому входу распределител  импульсов, причем выходы распределительных ключей соединены с входами соответствующих усилителей мощности, управл ющие входы этих ключей соединены с выходами преобразовател  кода, а сигнальные входы распределительных ключей, вз тых- через один, подключены к выходам соот (Л ветствующих преобразователей код:аналог . . 2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с  . тем, что в него введен силовой ключ, св зывающий источник питани  посто нного токаI с выходом регул тора напр жени  и подключенный управл ющим входом к выходу порогового элемента . 4 ND СД

Description

Изобретение относитс  к электро технике, а именно к управлению шаговыми электродвигател ми , и может быть использовано в дискретных сис темах автоматического управлени  м таллорежущих станков с программным управлением, координатографов, манипул торов и других механизмов. Известны устройства дл  управлени  шаговым двигателем с дроблением шага.. Одно из таких устройств содержи ключи, управл емые от элементов ИЛИ-НЕ, распределитель: импульсов и токоограничивающие резисторы, соеди ненные последовательно с фазами шагового двигател  Cl JНедостатком этого устройства  вл етс  большое число силовых ключей и токоограничивающих резисторов усложн ющих устройство и увеличивающих его габариты. Известно также устройство дл  уп равлени  шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее два делител  частоты, распределитель импульсов и усилитель мощности ГЗ . В этом устройстве модул ци  фазных токов дл  уменьшени  цены щага осуществл етс  подачей на входы распределител  импульсов двух частот , что вызывает дополнительную коммутацию силовых ключей усилител  мощности и изменение амплитуды Фазных токов с разностной частотой. Недостатком такого устройства  вл етс  низкий КПД, обусловленный коммутацией силовых ключей усилител  1«эщности с ВЫСОКОЙ частотой, бол шие пульсации тока и неравномерност делени  шага из-за линейного иэмене ни  фазных токол. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство дл  управлени  шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее подкл ченные к фазам двигател  усилители Мощности с цеп ми обратной св зи, регул тор напр жени , св зывающий фазы двигател  с источником питани  посто нного тойа, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключенные входами к выходам распределител  импульсов С 3J. Недостатком указанного устройства  вл етс  ограниченный диапазон рабочих частот и колебани  ско .рости в области низких частот управлени , -что обусловлено высокой скоростью нарастани  тока в фазах двигател . Ограничение даапазона рабочих частот обусловлено модул цией фазных токов как в области низ ких, так и высоких частот. Если модул ци  токов в области низких частот уменьшает цену шага и приводит к повыаению плавности движени , то в области высоких частот, где движение непрерывное и колебани  скорости малы, она уменьшает нагрузочную способность двигател , уменьша  темсамым максимальную рабочую частоту двигател . Целью изобретени   вл етс  повышение плавности движени  и расширение диапазона рабочих частот двигател  .. Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  управлени  шаговым двигателем с дроблением шага , содержащее усилители мощности с цеп ми обратной св зи, регул тор напр жени , св зывающий фазы двигател  с источникам питани  посто нного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключенные , входами к выходам распределител  импульсов, снабжено преобразователем частота-аналог, пороговым элементом, распределительными ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной св зи каждого из которых установлен ключ, подключенный упрайл к цим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом регул тора напр жени , и выходом преобразовател  частота-аналог , подключенного входом к тактовому входу распределител  импульсов/ причем выходы распределительных ключей соединены с входами усилителей. мощности, управл к цие входы распределительных ключей соединены с выходами преобразовател  кода, а сигнальные входы распределительных ключей, вз тых через Один, подключены .к выходам соответствующих преобразователей код-аналог. Кроме того, в устройство введен силовой ключ, св эывак аий источник питани  посто нного тока: с выходом регул тора напр жени  и подключенный управл ющим входом к выходу поро гового элемента. Такое выполнение устройства позвол ет замедлить процессы изменени  ,. тока в фазах двигател  в области низких частот благодар  подаче напр жени  низкого уровн , регулируемого в функции частоты. Это приводит к уменьшению колебаний скорости в области низких частот, т.,е. повышает равномерность и плавность движени . Кроме того, в области высоких частот устройство переводит шаговый двигатель в режим нормальной коммутации без дроблени  шага (но без . потери числа отработанных шагов ), обеспечива  при этом подачу на фазы двигател  повышенного напр жени , что приводит к увеличению максимёшьной рабочей частоты. На фи/-. 