Устройство для управления фазным шаговым двигателем

(19) 02 Р 800 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 39инамики АН нструкторскоИнститута элек П, Мельни Афонинельство СССР8/00, 1981,ьство СССР17/56, 983Р ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬ 1 ТИЙ(71) Институт электрУССР и Специальное ктехнологическое бюротродинамики Н УССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ 1 ъ -ФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к управлению электрическими машинами, Цельизобретения - повышение надежности иКПД устройства для управления т -фазным шаговым двигателем при переменной нагрузке двигателя, Устройствосодержит источник постоянного напряжения 1, диоды 2, 3, 8, 9, 10, тиристор 4, нагрузочные обмотки 5 - 7,конденсатор 11, ч -канальный усилитель 12 мощности, резисторные датчики тока 13 - 16, формирователь 17 импульсов, амплитудные детекторы 18 - Я1265920, компараторы 21 - 23, элементыИЛИ 24, 36, одновибраторы 25 - 28,элементы 2-2 ИИЛИ 29-31, триггеры32-35, элементы 3-ЗИИЛИ 37-39,программный блок 40. В устройстве период проводимости управляемого ключаусилителя мощности, в течение которого к обмотке двигателя подводитсянапряжение источника питания, автоматически регулируется в зависимостиот приложенной механической нагрузки.Причем длительность импульса проводимости ключа соответствует минималь 64ной необходимой энергии, поступающейв обмотку для перемещения якоря наодин шаг, за счет чего улучшаютсяэнергетические показатели устройства, Надежность его повышается вследствие того, что включение следующейпо порядку работы обмотки двигателяи отключение работающей при поочередной коммутации не происходит до техпор , пока не получена информация об очередном перемещении якоря двигателя на одиншаг. 3 ил.Изобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано для управления шаговыми двигателями, в частности линейными, а также вибраторами.Цель изобретения состоит в повышении надежности и КПД при переменной нагрузке двигателя.На фиг.1 приведена схема устройства управления шаговым электромагнитным двигателем, например, для случая п = 3; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов на основных элементах схемы; на фиг.З - одна из возможных схем амплитудного детектора.Устройство содержит источник постоянного напряжения, первый и второй диоды 2 и 3, тиристор 4, нагрузочные обмотки 5 - 7, третьи диоды 8 - 1 О, конденсатор 11, т -канальный усилитель 12 мощности, резисторные датчики 13-16 тока, формирователь 17 импульсов, амплитудные детекторы 18- 20, компараторы 21 - 23, первый элемент ИЛИ 24, одновибраторы 25 - 28, элементы 2-2 ИИЛИ 29 - 31, триггеры 32 - 35, второй элемент ИЛИ 36, элементы 3-ЗИИЛИ 37 - 39, программный блок 40.На фиг.2 кривая 41 показывает напряжение на конденсаторе 11; кривая 42 - ток заряда конденсатора; кривая 43 - напряжение на выходе формирователя 17; кривая 44 - сигнал на выходе одновибратора 25; график 45 - сигнал на выходе триггера 35; график 46 -сигнал на выходе элемента 37, график4 - ток обмотки 5; график 48 - напряжение на выходе амплитудного детектора 18; график 49 - совмещение гра 5 фиков 47 и 48, график 50 - сигнал навыходе компаратора 21; график 51сигнал на выходе одновибратора 26;график 52 - напряжение на инверсномвыходе триггера 32; кривая 53 - нап 10 ряженне на обмотке 5, На графиках 5458 показаны соответственно сигнал навыходе элемента 38, ток обмотки 6,напряжение на выходе компаратора 22,сигнал на выходе одновибратора 27 и1 напряжение на инверсном выходе триггера 33; на графиках 59 - 63 - соответственно сигнал на выходе элемента39, ток обмотки 7, напряжение на выходе компаратора 23, сигнал на выхо 20 де одновибратора 28 и напряжение наинверсном выходе триггера 34; награфиках 64 и 65 - напряжение на выходах программного блока,25Амплитудный детектор содержит конденсатор 66, подключенный ко входуоперационного усилителя 67, а такжеоперационный усилитель 68. Конденсатор 66 шунтирован ключом 69, выход о усилителя 68 через диод 70 соединенс конденсатором 66, а выход усилителя 67 соединен с инверсным входомусилителя 68 через резистор 71, Прямой вход 72 усилителя 68 является 35 сигнальным входом амплитудного детектора, управляющий вход 73 ключа 69является управляющимвходом детектора,5964 4 ходом детектора.