SU1102005A1

SU1102005A1 - Device for adjusting step motor

Info

Publication number: SU1102005A1
Application number: SU823383652A
Authority: SU
Inventors: Михаил Носонович Глазов; Антон Антонович Дедюшин; Эдуард Сергеевич Никулин
Original assignee: Организация П/Я А-3500
Priority date: 1982-01-13
Filing date: 1982-01-13
Publication date: 1984-07-07

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее ключевые усилители дл коммутации и регулировани токов в обмотках двигател , автоматические регул торы с блоками формировани сигналов обратных св зей по току в обмотках двигател с датчиками, источник сигнала уставки регул торов и форсирующие стабилитроны, подключенные через разв зывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, о т л ичающеес тем, что, с целью повьгаени надежности, в него введены пороговый элемент сравнени с двум терморезисторами на входах, установленными на радиаторах стабилитронов , и три масштабных резистора, причем первый тёрморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигнала уставки регул торов , а второй терморезистор через другие масштабные резисторы - к выходам блоков формировани сигналов обратных св зей. 2. Устройство по п.1, отличающеес тем, что блок формировани сигнала обратной св зи снабжен аналоговым запоминающим элементом , сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управл ющий вход - с выходом регул тора тока.1. A DEVICE FOR CONTROLLING A STEP-UP MOTOR, containing key amplifiers for switching and controlling currents in the motor windings, automatic controllers with current feedback signal generating units in the motor windings with sensors, a signal source for regulator set points and boosting zener diodes connected via development diodes to the windings operating in antiphase, which are due to the fact that, in order to reduce reliability, a threshold element was introduced into it compared to two thermal resistors at the inputs, anovlennymi radiator zener diode, and three resistors scale, the first scale tormorezistor through one resistor connected to the power regulators setpoint signal and the second thermistor through other resistors scale - to the outputs of the inverse generate signal blocks bonds. 2. The device according to claim 1, characterized in that the feedback signal generating unit is provided with an analog storage element, the signal input of which is connected to the current sensor, and the control input is connected to the output of the current controller.

