Устройство для управления шаговым двигателем

10 Недостатком укаэанного устройстВа яВляются ограниченный диапазон рабочих частот и колебания скорости в области низких частот управления, что обусловлено высокой скоростью нарастания тока в фазах двигателя. Ограничение диапазона рабочих частот обусловлено модуля цией Фаэных токов как в области низких, так и высоких частот. Если модуляция токов в области низких частот уменьшает цену шага и приводит к повьзаению плавности движения, то 65 Изобретение относится к электро технике, а именно к управлению шаговыми электродвигателями, и может.быть использовано в дискретных системах автоматического управления металлорежущих станков с программным 5управлением, координатографов, манипуляторов и других механизмов.Известны устройства для управления шаговым. двигателем с дробленией шага,Одно из таких устройств содержитключи, управляемые от элементовИЛИ-НЕ, распределитель импульсов итокоограничивающие резисторы, соединенные последовательно с Фазами шагового двигателя 1 ).Недостаткой этого устройстваявляется большое число силовых клю"чей и токоограничивающих резисторов,усложняющих устройство и увеличивающих его габариты. 20Известно также устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее два делителя частоты, распределитель импульсов и усилитель мощности 23. 25В этом устройстве модуляция Фазных токов для уменьшения цены шага осуществляется подачей иа входыраспределителя импульсов двух частот, что вызывает дополнительную 3 Окоммутацию силовых ключей усилителямощности и изменение амплитуды фаэных токов с разностной частотой,Недостатком такого устройстваявляется низкий КПД, обусловленныйкоммутацией силовых ключей усилителя мощности с высокой частотой, большие пульсации тока и неравномерностьделения шага из-за линейного изменения Фазных токов.Наиболее близким к изобретению 4 Опо технической сущности и достигаемому результату является устройстводля управления шаговым двигателемс дроблением шага, содержащее подклю;ченные к фазам двигателя усилители 45мощности с цепями обратной связи,регулятор напряжения, связывающийфазы двигателя с источником питания постоянного тойа, преобразователи код-аналог и преобразователь 5 Окода, .подключенные входами к выходам распределителя импульсов 33. в области высоких частот, где движение непрерывное и колебания скорости малы, она уменьшает нагрузочную способность двигателя, уменьшая тем самым максимальную рабочую частоту двигателя.Целью изобретения является повышение плавности движения и расширение диапазона рабочих частот двигателя.Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее усилители мощности с цепями обратной связи, регулятор напряжения, связывающий фазы двигателя с источникам питания постоянного тока, преобразователи код-аналог и преобразователь кода, подключенные,входами к выходам распределителя импульсов, снабжено преобразователем частота-аналог, пороговым элементом, распределительными ключами по числу усилителей мощности, в цепи обратной связи каждого из ко"торых установлен ключ, подключенный упрайляющим входом к выходу пороговаго элемента, соединеннего входомс входом регулятора напряжения ивыходом преобразователя частота-ана"лог, подключенного входом к тактовому входу распределителя импульсов,причем выходы распределительных ключей соединены с входами усилителей;мощности, управляющие входы распределительных ключей соединены с выходами преобразователя кода, а сигналь. ные входы распределительных ключей, взятых через Ьдин, подключены .к выхо. дам соответствующих преобразователей код-аналог.Кроме того, в устройство введен силовой ключ, связывающий источник питания постоянного тока с выходом регулятора напряжения и подключенный управляющим входом к выходу пора гового элемента.Такое выполнение устройства позволяет замедлить процессы изменения, така в фазах двигателя в области ниэ. ких частот благодаря подаче напряжения низкого уровня, регулируемогов Функции частоты. Это приводит к уменьшению колебаний скорости в области низких частот, т.,е. повышает равномерность и плавность движения. Кроме того, в области высоких частот устройство переводит шаговый двигатель в режим нормальной коммутации беэ дробления шага (но беэ .потери числа отработанных шагов ), обеспечивая при этом подачу на фазы двигателя повышенного напряжения,. что приводит к увеличению максимальной рабочей частоты.На фиг. 1 приведена схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю с цепью обратной связи по току; на Фиг, 2 - вре1042151 3менные диаграммы сигналов на отдель-, ных элементах.Устройство (фиг, 1) содержит распределитель импульсов,1, преобразо- ватели код-аналог 2, преобразователь 3 пт= тактного кода в в =тактный,. 