Первые выводы нагрузочных обмоток 5 - 7 через соответствующие управляемые ключи л -канального усилителя 12мощности и резисторные датчики 13 15, соединены с первым полюсом источника 1 питания, а через соответствующие третьи циоды 8 - 10 - со второй обкладкой конденсатора 11 и первым ц выходным электродом тиристора 4, второй выходной электрод которого соединен со вторым выводом нагрузочных обмоток и с одноименными электродами первого и второго диодов 2 и 3, ко торые включены встречно последовательно между вторым и первым полюсом источника 1 питания, причем первый диод 2 включен по отношению к источникупитания в прямом направле нии.К первому полюсу источникапитания через реэисторный датчик 16 подключена первая обкладка конденсатора 1, соединенная с входом формирова теля 17 импульсов, выход которого через одновибратор 25 соединен с первым входом триггера 35, один выход ,которого соединен с третьими входами первых и вторых ячеек элементов И 37-Зб 39, а общие точки соединения управляемых ключей-канального усилителя 12 мощности и резисторных датчиков 13 - 5 соответственно соединены с сигнальными входами амплитудных де 35 текторов 18-20 и первыми входами ком. параторов 21 - 23, вторые входы которых соединены с выходами амплитудных детекторов 18 - 20, а выходы компараторов 21 и 23 через одновибрато 40 ры 26 - 28 соединены с первыми входами триггеров 32 - 34 и входами второго элемента ИЛИ, выход которого связан со вторым входом триггера 35, а ;первый вход 32 триггера связан со вторым входом второй ячейки элемента И 30 и вторым входом первой ячейки элемента И 31. Первый вход триггера 33 соединен со вторым входом второй ячейки эле мента И 31 и со вторым входом первой ячейки элемента И 29, а первый вход триггера 34 соединен со вторым входом второй ячейки элемента И 29 и вторым входом первой ячейки элемента 55 И 30. Выходыэлементов 29 - 31 соответственно соединены со вторыми входами триггеров 32 - 34, причем пряз 126а выход 74 усилителя 67 является вымой выход триггера 32 соединен с управляющим входом амплитудного детектора 8, а прямой выход триггера 33 с управляющим входом амплитудногодетектора 19, Прямой выход триггера34 соединен с управляющим входом амплитудного детектора 20, инверсныйвыход триггера 32 - со вторым входомпервой ячейки элемента И 38 и вторымвходом второй ячейки И элемента 39,а инверсный выход триггера 33 соединен со вторым входом первой ячейкиэлемента И 39 и вторым входом второйячейки элемента И 37. Инверсный выход триггера 34 соединен со вторымвходом первой ячейки элемента И 37 ивторым входом второй ячейки элемента И 38Первые входы первых ячеек элементов И 29 - 31 и элементов 37 - 39 соединены с первым выходом программного блока 40, осуществляющего управление движением "Вперед", а первые входы вторых ячеек элементов И 29 - 31и элементов 37 - 39 соединены со вторым выходом блока 40, осуществляющего управление движением Назад", Выходы элементов 37 - 39 соединены совходами соответствующих ключей т -канального усилителя 2 мощности и входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим электродом тиристора 4,Устройство работает следующим образом.После подачи питания и импульсана вход "Начальная установка" на инверсных выходах триггеров появляетсясигнал логического "0", кроме одного,,на инверсном выходе которого появляется сигнал логической , например,у триггера 34 (63 фиг.2). В качестветриггеров можно использовать Ктриггер с установочными входами К-Я,Пусть на выходе 1 блока 40 присутствует сигнал логической "1" (64 фиг.2), а на выходе 2 блока 40 - сигнал логического "0" (65 фиг.2) . Так как на одном выходе триггера 35 присутствует сигнал логического "0". (45 фиг.2), то на выходе элементов 37 39 также имеется сигнал логического 1 11О и управляемые ключи г-канального усилителя мощно с ти ,раз омкнуты , В это время идет заряд конденсатора(4фиг . 