Устройство для управления шаговым двигателем

(51)М, Кл, Н 02 Р 8/00 с прнсоелнненнем заявкиГосудерствеииый комитет СССР(23) Приоритет оо делам иаобретеиий и открытийДата опубликования описания 17,04,80(72) Авторы изобретения В. П. Рубцов, М, С. Зайдин, Ю, Г. Филатов и В, Н, Козырев Специальное проектно-конструкторское и технологическоебюро низковольтного аппаратостроения производственногообъединения фМосэпектроаппарат"(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 1Изобретение относится к области автоматизированного электропривода, аименно к системам управления с щаговыми двигателями, и может быть использовано для приводовподач металлообрабатывающих станков с числовым управлением, координатографов и т.д.Известны устройства для управления шаговым двигателем, содержащие многоканальный коммутатор фаз шагового дви.,гателя и ключевые элементы, обеспечи 10 ваюшие регулирование фазного напряжения 1.Недостатком указанных устройсть явттяется одинаковая кратность форсирова 15 ния процессов изменения тока в фазахдвигателя во всем диапазоне рабочих частот. В области высоких частот форсирование процессов нарастания и спадания тока в фазах оказывает положительное влияние на свойства шагового привода, увеличивая момент, развиваемый двига- телем. В области низких частот форсирование процессов изменения тока является вредным и приводит к возникновениюзначительных коЛебаний скорости приотработке шага, перерегулированию и потере устойчивости движения. Для улучшения качества движения в области низкихчастот скорость изменения тока при включении и отключении фазы необходимоснижать, что не может быть осуществленов указанных устройствах.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее многоканальный коммутатор, каждый канал которого включаетв себя основной ключевой элемент, связывающий первую клемму фазы двигателя собщей шиной источника питания постоянного тока низкого и высокого уровней,и вспомогательный ключевой элемент,связывающий шину источника высокогоуровня с второй клеммой фазы двигателя,подключенной к одноименной шине источника низкого уровня через разделительный диод 21,Это устройствотакже не обеспечивает изменения кратности форсирования при переходе из области низких частот в область высоких, т.е. не позволяет улучшить качество движения в области низких частот при сохранении заданного диапазона. Принципиально улучшение качества движения в таком устройстве возможно за счет снижеии напряжения питания, однако это приводит к уменьшению диана зона рабочих частот, и, следовательно, такой путь непригоден.Целью изобретения является повышение плавности и устойчивости движения двигателя в области низких частот при 5 сохранении рабочего диапазона.Указанная цель достигается тем, что устройство для управления шаговым двигателем содержит в каждом канале коммутатора дроссель и дополнительные диод 20 и ключ, например тиристор, соединяющий первую клемму фазы двигателя с шиной источника низкого уровня, подключенной через дроссель к второй клемме фазы двигателя, щунтированной совместно с основным ключевым элементом встречно. направленным дополнительным диодом.В целях расширения диапазона плавного движения дроссель снабжен обмоткой подмагничивания и в устройстве установлены вто- З 0 рой дополнительный ключ и элемент ИЛИ, подключенный входами к входам коммутатора, а выходом - к входу второго дополнительного ключа, связывающего обмотки подмагничивания дросселей; всех ка- з 5 налов и одним из источников питания.Устройство также содержит йреобразователь частота-аналог, пороговый элемент и третий дополнительный ключ, выход которого подключен к входу первого 40 дополнительного ключа каждого канала, а вход через пороговый элемент - к выходу преобразователя частота-аналог, соединенного входом с выходом элемента ИЛИ, 45Такое выполнение устройства позволяет в области низких частот уменьшить кратность форсирования процессов изменения тока в фазах за счет отключения высокого напряжения, снизить скорость на растания и спадания тока в области.низких частот за счет увеличения посеянной времени фазы и регулировать постоянную времени фазы в функции частоты, обеспечивая оптимальную, с точки зрения ка-, 5 чества движения, форму фазного тока. На фиг, 1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.. 42 показаны временные. диаграммы токаи напряжения О на фазе двигателяв области низких частот управления;на фиг. 3 - аналогичные диаграммы вобласти высоких частот.