SU1310993A1 - Способ управлени шаговым двигателем и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике , к управлению электрическими машинами и может быть использо- вано в замкнутых шаговых электроприводах . Целью изобретени   вл етс  увеличение быстродействи  путем повышени  динамического усили  или момента . Способ управлени  шаговым двигателем (ВД) заключаетс  в том, что в каждый цикл коммутации фазы двигател  определ ют отклонение угла коммутации от оптимального значени  путем измерени  интервала перемещени  между моментом совпадени  полюсов фазы с полюсами ротора и моментом изменени  направлени  тока фазы, который пропорционален углу коммутации . Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальному закону во всем диапазоне изменени  скорости вращени  ротора независимо от режима работы ШД. Быстродействие повышаетс  за счет уменьшени  времени перемещени  подвижных частей ЦЩ из одного фиксированного положени  в другое. Приведено устройство дл  осуществлени  предложенного способа управлени  ЩЦ, 2 с.п,ф-лы, 7 ил. (Л С

Description

.113

Изобретение относит1   к управлению электрическими машинами и может быть использовано в замкнутьк шаговых электроприводах,

изобретени   вл етс  увеличение быстродействи  путем повышени  динамического усили  или момента.

На фиг.Ч показан шаговый электродвигатель , поперечньй разрез; на фиг. 2 - зависимости тока и момента двигател .от углового положени  рото ра при различных углах коммутации без учета индуктивностей фаз; на фиг. 3 - то же, с учетом индуктивности фаз; на фиг. 4 механические характеристики двигател  при различных способах коммутации; на фиг.5 - структурна  блок-схема устройства; на фиг. б - временные диaгpa мы, по-  сн ю1цие работу устройства; на фиг. 7 - схема логического сумматора.

На фиг. .представлен в качестве примера двухфазный магнитоэлектрический двигатель, состо ш й из неподвижного  кор  1 с полюсами, охваченными катушками двухфазной о бмотки, и подвижный вторичный элемент (ротор 2 в виде двухполюсного посто нного магнита. Данный двигатель не  вл етс  об зательным дл  реализации способа . Способ может быть применен к индукторному двигателю с невозбужденным зубчатым вторичным элементом (ротором ) или к линейному электродвигателю с подвижным  корем и безобмоточной зубчатой направл ющей (вторичным элементом).

Устройство дл  управлени  шаговь М двигателем (см.фиг.5) содержит последовательно соединенные логический сумматор 3, реверсивный распределитель импульсов 4, усилитель мощности 5, шаговый двигатель 6, потенциальный датчик положени  7 подвижной части двигател , блок дифференцировани  8, соединенный с двигателем 6, датчик знака тока фаз двигател  9, .соединенный с ним и датчиком положени  7, фазовый детектор JO, триггер I1, блок выделени  разностного сигнала 12. Шина входных комйнд }3 соединена с входами 14 логического сумматора 3, к входу 15 которого подключен выход блока диффер енцировани  8, а к входу 16 - блок выделени  разно:- стного сигнала 12, Блок выделени  разностного сигнала 12 имеет два выхода. По вление сигнала на том или другом выходе.оп09932

редел етс  знаком фазового сдвига сигналов с выходов блоков 9 и 7. Логический сумматор включает 10 логических элементов И 17-26, инвер- 5 тор 27, два логических элемента

ИЛИ 28, 29. У распределител  импульсов 4 имеетс  два входа. При подаче импульсной последовательности на первый вход осуществл етс  сдвиг пол  W двигател  в одном направлении, пода- че импульсов на второй вход соответствует сдвиг пол  двигател  в обратном направлении. 1

5 При возбуждении одной или обоих фаз двигател  (фиг.1) посто нным током i возникает момент взаимодействи  полюсов ротора с возбужденньп 1И полксами статора М, который  вл етс  20 периодической функцией углового положени  ротора 1/(фиг.2), На фиг. 2 а показан момент, соответствующий возбуждению фазы А двигател  на фиг.1. При возбуждении фазы В возникает мо- 2-5 мент, сдвинутый в пространстве на 90 эл.град. относительно момента, возникающего при возбуждении фазы А, Среднее значение момента за период его изменени  при возбуждении фаз 30 двигател  посто нным током равно О. Двигатель развивает однонаправленный момент при коммутации его фаз, т.е. при периодическом изменении нап- равлени  тока фаз двигател . Суммар- 35 ный момент двигател  равен сумме моментов от взаимодействи  полюсов отдельных фаз с полюсами ротора, однако , не тер   общности, основные закономерности взаимодействи  полюсов 40 фаз статора с полюсами ротора можно проследить на примере взаимодействи  одной фазы двигател .

