Устройство для управления шаговым электродвигателем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ПЮ (И): С 59 Н 02 Р 8 0 СР РЬПИЙ(54 ШАГ СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИОТН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Авторское свидетельство СССР 736333, кл. Н 02 Р 8/00, 1977.)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ по авт. св. Р 736333, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности позиционирования и КПД,введены источник опорного напряжения, шесть дополнительных аналоговых ключей, дополнительный инвертор и два блока умножения, первый вход одного из которых подключен к выходам первого, второго,третьего и четвертого основныхключей, первый вход другого блокаумножения - к выходам основныхключей - с пятого по восьмой, вторые входы обоих блоков умножениясоединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входамисоответственно с выходом фазочувствительного усилителя и источником опорного напряжения, выход одного иэ блоков умножения подключенчерез третий и пятый дополнительныеключи к входу одноименного усилителя мощности, а выход другогоблока умножения через четвертыйшестой дополнительные ключи - к входу другого усилителя мощности,управляющие входы первого, третьегои шестого дополнительных ключейсоединены с выходом порогового устройства через дополнительный инвертор, а второго, четвертого и пятого дополнительных ключей - непосредственно, 1032584Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для управления шаговым электродвигателем, и может быть использовано в научных приборах, оптико-механических устройствах совмещения изобра жений, в электромеханических устройствах отббражения информации, станках и установках.По основному авт, св. Р 736333 известно устройство для управления 1 О шаговым электродвигателем, содержащее усилители мощности, питающие фазы электродвигателя, распределитель импульсов, пороговое устройство, ключевое устройство, генератор импульсов, фазочувствительный усилитель, сравнивающий элемент, восемь аналоговых ключей, два инвертора и два функциональных преобразователя 1 .Входы функциональных преобразо- Жвателей соединены с выходом фазочувствительного усилителя, выхододного преобразователя связан с входом первого инВертора и аналоговымивходами первого и шестого ключей, 25выход другого преобразователя - с .входом второго инвертора и аналогововыми входами четвертого и пятогоключей, выход первого инвертораподсоединен к аналоговым входам ЗОтретьего и восьмого ключей, выходвторого инвертора - к аналоговымвходам второго и седьмого ключей,выходы первого, второго, третьегои четвертого аналоговых ключейсоединены с входом одного из усилителей мощности, выходы ключей с пятого по восьмой - с входом другогоусилителя мощности, а четыре выхода распределителя импульсов связаны соответственно с управляющими Овходами первого и пятого, второгои шестого, третьего и седьмого, четвертого и восьмого аналоговых ключей,В указанном устройстве точность 45слежения и позиционирования ограничены иэ-за того, что вблизи точки рав.,овесия электромагнитный момент шагового электродвигателя уменьшается пропорционально углу рассогласования между векторами магнитных полей статора и ротора двигателя аэлектрические потери остаются практически неизменными.Цель изобретения - поведение точности и КПД устройства.Поставленная цель достигается тем,что в устройство управления шаговымэлектродвигателем введены источникопорного напряжения, шесть дополнительных аналоговых ключей, дополнительный инвертор и два блока умножения, первый вход одного из которых подключен к выходам первого,второго, третьего и четвертого основных ключей, первый вход другого бло- у ка умножения - к выходам основныхключей - с пятого по восьмой, вторыевходы обоих блоков умножения соединены с выходами первого и второго дополнительных ключей, связанных своими аналоговыми входами соответственно,с выходом фазочувствительногоусилителя и источником опорного напряжения, выход одного из блоковумножения через третий и пятый дополнительные ключи подключен квходу одноименного усилителя мощности, а выход другого блока умножения через четвертый и шестой дополнительные ключи - к входу другогоусилителя мощности, управляющие входы первого, третьего и шестого дополнительных ключей соединены свыходом порогового устройства черездополнительный инвертор, а второго,четвертого и пятого дополнительныхключей - непосредственно.Такое выполнение устройства позволяет вблизи точки равновесия осуществить регулирование величины электромагнитного момента путем изменения амплитуды фазных токов в функциисигнала рассогласования, получаемого .