Устройство содержит многоканальныйкоммутатор, каждый канал котороговключает в себя основной ключевой элемент 1, фазу 2 двигателя, связанную систочником питанияпостоянного токанизкого уровня 04 через разделительныйдиод 3 и рабочую обмотку 4 дросселя,и вспомогательный ключ 5, соединяющийфазу 2 с источником питания высокогоуровня 0. Фаза 2 связана также с об-щей шиной обоих источников 04 и Одчерез встречно включенный диод 6, сшиной источника О через диод 7 и с шиной источника 04 через дополнительныйключ (тиристор) 8, Обмотки подмагничивания 9 дросселей всех каналов подключены к источнику питания низкого уровня04 через дополнительный ключ 10. имогут быть соединены между собой последовательно или параллельно.Управление ключевыми элементами 1коммутатора осуществляется от распределителя 11 импульсов, выходы которого подключены к входам ключевых элементов 1 непосредственно, а к входамключевых элементов 5 через узел 12задания длительности форсированиявыполненный, например; в виде элементасравнения 13 и триггера 14, Вход элемента сравнения подключен к резистору15 обратной связи . Входы направлениядвижения В и Н распределителя 11 че-рез элемент ИЛИ 16 подключены к входам ключа 10, а через элемент ИЛИ 16,преобразователь частота-аналог 17, пороговый элемент 18 и ключ 19 - к входу тиристора 8.,Выход ключа 19 подключен также через инвертор 20 к одному их входов элемента И 21, установленного в цепи отпирания ключевогоэлемента 5.Устройство работает следующим образом.При поступлении управляющих импульсов с частотой у на один из входов (В илиН) распределителя 11 импуль-.сов на его выходах образуется многоканальная последовательность прямоугольных импульсов, обеспечивающих отпирание ключевых элементов 1, коммутирующих в заданной последовательности фазы2 двигателя и разрешающих работувспомогательных ключевых элементов 5,5. 7282осуществляющих форсирование процессовнарастания и спадания тока в фазах 2двигателя за счет приложения к ним впереходные моменты времени повышенного напряжения 0,2 (фиг. 3).5Если шаговый двигатель работаетГв области низких частот, при которыхток 1 ф в фазе за время включенного состояния (фиг. 2) успевает достигнутьустановившегося значения при низкомуровне напряжения питания Ц, то вспомогательные ключи 5 запираются и "высо кое"напряжение О на фазы двигателя непоступает, Граничная частота, до которойключи 5 заперты, определяется настрой 15кой порогового. элемента 18, напряжение на входе которого, поступающее с преобразователя частота - аналог 17, пропорционально частоте входных импульсов, Импульсы на преобразователь 17Чпоступают со входов распределителя 11через элемент ИЛИ 16. Элементы 16,17, 18, и 19 образуют измерительчастоты (скорости шагового двигателя),25который может быть выполнен не толькопо приведенной структуре, но и любымдругим образом,При %у ( 1.( 1 г граничная частотадиапазона низких частот, определяемаянастройкой порогового элемента 18)30ключ 19 находится в проводящем состоянии, отпирая тиристоры 8 и через инвертор 20, запирая цепи включения ключевых элементов 5. Такое состояние элементов схемы обеспечивает ее работу с низкимф ф 35напряжением 04, вызывающим, как этоследует из диаграмм на фиг. 2, замедленное нарастание тока 1 ф и спадание его по цепи: фаза 2, тиристор 8,40рабочая обмотка 4 дросселя, диод 3,фаза 2.Однако даже при подаче на фазы 2шагового двигателя "нйзкого напряжения О, величина которого выби 45рается равной=ъ,+ь,где 3 ф- номинальный ток фазы; %фактивное сопротивление цепи фазы; дЦ -падение напряжения на ключевых элементах и диодах в цепи фазы, ток в областинизких частот нарастает слишком быстро,что вызывает нежелательные колебанияротора при отработке каждого шага. Колебания угла и скорости в области нжьких частот, обуоловленные скачкообрюным нарастанием тока, увеличивают дина 05 6мическую ошибку, ухудшают качество движения, что отрицательно сказывается наработе механизмов, приводимых в движение двигателем, и может вызвать сбои,,в работе самого шагового двигателяособенно в области частот электромеханического резонанса, когда частота выходных импульсов совпадает с частотойсобственных колебаний привода), Для уменьшения колебаний угла и скорости двигателя вобласти низких частот необходимо ещев большей степени замедлить процесснарастания и спадания тока в фазах.В описываемом устройстве это достигается введением в цепь фазы 2 дросселЯи тиристора 8. Увеличение индуктивностив цепи фазы 2 обеспечивает снижение сюрости изменения тока 1 ф в сравнении с. естественным процессом (соответствующиекривые тока 1 ф показаны на фиг. 2 пунктиром), имеющим место при отсутствиидополнйтельной индуктивности в цепи фазы,фиксированные значения постояннойвремени фазы двигателя напряжения 04обеспечивают оптимальную с точки зрения качества движения форму кривой фазного тока только при одном значениичастоты у . Поскольку двигатель работает при переменной частоте управления,то для сохранения нагрузочной способ-ности и обеспечения требуемого качества движения при изменении частоты ,необходимо регулировать скорость нарастания и спадания тока в функции частоты.