При замкнутом сцособе управлени  коммутаци  фаз осуществл етс  по 45 сигналам датчика положени  (датчик не показан) в определенных i положени х ротора. Среднее значение момента, развиваемого полюсами каждой фазы, а значит, и среднее зна- 50 чение момента двигател  в целом зависит от угла коммутации. На фиг. 2б, виг показаны зависимости момента , развиваемого при взаимодействии полюсов возбужденной фазы  кор  дви- 55 гател  с ротором, от углового положени  ротора ( относительно полюсов этой фазы при углах коммутации -у, равных 0,45 и 90. Там же показан характер изменени  фазного тока i

313

без учета времени коммутации тока, вызванного индуктивностью фазной обмотки . Данное допущение справедливо при небольших скорост х вращени  ротора, когда врем  нарастани  и спада тока в фазе мало по сравнению с периодом ее коммутации.

Как видно из зависимостей на фиг. 2, среднее значение момента, развиваемого полюсами возбужденной фазы двигател , имеет максимальное значение при угле коммутации У , равном нулю. При этом изменение направлени  тока фазы происходит в момент совпадени  полюсов ротора с полюсами данной фазы и отсутствуют интервалы перемещени  ротора, когда на него действует отрицательный момент по отношению к направлению вращени  ротора. Последнее  вл етс  критерием максимизации момента, развиваемого полюсами фазы и всего двигател  в целом. Из характеристик на фиг.2 следует, что с увеличением угла коммутации средний момент полюсов фазы уменьшаетс  и при т 90 становитс  равным О.

С ростом частоты коммутации фаз (скорости вращени  ротора) врем  переходного процесса изменени  тока фазы становитс  соизмеримо с периодом его коммутации. Моменты начала коммутации (точка t на фиг.З) и моменты изменени  направлени  тока фазы (точка t на фиг.З) не совпадают. При этом даже при угле коммутации

Г 0° возникают интервалы перемещени , на которых к ротору прикладываетс  отрицательный момент, уменьшающий среднее значение динамического момента и снижающий быстродействие двигател .

Дл  увеличени  динамического момента двигател  угол коммутации с ростом скорости вращени  ротора необходимо увеличивать.При этом критерий максимизации момента остаетс  тем же, что и при небольшой скорости вращени  - отсутствие интервалов перемещени  ротора, когда на него воздействует отрицательный момент по отношению к направлению вращени  ротора . Последнее условие соблюдаетс , если ток фазы мен ет своё направление (переходит через нуль) в момент совпадени  полюсов фазы и полюсов ротора (фиг.З). Это определ ет оптимальный закон регулировани  угла ком34

мутации двигател , обеспечивающий максимизацию,момента двигател  во всем диапазоне изменени  скорости вращени  ротора. При любой скорости

вращени  ротора угол коммутации должен быть таким, чтобы ток каждой фазы измен л свое направление в момент совпадени  полюсов данной фазы с полюсами ротора.

Однако определение конкретного значени  оптимального увла коммутации затруднительно, так как оно зависит от р да параметров двигател  (индуктивность и сопротивление фазных

обмоток, ЭДС вращени  ротора и т.д.), точное определение которых не всегда возможно.

На фиг.4 зависимости момента от частоты вращени  соответствуют отсутствию регулировани  угла коммутации ( -У f 45° во всем диапазоне изменени  скорости). Крива  у var соответствует изменению момента двигател  с роистом скорости вращени  при условии регулировани  угла коммутации по оптимальному закону.

