Устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага

(56) 1. Авторское свидетельство СССР, Р 909784,кл. Н 02 Р 8/00, 1981.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 3324056/24-07,кл. Н 02 Р 8/00, 1981,(54) (57) УСТРОЙСТВО, ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА,содержащее распределитель импульсов с входными шинами реверса итактирования, логические элементы Ипо числу фаз двигателя, связанныепервыми входами с выходами распределителя импульсов, а выходами - свходами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, мультиплексор нескольких каналов на один,связанный прямым .и инверсным выходами соответственно с вторыми входами.к управляющим входам мультиплексора,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ И ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛ и шины высокочастотных и низкочастотных импульсов тактирования, о т л и- ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения плавности движения и точности деления шага, в него введены реверсивный счетчик Джонсона, логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и 2 НЕ-И, последний связан прямым входом с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключенного входами к выходам первого и последнего разрядов счетчика Джонсона, связанного выходами всех разрядов с адресны- ми входами мультиплексора,элемент 2 НЕ-И инверсным входом связан с шиной низкочастотных импульсов тактирования, а выходом - с гакто- Я вым входом распределителя импульсов, причем тактовый вход счетчика Джонсона соединен с шиной низкочастотных импульсов тактирования, ( вход изменения направления пересчета - с шиной реверса, а двоичный счетчик выполнен нереверсивным и подключен тактовым вхоцом к шине высокочастотных импульсовтактирования.ОЪИзобретение относится к электро-) технике и может быть использовано для электрического дробления основного шага а-фазного шагового электродвигателя (ШЭД) в дискретных автоматизированных системах. 5Известно устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее распределитель импульсов, группу логических элементов 2 И, связанных выходами 10 с входами усилителей мощности,коммутирующих.фазы двигателя, а первыми входами с выходами распределителя импульсов, и блок дробления шага, подключенный прямым и инверсным выходами ко вторым входамэлементов 2 И, взятых через один.Его ,блок дробления, шага содержит реверсивный счетчик с перекрестной связью, реверсивный делитель частоты,много-,. О программный распределитель,одновибратор,триггер управления и группу двухвходовых элементов И,соединенную выходами с входами каждого разряда многопрограммнога распределителя, первыми входами - с выходами каждого разряда реверсивного. счетчика, а вто рыми входами - с выходом одновибрато ра, связанного своим .входом сосчетным входом реверсивного. счетчика, и с прямым выходом триггера управления, подключенного инверсным выходом к счетному входу реверсивного делителй частоты, связанного выходом с тактовым входом распределителя импульсов 13. 35Недостатком этого устройства является большой объем аппаратуры,низ. кап надежность и неравномерность отработки дробных шагов.4 ОНаиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее распределитель импульсов с входными шинами ,реверса и тактирования, логические элементы И по числу Фаз двигателя, связанные выходами со входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, первыми входами - с выходами распределителя импульсов, а вторыми входами - с прямым и инверсным выходами блока дробления шага, снабженного реверсивным двоич. ным счетчиком, логическим элементом ИЛИ, мультиплексором нескольких каналов на один и формирователем единичного кода, выходы которого подключены к адресным (информационным) входам мультиплексора,подключенного прямым и инверсным выходами ко вторым входам элементов И, бО а управляющими входами - к выходам всех разрядов реверсивного счетчика, соединенного выходами переноса и заема с входами элемента ИЛИ,подключенного своим выходом к тактово му входу распределителя импульсов и входу реверса счетчика Г 2 3.Недостатком известного устройства является неравномерность дробления шага, обусловленная насыщением магнит:. ной системы двигателя, и связанная с этим неравномерность движения ротс. ра шагового двигателя.Цель изобретения - повышение плавности движения и точности деления шага.Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее распределитель импульсов с входными шинами реверса и тактирования, логические элементы И по чис- " лу фаз двигателя, связанные первыми входами с выходами распределителя импульсов, а выходами - с входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, мультиплексор нес- . кольких каналов на один, связанный прямым и инверсным выходами соответ. ственно с вторыми входами элементов И, взятых через один, двоичный счетчик, подключенный разрядными выходами к управЛяющим входам мультиплексора, и шины высокочастотных и низкочастотных импульсов тактирования, снабжено реверсивным счетчиком Джонсона и логическими элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и 2 НЕ-И, последний связан прямым входом с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключенного входами к выходам первого и последнего разрядов счетчика Джонсона, связанного выходами всех разрядов с адресными входами мультиплексора, элемент 2 НЕ-И инверсным входом связан с шиной низкочастотных импульсов тактирования, а выходом - с тактовым входом распределителя импульсов, причем тактовый вход счетчика Джонсона соединен с шиной низкочастотных импульсов тактирования, вход изменения направления пересчета - с шиной реверса, а двоичный счетчик, выполнен нереверсивным и подключен тактовым входом к шине высокочастотных импульсов тактирования.