Устройство для управления шаговым двигателем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (1 А 84 Н 02 Р 8/О ГО ПО САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ПЬСТВ ТО(54) УС ВЫМ ДВИ (57) Из ШАГО ехнике шин управле Целью я 8)ельство СССР8/00, 1981.ьство СССР8/00, 1984..525 (088 ое свидеН 02 Р . свидетел л, Н 02 ти ве контрол в устроис частоты гат РСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АТЕЛЕМбретение относится к электр к системам автоматического ия с шаговыми двигателями. ляется повышение надежнос и порядка коммутации обмотокя и токов управления. Порядокии контролируется 0-триггером9, информационный и тактовый входыкоторого подключены к смежным выходам источника управления сигналов 1,а выход подключен к переключателю 20,соединенному входами с разнополярными источниками опорных напряжений,Выход переключателя 20 через ключ 21соединен с входом 11 схемы сравнения,другой вход 12 которой подключен кисточнику управляющих сигналов 1. Управляющий вход клоча 21 подключен через оптрон 22 к цепи 9 форсировкиспада токов, в результате чего ключ 129550121 замыкается с частотой коммутацииобмоток двигателя, причем время замыкания ключа 21 определяется током обмотки управления. Среднее значениетока, протекающего через ключ 21,про"порциональное произведению частотыкоммутации и тока управления двигателя, сравнивается на входах 11 и 12схемы сравнения с входным сигналом.При наличии недопустимой разности сравниваемых сигналовформируется сигнал неисправности. 2 ил.Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическимимашинами и может быть использовано вавтоматизированном электроприводе сщаговыми двигателями.Цель изобретения - повышение надежности.На фиг,1 показана схема предлагае.мого устройства; на фиг.2циклограмма работы устройства.Источник 1 управляющих сигналовсвязан с усилителями 2 мощности, каждый из которых выполнен на двух ключевых элементах 3 и 4, причем первыйключевой элемент 3 подключен к регулятору 5 тока, а второй - к соответствующему выходу источника 1. В качестве датчика тока к регулятору 5подключен резистор 6. Напряжение Ц,снимаемое с резистора 6 и пропорциональное току обмотки управления двигателя, сравнивается с уставкой Циа входах регулятора 5. Обмотка управления, ключевой элемент 4, резистор 6 шунтированы диодом 7. Развязывающие диоды 8 с цепью 9 форсировки снижения тока, выполненной на стабилитроне 1 О, подключены к обмоткеуправления,В состав устройства входит такжесхема сравнения с двумя входами 11 и12, выполненная на операционном усилителе 13 с конденсатором 14 и диодным мостом 15 в обратной связи и пороговым элементом 16 на выходе., Резисторы 17 и 18, подключены к источникуразнополярных опорных напряжений +О и диодам моста 15 в проводящем направлении, благодаря чему обеспечивается необходимая зона нечувствительности схемы сравнения.5 Устройство содержит также 0-триггер 19, переключатель 20, вспомогательный ключ 21 с оптроном 22 в цепиуправления. Входы П и С триггера 19подключены к смежным выходам источника 1,Цепь управления вспомогательногоключа 21 через развязывающий оптрон22 подключена к цепи 9 Форсировкиснижения токов.Цепь управления переключателя 20соединена с выходом П-триггера 19,.входы переключателя 20 подключены кисточнику разнополярных опорных напряжений +Ц, а выход переключателя20 через ключ 21 соединен с первымвходом 1 схемы сравнения. Второйвход 12 схемы сравнения соединен систочникомуправляющих сигналов.25 Источйик 1 управляющих сигналовможет быть реализован на базе однофазных преобразователей напряжение -частота и распределителей импульсовна логических схемах, обеспечивающих 30 управление щаговыми двигателями сразличным числом обмоток.В частном случае в источнике 1управляющих сигналов может использоваться генератор Фиксированной частоты, который в зависимости от полярности входного сигнала 1подключается к одному или другому входураспределителя.12955 постоянной величиной (нестабильностью индуктивности 1. и опорного напряжениястабилитрона пренебрегаем) .При постоянной длительности импуль. сов е, среднее значение тока, протекающего через резистор на первом входе 11 схемы сравнения, прямо пропорционально частоте коммутации ключа 21 (частоте коммутации обмоток управления двигателя по сигналам преобра зователя напряжение - частота 1),т.