1 приведена схема устройства применительно к четырехфазНому шаговому двигателю с цепью обратной св зи по току; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов на отдель ных элементах. Устройство (фиг. 1) содержит рас пределитель импульсов 1, преобр,азователи код-аналог 2, преобразовател 3 h m тактного кода в m тактный (где т- число фаз; п - коэ.ффициен дроблени  шага ), распределительные ключи 4, ключи обратной св зи 5, преобразователь частота-аналог 6, пороговый элемент 7, регул тор напр жени  8, разделительный диод Э, силовой ключ 10, усилители мощности (коммутирующие ключи ) 11, соедин ющие фазы 12 шагового двигател  с источниками питани .низкого U2 и высокого и уровней, и разр дную цепь, образованную конденсатором 13 резистором 14 и диодами 15. Цепь обратной св зи каждого усилител  мо ности 11 образована резистором 16, включенным последовательно (или паргшлельно ) с фазой 12 двигател  (эт не  вл етс  существенным дл  рассма триваемого устройства). Распределитель импульсов 1 соедивен- тактовым входом Т с источнико управл ющих импульсов. , а входами направлени  движени  В и Н - с командным устройством (на чертеже не показаны). Выходы всех каналов распределител  импульсов 1 подключены к выходам преобразователей код-аналог 2 и преобразовател  3 rnn - тактового кода в т-.тактный. Выход каждого преобразовател  код-аналог, 2 соединен с сигнальными входами распределительных ключей 4, вз тых через один, которые св заны своими выходами с входами усилителей 11, коммутирующих фазы 12 двигател  , со сдвигом на половину периода коммутации , т.е. совместно не возбужда мые фазы. Управл ющие входы распределительных ключей 4 подключены к выходам преобразовател  кода 3. Юво чи обратной св зи 5 подключены упра л ющими входами к выходу порогового элемента 7, а их сигнальна  цепь включена в цепь обратной св зи каждого усилител  мощности 11. Вход порогового элемента 7 соединен с входом рех л тора напр жени  -8 и выходом преобразовател  частрта-ана лог 6, подключенного входом к такто вому входу распределител  импульсов 1. Выход порогового элемента 7соединен также с управл ющим входом силового ключа 10, св зывающего ч общую точку фаз 12 с источником . питани  высокого уровн  U . Регул тор напр жени  8 соедин ет источник питани  низкого уровн  (Jj черге диод 9 также с общей точкой фаз 12. Выходные зажимы фаз 12 через диоды 15 подключены к общей разр дной цепи , состо щей из конденсатора 13 И резистора 14 (в общем случае, разр д нал цепь может быть выполнена любой, что не  вл етс  существенным дл  данного изобретени ). Устройство работает следующим ббразом.В .зависимости от сигналов, поданных , на входы направлени  движени  В и Н распределител  импульсов 1 обеспечиваетс  пр мое или обратное чередование сигналов на его выходах. При подаче на вход В единичного сигнала , а на вход Н - нулевого импульт са, поступающие на тактовый вход Т распределител  импульсов 1, обеспечивают пр мое чередование выходных сигналов. Подача на.вход Н единичного сигнала, а вход В - нулевого измен ет пор док чередовани  выходных сигналов распределител . На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов применительно к четырехфазному шаговому двигателю с дроблением шага в 3 раза (число.фаз двигател  m 4; коэффициент дроблени  шага п З). При подаче на тактовый вход Т иМпульсов с частотой ( U- на фиг. 2 ) .на выходах распределител  импульсов 1, имеющего число тактов коммутации, равное mn (дл  рассматриваемого случа  число тактов коммутации равно 12) вырабатываетс  двенадцатиканальна  и двеиадцатитактна  последовательность пр моугольных итутульсов Up - (фиг. 2), скважность которых зависит от схемы построени  распредели- . тел  и в общем случае может быть произвольной. Преобразователь кода 3 преобразует nir -тактную последовательность импульсов на выходе распределител  импульсов 1 в m-такт-. ную ( на фиг. 2), котора  используетс  дл  управлени  распре-, делительными ключами 4. Преобразователи код-аналог 2 вырабатывают аналоговые сигналы, измен ющиес  по ступенчато-синусоидгшьному закону и сдвинутые относитель-. : но друг друга на 1/т цик.ла pacnpe-i делител  .(дл  рассматриваемого случа  напр жени  на выходах преобразователей код-аналог 2 сдвинуты на i 1/4 периода). Сигналы на выходах , преобразователей код-а.налог обозначены на фиг. 2 как Оо,2 . Распределительные ключи 4 по, сигналам преобразовател  кода 3 поочередно . подключают выходы преобразователей код-аналог 2 к. различным усилител м мощности 11. При этом каждый преобразователь код-аналог 2 соединен с выходами двух ключей 4, которые соединены с усилител ми мощности 11, коммутирующими две одновременно не возбуждаемые фазы 12 шагового двигател . Дл  рассматриваемого случа  управлени  четырехфазным шаговым двигателем сигнал Uj), поочередно подключаетс  к усилител м мощности первой и третьей фаз, а сигнал (.-Bsor