на выходе сравнивающего элемента.При этом электромагнитный моментдвигателя не зависит от угла рассогласования между векторами магнитных полей статора и ротора, Другимисловами, шаговый двигатель работает в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока с регулированиемэлектромагнитного момента в функциитока якоря, что приводит к значительному повышению КПД,поскольку развиваемый,цвигателем момент не" бходим только для уравновешивания момента нагрузки. Кроме того, повышается точность устройства, так какустраняется влияние рассогласованиявекторов магнитных полей статораи ротора на величину электромагнитного момента,На фиг, 1 приведена функциональная схема устройства применительнок четырехтактному шаговому двигателю на фиг. 2 а,б,в,г,д - примерный вид характеристик вход-выходфазочувствительного усилителя и функциональных преобразователей, нафиг. 2 е - векторная диаграмма токов в фазах.Устройство фиг, 1 ) содержит двухфазный шаговый электроцвигатель 1, вал которого связан с сравнивающим элементом 2, выход которого подключен к входаь ш рогового устрой ства 3 и фазчувствительного усилителя 4, подсоеДыненного Одним своим выходом (й )к входам функциональных преобразователей 5 и б, В рой выход фазочувствительного усилителя 4,. по которому передается сигнал о знаке рассогласования,. соедин .и с входом55 б 0 65 выбора направления вращения распределителя 7 импульсов, управляющий вход которого связан с выходом ключевого устройства 8, соединенного одним входом с выходом генератора 9 импульсов, а другим - с выходом порогового устройства 3, Выход Функционального преобразователя 5 связан с входом инвертора 10 и аналоговыми входами ключей 11 и 12, выход функционального преобразователя 6 - с входом инвертора 13 и аналоговыми входами ключей 14 и 15, выход инвертора 10 - с аналоговыми входами ключей 16 и 17, выход инвертора,13 - с аналоговыми входами ключей 18 и 19. Выходы аналоговых ключей 11, 14, 16, 18 соединены с одним из входов блока 20 умножения, а выходы аналоговых ключей 12, 15, 17, 19 - с одним иэ входов блока 21 умножения, Другие входы блоков 20 и 21 связаны с выходами аналоговых ключей 22 и 23. Выход блока 20 подключен к аналоговым входам ключей 24 и 25, а выход блока 21 - к аналоговым входам ключей 26 и 27. Выходы ключей 25 и 27 соединены с входом усилителя 28 мощности, к выходу которого подсоединена фаза 29 (Фаза А ) шагового двигателя, а выходы ключей 24 и 26 " с входом усилителя 30, к выходу которого подсоединена фаза 31 (фаза В ) двигателя. Аналоговый вход ключа 22 соединен с выходом фаэочувствительного усилителя 4, а аналоговый вход ключа 23 - с выходом источника 32 опорного напряжения, Выходы 33, 34, 35, 36 распределителя 7 импульсов связаны соответственно с управляющими входами аналоговых ключей 11 и 15, 12 и 18, 16 и 19, 14 и 17. Управляющие входы аналоговых ключей 22, 2427 соединены с выходом порогового устройства 3 через инвертор 37, а управляющие входы аналоговых ключей 23, 25 и 26 - непосредственно. Устройство работает следующим образом.Вал шагового электродвигателя на:ходится в таком положении, что сигнал рассогласования Г на выЖде сравнивающего элемента 2 равен нулю. Сигналы на выходах усилителя 4 и порогового устройства 3 отсутствуют и распределитель 7 импульсов находится в таком состоянии, что потенциал на .одном иэ его выходов открывает аналоговые ключи 11 и 15, Кроме того, потенциал на выходе инвертора 37 открывает аналоговые ключи 22, 24 и,27., В этом случае сигналы с выходов функциональных преобразователей 5 и 6 поступают на входы блоков 20 и 21 умножения соответственно, Примерный вид характеристик вход-выход функциональных преобраэо" 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вателей и фаэочувствительного усилителя 4 приведен на фиг. 2 а, д. Усилитель 4 обеспечивает линейную характеристику (Фиг. 2, а ) в пределахзаданной зоны, ширина которой повходному сигналу совпадает с шагом,двигателя о-, а за ее пределами имеет место ограничение (коэффициентусиления К равен нулю).При открытых аналоговых ключах11 и 15 сигнал Ь, поступающий с выхода усилителя 4 на функциональныепреобразователи 5 и 6 и"преобразуемый в соответствии с Функциональными зависимостями, приведенными нафиг. 