Устройство для управления шаговым электродвигателем

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(5 )Ч. Кл. с присоединением заявки Мф -Н 02 Р 8/00 Гееулерстеекввй камвтет( 53 ) УЛ К 62 1. 31 3. .13-133.3-525 (088. 8) ло лелем вмбретеввй н етерыткйОпубликовано 25.05.80. Бюллетень Ж 19 Дата опубликования описания 28.05.80 В. К. Бааенкин, В. П. Рубцов, О. Л. Клюев и В. К. Баранов(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ЭЛ ЕКТРОДВИГАТ ЕЛЕМИзобретение относится к автоматизировагным электроприводам и может бытьиспользовано в научных приборах, оптико-механических устройствах совмещенияиэображений, станках и установках.Известны устройства для управления5щаговыми электродвигателями, в которыхдля повышения помехозатпщпенностн разсикнутого шагового привода используютсядатчики обратной связи по положению, чтоожключает накопление апибки, характерной для разомкнутых сжтем с шаговымидвигателями (1. В таких устройствах,рвботаюптнх о сигналам отклонения отзаданного положения, жпользуются обыч-,но стандартные датчики с непрерывнымвыходным сигналом,Задающий сигнал также является непрерывным, а сигнал рассогласования прь. образуется в переменную (для пропордио нальных систем) или фиксированную (для релейных систем) частоту импульсов, которая с учетом знака рассогласования отрабатывается разомкнутым шаговым приводом.Однако введение обратной связи по положению не приводит к улучшению характеристик устройств, в частности точностных, которые зависят только от примененного разомкнутого шагового привода.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному устройству является система с шаговым электродвигателем 21, вол которого связан с сравнивающим элементом, сигнал рассогласования с которого после усиления фаэочувствительным усилителем пбступает на пороговое устройство, Если сигнал рассогласования превышает заданную величину порогового сигнала, то ключевое устройство открывается и разрощает поступление импульсов от импульсного генератора на схему управления щаговым электродвигателем, состоящую их распределителя импульсов и усилитолей мощности. Команда о направлении г,ращения подаотся на схему управления с 4 азочувствнтольно го усилителя в зависимости от знака сигнала рассогласования.Однако в указанной системе точностьслежения и позиционирования определяетсяценой шага разомкнутого шагового электропривода, а введение датчика обратнойсвязи не позволяет ее улучшить.цель изобретения - повьпцение точности слежения и позиционирования устройства,Это достигается тем, что в устройстВО управления шаговым электродвигателем, содержащее усилители мощности,питающие фазы двигателя, распределительимпульсов, пороговое устройство, ключе=Вое устройство, генератор импульсов,.15фцзочувствительный усилитель и сравнивающий элемент, введены Восемь енелогоных к 1 почей, два инвертора и два функцио-.нальных преобразователя, соединеннь 1 есвоими входами с вь 1 ходом фазочувствительного усилителя,Выход одного фуцкц 20 нального преобразователя связа 11 с входом первого ин 11 е 1 ртора и аналоговыми Входами первогоц шестого ключа, а выход другого преобгизов: теля - с вхо 11 ом второго инвертораи апалоговьгм 11 Входами четвертого и пя"ОГО кл 1 ОЯейю Выход первО 1 О инВертора1 ОЙО е 1 1 ие 1 еи к аналоговым вх Од ам тр;: ть О 1 О и восьмого ключей, вь 1 ход ВторогоД 1иивертора - .к енелОГОвь 1 входам второГОИ СЕДЬМОГО КЛЮЧЕй 1. ВЫХОДЫ ПЕРВОГО. ВтарогО третьеГО и четвертого аншто 1 Оных;-"ОЧЕЙ СОЕ 11 ИНЕНЫ С ВХОДОМ ОДНОГО ИЗусилителей мощности, а Выходы ключейс пятоГО по Восьмой - с входом другогоусилителя мощности.Четыре выхода распрелелителя импульсов связаны соответственно с управ 11 яющими входами первого и пч"ого, второгои шестого, третьего и седьмого четвертого и Восьмого аналоговых ключей Такос выполнение устройства позволяет зпсчет изменения токов в фазах двигателяв функции рассогласования плавно изменять пространственное положение характеристики электромагнитного моменташагового двигателя, вследствие чего получают высокую точность слежения и ИОзиционирования, определяемую датчикомположения, а не ценой шага двигаеля.