Способ управлени  шаговым двигателем заключаетс  в следующем. В каждый цикл коммутации фазы двигател  определ ют отклонение угла коммутации от оптимального значени  путем измерени  интервала перемещени  между моментом совпадени  полюсов фазы

с полюсами ротора (t, на фиг.З) и моментом изменени  направлени  тока фазы (tj на фиг.З).

В численном выражений данный интервал пропорционален углу коммутации , В последующий цикл коммутации угол коммутации измен ют на величину отклонени  с целью достижени  оптимального угла коммутации, когда

точка совпадени  полюсов фазы с полюсами ротора соответствует точке изменени  направлени  тока фазы.

Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальному

закону во всем диапазоне изменени  скорости вращени  ротора, независимо от режима работы двигател , изменени  нагрузки на валу, изменени  параметров двигател  в процессе эксплуатации .

Устройство дл  управлени  шаговым двигателем работает следующим образом .

.513

По шине управлени  13 на вход 14 логического сумматора 3 подаетс  потенциальна  команда Знак о направлении движени  и импульсна  команда Пуск о начале отработки программного перемещени . В зависимости от программируемого направлени  движени  пусковой импульс, пройд  через сумматор- переключает распределитель импульсов 4 в состо ние, соответствующее первому шагу программного движени . БыхЬдные сигналы распределител  импульсов, усилившись в усилителе мощности 5, сдвигают поле -в. двигателе на один шаг. Подвижна  часть двигател  попадает в поле ускор ющих сил и начинает движение.

Потенциальный датчик положени  7 на интервале перемещени  в один шаг переключаетс  дважды. Первое переключение соответствует половине отработанного шага, второе переключение осуществл етс  при полной отработке шага.

В момент отработки шага блоком дифференцировани  вырабатываетс  импульс , который по цепи обратной св зи поступает на вход 15 логического сумматора 3 и осуществл ет второе переключение распределител  импульсов , выходной сигнал которого через усилитель мощности сдвигает поле в двигателе на второй шаг.

Подвижна  часть двигател  отрабатывает второй шаг, после отработки которого по цепи обратной св зи распределителем импульсов осуществл етс  сдвиг пол  на следующий щаг и т.д. При этом устройство работает обычным образом, осуществл   режим самокоммутации двигател  по выходным сигналам датчика положени .

Момент переключени  тока в каждой фазе двигател  регистрируетс  датчиком знака тока фаз двигател . При этом его выходной потенциал измен етс  на противоположньй.

Фазовый детектор измер ет фазовый сдвиг между сигналами с выхода датчика положени  и датчика знака тока, выходной сигнал которого в угловых единицах равен величине этого сдвига

На вход триггера 1I, работающего в счетном режиме, подаютс , импульсы, формируемые блоком дифференцировани  8 при отработке двигателем каждого шага перемещени . Триггер, измен   свое состо ние с приходом каж36

дого входного импульса, на выходе формирует эталонный потенциальный сигнал, интервал между сменой пол рности в котором в угловых единицах соответствует одному шагу перемещени .

Если длительность сигнала с выхода фазового детектора превышает величину , соответствующую одному шагу,

то блоком выделени  разностного сигнала вырабатываетс  импульс, которьй в зависимости от направлени  перемещени  и знака взаимного фазового сдвига входных сигналов фазового детектора , проход  через сумматор (вход 16), производит дополнительные переключени  в распределителе импульсов . Результатом этого  вл етс  дополнительный сдвиг пол  в двигателе

в том направлении, при котором компенсируетс  возникший фазовый сдвиг между моментом отработки двигателем шага и моментом изменени  знака тока в фазах двигател .

После отработки программы перемещени  по шине управлени  подаетс  потенциальна  команда на останов Стоп.

Временные диаграммы, по сн ющие работу устройства, изображены на фиг,6. Диаграммы изображены дл  случа , когда выходной сигнал датчика положени  опережает сигнал датчика знака тока фазы на величину, превы- тающую шаг двигател . При этом блок выделени  разностного сигнала формирует корректир ующую команду, поступающую на вход логического сумматоР

Описанные способ и устройство обладают следующими преимуществами: динамическое усилие или динамический момент двигател  увеличиваютс  не менее чем на 30% за счет установки оптимального угла коммутации в любом режиме работы двигател ; максимальна  скорость перемещени  подвижных частей двигател  повышаетс  на 35% за счет увеличени  динамического момента двигател ; быстродействие шагового двигател  повышаетс  на 25% за. счет уменьшени  вре- мени позиционировани  подвижных частей , . за счет уменьшени  времени перемещени  подвижных частей двигател  из одного фиксированного положени  в другое.

