Устройство для управления шаговым двигателем

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ р) аз 5293 Союз Йоеетскил Сапиалистически Республик(31) 47727/73; 47728/73 (33) Япония осударственнмй комитат Совета Министров СССР па делам изобретенийи открытий Опубликовано 30.03,77, БюллетеньДата опубликования описания 19.04.7(72) Авторы изобретени Иностранцы роси Юсами, Кацуо Кобари, Хироси и Есики фудзиока(Япония) Иностранные фирмы митед и фудзицу фанук Лимитед(71) Заявител фудз 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМскачкообразное изменестатора ухудшает качесто двигателя в области едлагаемое сти и генеапряжений, одами клюодним вхо распреде 1 ходом блоений низа- обра- надвадвух ходы сооти вы- торо- нных Изобретение относится к системам автоматического управления с шаговыми двигателями.Известны устройства для управления шаговым двигателем, содержащие распределитель импульсов, связанный с входами многоканального усилителя мощности, коммутирующего обмотки управления двигателя (11.В таких устройствах коммутация обмоток управления двигателя, осуществляемая усилителем мощности, вызывает скачкообразное изменение положения поля статора двигателя и соответственно скачкообразный характер движения ротора двигателя, особенно в области низких частот.Известно также устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами многоканального усилителя мощности, каждый канал которого включает в себя последовательно соединенные между собой фазу двигателя, первый ключевой элемент и датчик тока, подключенные к источнику низкого напряжения через диод, а к источнику высокого напряжения - через второй ключевой элемент, связанный своим входом с датчиком тока 21. В этом устройствение положения поляво движения шаговогнизких частот.Цель изобретения - улучшение качествадвижения.Это достигается введением в прустройство блока измерения скорораторов управляющих фазных н10 связанных своими выходами с вхчевых элементов каждого канала,дом - с соответствующим выходоьлителя импульсов, а вторым - с вька измерения скорости.Кроме того, в предлагаемом устройстве генератор управляющих фазных напряжкаждого канала содержит схему синхроции, датчик числа включенных фаз, презователь прямоугольного напряжения впряжение треугольной формы, сумматор,ключа и три схемы совпадения, выходыиз которых подключены к входам обоих ключевых элементов усилителя мощности, вэтих же схем совпадения подключены кветствующему выходу распределителяходу блока измерения скорости, вход кого соединен с датчиком числа включефаз, а выход схемы совпадения, подключенный к входу первого ключевого элемента усилителя мощности, соединен с выходом одного ключа, связанного своим управляющим входом с выходом блока измерения скорости и сигнальным входом - с выходом сумматора, подключенного входами к выходам второго ключа и третьей схемы совпадения, соединенной одним своим входом с указанным выходом распределителя и одним входом схемы синхронизации, а вторым с управляющим входом второго ключа и выходом схемы синхронизации, подключенной вторым своим входом к выходу датчика числа включенных фаз, связанного своими входами с выходами распределителя, а выходом - с входом преобразователя, соединенного своим выходом с сигнальным входом второго ключа.Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечивает плавное перемещение поля статора и соответственно ротора шагового двигателя и устраняет нежелательные колебания скорости движения ротора, т. е. улучшает качество движения.На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы сигналов на отдельных элементах схемы соответственно для низких и высоких частот управления применительно к пятифазному двигателю; на фиг. 4 - структурная схема генератора управляющих фазных напряжений; на фиг. 5 - структурная схема блока измерения скорости; на фиг. 6 - временные диаграммы сигналов на элементах схемы блока измерения скорости; на фиг, 7 и 8 - временные диаграммы отработки угла шаговым двигателем соответственно при скачкообразном и плавном перемещении поля статора.