е При возникновении отказов устройство работает следующим образом. Все разнообразие отказов устройства сводится к коммутации обмоток управления двигателя не в заданной очередности или не с заданной частотой, а также к неисправностям, проявляющимся в отклонении токов обмоток управления от заданных значений. Если очередность коммутации обмоток управления не соответствует знаку входного сигнала 11 з (неправильное направление вращения двигателя), то Р-триггер 19 устанавливает переключатель 20 в положение, при котором токи 1 и 1, на входах устройства сравнения имеют одинаковые знаки, т.е. взаимная компенсация токов становится невозможной. Поскольку суммарный ток 14, + 1, заведомо больше тока смещения 1 диодный мост 15 выключается, разрывая отрицательную обратную связь, охватывающую усилитель 13. Последний переПп "о он1 = -- = - е йк о фН О1где Т = -- период коммутации;11 - амплитуда импульсов Я == -П или 11= 11 в зависимости от поло -жения переключателя 20).1 20Ток, протекающий через резистор на втором входе 12 схемы сравнения, определяется выражением11 вк1 = )225 причем ток 1, противоположен по знаку току 1 чБлагодаря наличию конденсатора 14 в обратной связи операционного усилителя 13 схема сравнения реагирует З 0 на среднее значение разности токов, протекающих на ее входах. Так как час тота Г прямо пропорционально входному напряжению 0(Е=К 11 ), то при надлежащем выборе сопротивлений резисторов К К, можно обеспечить компенсацию сигналов на входах схемы сравнения. Условие компенсации име- ет вид:К П 1о40к к,гИз-за нелинейности преобразователя напряжение - частота 1, изменений индуктивности обмоток управления по стабильности опорного напряжения П стабилитрона и других погрешностей точная компенсация токов на входах устройства сравнения во всем диапазоне изменения входного сигнала практически неосуществима. Для того, чтобы исключить появление ложного сигнала на выходе усилителя 13 из-эа разностного входного тока Д 11 ч 1, , обусловленного перечисленными факторами, операционный усилитель 13 схемы сравнения охвачен нелинейной отрицательной обратной связью через диодный мост 15. При малых значениях разностного тока 1 диоды 01 6моста 15 смещены в проводящем направлении за счет токов смещения 1см - (К - сопротивление резисторовК, смК,7 и К ), в результате чего выходное напряжение 0, усилителя 13 сохраняется близким к нулю и пороговый элемент 16 находится в выключенном состоянии.В переходных процессах при скачкообразном изменении знака входного сигнала информация об изменении очередности коммутации обмоток управления двигателя вырабатывается Р-триггером 19 с задержкой, поскольку переключение триггера тактовыми импульсами Пп в общем случае отстает от момента изменения входного сигнала. Поэтому во время переходного процесса ток 1 и совпадает по знаку с током 1,. Однако благодаря наличию конденсатора 14 за время переходного процесса выходное напряжение 11, операционного усилителя 13 не успевает достичь уровня срабатывания порогового элемента 16 и пороговый элемент остается в выключенном состоянии.Таким образом, при наличии входного сигнала и исправной работе устройства напряжение Пц уравновешивается на входах схемы сравнения сигналом, формируемым на выходе цепи форсировки спада тока, и сигнал неисправности на выходе схемы сравнения отсутствует.1295501триггер 19 устанавливается в единичное состояние (фиг.2).При Бс О напряжение Рп опережает 11 на угол/2 и на переднихфрон 5 тах импульсов Б напряжение Б равно н- нулю, вследствие чего Р-триггер 19находится в нулевом состоянии.В соответствии с выходным сигналомР-триггера 19 изменяется положение переключателя 20, При единичном сигналеБ переключатель 20 обеспечивает под 9ключение опорного источника - 11 к ключу 21, при нулевом сигнале переключатель 20 переходит в другое положение и к ключу 21 подключается источник положительного опорного напряжения Б. Таким образом, к ключу 21 приЦепь 9 форсировки снижения токов может быть выполнена не только на стабилитронах. В качестве форсирующих элементов могут использоваться, например, балластный резистор, после довательно соединенные резистор и ко денсатор или дополнительный источник напряжения.