2 ) по цепи : второй полюс ис -. , точника 1 питания - диод 2 - нагрузочные обмотки - третьи диоды - кон 3 ,12659денсатор 11 - реэисторный датчик 16 первый полюс источника 1 питания.Конденсатор 11 заряжается, Падениенапряжения на резисторном датчике6, пропорциональное току заряда (42фиг.2), поступает на вход формирователя импульсов 17, с выхода которогополучают импульс (43 фиг,2), запускающий своим задним фронтом одновибратор 25 (44 фиг,2), который вырабатывает короткий импульс логического "О", устанавливающий выход триг.гера 35 в состояние логической "1""1" на трех входах первой ячейкиэлемента И 37 поступает на соответствующий вход п -канального усилителя мощности, замыкая ключ, подключающий нагрузочную обмотку 5 к источнику питания, Одновременно этот жесигнал логической "1", проходя черезэлемент 24, обеспечивает включениетиристора 4, если напряжение на конденсаторе 11 превышает напряжение источника 1 питания, Протекающий черезна 1 рузочную обмотку 5 ток (47 фиг,2)создает пропорциональное его величине падение напряжения на резисторномдатчике 13, которое поступает на сиг-З 0нальный вход амплитудного детектора18 и на первый вход компаратора 21,Ток в обмотке двигателя изменяетсяпо определенному закону (47 фиг.2),отражающему перемещение якоря и изменение магнитных параметров системы, причем изменение тока в интервале Т - (47 фиг,2) соответствует от 1 тработке шага. Сигнал с выхода амплитудного детектора 18 (48 фиг.2) поступает на второй вход компаратора 21, который производит сравнение мгновенных значений поступающих напряжений (49 фиг.2). На выходе компаратора 21 фор 45 мируется импульс, когда напряжение 48 (49 - обозначено пунктиром) боль- ше напряжения 47 (49 - обозначено сплошной линией) . Импульс с выхода компаратора 21 (50 фиг.2) задним фронтом запускает одновибратор 26, с выхода которого получают короткий импульс логического "0" (51 фиг,2), поступающий на первый вход триггера 32, изменяя его выходное состояние на противоположное; на инверсном выходе появляется сигнал логической "1" (52 фиг.2), а на прямом выходе 64 Ьсигнал логического "0", которьй, замыкая ключ 69, разряжает конденсатор 66 амплитудного детектора 18. Одновременно импульс с выхода одновибратора 26 через второй элемент ИЛИпоступает на второй вход триггера 35,изменяя его выходное состояние (45фиг,2),Этот же импульс поступает на вто"рой вход второй ячейки элемента И30, не изменяя выходное состояниеэтого элемента, и на второй входпервой ячейки элемента И 31, на первый вход первой ячейки И которогопоступает сигнал логической "1" свыхода программного блока. Короткийимпульс логического 0", проходящийчерез первую ячейку элемента. И 31,поступает на второй вход триггера34 изменяя его выходное состояние(63 фиг,2), На прямом выходе триггера 34 появляется сигнал логической"1", размыкающий ключ 69 амплитудно"го детектора 20, а на инверсном выходе сигнал логического 0, поступающий на второй вход второй ячейкиэлемента И 38 (не изменяя его выходное состояние), и на второй вход первой ячейки элемента И 37, снимая сего выхода потенциал логической "1"(46 фиг.2) . При этом размыкается соответствующий ключ ъ-канального усилителя мощности. Нагрузочная обмотка5 отключается от источника 1 питания.Возникающая в отключенной обмотке 5 ЭДС самоиндукции (53 фиг.2) заряжает конденсатор 11 по цепи: первый вывод обмотки 5 - диод 8 - конденсатор 11 - резисторный датчик 16 - диод 3 - второй вывод обмотки 5. При этом осуществляется форсирование заднего фронта токового импульса в отключаемой обмотке, Падение напряжения на резисторном датчике 16, пропорциональное току заряда конденсатора 11 (42 фиг 2), поступает на формирователь 17, с выхода которого снимается сформированный импульс (43 фиг.2), Его задний фронт запускает одновибрдтор 25 (44 фиг.2), который вырабатывает короткий импульс логического "0", устанавливающий на выходе триггера 35 состояние логической "1" (45 фиг.2).На трех входах первой ячейки элемента И 38 появляется сигнал логической "1", который проходит на выход и поступает на соответствующий вход .