На фиг. 1 приведена функциональнаясхема устройства применительно к четырехтактному шаговому двигателю нафигф "- - е 1 б в г д - пр 1 пРерныйхарактеристик вход-выход фазочувствитель-.ного усилнтеля п функциональных преобразователей; на фиг. 2 е - векторная диаграмма токов в фазах. Устройство содержит двухфазный шаговый электродвигатель 1, вал которогосвязан с сравнивающим элементом 2, выход которого подключен к входам порогового устройства 3 и фазочувствительного усиЛителя 4, подсоединенного своимвыходом к входам функциональных преобразователей 5 и 6, Второй выход фазо -чувствительного усил 11 теля 4, по которомупередается сигнал о знаке рассогласоваНРи, соединен с входом выбора направления вращения распределителя импульсов 7,управляющий вход которого связан с выхбдом ключевого устройства 8, соединенного одним Входом с выходом генератораимпульсов 9, а другим - с выходом порогового устройства 3, Выход функционального преобразователя 5 связан с вхо.дом инвертора 10 и аналоговыми входами к 1 почей 11 и 12, выход преобразователя 6 - с входом инвертора 13 и аналоговыми входами ключей 14 и 15, выходинвертора 10 - с аналоговыми входамиключей 16 и 17, а выход инвертора 11с аналоговыми входами ключей 18 и 19,Выходы аналоговых ключе 11, 14, 16,18 соединены с входом усипител Мощности 20, к выходу которого подсоединенефаза 21 шаГОВОГО двигателя, а Выходыаналоговых кл 1 очей 12, 1517, 19 - свходом усилителя 22, к выходу которогоподсоединеР 1 а фаза 23 двигателя. БыхОдьраспределителя импульсов 7 связанысоответствеп:с управляющими входамианалоговых ключей 11 и 15, 12 и 18,16 и 19, 14 и 17.Устройство работает следующим обраЗОМ,Бал шаговсго электродвигателя находится в таком положении И что си 1 налрассо 1 лесоватпинс выходе сравнивающего элемента 2 равен нулю, Сигналы навыходах усилителя 4 и порогового устройства,"; отсутствуют и распределительимпульсов 7 находия В акм сосянии, что потенциал на одном из его Выходов открывает аналоговые ключи 11е 15 ф Б этом случае сигналы с выходов функциональных преобразователей 5 и 6 поступают на входы усилителИ мощности 20 и 22 соответственно. Примерный вид характеристик вход-выход функциональных преобразователей и фазочувствительного усилителя 4 приведен на фит. 2. Усилитель 4 обеспечивает линейную характеристику в пределах заданной зоны, ширина которой по выходному сигналу,л736333 6сигнал с выхода порогового устройства3 открывает ключевое устройство 8пля подачи импульсов от генератора 9нв вход распределителя импульсов 7, Кс- манда выбора направленияподается нараспределитель импульсов в зависимостиот знака сигнала рассогласования.Таким образом, большие рассоглвсоввноя отрабатываются двигателем в шаговом режиме, а малые - за счет иаленениявеличин фаэных токов в функции сигналарассогласования, Из графиков на фиг. 2 а,б, в, г, д видно, что при больших рассогласованиях токи в обмотках двигателяпо модулю равны 0.7071 и и при коммутаци и аналоговых ключей по сигналам распречьтителя импульсов изменяются только познаку, обеспечивая парную четырехтактную коммутацию шагового двигателя.По графикам фиг, 2 можно проследитьпо каким законам изменяются токи в фазах двигателя в зависимости от того, вкаком квадранте располагается в данныймомент результатирующнй вектор фазныхтоковц 1. Так, дляквадрантапо сигналу от распределителя импульсовоткрыты аналоговые ключи 16 и 19, и навход усилителя мощности 20 фаэьх Лпоступает через инвертор 10 сигнал отфункционального преобразователя Г, анв вход усилителя мотпности 22 фазыБ-сигнал от преобразователя 6 черезинвертор 13. Токи в фазах в функциисигнала па выходе усилнтеля 4 изменяют- си в соответствии с зввллсщлостями нафиг. 2 г.Используемый швговый двигатель может иметь другое число тактов коммутации и фвэ, а также расщепленные фазы,В этом случае соответственно изменяютчисло функц 1 лональных преобразователей,аналоговых ключей н услллтелей мощности.