Устройство для управления шаговым двигателем

СОЮЗ СОВЕТСНСОЦИАЛИСТИЧРЕСПУБЛИН 0332 9) 1)4 Н 02 Р 8/ ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано всистемах числового программного управления станками и промышленнымироботами с шаговыми электродвигателями, Цель состоит в сокращении потребления энергии и повышении плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимостиот нагрузки. Каждый канал 7 усилителямощности устройства содержит элемент2 И 8, первым входом соединенный суправляющим входом узла 9 формирования разрядного тока и с 5-входом Втриггера 10, а также с одним из выходов распределителя 1 импульсов. Датчик тока 13 соединяет обмотку 14 шагового двигателя с одним выводом источника питания 2, второй ее вывод обмотки 14 соединен с узлом 9 Формирования разрядного тока и через ключевой элемент 12 - с другим выводом источника питания 2. Сигнал уровня тока1403329 стоянки, соответствующий данному режиму и поступающий в виде кода черезпервый регистр 5, первый преобразователь код-аналог 3 и первый вход сумматора 15 на второй вход сумматора 11,устанавливает на его выходе и вторыхвходах сумматора,5 и элемента ИЛИ 21единичный потенциал, При изменениинагрузки на роторе шагового двигателяавтоматически изменяется ток форсировИзобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано в дискретном электроприводе с форсировкой тока, работающем при переменной нагрузке, 5Цель изобретения - сокращение потребления энергии и повышение плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки,На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - временные диаграммы его работы; на фиг. 3 - схема функционального преобразоватеЛя; на фиг.415 график изменения напряжения на выходе функционального преобразователя; на фиг. 5 - схема узла формирования разрядного тока.Устройство для управления шаговым20 двигателем содержит распределитель 1 импульсов, источник 2 питания, первый преобразователь 3 код-аналог, второй преобразователь 4 код-аналог, первый регистр 5, второй регистр б,и многоканальный усилитель мощности, каждый канал 7 которого включает в себя элемент 2 И 8, первым входом соединенный с управляющим входом узла 9 формиро 30 вания разрядного тока и с 5-входом и В 5-триггера 10, а также с одним иэ выходов распределителя 1 импульсов, компаратор 11, ключевой элемент 12, управляющий вход которого подключен к выходу элемента 2 И 8, датчик 35 тока 13, соединяющий обм:тку 14 шагового двигателя с одним выводом источника 2 питания, второ.: вывод обмотки 14 соединен с уэлсы 9 формирования разрядного тока и .ерез ключеки, так как его отключение происходитв момент, когда ротор достигает определенного положения, определяемогосравнением напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с вьгхода второго преобразователя 4 код-аналог. Приэтом, шаговый двигатель потребляетэнергию в соответствии с нагрузкой нароторе. 5 ил. 2вой элемент 12 - с другим выводомисточника 2 питания. Датчик 13 токасоединен с первым входом компаратора11 к второму входу которого подключен выход сумматора 15, первый входкоторого через первый преобразователь3 код-аналог подключен к выходам первого регистра 5, второй вход - к выходу компаратора 11, функциональныйпреобразователь 16, состоящий из последовательно соединенных дифференцирующего звена 17 и операционногоусилителя 18, дополнительный компаратор 19, дополнительный элемент 2 И 20и элемент ИЛИ 21, при этом вход Функционального преобразователя 16 подключен к первому выводу обмотки 14,а выход - к первому входу дополни"тельного компаратора 19, второй входкоторого через второй преобразователь4 код-аналог соединен с выходами второго регистра 6, В-вход триггера 10подключен к выходу дополнительногоэлемента 2 И 20, первый вход которогосоединен с выходом дополнительногокомпаратора 19, а второй вход - свыходом триггера 10, подключенным кпервому входу элемента ИЛИ 21, второйвход которого соединен с выходом компаратора 11, а выход - с вторым входом элемента 2 И 8, Узел 9 формирования разрядного тока содержит диод 22,катодом подключенный к общей точкеобмотки 14 и ключевого элемента 12,и паралельно соединенные резистор 23и ключевой элемент 24, управляющийвход которого соединен с выходом распределителя 1 импульсов,На фиг. 4 приняты следующие обозначения: М 1, М 2, МЗ - нагрузка нароторе шагового двигателя, гдеМ 1 с М 2.