5 ( где гп - число фаз; п - коэффицИент дробления шага,), распределительныЕ ключи 4, ключи обратной связи 5, преобразователь частота-аналог 6., пороговый элемент 7, регулятор на О пряжения 8, разделительный диод 9,: - , силовой ключ 10, усилители мощности - ( коммутирующие ключи ) 11, соединяющие Фазы 12 шагового. двигателя с источниками питания, низкого 02 ивысокогоуровней, и разрядную цепь, образованную коНденсатором 13, резистором 14 и диодами 15. Цепь обратной связи кажДого усилителя мощности 11 образована резистором 16, - включенным последовательно (или па2 О раллельно ) с Фазой 12 двигателя (это: не является существенным для рассма- триваемого устройства). Распределитель импульсов 1 сое-25 динен тактовым входом Т с источником управляющих импульсов. Е, а входами . направления движения В и Н - с ко= . мандным устройством ( на чертеже не,. показаны ). Выходы всех каналов. рас;, К пределителя импульсов 1 подключены к выходам преобразователей код-ана-, лог 2 и преобразователя 3 пп - тактового кода в в в .тактный. Выход каждого преобразователя код-аналог,:, З 5 2 соединен с сигнальными входами распределительных ключей 4, взятых через один, которые связаны своими выходами с входами усилителей 11, коммутирующих Фазы 12 двигателя со сдвигом на половину периода ком- . 4 О мутации, т.е. совместно не возбуждаемые фазы. Управляющие входы распре-. делительных ключей 4 подключены к выходам преобразователя кода 3.КФО- чи обратной связи 5 подключены управ ляющими входами к выходу пороговож элемента 7, а их сигнальная цепь включена в цепь обратной связи каж-, дого усилителя мощности 11. Вход . порогового элемента 7 соединен с .;- 5 О входом регулятора напряжения 8 и выходом преобразоватеЛЯ частота-ана, лог 6, подключенного входом к такто-" вому входу распределителя импуль.Сов 1. Выход ПОРОГОВОГО элемента 7; 55 соединен также с управляющим входом .силового ключа 10, связывающего общую точку фаз 12 с источником питания высокого уровня 01 . Регулятор напряжения 8 соединяет источ- ник питания низкого уровня 02 через 60 диод 9 также с общей точкой фаэ 12.: Выходные зажимы фаэ 12 через диоды 15 подключены к общей разрядной цепи, состоящей из конденсатора 13 И резистора 14 (в общем случае, разряд" 65 ная цепь может быть выполнена любой,что не является существенным дляданного изобретения ).Устройство работает следующимобразом,В зависимости от сигналов, поданных на входы направления движенияВ и Н распределителя импульсов 1обеспечивается прямое или обратноечередование сигналов на его выходах.При подаче на вход В единичного сиг"нала, а на вход Н - нулевого импуль-.са, поступающие на тактовый вход Траспределителя импульсов 1, обеспечивают прямое. чередование выходныхсигналов. Подача на .вход Н единичного сигнала, а вход В - нулевого изменяет порядок чередования выходныхсигналов распределителя, На фиг. 2приведены временные диаграммы сигна.лов применительно к четырехфазномушаговому двигателю с дроблением шагав 3 раза (числофаз двигателя Гп = 4,коэффициент дробления шага ь = 3).При подаче на тактовый вход Т импульсов с частотой Ф (О на фиг. 2 ).навыходах распределителя импульсов 1,имеющего число тактов коммутации,равное в ( для рассматриваемого слу-чая число тактов коммутации равно 12)/вырабатывается двенадцатиканальная идвенадцатитактнаяфпоследовательностьпрямОУГОльных импульсов Ор 1 - ОР,2( фиг. 2 ), скважность которййх зависит от схемы построения распредели"теля и в общем случае может бытьпроизвольной. Преобразователь кода 3 преобразует ьо -тактную последовательность импульсов на выходераспределителя импульсов .1 в в - такт-.ную (О-О, на Фиг. 2 ), котораяиспользуется для управления распре-.делительными ключами 4.Преобразователи код-аналог 2 вырабатывают аналоговые сигналы, изменяющиеся по ступенчато-синусоидаль"ному закону и сдвинутые относительно друг друга на 1/в цикла распре-,делителя (для рассматриваемого случая напряжения на выходах преобразователей код-аналог 2 сдвинуты на;1/4 периода). Сигналы на выходахпреобразователей код-аналог Обозначены на фиг. 2 как Оои Оо, . Распределительные ключи 4 по,сигналампреобразователя кода 3 поочередноподключают выходы Преобразователейкод-аналог 2 к различным усилителяммощности 11. При этом каждый пре"образователь код-аналог 2 соединенс выходами двух ключей 4, которыесоединены с усилителями мощности 11,коммутирунхаими две одновременно невозбуждаемые фазы 12 шагового двигателя. Для рассматриваемого случаяуправления четырехфазным шаговым двигателем сигнал Ос, поочередно подключается к усилителям мощности пер".вой и третьей Фаэ, а сигнал Од 2.-второй и четвертой фаз. В результате взаимодействия сигналов с преобразователем код-аналог 2 и преобразователя кодов 3 на входы усилителей мощности 11 н, соответственно на фа" зы шагового двигателя, подаются напряжения (прн наличии в усилителе мощности цепи отрицательной обратной связи по напряжению ) или по ним протекают токи (при наличии в усилителе мощности цепи отрицатель ной обратной связи по току, как показано на фиг. 1), форма которых соответствует сигналам 0 - 0 на фиг. 2. Транзисторы усилителей мощности при этом работают в актив ном режиме, изменяя в соответствии с заданными входными напряжениями либо напряжения на фазах двигателя ( когда используется цепь обратной связи по напряжению ), либо ток (ког-. да используется цепь обратной связи по току ).С точки зрения достигаемого эффекта конкретное выполнение цепи отрицательной обратной связи в усилителе мощности 11 (по току или напряжению) не является существенным. Важно, чтобы такая обратная связь была.