Description

f Изобретение относитс к системам автоматического управлени с шаговы двигател ми и может быть использова но, например, при регулировании раз личных технологических процессов. Известны устройства управлени шаговыми двигател ми, сойержащие распределитель и многофазный усилитель мощности, каждый канал которог состоит из последовательно включенных датчика тока, основного ключевого элемента, обмотки управлени двигател , вспомогательного ключево , го элемента, который управл етс от триггера с раздельными входами по сигналам распределител и датчика тока С 3Недостатком данных устройств вл етс то, что они могут использоватьс лишь с шаговыми двигател ми , обмотки управлени которых не имеют общей точки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс устройство дл управлени шаговым двигателем, содержащее ключевые уси лители дл коммутации и регулировани токов в обмотках двигател , автоматические регул торы с блоками формировани сигналов обратных св зей по току в обмотках с датчиками, источник сигнала уставки регул торо и форсирующие стабилитроны, подключенные через разв зьшающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе Г23. Недостатком этого устройства вл етс сравнительно низка надежность в св зи с отсутствием контрол исправности. Целью изобретени вл етс повьш1 ние надежности устройства. Эта цель достигаетс тем, что в устройство,содержащее ключевые усили тели дл коммутации и регулировани токов в обмотках двигател ,автоматические регул торы с блоками формиро вани сигналов обратных св зей по току в обмотках двигател с датчика ми, источник сигнала уставки регул торов и форсирующие стабилитроны, подключенные через разв зывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе , введены пороговый элемент сравнени с двум терморезисторами на входах, установленными на радИаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый терморезистор через один масштабный ре05 зистор подключен к источнику сигнала уставки регул торов, а второй терморезистор через другие масштабные резисторы - к выходам блоков формировани сигналов обратных св зей по токам. При этом блок формировани сигнала обратной св зи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управл ющий вход - с выходом регул тора тока. На.фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 временные диаграммы его работы. Устройство содержит распределитель 1 импульсов, схемы 2-5 совпадений , основные ключевые усилители 6-9, разв зьшан)щие диоды 10-13, форсирующие стабилитроны 14 и 15, шунтирующие транзисторные ключи 16 и 17с инверторами 18 и 19 на входах, автоматические регул торы 20 и 21 с элементами 22 и 23 сравнени и усилители 24 и 25 с широтно импульсной модул цией, резистивные датчики 26 и 27 токов, а также блоки формировани сигналов обратных св зей по токам, вьтолненные на аналоговых запоминающих элементах 28 и 29, Запоминающие элементы вьтолнены на операционных усилител х 30 и 31 с конденсаторами 32 и 33 в обратных св з х и МОП-транзисторных ключах 34 и 35 на входах усилителей. Выходы запоминающих устройств подключены к входам схем 22 и 23 сравнени , другие входы которых соединены с источником 36 сигнала уставки токов. Сигнальные входы 37 и 38 запоминаю1цих элементов соединены с датчиками 26 и 27 токов, а управл ющие входы 39 и 40 подключенык выходам усилителей 24 и 25 с широтно-импульсной модул цией , вл ющимс одновременно выходами регул торов, которые через инверторы 18 и 19 соединены также с цеп ми управлени шунтирующих ключей 16 и 17, Устройство содержит также пороговый элемент 41 сравнени с двум терморезисторами 42 и 43 на входах, установленными на радиаторах стабилитронов 14 и 15, и масштабною резисторы 44-46, соедин ющие источник 36 сигнала уставки регул торов и выходы запоминающих элементов 28 и 29 с терморезисторами 42 и 43. (I-IV - обмотки управлени шаг-овогоf The invention relates to automatic control systems with stepper motors and can be used, for example, in the regulation of various technological processes. Stepper motor control devices are known, having a distributor and a multiphase power amplifier, each channel which consists of a series-connected current sensor, a main key element, a motor control winding, an auxiliary key element, which is controlled from a trigger with separate inputs on the distributor signals and Current sensor With 3 The disadvantage of these devices is that they can only be used with stepper motors, the control windings of which do not have a common point. The closest in technical essence to the present invention is a device for controlling a stepper motor, containing key amplifiers for switching and regulating currents in the motor windings, automatic regulators with current feedback signal generation units with sensors, the source of the regulator setpoint signal and forcing zener diodes connected via development diodes to the windings operating in antiphase G23. A disadvantage of this device is relatively low reliability due to the lack of control of health. The aim of the invention is to increase the reliability of the device. This goal is achieved by the fact that in a device containing key amplifiers for switching and regulating currents in the motor windings, automatic controllers with current feedback signal generating units in the motor windings with sensors, a signal source for regulator settings and boosting zener diodes connected through dissociating diodes to the windings operating in antiphase, a threshold element is added to the comparison with two thermistors at the inputs installed on the zener diodes and three large-scale resistors, the first thermistor through one large-scale resistor resistor is connected to the source of the regulator setpoint signal, and the second thermistor through other large-scale resistors to the outputs of the current feedback signal generating units. In this case, the feedback signal generating unit is provided with an analog storage element, the signal input of which is connected to the current sensor, and the control input is connected to the output of the current regulator. On. 1 is a diagram of the proposed device; FIG. 2 time diagrams of his work. The device contains a distributor of 1 pulses, 2–5 coincidence circuits, main key amplifiers 6–9, developing diodes 10–13, forcing zener diodes 14 and 15, shunting transistor switches 16 and 17 with inverters 18 and 19 at the inputs, automatic controllers 20 and 21 with elements 22 and 23 of comparison and amplifiers 24 and 25 with pulse-width modulation, resistive sensors 26 and 27 of currents, as well as blocks for generating current feedback signals, fulfilled on analog storage elements 28 and 29, storing elements on operating theaters x 30 and 31 with capacitors 32 and 33 in the inverse x bonds and the MOS transistor switches 34 and 35 at the amplifier input. The outputs of the storage devices are connected to the inputs of the comparison circuits 22 and 23, the other inputs of which are connected to the source 36 of the current setting signal. The signal inputs 37 and 38 of the memory elements are connected to the current sensors 26 and 27, and the control inputs 39 and 40 are connected to the outputs of the amplifiers 24 and 25 with pulse-width modulation, which are simultaneously the outputs of the regulators, which are also connected via inverters 18 and 19 with the control circuits of the shunt switches 16 and 17, the device also contains a threshold element 41 comparison with two thermistors 42 and 43 at the inputs installed on the radiators of the zener diodes 14 and 15, and the scale resistors 44-46 connecting the regulator setting source 36 in and outputs of storage elements 28 and 29 with thermistors 42 and 43. (I-IV - control windings

вигател ,причем обмотки I, III и II, IV работают в противофазе).wigatel, with windings I, III and II, IV working in antiphase).