Устройство для управления шаговым двигателем, имеющим обмотки управления 1 (на фиг. 1 изображена только одна из обмоток управления шагового двигателя), содержит ключевые элементы 2 и 3, например транзисторы. Каждый канал усилителя мощности, включающий в себя обмотку управления 1 и ключевые элементы 2 и 3, содержит датчик тока 4, разделительный диод 5, связывающий один из зажимов обмотки управления 1 с источником низкого напряжения У, и диод 6, связывающий второй зажим обмотки управления 1 с источником высокого напряжения (7 ц.В цепь источника низкого напряжения включен токоограничительный резистор 7.Логическая часть устройства (фиг. 1) содержит распределитель импульсов 8, на вход которого поступают импульсы управления Р, генератор управляющих фазных напряжений 9, выходы которого Т и Т подключены соответственно к одному входу триггера 10, связанного своим выходом через усилитель 11 с входом ключевого элемента 2, и ключевому элементу 3 - через усилитель 12 и сумматор 13. Второй вход триггера 10 подключен к датчику тока 4 через резистор 14 и схему ИЛИ 5 10 15 20 25 33 35 4 О 45 50 55 оо 65 13415, второй вход которой через усилитель 16 соединен с выходом Т, генератора управляющих фазных напряжений 9. Один вход генератора фазных напряженнЙ 9 подключен выходу распределителя импульсов 8, а второй -- к выходу блока измерения скорости 17, вход которого связан с входом Р распределителя 8.Генератор управляющих фазных напряжений 9 (фиг. 4) включает в себя датчик числа включенных фаз 18, соединенный входами с выходами распределителя 8, преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы 19, подключенный своим входом к выходу датчика числа включенных фаз 18, схему синхронизации 20, один вход которой соединен с соответствующим выходом распределителя 8, а второй - с выходом датчика числа включенных фаз 18, схемы совпадения 21, 22 и 23, ключи 24, 25 и сумматоры 26, 27.Блок измерения скорости 17 (фиг. 5) содержит инверторы 28 и 29, дифференцирующие элементы 30 и 31, схемы ИЛИ 32, совпадения 33 и задер;кки 34, компаратор 35, триггеры 36 37 и интегратор 38. Блок измерения скорости 17 может быть подключен к входу распределителя импульсов 8 (как показано на фиг. 1 и 3) или к выходу датчика числа включенных фаз 18 (как показано на фиг. 5).Устройство работает следующим образом.Когда импульсы управления Р (фиг. 1 и 2) поступают на вход распределителя импульсов 8, последний вырабатывает командные сигналы на входе генератора управляющих фазных напряжений 9. Одновременно импульсы управления Р поступают на блок измерения скорости 17, который вырабатывает на выходе сигнал, разрешающий работу генератора 9, если скорость (частота) меньше опорной, илн запрещающий работу генератора 9, если скорость (частота) выше опорной. Когда частота импульсов Р меньше опорной, генератор управляющих фазных напряжений 9 вырабатывает трапецеидальное напряжение Т (фиг. 2) и нулевое напряжение Ть обеспечивая тем самым возврат триггера 10 в исходное состояние, соответствующее запретному транзистору 2.Задающее напряжение Т поступает на вход транзистора 3 через сумматор 13 и усилитель 12. На вход сумматора 13 одновременно поступает сигнал отрицательной обратной связи по току, снимаемый с датчика тока (резистора) 4. Транзистор 3 с датчиком тока. 4, усилителем 12 и сумматором 13 образуют линейный усилитель тока н обеспечивают в обмотке управления двигателя (фазе) ток 1 (фиг, 2), повторяющий задающее напряжение Т, вырабатываемое генератором 9.Когда частота импульсов Р становится выше опорной (фиг. 3), блок измерения скорости 17 вырабатывает сигнал, прекращающий подачу на сумматор 13 напряжения трапецеидальной формы. В этом случае на выходах Т,ц Т,. генератора управляющих фазных напряжений 9 вырабатываются синфазные напряжения прямоугольной формы.