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала Ь источник 1 управляющих сигналов находится в заторможенном состоянии, а потому вторые ключевые элементы 4 усилителей 2 мощности не коммутируются и двигатель неподвижен, Во включенных обмотках управления с помощью регуляторов 5 тока, коммутирующих первые20 ключевые элементы 3, поддерживаются заданные значения токов, определяемые уставками 11, При этом в интерва 3ле размыкания ключа 3 ток обмотки, поддерживаемый за счет ЭДС самоиндук- .25 ции, протекает через замкнутый ключ 4, датчик 6 тока и диод 7, Цепь 9 форсировки все время обеспечена, а потому оптрон 22 и ключ 21 выключены, Следовательно, на обоих входах 11 и 12 схемы сравнения нет напряжения, выходной сигнал П операционного усилителя 13 также равен нулю и пороговый элемент 16 находится в выключенном состоянии.При наличии входного сигнала Пвх устройство работает следующим образом, Пусть нри 11 ,0 фазовый сдвиг между напряжениями на смежных выходах преобразователя 1 имеет знак, обеспечивающий установку Р-триггера 19 в единичное состояние, а при Б с 0 - в нулевое. На фиг,2 в качеВхстве примера приведены временные диаг раммы изменения выходных напряжений45 Б и Б на смежных, выхоцах четырехфазного преобразователя напряжение- частота 1, обеспечивающего парную коммутацию обмоток управления четырехфазного шагового двигателя. При Бх0 обмотки управления переклю 50 чаются в прямой последовательности 1,2-2,3-3,4-4-1-1,2 и напряжение Бд отстает от Б на угол /2. Поэтому на передних фронтах импульсов П , действующих на тактовом С-входе Р 55 триггера 19, напряжение 11 , прило кенное к информационному Р-входу триггера 19, имеет единичное значение и кладывается опорное напряжение, противоположное по знаку входному напряжению БКлюч 21 переключается с частотой коммутации обмоток управления, двигателя по сигналам преобразователя 1. Действительно, при каждом размыкании ключевых элементов 4 усилителей 2 мощности ЭДС самоиндукции, возникающая в отключаемых обмотках, замыкается через соответствующий разделительный диод 8 и цепь 9 форсировки, в результате чего происходит включение оптрона 22.Во время действия ЭДС самоиндукции на стабилитроне 10 выделяются прямоугольные импульсы напряжения Бю с амплитудой, равной опорному напряжению стабилитрона 11, и через входную цепь оптрона 22 (светодиод) протекает практически постоянный по величине ток. Этот ток включает оптрон 22, что приводит к замыканию ключа 21, причем время 1 нахождения ключа в замкнутом состоянии определяется значением тока 1, который поддерживается в обмотке управления регулятором 5 перед ее выключением.Для случая быстрого снижения тока по линейному закону, когда 1 К ( Б, и ЭДС самоиндукции уравновешивается падением напряжения на стабилитроне 10 имеем ". л 11,/Бгде 1, 1 - индуктивность и номинальный ток обмоткиПоскольку ток 1 стабилизируется регулятором 5 независимо от колебаний напряжения питания, изменений температуры окружающей среды и других дестабилизирующих факторов (1=сопзй), длительность импульсов С, является1295501 35 40 45 50 55 ходит в насыщение и на выходе усилителя возникает сигнал, вызывающий срабатывание порогового элемента 16, что свидетельствует о неисправности устройства управления.Выявление неисправности устройства управления в случае, когда частота коммутации обмоток Г не соответствует по величине напряжению Уб, основано на том, что разность входных токов Ь 1 = 1 в ,1, превышает допустимое значение, равное току смещения 1 , При этом также выключается диодный мост 15, и на выходе схемы сравнения появляется сигнал неисправности.Такие неисправности, как коммутация обмоток управления при отсутствии входного сигнала (несанкционированное перемещение исполнительного механизма) и отсутствие коммутации при наличии входного сигнала (отсутствие движения) являются частными случаями несоответствия частоты коммутации входному сигналу Б, При этом ток протекает лишь на одном из входов схемы сравнения (при несанкциониро- ванном перемещении течет ток 1 н , а 1, = О, при отсутствии движения протекает ток 1 1 = О).