В качестве порогового элемента 41 сравнени используетс схема на операционном усилителе 47, в обратную св зь которого включен ограничитель тока на диодном мосте 48 и токоограничивающих резисторах 49, 1-0 и конденсатор 51. На выходе операционного усилител включено реле 52 сигнализации отказа.As a comparison threshold element 41, a circuit is used at the operational amplifier 47, in feedback of which a current limiter on the diode bridge 48 and current limiting resistors 49, 1-0 and a capacitor 51 are turned on. Failure alarm relay 52 is turned on at the output of the operational amplifier.

Шунтирукщнй ключ, форсирующий стабилитрон, регул тор тока и схема формировани обратной св зи по то: ку вл ютс общими дл двух обмоток двигател , работающих в противофазе. Принципиально регулирование токов может осуществл тьс в каждой обмотке двигател с помощью отдельного регул тора..The shunt-key, the forcing Zener diode, the current regulator and the feedback circuit for this are common to two anti-phase windings of the motor. In principle, the regulation of currents can be carried out in each motor winding using a separate regulator.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

В установившемс режиме, когда на двух выходах распределител 1 действуют единичные логические сигналы , а на двух других - нулевые, две из четырех обмоток двигател подключаютс к источнику питани Е. Пусть, например, в обмотках I и II протекают токи, а обмотки III, IV обесточены. Тогда регул торы 20 и 21 поддерживают токи i , i- (фиг.2) в обмотках I, II в соответствии с уставкой V на выходе источника 26 путем автоматической подстройки скважности импульсов: формируемых на выходах усилителей 24 и 25. Действительно, при наличии импульсов на выходах усилителей 24 и 25 происходит замыкание ключей 6 и 8, и обмотки I, II подключаютс к источнику питани , в результате чего токи 1, i нарастают (ключевые элементы 16 и 17 благодар наличию инверторов 18 и 19 наход тс при зтом в- разомкнутых состо ни х ) . Напр жение питани Е выбираетс так, чтобы обеспечивалось форсированное нарастание токов при включении обмоток. В промежутках между импульсами (в паузах) ключи 6 и 8 закрываютс и ЭДС самоиндукции обмоток I и II замыкаютс через шунтирующие ключи 16 и 17. Поэтому вIn steady state, when single outputs of the distributor 1 are operated by single logic signals, and on the other two, zero, two of the four motor windings are connected to the power source E. Suppose, for example, currents flow in windings I and II, and windings III, IV de-energized. Then the regulators 20 and 21 support the currents i, i- (Fig.2) in windings I, II in accordance with the setpoint V at the output of source 26 by automatically adjusting the duty cycle of pulses: generated at the outputs of amplifiers 24 and 25. Indeed, in the presence of pulses The outputs of the amplifiers 24 and 25 close the keys 6 and 8, and the windings I, II are connected to the power source, as a result of which the currents 1, i increase (the key elements 16 and 17 due to the presence of inverters 18 and 19 states x). The supply voltage E is chosen so as to provide a forced increase in the currents when the windings are turned on. In the intervals between pulses (in pauses), the keys 6 and 8 are closed and the EMF of self-induction windings I and II are closed through the shunting keys 16 and 17. Therefore, in

1- медленно спадают1- slowly fall down

паузах токи i.pauses currents i.