Прц появлении на выходах Т, и Т 2 единичных сигналов одновременно отпираются транзисторы 2, 3 и к фазе двигателя прикладывается высокое напряжение Ут. Это состояние сохраняется до тех пор, пока сигнал, снимаемый с датчика тока 4, не достигнет порога срабатывания триггера 10. Последний возвратится в исходное состояние и запрет транзистор 2. Фаза 1 двигателя при этом подключается к источнику низкого напряжения У, и участок ускоренного нарастания тока т переходит, как показано на фиг, 3, в участок постоянного значения тока, определяемого напряжением Ут Максимальное значение тока т на участке нарастания регулируется резистором 14,Лналогично описанному протекают процессы измерения тока и в остальных фззах шагового двигателя, очередность коммутации которых задается распределителем импульсов 8.При работе на низких частотах по фазам двигателя протекают токи трапецеидальной формы, что обеспечивает его непрерывное движение без значительных колебанттй скорости и угла, как показано на фиг, 8, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат - угол поворота ротора шагового двигателя. Для сравнения на фиг. 7 приведена временная диаграмма перемещения ротора двигателя при скачкообразном изменении токов в фазах.Генератор управляющих фазных напряжений 9 тфиг. 4) применительно к пятифазному щагово.,тм двигателю с несимметричной коммутаттцей содержит датчик числа включенных фаз 18, вьтрабатьтвающттй сигнал прямоугольной формы, соответствующцй логической 1 прц включении трех фаз и логическому О при вклточении двух фаз, Сигнал с выхода датчика 18 усиливается ц интегрируется преобразователем прямоугольного напряжения в нзпряжентте треугольной формы 19, после чего поступает через ключ 24 на сумматор 26. Одновременно на сумматор 26 через схему совпадения 21 поступают разрешающие сигналы с выхода распределцтеля импульсов 8 и выхода схемы сттнхронизацци 20, Сигнал трапецецляльцой формы с выхода суютатора 26 проходит ця вход транзистора 3 тфттг. 1) через клю т 25, чтравляеттьтй блоком измерения скорости 7. Последний выпаоатывает на управляющем входе ключа 25 логический О, логда частота входных цхтпульсов является вьцтокой (клточ 25 заперт, ц трапецеидальные ттмпульсы не проходят на вход транзистора 3), и логическую 1, когда частота входных тоттт лт;сов ццзкая (транзистор 2 заперт, а на вход транзистора 3 поступают импульсы трапепеидальной формы). На фиг. 4 буквами А, В, С, 0 и Е обозначены выходы распределителя импульсов 8 соответственно для каждой фазы пятифазного шагового двигателя. 5 10 15 20 25 3",т 35 4 О 45 50 55 6 о 65 Лнялогцчно выполнены генераторы управляютццх фазных напряжений и для остальныхфаз шагового двигателя,Работа блока измерения скорости 17 тфиг.5 и 6) осутцествляется следующим образом,Интегпатор 38 генерттр ет пилообразныйсигнал ЯТ 1 тк (фттг. 6) с пепцодом. определяехтьтм входньтхт ттмпульсом Р.Регмлцруемый источник наппяженця У создает опопное напрякентте Е. соответствующее опопной скорости, ппп которой обеспечивается переход схемы с формирования трапецеидяльньтх сигналов управления на прямоугольные.Компаратор 35 сравнивает выходное напряжение интегратора 38 и опорное наппяжениеЕ. ц выпябатывзет логттческттй сигнал 11 СОЛ 1 О на сЬттг. 61 когча выходное напряжение цнтегрзтооя болытте опорного Е,Сттгнял Ттх тт, вырабатываемый датчикомчттсла вк:тточенньтх сказ 18, пост пает непоспедствецпо 1 тя дчффепенцируютццй элемент31 ц чепез инвептоп 28 - на,чттффепенпиттующчй элемент 30. На выходе схемы ИЛИ 32выпабзтывается сигнал ттОР фттг, 61 управления интегпятором. Этот же сттгнял постмпает ца схехтм зачепжкц 34, в которой ппеобразх ется в сигнал МО, сдвттнутттц во времени отностттельно сигнала ИВР. Сигня.ч МО использмется для установки тпиггера 36 и схемы 33.