рой и четвертой фаз. В результате .взаимодействи  сигналов q преобраЭователе м ;Код-аналог 2 и преобразовател  кодов 3 на входы усилителей мощности 11 и, соответственно на фазы шагового двигател , подаютс  напр жени  (при -наличии в усилителе мощностицепи отрицательной обратной св зи по напр жению ) или по ним протекают токи (при наличии в усилителе мощности .цепи отрицательной обратной св зи ро току, как показано на фиг. 1), форма которых соответствует сигналам Uj-U на фиг, 2. Транзисторы усилителей мощности при этом работают в активном режиме, измен   в соответствии с заданными входными напр жени ми либо напр жени  на фазах двигател  ( когда используетс  цепь обратной св зи по напр жению ), либо ток (ког да используетс  цепь обратной св зи по току /.

С точки зрени  достигаемого эффета конкретное выполнение цепи отрицательной обратной св зи в усилител мощности 11 (по току или напр жению не  вл етс  существенным. Важно, чтбы така  обратна  св зь была.

Модул ци  фазных токов (напр жений ) в соответствии с диаграммами обеспечивает уменьшение цены шага двигател  (в рассматриваемом случае в h 3) и, следователь но, повышает плавность движени . Работа транзисторов усилителей мощности в активном режиме исключает пульсации тока в фазах двигател  и спо;Собствует более плавному Движению при отработке каждого шага. Этой же цели служит и регул тор напр жени , который подает на фазы двигател  по1й1женное напр жение, необхо димое дл  выполнени  услови 

U ,

где U(j, - напр жение на выходе реч

гул тора 8;

J;n - максимальное знач.ение тока в фазе 12 двигател ; R - сопротивление фазы 12; ли - падение напр жени  в уси лителе мощности и резисторе обратной св зи. Дробление шага особенно эффектив но в области низких частот, когда Двигатель успевает отрабатывать каждый шаг и фиксироватьс  после отработки, а также в области средних частот (в частности, в области резонанса), обеспечива  снижение колебаний скорорти. При этом плав-, ность движени  повышаетс  с уменьшением напр жени  питани .

Однако работать в широком диапазоне частот при иф srconst двигатель не может, поскольку с увеличнием частоты f растет ЭДС вращени 

уменьшающа  тбк в фазах двигател  и снижающа  развиваемый двигателем момент. Дл  сохранени  нагрузочной способности двигател  в диапазоне средних частот в предлагаемом устройстве используетс  преобразователь частота-аналог 6, вырабатывающий вы .ходное напр жение, пропорциональное частоте f . Это напр жение подаетс  на вход регул тора напр жени  8 и увеличивает выходное напр жение регул тора 8с ростом частоты f .Эти обеспечиваетс  посто нство момента шагового двигател  в области низких и средних частот.