МЗ,Устройство работает следующим образом.5В исходном состоянии (Фиг. 2) свыхода распределителя 1 поступаетсигнал логического нуля, который устанавливает на выходе триггера 1 О,первом входе элемента ИЛИ 21 и втором 10входе дополнительного элемента 2 И 20единичный потенциал, а узел 4 формирования разрядного тока - в состояниебольшого сопротивления и запираетэлемент 2 И 8, что обеспечивает отключение обмотки 14 от источника 2 питания запертым ключевым элементом 12,поэтому на первом входе компаратора11, входе и выходе Функциональногопреобразователя 16 напряжение равнонулю. Сигнал уровня тока стоянки, соответствующий данному режиму и поступающий в виде кодов от ЭВМ или другого программного устройства через первый регистр 5, первый преобразователь 253 код-аналог и первый вход сумматора15 на второй вход компаратора 11, устанавливает на его выходе и вторыхвходах сумматора 15 и элемента ИПИ 21единичный потенциал . Сигнал уровнятока форсировки, также соответствующий данному режиму и поступающий ввиде кодов от ЭВМ или другого программного устройства через второй регистр 6 и второй преобразователь 435код-аналог на второй вход дополнительного компаратора 19, устанавливает на его выходе единичный потенциал, который проходит через дополнительный элемент 2 И 20, работающий врежиме повторения сигналов на егопервом входе, так как на его второмвходе присутствует единичный потенциал, поступающий с выхода триггера 10.При этом на выходе сумматора 15 будетнапряжение где О - напряжение на выходе перво 350го преобразователя 3 коданало г;О н - напряжение на выходе компаратора 11;К - коэффициент усиления суммая55тора 15.В то время, когда на выходе компаратора 11 единичный потенциал - на выходе сумматора 15 будет напряжениеОмаскогда нулевой потенциал О 15 минПри поступлении с распределителяимпульсов сигнала логической единицы триггер 10 начинает работать в режиме деления частоты, при котором изменение состояния триггера 10 происходит по переднему фронту импульса на его входе, узел 9 формирования разрядного тока включением ключевого элемента 24 устанавливается в состоя - ние малого сопротивления, а на выходе элемента 2 И 8 появляется единичный потенциал, открывающий ключевой элемент 12, через который источник 2 питания подключается к обмотке 14 и по ней протекает ток, создающий на датчике 13 тока падение напряжения О, , поступающее на вход Фун сционального преобразователя 16 и первый вход компаратора 11-Ь;йоф ,1О- Ч -Й, +Й,напряжение источника 2питания;активное сопротивлениедатчика 13 тока и обмотки14 соответственно;индуктивность обмотки 14. где Оа Йи Й,. Напряжение на выходе функционального преобразователя 16, состоящего из последовательно соединенных дифференцирующего звена 17 и операционного усилителя 18, определяется формулой Од Кбз и1 фб л + б,ь 14 - д где Кв коэффициент усиления операционного усилителя 18;=Й, С, - постоянная времени дифференцирующего звена 17;Й,1 иС, - активное сопротивлениеи емкость дифференцирующего звена 17 соответственно.Данная формула справедлива только для случая, когда ротор шагового двигателя будет неподвижен, т,е, индуктивностьобмотки 14 будет постоянной.Постоянная времени= б С,7 дифференцирующего звена 17 выбирается в зависимости от значения постоянной . времени с 1 = 1.1 (Й, +б ) обмотки14, таким образам, чтобы напряжение О на выходе функционального преобразователя 16 (фиг, 4) к моменту соответствующему началу перемещения ротора шагового двигателя при минимальной нагрузке М, на нем, достигло уровня, превышающего напряжения О на выходе второго преобразователя 4 код-аналог, а затем изменяются в не О больших пределах до момента 1 , со,ответствующего началу перемещения ро,тора шагового двигателя при максимальной нагрузке М на нем, Во время перемещения ротора шагового двигате ря на одно полюсное деление и индук,тивность 1.4 обмотки 14 изменяется от минимального 1., до максимально о 1значений, вследствие чего изменяется ток в обмотке 14, а следа ательно, и напряжение О на выходе функционального преобразователя б, величина которого при этом будет соответствовать положению ротора относительно оси обмотки 14, 25Когда падение напряжения О з (Фиг. 2) достигнет величины макси шального напряжения на выходе сумматора 15, на выходе компаратора 11 появится нулевой потенциал, в резупь тате чего на выходе сумматора 15 усТановится напряжение О=КОз. Одако ключевой элемент 12 будет оставаться открытым, так как триггер 10 охраняет свое прежнее состояние, при котором на его выходе единичный потенциал.