ъ "канального усилителя мощности, замыкая ключ, подключающий нагрузочную обмотку 6 к источнику питания, Одновременно этот же импульс проходит через первый элемент ИЛИ на управляющий электрод тиристора 4, включая его, Конденсатор 11, заряженный до величины, превышающей величину напряжения источника питания, разряжается по цепи: конденсатор 11 - тиристор 1 О 4 - обмотка 6 - усилитель мощности 12 -резисторный датчик 14 - резисторный датчик 16 - конденсатор 11, осуществляя форсирование переднего фронта токового импульса обмотки 615Изменение напряжения на резисторном датчике 14, пропорциональное току обмотки 6, поступает на сигнальный вход 72 амплитудного детектора 19 и первый вход компаратора 22, и 20 весь процесс повторяется (54 - 58 фиг.2). Аналогично осуществляется работа устройства при подключении на. грузочной обмотки 7 (59. - 63 фиг.2)Дпя осуществления реверса движения25 на выходах блока 40 логические сиг-. налы изменяются (64, 65 фиг.2).В предлагаемом устройстве период проводимости управляемого ключа усилителя мощности, в течение которого 30 к обмотке двигателя подводится напряжение источника питания, автоматически регулируется в зависимости от приложенной механической нагрузки. Причем длительность импульса проводимости ключа соответствует минимальной .необходимой энергии, поступающей в обмотку для перемещения якоря двигателя на один шаг, за счет чего улучшаются энергетические показатели 40 устройства, а надежность его работы повышается вследствие того, что включение следующей по порядку работы обмотки двигателя и отключение работающей при их поочередной коммутации не 45 произойдет, пока не будет получена информация об очередном перемещении якоря двигателя на один шаг. Это также повышает быстродействие системы и улучшает плавность хода при длинноходовом перемещении. Устройство управления шаговым электромагнитным двигателем не требует переналадки схемы при замене одного шагового двигателя другим с отличающимися постоянными времени обмоток, что улучшает эксплуатационные характеристики шагового привода. Формула и з о б р е т е н и я Устройство для управления гп -фазным шаговым двигателем, содержащее источник питающего напряжения, подключенные к его жводам встречно соединенные диоды, к точке соединения которых подключена общая точка фаз двигателя, а также последовательная цепь из конденсатора и тиристора, подключенный выходом к его управляющему электроду первый элемент ИЛИ, п-канальный распределитель импульсов, соединенный с ним выходами программный блок, соединенный с фазами дви)гателя-канальный усилитель мощности, входы которого вместе с входами первого элемента ИЛИ подключены к выходам распределителя импульсов, а фазы двигателя через диоды соединены с общей точкой конденсатора и тиристора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и КПД при переменной нагрузке двигателя, в устройство введены (в+1) резистивных датчиков тока, последовательно соединенные формирователь импульсов и первый триггер, второй элемент ИЛИ, а каждый канал распределителя импульсов содержит элемент 2-2 ИИЛИ, элемент 3-ЗИИЛИ и цепь определения длительности включения фазы, включающую в себя последовательно соединенные амплитудный детектор, компаратор, одновибратор, триггер и подключенную к соответствующему датчику тока, второй вход компаратора подключен к входу амплитудного детектора, вход формирователя импульсов подключен к точке соединения конденсатора и датчика тока, выход второго элемента ИЛИ соединен с вторым входом первого триггера, второй вход триггера каждого канала соединен с выходом соответствующего элемента 2-2 ИИЛИ, прямой выход - с управляющим входом амплитудного детектора, а инверсный - с входами элементов 3-ЗИИЛИ соседних каналов, выход одновибратора соединен с входами элементов 2-2 ИИЛИ соседних каналов и входом второго элемента ИЛИ, по два входа элемента 3-ЗИИЛИ соединены с выходом первого триггера, а остальные входы элементов 2 - 2 И - 2 ИЛИ и 3 - ЗИ - 2 ИЛИ соде динены с выходами програм ного блока.265964 Составитель В, АлфимовРедактор Н, Егорова Техред И.Ходанич орректор А. Зим ов аж 631комитета СС одписно ткрыт