по экспонентам с посто нными времени Т, опродел емьми индуктивностью L и сопротивлением R обмотки управлени . При замыкании основных ключей 6 и 8 замыкаютс также МОП-транзисторные ключи 34 и 35 аналоговых запоминающих элементов 28 и 29, которые переход т в режим слежени , отрабатыва напр жени датчиков и , Цд . В результате на выходах аналоговьгх запоминающих элементов формируютс напр жени U, U-,, пропорциональные токам в обмотках, подключенных к источнику питани Е. Скорость слежени аналоговых запоминающих элементов существенно выше скорости нарастани токов в обмотках управлени двигател .by exponents with time constants T, measured by inductance L and resistance R of control winding. When the main switches 6 and 8 are closed, the MOS transistor switches 34 and 35 of the analog storage elements 28 and 29 are also closed, which go into tracking mode, working on the voltage of the sensors and, DC. As a result, voltages U, U-, proportional to currents in the windings connected to power supply E. are formed at the outputs of analog storage elements. The tracking speed of analog storage elements is significantly higher than the rate of increase of currents in the motor control windings.

При закрывании ключей 6 и 8 МОП-транзисторные ключи 34 и 35 также размыкаютс , благодар чему запоминающие элементы 28 и 29 переход т в режим хранени информации и на их выходах поддерживаютс практически неизменные напр жени , определ емые токами обмоток в моменты окончани импульсов усилителей 24 и 25.When closing the keys 6 and 8, the MOS transistor switches 34 and 35 also open, so that the storage elements 28 and 29 are transferred to the information storage mode and almost constant voltages are maintained at their outputs, determined by the winding currents at the instant of the ends of the pulses of the amplifiers 24 and 25

При достаточно больших коэффициентах усилени усилителей 24 и 25 в установившемс режиме длительности импульсов и пауз автоматически устанавливаютс регул тором так, что средние значени напр жений U, и и, на выходах запоминающих элементов 28 и 29 практически равны напр жению уставки , т.е. 1). 112 U Следовательно, токи i.|, i в обмотках I, II также равны заданномуAt sufficiently large gain factors of amplifiers 24 and 25, in a steady-state duration of pulses and pauses, they are automatically set by the controller so that the average values of the voltages U and, at the outputs of the storage elements 28 and 29, are almost equal to the set voltage, i.e. one). 112 U Therefore, the currents i. |, I in the windings I, II are also equal to the given

,..., и . . и, ..., and. . and

значению (i - ч i , где 1 К Z кvalue (i - h i, where 1 K Z K

R, R2- сопротивлени датчиков 26 иR, R2 - resistance sensors 26 and

27тока и R R).27 current and R R).

Рассмотрим работу устройства в переходных процессах при коммутации обмоток управлени по сигналам распределител . Пусть под действием сигнала распределител 1 происходит размыкание ключа 6 и отключение обмотки 1, а схема 3 совпадений подготавливаетс к включению обмотки III (обмотки II и IV управлени остаютс в исходных Состо ни х и двигатель делает один шаг). При по влении импульса на выходе усилител 24 (момент времени t, фиг.2) происходит замыкание ключа 7 и МОП-транзистора 34. Ток i, в обмотке III начинает увеличиватьс от нулевого значени , и на выходе запоминающего элементаConsider the operation of the device in transient processes when switching control windings according to distributor signals. Under the action of the signal of the distributor 1, the key 6 is opened and the winding 1 is disconnected, and the coincidence circuit 3 is prepared for turning on the winding III (windings II and IV of the control remain in the original States and the motor takes one step). Upon the appearance of a pulse at the output of the amplifier 24 (time t, Fig. 2), the switch 7 and the MOS transistor 34 are closed. The current i, in the winding III, starts to increase from zero, and at the output of the storage element