На фиг.1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю, на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов,Устройство (фиг,1) содержит распредепитель импульсов 1 с шиной реверса 2 и тактирования 3, логические элементы И 4, связанные первыми входами с выходами распредели" теля 1, а выходами - с входами усилителей мощности 5, коммутирующих фазы б двигателя, и мультиплексор 7, связанный прямком и инверсным выходами соответственно с1061230 3вторыми входами элементов И 4,взятых через один. Оно содержит также нереверсивный двоичный счетчик 8, подключенный тактовым входом к шине высокочастотных импульсов тактиронания 9, а выходами всех разрядов - к управляющим входам мультиплексора 7, реверсинный счетчик Джонсона 10, соединенный таКтовым входом с шиной низкочастотных импульсов тактирования 11, а входом изменения направления пересчета - с шиной реверса 2. Некоторые из начальных и последних разрядных выходов реверсивного счетчика Джонсона 10 подключены к опреЬеленным группам адресных входов мультиплексора 7, соответствующих заданным уровням квантования токов в смежных Фазах, а его промежуточные разрядные выходы - к соответствующим остальнь 1 м адресным входам мультиплексора 7. Первый и последний разрядные выходы счетчика Джонсона 10 подключены через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 к первому входу логического элемента 2 НЕ-И 13, второй вход которого подключен к шине низкочастотных импульсов тактирования 11, а выход - к шине тактирования 3 распределителя 1.Входы обнуления распределителя 1 и счетчика Джонсона 10 объединены.и подключены к шине установки устройства в исходное состояние 14.В каждом отдельном случае исполнения предлагаемого устройства число объединенных в группы начальных и оконечных информационных входов мультиплексора 7 определяется принятым нелинейным законом квантования токов н смежных Фазах двигателя - в зависимости от его установленной степени насыщенности магнитнойсистемы и соответственно кривой изменения магнитного потока в воздушном зазоре.Устройство работает с 4 едующим образом.Импульс, поступающий на шину 14, устанавливает счетчик Джонсона 10 и распределитель импульсов 1 в нулевое состояние. К шине реверса .2 прикладывается логический уровень.потенциала, соответствующий требУЮ- мому направлению вращения, При этом на всех разрядных выходах счетчика Джонсона 10 и на прямом выходе мультиплексора 7,оказываются нулевые логические потенциалы, а на инверсном выходе мультиплексора 7 - единичный логический потенциал. Одновременно с этим на первых двух выходах 15 и 16 распределителя импульсов 1, в случае четырехфазного шагового двигателя, работающего в парном режиме коммутации Фаз, присутствуют единичные, а на остальных его выходах 17 и 18 - нулевые логические потенциалы. В результатеэтого "разрешающие" потенциалы навходе элемента И 4 первого каналаоткрывают усилитель мощности 5 ичерез первую Фазу б протекает номинальный (максимальный) ток 3(11 нафиг.2).При поступлениипервого импульсана шину низкочастотных импульсов10 тактирования 11 (3 на фиг.2) в первом разряде счетчика Джонсона 10записывается единица, т.е. в нем ус.танавливается логическая кодоваякомбинация 100000. После подачи на35 шину 9 высокочастотных импульсовтактирования посредством двоичногосчетчика 8 производится поочередныйопрос информационных входов мультиплексора 7 и выдача на его выходывырабатываемых счетчиком 10 логических потенциалов. При этом, благодаряобъединенным первым двум входам.мультиплексора 7 на его прямом выходе периодически вырабатываются25 прямоугольные высокочастотные импульсы со скважностью С = 8/2, а на егоинверсном выходе - со скнажностьюС = 8/б. Это приводит к формированию,токов н первой фазе б амплитудойб/8 Т и но второй его фазе амплитудой 2 = 2/8 Тн (при нулевыхзначениях токов в остальных двухфазах),В последующих четырех тактах ра-боты устройства происходит потактное изменение кода в счетчике Джонсона 10; 110000; 111000, 11100;111110. Это приводит к поочередному Формированию прямоугольных импульсов со скважностью, 8/3 8/4,40 8/5 8/б - на его прямом выходе (3234 на фиг.2) и со скважностью 8/5,"8/4; 8/3," 8/2 - на его инверсномвыходе (3, 3 на фиг.2).В результате прОисходит потактное увеличение тока во второй Фазе: 3/8 3;4/8 Зн, 5/8 3, б/8 3 и соотнетствующее уменьшение тока в первойфазе: 5/83 н 4/8 Эн, 3/8 3 н2/83 нВ последнем шестом такте перногополуцикла работы устройства в счетчике Джонсона 10 записывается максимальный код 111111. При этом, благодаря объединенным последним двумвходам мультиплексора 7 на его прямом выходе возникает постоянный еди.