Модуляция фазных токов (напряжений ) в соответствии с диаграммами О - О - обеспечивает уменьшение цечны шага двигателя (в рассматриваемом случае в и = 3) и, следовательно, повышает плавность движения. Работа транзисторов усилителей мощности в активном режиме исключает пуль сации тока в фазах двигателя и спо,собствует более плавному движению при отработке каждого шага. Этойже цели служит и регулятор напряжения, который подает на фазы двигателя пойженное напряжение, необхо димое для выполнения условияОф=З Р+ЛО,где Оф - напряжение на выходе ре.гулятора 8;Э - максимальное значение тока в фазе 12 двигателя;к - сопротивление фазы 12 уйО - падение напряжения в уси.лителе мощности и резисторе обратной связиДробление шага особенно эффектив но в области низких частот, когда двигатель успевает отрабатывать каждай шаг и фиксироваться после 55 отработки, а также в области средних частот (в частности, в области резонанса), обеспечивая снижение колебаний скорости. При этом плав-. ность движения повышается с уменьшением напряжения питания.Однако работать в широком диапазоне частот при 0 =соозВ двигатель не может, поскольку с увеличением частотырастет ЭДС вращения, 65 уменьшающая тбк в фазах двигателя и снижающая развиваемый двигателем момент. Для сохранения нагрузочной способности двигателя в диапазоне средних частот в предлагаемом устройстве используется преобразователь частота-аналог б, вырабатывающий вы" ходное напряжение, пропорциональное частоте Е . Это напряжение подается на вход регулятора напряжения 8 и увеличивает выходное напряжение регулятора 8 с ростом частоты Е .Этим обеспечивается постоянство момента шагового двигателя в области низких и срецних частот.В области высоких частот .движение шагового двигателя носит непрерывный характер, колебания сравнительно малы и эффективность дробления шага низка. Более того, изменение вход-, ных сигналов усилителей мощности по ступенчато-синусоидальному закону из-за существенного влияния индуктивности фаз на процессы изменения тока в области высоких частот приводит к снижению фазного напряжения и, следовательно, к уменьшению момента двигателя и максимальной рабочей скорости. Работе шагового двигателя в области высоких частот препятствует и активный режим транзисторов усилителя мощности 11, поскольку из-за низкой мощности, управляемой транзисторами в этом режиме, невозможно повысить питающее напряжение. Для увеличения максимальной скорости двигателя в предлагаемом устройстве используется переключе- ние транзисторов усилителей мощности.11 из активного режима работы ,в ключевой, обеспечивающйй комму;тацию значительно больших мощностей, Переключение режимов работы усилителей мощности 11 обеспечивается поро-, говым элементом 7, порог срабатывания которого настраивается на режим непрерывного движения шагового двигателя, и ключами обратной связи 5) разрывающими цепь обратной связи в каждом усилителе мощности.ключ 5 шунтирует резистор 16 обратной связи по току, в результате чего транзистор переходит в режим насыщения при минимальной ступени задающего напряжения О - О При этом к фазам 12 двигателя прикладывается на всем интервале проводимости неизменное напряжение, Диаграммы фаэных напряжений в этом случае аналогичны диаграммам напряжений О -О, навыходах преобразователя кода 3.Дальнейшее повышение максимальной скорости шагового двигателя можно получить путем подачи на фазы двигателя в области высоких частот напряжения О ь 0. В предлагаемом устройстве это обеспечивается введением силового ключа 10, который открывается сигналом с выхода поро-. гового элемента 7. Диод 9 препятству ет закорачиванию источника питания 0 на 02 . В этом режиме регуля-. тор напряжения 8 не используется. 5Для уменьшения перенапряжений при отключении фаэ 12, возникающих приработе усилителей мощности 11 в клю.-. чевом режиме, используется разрядная цепь из конденсатора 13 и гасящего . резистора 14, связанная диодами 15- с фазами 12 двигателя. При. этом энергия отключаемых фаз 12 гасится в.резисторе 14 В рамках данного иэобретейия схема выполнения разрядной. цепи не является существенной, Можетбыть использован любой известный способ уменьшения перенапряжений на усилителях мощности, а также любой способ рекуперации энергии отключаемых фаз 12.Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает работу усилителей мощности в режиме параметрической стабилизации в области низких частот с подачей на фазы двигателя пониженного напряжения, что повыша-. ет плавность движения и переводит усилители мощности в ключевой режим с подачей на фазы двигателя повышенного напряжения, что приводит к увеличению максимальной рабочей скорости.1042151 В С О Ь Ь Составитель 3. ГорникРедактор С. Тимохина ТехредВ,Далекорей Корректор О. Билак Заказ и В, Н Р 1 0 рг фз Цц Ор 0 Ор, У Урн Ррю п Ррг Йю. Ьг щ лю 0 ц, Одг 7145/56 Тираж 687 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открйтий113035, Москва, ж, Рауюская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4