Выхочной сигнал СОМО компаратора 35 устанавливает триггер 36 в исходное состояние.Когда частота входных импульсов Р уменьтттается, выходной ттхтпльс МО схемы задержки 34 и сигнал СОМО компаратора 35 следуют поотепечно, вследствие чего триггер 36переключается. и схема 33 це ппопускзет выходной ттмпмльс МО на вхоч триггепа 37. Навыхоче блока т змерения скорости 17 при этомвьтпзбатывается сигнал У. соответствующийлогической 1.Когча частота входных ттмпмльсов Р возрастет ц сттгттал 5 ТЯ 7 на выходе интегратора 38станет нюке Е;, на выходе компаратопа 35сгттал станет равным нулю, триггер 36 сигналом Л 4 О переведется в состояние, ппц котором схема 33 отпирается, ц трцггеп 37 вернется в исходное состояттие. Выходной сттгнал Узблока измерения ст оростц снимается с пнвертопа 29.Плавное изменение тока в фазах шаговогодвигателя ца низких частотах повышает плавность двтткеттття ротора, что позволяет улучптттть чистоту обрабатываемой поверхностицзделття на металлорежхтцттх станках, в привочзх подач которых используются шаговыедвигатели.Переход с возбуждения фаз двттгателя цм:",льсахттт тока трапецепдальной ттреугольной) формы ня возбукдентте импульсами пряот гольнотт формы в области высоких частотоосспечивает сохранение быстродействия шагового двигателя и требуемое значение мо:,тента.Формула изобретения1. Устройство для управления шаговымдвигателем, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами многоканального усилителя мощности, каждый канал которого включает в себя последовательно соединенные между собой фазу двигателя, первый ключевой элемент и датчик тока, подключенные к источнику низкого напряжения через диод, а к источнику высокого напряжения - через второй ключевой элемент, связанный своим входом с датчиком тока, отличающееся тем, что, с целью улучшения качества движения, введены блок измерения скорости и генераторы управляющих фазных напряжений, связанные своими выходами с входами ключевых элементов каждого канала, одним входом - с соответствующим выходом распределителя импульсов, а вторым - с выходом блока измерения скорости.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор управляющих фазных напряжений каждого канала содержит схему синхронизации, датчик числа включенных фаз, преобразователь прямоугольного напряжения в напряжение треугольной формы, сумматор, два ключа и три схемы совпадения, выходы двух из которых подключень, к входам обоих ключевых элементов усилителя мощности, входы этих же схем совпадения подключены к соответствующему выходу распределителя и выходу блока измерения скорости, вход которого соединен с датчиком числа включенных фаз, а выход схемы совпадения, подключенный к входу первого ключевого элемента усилителя мощности, соединен с выходом одного ключа, связанного своим управ ляющим цходом с выходом блока измеренияскорости и сигнальным входом - с выходом сумматора, подключенного входами к выходам второго ключа и третьей схемы совпадения, соединенной одним своим входом с укад занным выходом распределителя и однимвходом схемы синхронизации, а вторым - с управляющим входом второго ключа и выходом схемы синхронизации, подключенной вторым своим входом к выходу датчика числа включенных фаз, связанного своими входами с выходами распределителя, а выходом - с входом преобразователя, соединенного своим выходом с сигнальным входом второго ключа.Источники информации, принятые во вни мание при экспертизе:1. Дискретный электропривод с шаговымдвигателем. Под общ. ред. М. Г, Чиликина.М., Энергия, 1971, с. 227 - 243,2. Патент ГБИЛА Мд 3560821. кл. 318-138. зо 02.02.71,552913Ф.юг. УСоставитель 3. Горник Редактор Е, Караулова Техред И, Карандашова Корректоры: Л. Орловаи О, Тюрина Заказ 616/17 Изд.320 Тираж 909 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССРпо делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская, паб., д. 4/5Типография, пр. Сапунова, 2