28формируетс напр жение U , пропорциональное току ij. Пока напр жение U не приблизитс к уставке U, На выходе усилител 24 дейструет импульс, удерживающий ключи 7 и ЗД в замкнутых состо ни х (интервал С фиг. 2). Скорость спада тока i в обмотке I определ етс напр жением пробо стабилитрона 14, причем спад тока происходит форсированно по линейному закону. В результате за врем нарастани тока в обмотке II ( интервал т ) ток в обмотке I успе вает снизитьс практически до нул (интервал Ти). . Таким образом, в устройстве дост гаетс форсировка как нарастани , так и спада тока при включении и отключении обмотки по сигналам распределител . В то же врем в устано вившемс режиме форсировка обеспечиваетс только при подключении обмотки к источнику п таци . СпаД же тока происходит через шунтирующий ключевой элемент по экспоненциально му закону с посто нной времени, опр дел емой параметрами обмотки управлени . Поэтому при исправной работе уст ройства токи через стабилитроны 14 и 15 протекают только при, коммутаци обмоток по сигналам распределител . Следовательно, мощности, рассеиваемые на стабилитронах, и температуры радиаторов, на которых ониустановлены .,одинаковы. Соответственно сопр тивлени терморезисторов, 42 и 43 Rj) . Поскольку на ,равны IL и 0. на выходах запопр жени W- г. „ минающих элементов 28 и 29 практически равны по абсолютной величине и противоположны по знаку напр жению уставки и, при выполнении ус .„ R46 2R44(R44- %) - противлени резисторов 44-46) результирукмций ток 1, поступающий на вход операционного усилител 47 порогового элемента 41, равен нулю и и 0) . РазR 0, R брос сопротивлений резисторов на входах порогового элемента, а также погрешности регул торов 20 и 21 могут приводить к по влению некоторого разностного тока иг. Однако этот ток меньше тока ограничени .1диодного моста 48 в цепи обратной св зи операционного усилител 47. Поэтому выходное напр жение этого усилител практически равно нулю и реле 52 обесточено. Дл предотвращени срабатывани реле в переходных процессах при коммутации обмоток двигател по сигналам распределител , когда напр жени U и U .существенно отличаютс от уставки,U, операционный усилитель 47 снабжен конденсатором 51 в обратной св зи,который обеспечивает необходимую задержку. Рассмотрим теперь работу схемы контрол при отказе устройства. Отказы любых элементов, вход щих в контур регулировани тока, привод т к нарушению равенства U U U. Вследствие этого по вл етс результирующий ток на входе операционного усилител 47, которьй превышает ток ограничени диодного моста 48. Это ведет к насыщению операционного усилител и срабатыванию реле 52, сигнализирующего неисправность устройства. Таким путем обнаруживаютс отказы всех основных элементов и узлов устройства управлени , в т.ч.. и отказы в цеп х, шунтирующих обмотки управлени . Так, обрывы форсирующих стабилитронов и разв зывающих диодов привод т к недопустимым перенапр жени м на основных ключевых элементах и в конечном счете вызывают их отказы, в результате чего напр жени на выходах запоминаюпщх элементов существенно отличаютс от напр жени уставки U. При обрыве же шунтирующего ключа и других неисправност х ,- которые ведут к размыканию шунтирующего ключа, спад токов обмоток двигател происходит через форсирующий стабилитрон не только в переходных процессах при коммутации обмоток по сигналам распределител , но и в процессе регулировани токов в подключенных обмотках . Это вызьгоает резкое увеличение тепловой мощности, рассеиваемой на соответствующем стабилитроне, и существенное повышение температуры одного из терморезисторов. В результате нарушаетс баланс токов на входе операционного усилител 47, разностный ток превьппает пороговый уровень IQ, и реле 52 срабатывает, сигнализиру о неисправности устройства управлени . Аналогичным образом вы вл ютс еисправности, привод щие к замыкаию шунтирующих ключей или стабилиронов , поскольку мощности, р;)ссеи7 110200 ваемые в стабилитронах, и соответст-. венно температуры и сопротивлени терморезисторов 42, 63 оказьгааютс разными. Лишь на низких частотах коммутации различие температур ста-5 новитс весьма незначительным и подобные неисправности не обнаруживаютсй . Однакб на низких частотах от-. казы, которые свод тс к короткому 58 ) амыканию шунтирующего ключа, не тривод т к отказу устройства управлени в целом, так как зат гивание заднего фронта импульса тока в обмотках двигател вли ет лишь на дикамику привода и практически не про вл етс при низких частотах. При увеличении же частоты коммутации такие отказы сразу же вьтвл ютс .28, a voltage U proportional to the current ij is formed. As long as the voltage U is not close to the setpoint U, the output of the amplifier 24 operates a pulse holding the keys 7 and ZD in closed states (interval C, Fig. 2). The rate of decay of current i in winding I is determined by the voltage of the breakdown of Zener diode 14, and the current declines by force of a linear law. As a result, during the current rise time in winding II (interval t), the current in winding I decreases almost to zero (interval Ti). . Thus, in the device, the force of both the rise and fall of the current is reached when the winding is turned on and off according to the distributor