Предлагаемое устройство ири помоптивведения функциональных преобразователей,ипверторов и аналоговых ключей обеспетивает изгленен 1 ле фазных токов шаговогоэлектродвигателя в функции сигнала рассогласования и повышает точность слежения и позиционирования автоматической системы с шаговым двигателем. совпадает с шагом Ф двигателя, а эа ее пределами имеет место ограничение (коэффициент усиления К равен нулю). Этв характеристика изображена нв фиг. 2 а.При открытых аналоговых ключах 11 и 15 сигналЯ, поступающий с выхода усилителя 4 на функциональные преобразователи 5 и 6 и преобразуемый в соответствии с функциональными зависимостямии, приведенными на фиг, 26, попадает О нв входы усилителей мощности 20 и 22, обеспечивая протекание в фазах двигателя требуемых токов 1, и 1, . Твк как в исходном состоянии сигнал рассогласо.вания.=О, то в соответствии с фиг, 26 15 ток,3-:О, в ток лмаскимален, Результирукиций вектор токов совпадает с вектором токаи располагается в центре первого квадранта, отмеченного римской цифрой 1 на фиг. 2 е. Из векторной диаг раммы на фиг, 2 е видно, что в случае, когда двигатель имеет синусоидальное распределение в воздушном зазоре поля статора и ротора, плавное перемещение результирующего вектора магнитного по ля статора и, следовательно, перемещение ротора шагового двигателя, пропорциональное сигналу рассогласования с, можно обеспечить, если токи в фазах изменяются по синусоидальнселу и косинусопдальному Зо законам. Такое изменение токов обеспечивается в пределах квадранта 1 за счет характеристик преобразователей 5 и 6 (фиг, 26).Если распределение магнитных полей отличается от сипусоидального, то шаговый двигатель можно прокалибровать и в соотаетствии с полученными результатами определить вид характеристик вход-выход функциональных преобразователей 5 и 6, 40 При возникновении сигнала рассогласования , меньшего по модулю, чем половинаширины зоны нечувствительного порогового устройства 3, равной А, засчет измене ния, например, сигнала задающего воздействиярезультирующий вектор токов поворачивается. нв соответствующий электрический угол иэ-за величины изменения токови 1 что приводят к повороту вала 5 О двигателя и уменыпению сигнала рассогласования, . После окончания переходного процесса вал двигателя занимает новое положение, определяемое сигналом задающего воздействия Вс точностью до55 статической ошибки системы, Очевидно, что введением в систему астатизмв, эта ошибка уменьшается, Если сигнал рассогласования превышает величину с(/2, то Формул а изобретения Устройство для управления шаговым электродвигателем, содержацтее усилители мощности, питающие фазы двигателя, распределитель импульсов, пороговое устоойство, ключевое устройство, генератор73637импульсов, фазочувствительный усилитель и сравнивающий элемент, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности слежения и позиционирования, введены восемь аналоговых ключей, два инвертора и два функциональных преобразователя, входы которых соединены с выходом фазочувствительного усилителя выход однао преобразователя связан с входом первого инвертора и аналоговыми 10 входами первого и шестого ключа, выход другого преобразователя - с входомвторого инвертора и аналоговыми входами четвертого и пятого ключа, выход первого .инвертора подсоединен к аналоговым 1 Б входам третьего и восьмого ключа, выход второго инвертора - к аналоговым входам второго и седьмого ключа, выходы первого, второго, третьего и четвертогоэ 338аналоговых ключей соединены с входомодного из усилителей мощности, выходыключей с пятего по восьмой - с входомдругого усилителя мощности, а четыревыхода распределителя импульсов связанысоответственно с управляющими входамипервого и пятого, второго и шестого.третьего и седьмого, четвертого и восьмого аналоговых ключей,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под общ. ред. Чиликина М. Г., МЭнергия, 1971, с, 4448,2. Исмаилов Ш, Ю, Автоматическиесистемы и приборы с щаговыми двигателями, М., Энергия", 1568, с. 51-52,44/46 Тираж 783 БНИИПИ Государственног по денем .изобретений 113035, Москва, Ж-.35, Подписноекомитета СССРи открытийРаушская наб., д. 4/5 ипил ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель 3, ГорникН. Воликова Текред М. Петко Корректор С. Шомак