ничный, а на его инверсном выходепостоянный нулевой потенциал. В результате этого во второй Фазе бдвигателя обеспечивается номинальный ток Р (При нулевых токах во60 всех остальных трех Фазах).После установки всех разрядовсчетчика Джонсона в единичные состояния на выходе элемента 12 (диаграмма 12 на Фиг.2) возникает еди 65 яичный потенциал, Благодаря. этомуот заднего фронта шестого тактового импульса через элемент 13 (диаграмма 13 на фиг,2) запускается распределитель 1 и меняется его исходное состояние. После этого единичные логические потенциалы возникают на выходах 15-18 (фиг.2),Предполагается, что элементы памяти распределителя 1 и счетчика Джонсона 10 срабатывают от передних фронтов поступающих непосредственно к их тактовым входам прямоугольных ймюульсов. Этим завершается первый полуцикл функционирования устройст- ва, при котором за шесть тактов поступления импульсов на шину 11 в пер вой фазе двигателя осуществляется по описанному закону шестиступенчатое уменьшение, а во второй фазе шестиступенчатое увеличение тока. Благодаря этому, если принятый закон квантования токов в определенной степени точности компенсирует влияние насыщенности магнитной системы данного ШЭД, то происходит равномерный ступенчатый поворот суммарного вектора электромагнитного момента и соответственно ротора. В результате ротор .отрабатывает шесть равномерных дробных шагов, величинойц(осАР б где сАос - величина основного шага,Йторой полуцикл функционирования устройства аналогичен описанному первому, Он начинается с момента поступления на шину 11 очередного седьмого тактирующего импульса.Отли; чие заключается лишь в том, что во втором полуцикле в счетчике Джонсо-, на 10 происходит. поразрядное уменьшение числа логических. единиц, т.е. смена кодов по порядку." 011111, 001111, 000111, 000011, 000001, ОООООО, Это приводит к ступенчатому уменьшению тока во второй фазе и одновременному увеличению в третьей Фазе (по два кванта в первой и последней ступенькахи по одному - в остальных ступеньках), После завершения двенадцатого такта на выходе элемента 13 опять возникает единичный потенциал, Это позволяет распределителю 1 через полутакт задержки (от заднегс Фронта двенадцатого так тового импульса через элемент 13) опять изменить свое состояние, что приводит к появлению логических единиц на его выходах 17 и 18,Последующие циклы работы устройства происходят аналогично первому, Реверсирование устройства осуществляется путем изменения ранее приложенного на шине 2 логического по-, тенциала на обратный. При этом изВменяются на обратные описанные процессы потактных формирователей кодов в распределителе 1 и в счетчикеДжонсона 10. Частота тактирующих 5импульсов Т на шине 11 устанавливается в соответствии с требуемой рабочей частотой отработки дробных шагов данного ШЭД, а частота тактирующих импульсов на шине 9 выбирается исходя из величины электро магнитной постоянной времени данного двигателя, чтобы обеспечить допустимые пульсации тока при осуществляемой широтно-импульсной модуляции фазных напряжений с учетом 15 заданного коэффициента дробленияосновного шага.Устройство при наличии соответствующего распределителя импульсов может быть использовано для управления двигателем с любым числом Фаз. Число информационных входов мультиплексора 7 и коэффициент пересчета двоичного счетчика 8 выбираются в соответствии с выбранным числом элементарных уровней квантова-ния токов. ЧисЛо разрядов счетчика Джонсона 10 выбирается в соответствии с заданным коэффициентом дробления основного шага данного ШЭД с учетом принятого закона нелиней-, ного квантования токов.На фиг, 2 диаграмма Т характеН. Ризует прямоугольные имнульсы,пода ваемые на шину низкочастотных импульсов тактирования 11, диаграмма;12 показывает выходные сигналы элемЕнта ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, а диаг.(рамма 13 - элемента 2 НЕ-И 13. На 40 графиках 15-18 представлены выходные сигналы распределителя импульсов 1 при управлении четырехфазным двигателем в режиме парной коммутации фаз, Графики 1 3 " 7 Ус ловно иллюстрируют процесс ступенчатого изменения тока в Фазах (в результате потактного формирования широтно-модулированных сигналов на выходах мультиплексора 7), который 5 О .имел бы местб, если бы на всех выходах 15-18 расйределителя 1 одновременно присутствовали единичные потенциалы, Кривые 1.,-1, отобРажают действительный ход ступенчатого изменения токов в соответствующих фазах четырехфазного двигателя при, реальной циклограмме переключений выходов распределителя 1.Таким образом, предлагаемое уст ройство при подходящем выборе нелинейно-ступенчатого закона квантования токов для каждого двигателя с определенной степенью насыщенности магнитной системы и при соответсту вующем подключении разрядных выхо1061230 дов счетчика Джонсона к определенным группам информационных входов,мультиплексора позволяет значительно повысить плавность хода, равномерность и точность отработки дробных шагов. Составитель 3. ГорникТехред:Т.Фанта Коррек дактор К. Волощук зя Тираж 687 И Государственного делам изобретений Москва, Ж, Рауш аз 10056/56 4 5 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, у ектная,4 ВНИ п 13035