signals. At the same time, in the established mode, the force is provided only when the winding is connected to the power supply. Spad current also occurs through a shunt key element according to an exponential law with a constant time determined by the parameters of the control winding. Therefore, when the device is working properly, the currents through the zener diodes 14 and 15 flow only when the windings are switched according to the signals of the distributor. Consequently, the power dissipated by the Zener diodes and the temperatures of the radiators at which they are installed are the same. Respectively, thermistor resistances, 42 and 43 Rj). Since IL and 0 are equal at the output of the W-g supply outputs, the emitting elements 28 and 29 are almost equal in absolute value and opposite in sign to the voltage of the setpoint and, when performing the R46 2R44 (R44%), resistors 44-46) of the resultant current 1, which enters the input of the operational amplifier 47 of the threshold element 41, is zero and 0). RR 0, R surge resistance of the resistors at the inputs of the threshold element, as well as the errors of the regulators 20 and 21 can lead to the appearance of a certain difference current ig. However, this current is less than the limiting current of the diode bridge 48 in the feedback circuit of the operational amplifier 47. Therefore, the output voltage of this amplifier is almost zero and the relay 52 is de-energized. To prevent the relay from tripping when switching motor windings on the distributor signals when the voltages U and U are significantly different from the setpoint, U, the operational amplifier 47 is provided with a feedback capacitor 51, which provides the necessary delay. Let us now consider the operation of the control circuit in case of a device failure. Failures of any elements included in the current control loop violate the equality UU U. As a result, a resultant current appears at the input of the operational amplifier 47, which exceeds the limiting current of the diode bridge 48. This leads to saturation of the operational amplifier and relay 52 signaling a device malfunction. In this way, failures of all the main elements and components of the control device, including and failures in the circuits shunting the control windings, are detected. Thus, the breaks of the forcing zener diodes and the driving diodes lead to unacceptable overvoltages on the main key elements and ultimately cause their failures, as a result of which the voltage at the memory outputs of the memory elements differs significantly from the voltage of the shunt key and other malfunctions, which lead to the opening of the shunt key, the decline of the motor windings occurs through the forcing Zener diode not only in transients when the windings are switched according to distribution signals Ithel, but in the process of controlling the currents in the windings are connected. This causes a sharp increase in thermal power dissipated at the corresponding Zener diode, and a significant increase in the temperature of one of the thermistors. As a result, the current balance at the input of the operational amplifier 47 is disturbed, the differential current exceeds the threshold level IQ, and the relay 52 is activated, indicating a malfunction of the control unit. Similarly, malfunctions that lead to the closure of shunt switches or zener diodes are detected, since the powers, p;) are in zener diodes, and corresponding. Temperatures and resistances of thermistors 42, 63 are different. Only at low switching frequencies the temperature difference of the Sta-5 novits is very insignificant and such faults are not detected. However, at low frequencies from-. Cases that are reduced to a short 58) shunting key do not triple lead to failure of the control device as a whole, since the delay of the trailing edge of the current pulse in the motor windings only affects the drive wild and practically does not appear at low frequencies. When the switching frequency is increased, such failures immediately go out.

Фаг. 2Phage. 2

Claims

1. DEVICE FOR CONTROLLING A STEP MOTOR, containing key amplifiers for switching and regulating currents in motor windings, automatic regulators with blocks for generating current feedback signals in motor windings with sensors, a regulator setting signal source and boosting zener diodes connected through decoupling diodes to the windings operating in antiphase, characterized in that, in order to increase reliability, a threshold element of comparison is introduced into it with two thermistors at the inputs, setting GOVERNMENTAL radiator zener diode, and three resistors scale, the first scale tormorezistor through one resistor connected to the power regulator setpoint signal and the second thermistor through other resistors scale - to the outputs of the blocks forming the feedback signal.

2. The device according to claim 1, characterized in that the feedback signal generating unit is equipped with an analog storage element, the signal input of which is connected to the current sensor, and the control input is connected to the output of the current regulator.