2, б, попадает на входы блоков20 и 21 умножения, обеспечиваятребуемую Форму Фазных токов 1 д идля шагового режима. Так как в исходном состоянии сигнал рассогласования= 0 и Ь = О, то в соответствии с фиг. 2, б ток 1, = О, аток 1 максимален. Результирующийвектор токов совпадает с векторомтока 1 и располагается в центрепервого квадранта ( фиг. 2, е 2 . Извекторной диаграммы на Фиг. 2, евидно, что в случае, когда двигательимеет синусоидальное распределениев воздушном зазоре поля статора иротора, плавное перемещение результирующего вектора магнитного полястатора, пропорциональное сигналурассогласования б , можно обеспечить, если токи в Фазах изменяютсяпо синусоидальному и косинусоидальному законам. Такое изменение токов обеспечивается в пределах первого квадранта эа счет характеристикпреобразователей 5 и 6 (фиг. 2, б ).Если распределение магнитных полейотличается от синусоидального, тошаговый двигатель можно прокалибровать, и в соответствии с полученными результатами определить вид характеристик вход-выход Функциональных преобразователей 5 и 6,.Поскольку в рассматриваемом состоянии открыт аналоговый ключ 22 исигнал, поступающий через этотключ на входы умножителей 20 и 21,равен нулю, то результирующие сигналы на выходах блоков умножения также равны нулю и токи в Фазах двигателя отсутствуют,При возникновении сигнала рассогласования Е меньшего по модулю, чем половина ширины зоны нечувствительности порогового устройства 3, например, за счет изменения нагрузки, величина сигнала Д будет отличаться от нуля и в фазах двигателя возникнут токи, зависящие от сигналаи выходных сигналов Функциональных преобразователей 5 и 6. Сигналы с выходов Функциональных преобразователей 5 и 6, умноженные в блоках 20 и 21 на сигнал 4 (с учетомего знака , поступят через открытый аналоговые ключи 24 и 27 на входы усилителей 30 и 28 мощности соответственно. Возникающие при этом токи в фазаа двигателя 31 и 29 создадут электромагнитный момент, величина которого определяется только сигналом рассогласования й (с учетом масштабных коэффициентов) и не зависит от угла между векторами магнитных полей статора и ротора. Знак электромагнитного момента, зависящий от знака сигнала д, "таков, что вал двигателя вращается в направлении, обеспечивающем уменьшение сигнала рассогласования Е . После окончания переходного процесса вал двигателя занимает прежнее положение, определяемое сигналом задающего воздействия 6, с точностью До статической ошибки системы. Другими словами, при сигнале рассогласования Е , обеспечивающем работу системы в пределах зоны нечувствитель ности порогового устройства 3, шаговый двигатель переводится в режим бесконтактного двигателя постоянного тока с формированием фазных токов в Функции угла поворота ротора. При этом повышается точность системы и КПД двигателя.Если сигнал рассогласования пре-, вышает половину ширины зоны нечувСтвительности порогового устройства3то сигнал с его выхода открывает ключевое устройство 8 для подачи импульсов от генератора 9 на вход распределителя 7 импульсов. Одновременно закрываются аналоговые ключи 22, 24, 27, а ключи 23, 25, 26 открываются. При этом на входы блоков умножения поступает сигнал от источника 32 опорного напряжения, обеспечивая постоянство амплитуды Фазныхтоков двигателя, Команда выбора направления движения вала двигателя по дается на распределитель импульсовв зависимости от знака сигнала рассогласования.Таким образом, большие рассогласования отрабатываются двигателем 1 О в шаговом режиме, а малые - в режимебесконтактного двигателя постоянного тока за счет изменения амплитуды фазных токов в функции угла рассогласования ( с учетом знака .Из графиков на Фиг, 2, а, б, в,г, д видно, что при больших рассогласованиях токи в обмотках двигателя по модулю равны 0,7071 1, и прикоммутации аналоговых ключей по сигналам распределителя импульсов изменяются только по знаку, обеспечиваяпарную четырехтактную коммутацию шагового двигателя.Шаговый двигатель может иметьдругое число тактов коммутации ифаз, а также расщепленные фазы. Вэтом случае соответственно изменяютчисло функциональных преобразователейаналоговых ключей и усилителей мощности.3 О Предлагаемое устройство благодарявведению блоков умножения, источникаопорного напряжения, дополнительныханалоговых ключей и инвертора обес"печивает изменение амплитуды Фазныхтоков бесконтактного двигателя постоянного тока в функции сигнала рассогласования и повышает точность иКПД .автоматической системы с шаговым электродвигателем.1032584 екмар 418/59ВНИИП а 130 Составитель 3. Горинедактор Н. Стащишина Техред М,Контура Тираж И Государственного делам изобретений Москва, Ж, Рауш 87комитета СССРи открытийскан наб., д. илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектн орректор одписное