Неисправности, приводящие к отклонению токов обмоток управления от заданного значения, также вызывает увеличение разностного тока Ь, так как они приводят к изменению длительности й замыкания ключа 21. В реозультате даже при правильной очередности коммутации обмоток и соответствии частоты коммутации К входному сигналу П среднее значение тока 1 существенно отличается от 1, что приводит к срабатыванию порогового элемента 16 на выходе схемы сравнения. Таким образом, в предлагаемом уст ройстве простыми средствами обеспечивается полный и глубокий контроль исправности. Оно позволяет выявить отказы не только выходных усилителей с регуляторами тока и цепями форсировки спада токов, но и всей схемы управления шаговым двигателем в целом. При этом обнаруживаются неисправности, приводящие к несанкционированному перемещению и отсутствию перемещения исполнительного механизма, перемещению исполнительного механизма в направлении, противоположном заданному, а также постепенные отказы элементов, ведущие к несоответствию частоты вращения двигателя и токов в его обмотках управления заданным значениям, Важным достоинством изобретения является также высокое быстродействие контроля, поскольку время обнаружения неисправностей не превышает 20-50 мсЮ Такое увеличение быстродействияконтроля повышает надежность работы систем управления с шаговыми двигателями, поскольку быстрое выявление отказов устройств управления позволяет предотвратить аварийные ситуации, которые могут возникнуть из-за перемещения исполнительных механизмов за время выявления неисправности.Лабораторная проверка, подтвердила работоспособность предлагаемогоустройства, Эффективность контроляподтвержДена испытаниями лабораторного макета устройства для управлениячетырехфазным шаговым двигателем,предназначенного для работы в следящей системе. В качестве источникауправляющих сигналов в макете использовалось устройство, обеспечивающее коммутацию обмоток управления двигателя с частотой, пропорциональнойсигналу рассогласования (частота изменялась в пределах от 0 до 880 Гц),Выходные транзисторные усилители с широтно-импульсными регуляторами токаи цепями форсировки спада токов настабилитронах обеспечивали стабилизацию токов обмоток двигателя на уров-не 1,20+0,05. При испытании макетаимитировались различные неисправности схемы, включая отказы типа"обрыв" и "короткое замыкание" в источнике управляющих сигналов, выходных усилителях, регуляторах тока иисточниках питания, Во всех случаяхпри имитации отказов возникал сигнал неисправности, причем время выявления отказов не превышало 20 мс,Кроме того, имитировались постепенные отказы элементов (изменение номиналов резисторов и конденсаторов в источнике управляющих сигналов), которые приводили к изменению частоты коммутации обмоток управления шагового двигателя. Настройкой схемы сравнения обеспечивалось формирование сигнала неисправности при откло. ненни максимальной частоты коммутаЦЖ 8Составитель В.АлфимовТехред Л.СердюковаКорректор М.Пожо едактор 625/60 ВНИИПИ по д 13035, Тираж 661сударственно ам изобретеосква, ЖПодписиа СССРтий а о коми ий и отк Раушска 4 5 наб.,ктная,4 изводственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул 9 12 ции от заданного значения, достигавшем 10-152.Таким образом, лабораторные испытания макета предлагаемого устройства подтвердили, что входящая в него схема контроля позволяет выявлять укаэанные неисправности,формула изобретения Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее источник управляющих сигналов, цепь форсировки снижения тока, источник разнополярных опорных напряжений, схему сравнения, подключенный к ее выходу пороговый элемент и усилители мощности, Каждый из которых включает в себя регулятор тока, датчик тока и два ключа, соединенных последовательно с фазой двигателя и датчиком тока, упК 95501 1 Оравляющие входы ключей соединены свыходами регулятора тока и источникауправляющих сигналов, а выходы усилителей мощности через диоды соединены с цепью форсировки снижения тока, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения надежности, вустройство введены Р-триггер, оптрон,переключатель и вспомогательный ключ, 10 управляющий вход которого через оптрон связан с цепью формировки снижения тока, а сигнальные входы - содним входом схемы сравнения и выходом переключателя, входы которогосоединены с источником разнополярныхопорных напряжений, управляющий вход -с выходом П-триггера, тактовый и информационный входы которого соедине"ны со смежными выходами источника уп равляющих сигналов, вход которого соединен с другим входом схемы сравнения.,