Во время нарастания напряжения О на шунте 13 происходит увеличение наПряжения О на выходе функционально го преобразователя 16, при достижении им уровня напряжения Она выходе второго преобразователя 4 код-аналог ва выходе дополнительного компаратора 19 установится нулевой потенциал, 45 сохраняющийся до тех пор, пока при перемещении ротора шагового двигателя напряжение О, на выходе функционального преобразователя 16 не уменьшится до величины напряжения О на выходе дополнительного компаратара 19 появится сигнал логической единицы, передний фронт которого переводит триггер 10 в состояние, когда на его вЫходе будет нулевой потенциал, посту пающий на второй вход дополнительного элемента 2 И 20, не пропуская импульсы с выхода компаратора 19 на К"вход триггера 10, и через элемент ИЛИ 21 и элемент 2 И 8 эакрываюший ключевойэлемент 12, Ток в обмотке 14 затухает с постоянной времени о,так каксопротивление узла 9 Формирования разрядного тока мало и им можнопренебречь, Напряжение на датчике тока 13уменьшается до уровня напряженияО, на втором входе компараторамин11 в результате чего на его выходепоявляется единичный потенциал, который через элемент ИЛИ 21 и элемент2 И 8 открывает ключевой элемент 12,после чего ток в обмотке 14 начинаетувеличиваться, Увеличение тока в обмотке 14 будет происходить до техпор, пока напряжение О на шунте 13не достигнет вепичины напряженияО6 мсюкоыа выходе сумматора 15, приэтом на выходе компаратора 11 установится нулевой потенциал, которыйчерез элемент ИЛИ 21 закрывает ключевой элемент 12. Так продолжается допоявления на выходе распределителя 1импульсов сигнала логического нуля.После этого на выходе элемента И 8устанавливается нулевой потенциал,закрывающий ключевой элемент 12 и отключающий обмотку 14 от источника 2питания, узел 9 формирования разрядного тока переключается в состояниебольшого сопротивления, что обеспечивает быстрое затухание тока в обмотке 14, а на выхоце триггера 10появляется единичный потенциал,При следующем появлении сигнала логической единицы на выходе распределителя 1 импульсов цикл работы повторяется,Если происходит увеличение или уменьшение нагрузки на роторе шагово го двигателя, то автоматически увеличивается или уменьшается величина тока форсировки, так как его отключение происходит в момент, когда ротор достигает определенного положения относительно оси обмотки 14, определяемого путем сравнения напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с выхода второго преобразователя 4 код-аналог, При этом шаговый двигатель потребляет энергию в соответствии с нагрузкой на его роторе, что уменьшает потребление энергии и повышает плавность движения шагового двигателя.Формул а 14033изобретения Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, источник питания, два регистра, два преобразователя код-аналог и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает в себя элемент 2 И, узел формирования разрядного тока, Й 5-триггер, соединенный 5-входом с управляющим входом узла формирования разрядного тока, пер-, вым входом элемента 2 И и одним иэ выходов распределителя импульсов, 1 компаратор, соединенные последовательно с источником питания и обмоткой двигателя ключевой элемент, датчик тока, подключенный к первому входу компаратора, и сумматор, первый 20 вход которого через первый преобразователь код-аналог подключен к выходам первого регистра, второй вход - к выходу компаратора, а выход - к второму входу компаратора, управляющий вход 25 ключевого элемента соединен с выходомЖ 29 8элемента 2 И, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью сокращения потребления энергии и повышения плавнбстидвижения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки, в каждый канал усилителя мощности введены функциональный преобразователь, состоящий из последовательно соединенных дифференцирующего звена и операционного усилителя, дополнительные компаратор и элемент 2 И иэлемент ИЛИ, первым входом соединен"ный с выходом Р 5-триггера, вторымвходом - с выходом компаратора, выходом - с вторым входом элемента 2 И,вход функционального преобразователяподсоединен к датчику тока, выходк первому входу дополнительного компаратора, второй вход которого черезвторой преобразователь код-аналогподключен к выходу второго регистра,выход - к первому входу дополнительного элемента 2 И, второй вход которого соединен с выходом Р 5-триггера,а выход - с Й-входом Р 5-триггера.