В области высоких частот .движение шагового двигател  носит непрерывный характер, колебани  сравнительно малы и эффективность- дроблени  шага низка. Более того, изменение вход ных сигналов усилителей мощности по ступенчато-синусоидальному закону из-за существенного вли ни  индуктивности фаз на процессы изменени  тока в области высоких частот приводит к снижению фазного напр жени  и следовательно, к уменьшению момента двигател  и максимальной рабочей скорости. Работе шагового двигател  в области высоких частот преп тствует и активный режим транзисторов усилител  мощности 11, поскольку из-за низкой мощности, управл ембй транзисторами в этом режиме, невозможно повысить питающее напр жение J Дл  увеличени  максимал1ьной скорости двигател  в предлагаемом устройстве используетс , переключение транзисторов усилителей мощности 11 из активного режима работы ,в ключевой, обеспечивающими комму татцию значительно больших мощностей. Переключение режимов работы усилителей мощности 11 обеспечиваетс  пороговым элементом 7, порог срабатывани  которого настраиваетс  на режим непрерывного движени  шагового двигател , и ключами обратной св зи 5 разрывакицими цепь обратной св зи в каждом усилителе мощности. Ключ 5 шунтирует резистор 16 обратной св зи по току, в результате чего транзистор переходит в режим насыщени  при минимальной ступени задающего напр жени  U, -U , При этом к фазам 12 двигател  прикладываетс  на всем интервале проводимости неизменное напр жение. Диаграммы фазных напр жений в этом случае аналогичны диаграммам напр жений ( на. выходах преобразовател  кода 3.

Дальнейшее повышение максимальной скорости шагового двигател  можно получить путем подачи на фазы двигател  -в области высоких частот напр жени  ,. В предлагаемом устройстве это обеспечиваетс  введением силового ключа 10, который открываетс  сигналом с выхода порогового элемента 7. Диод 9 преп тствует закорачиванию источника питани  и на и2 . В этом режиме регул -. тор напр жени  8 не используетс . Дл  уменьшени  перенапр жений при отключении фаз 12, возникающих при- работе усилителей мощности 11 в клю чевом режиме, используетс  разр дна  цепь из конденсатора 13 и гас щего резистора 14, св занна  диодами 15 с фазами 12 двигател . При этом энерги  отключаемых фаз 12 гаситс  в.(резисторе 14.В рамках данного изоб ретени  схема выполнени  разр дной цепи не  вл етс  существенной. Мо се:т быть использован любой известный способ уменьшени  перенапр жений на усилител х мощности, а также любой способ рекуперации энергии отключаемых фаз 12. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает работу усилителей мощности в режиме параметрической стабилизации в области низких частот с подачей на фазы двигател  пониженного напр жени , что повышагет плавность движени  и переводит усилители мощности в ключевой режим с подачей на фазы двигател  повышенного напр жени , что приводит к увеличению максимальной рабочей скорости .

ЖА

г ТП

4/г./

11 I i 11 И 111 И 111 111 111 И 111111 И

B.

Claims (2)

1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕ^ , НИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ с дроблением шага, содержащее подключенные к фазам двигателя усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор напряжения, связывающий фазы двигателя с источником питания постоянного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода* подключейные входами к выходам распределителя импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения плавности движения и расширения диапазона частот двигателя, устройство снабжено преобразователем частотааналог, пороговым элементом и распределительными ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из которых установлен ключ, подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента, соединенного входом с входом регулятора напряжения и выходом преобразователя частота-аналог, подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов, причем выходы распределительных ключей соединены с входами соответствующих усилителей мощности, управляющие входы этих ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигнальные входы распределительных ключей, взятых· через один, подключены к выходам соответствующих преобразователей код:аналог,

2. Устройство по п. 1, о т л и- ч а ю щ е е с я тем, что в него введен силовой ключ, связывающий источник питания постоянного тока • с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом к выходу порогового элемента'.

,^SU ..,,1042151 >