Формула

7131

изобретени 

1.Способ управлени  шаговым двигателем с  внополюсными  корем и индуктором , состо щий в том, что при движении индуктора- фиксируют моменты совпадени  осей полюсов  кор  и индуктора, задерживают сигнал о совпадении указанных осей и коммутируют катушки фаз  кор  задержанным сигналом, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  быстродействи  путем повышени  динамического усили  или момента, дополнительно измер ют интервал между моментами совпадени  осей полюсов индуктора и  кор  и перехода тока фазной катушки через ноль и измен ют длительность задержки сигнала при следующей коммутации на величину указанного интервала.

2,Устройство дл  управлени  шаговым двигателем, содержащее сумматор , распределитель импульсов,усилитель мощности, блок дифференци38

ровани , датчик положени , соединенный выходом с блоком дифференцировани , а входом - с подвижной частью шагового двигател , фазные обмотки

которого через усилитель мощности подключены к выходу распределител  импульсов, подключенного входом к выходу сумматора, соединенного первым входом с шиной управлени , о тличающеес  тем, что, с целью увеличени  быстродействи  путем повышени  динамического усили  или момента, оно снабжено датчиком знака тока фаз, фазовым детектором,

триггером и блоком выделени  ра-зност- ного сигнала, подключенным выходом к второму входу сумматора, первым входом - через триггер к выходу блока дифференцировани , вторым входом к фазовому детектору, первый вход которого св зан с выходом датчика положени , а второй подключен к дат25

чику знака тока фаз, при этом выход блока дифференцировани  соединен с третьим входом сумматора.

6 О о

Фиг.1

q)Vi.2

Фиг.

:fC

jsk 9

JL fj

19

-

п

20

«№

tCmo/r

// /J

Составитель Л.Шакина Редактор М,Бандура Техред и.Попович Корректор м.Демчик

Заказ 1900/54 Тираж 661Подписное

ВНИНПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г.Ужгород, ул,Проектна , 4

2}

rU

г8

гг

-Л

2J

4

/i

да

/4

f

/«

OTy/ 7

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Способ управления шаговым двигателем с явнополюсными якорем и индуктором, состоящий в том, что при движении индуктора- фиксируют моменты совпадения осей полюсов якоря и индуктора, задерживают сигнал о совпадении указанных осей и коммутируют катушки фаз якоря задержанным сигналом, отлич ающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия путем повышения динамического усилия или момента, дополнительно измеряют интервал между мо ментами совпадения осей полюсов индуктора и якоря и перехода тока фазной катушки через ноль и изменяют длительность задержки сигнала при следующей коммутации на величину указанного интервала.
2. 2. Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее сумматор, распределитель импульсов.усилитель мощности, блок дифференци8 рования, датчик положения, соединенный выходом с блоком дифференцирования, а входом - с подвижной частью шагового двигателя, фазные обмотки 5 которого через усилитель мощности подключены к выходу распределителя импульсов, подключенного входом к выходу сумматора, соединенного первым входом с шиной управления, о т10 личающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия путем повышения динамического усилия или момента, оно снабжено датчиком знака тока фаз, фазовым детектором, 15 триггером и блоком выделения разност ного сигнала, подключенным выходом к второму входу сумматора, первым входом - через триггер к выходу блока дифференцирования, вторым входом 20 к фазовому детектору, первый вход которого связан с выходом датчика положения, а второй подключен к датчику знака тока фаз, при этом вьгход блока дифференцирования соединен с третьим входом сумматора.

   Фиг1 φι/ί.2

   ФигА фиг.5 выход датчика положения

   Эталонный

   Выход дат знака тока

   Выход блока Выделения раз · ностноеа сигна.

   Выход фазоВс детектора

   7 / t ТЛ _____ t г. 7 t ·.

   t

   Фигб