Это достигается введением в дроссельобмотки подмагничивания 9. Ключ 10отпирается на время 1; =СОИМ с частотой 1 , обеспечивая изменениесреднего напряжения на обмотках подмагничиванияО Ц 1,и, следовательно, тока подмагничиванияпропорционально частоте управляющихимпульсов. Увеличение тока подмагничивания дросселя с ростом частоты приводитк уменьшению его индуктивности, т,е.обеспечивает увеличение скорости изменения фазного тока двигателя с ростомчастоты. Автоматическое изменениепараметров фазы двигателя в функциичастоты позволяет сохранить оптимальнуюформу кривой тока во всем диапазоненизких частот.При увеличении частоты выше граничной, т.е. при Ху- УГ, пороговый элемент18 закрывается и снимается управляющийсигнал с тиристоров 8. Одновременносцимается сигнал запрета с элемента7 728205 И 21, что обеспечивает периодическое включение ключевого элемента 5 и подач на фьэы 2 напряжения в соответствии с диаграммой на фиг, 3. Снятие сигнала управления с тиристоров 8 обеспечива ет их автоматическое запирание встречно приложенным напряжением О, без введения дополнительных коммутирующих элемещов. Перестройк структуры схемы при 1,)г приводит к тому, что при отпирании клю чевого элемента 1 по цепи: элемент И 21 и триггер 14, отпирается ключевой эле. - мент 5, обеспечивая подачу на фазу 2 "высокого" напряжения 0 (фиг, 3). Под действием этого напряжения происходит ускоренный (форсированный) процесс нарастания тока 1 ф до значения, определен-ного порогом срабатывания элемента сравнения 13, Сигнал обратной связи по току снимается с резистора 15. При срабатывании элемента сравнения триггер 14 отключает ключевой. элемент 5.Поскольку в момент коммутации ключевого элемента 5 ток в рабочей обмотке 4 дросселя не равен току в фазе 2 двигателя, в схеме предусмотрен диод 6, обеспечивающий прохождение тока" в фазе 2 до момента нарастания тока в обмотке 4 дросселя.Запирание ключевого элемента 1 в конце такта коммутации фиг. 3) обеспечивает форсированное спадание тока 1 ь по цепи: фаза 2, диод 7, встречно. включенный источник 02, диод 6, фаза 2. При этом энергия, накопленная электромагнитным полем фазы 2, рекуперируется в источник О.Таким образом, устройство, выполненное согласно изобретению, обеспечивает40 улучшение качества. движения двигателяв области низких частот при сохранении динамических характеристик и диапазонарабочих частот привода.45Автоматическая перестройка структурыустройства обеспечивает оптимальные,с точки зрения качества движения инагрузочных свойств, условия функциощ- рования шагового привода. формула изобретения 50 1, Устройство для управления шаговымдвигателем содержащее многоканальный коммутатор, каждый канал котороговключает в себя основной ключевой эльмент, связывающий первую клемму фазы двигателя с общей шиной источниковпитания постоянного тока низкого ивысокого уровней, и вспомогательный ключевой элемент, связывающий шину источника высокого уровня с второй клеммой фазыдвигателя, подключенной к одноименнойшине источника низкого уровня черезразделительный диод, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышенияплавности и устойчивости движения двигателя в области низких частот, в каждомканале установлены дроссель, дополнительные диод и ключ, например тиристор,соединяющий первую клемму фазы двигателя е шиной источника низкого уровня, подключенной через дроссель к второй клемме фазы двигателя, шунтированной совместно с основным ключевымФэлементом встречно направленным дополнительным диодом,2. Устройство по н. 1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона плавного движения,дроссель снабжен обмоткой подмагничивания и установлены второй дополнительный ключ и элемент ИЛИ подключенныйвходами к входам коммутатора, а выходом - к входу второго дополнительногоключа, связывающего обмотки подмагничивания дросселей всех каналов с однимиз источников питания,3. Устройство по и. 2 о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что оно содержитпреобразователь частота-аналог, пороговый элемент и третий дополнительныйключвыход которого подключен к входупервого дополнительного ключа каждогоканала, а вход через пороговый элементи. выходу преобразователя частота-аналог, соединенного входом с выходом элемента ИЛИ. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Дисйретный электропривод с шаговыми двигателями, Под ред. М,Г. Чиликина. М. Энергия, 1971, с. 237-244,2. Патент США М 3757193,кл, 318-696, 1973.728205 б 2,Я Составитель 3, ГорникТехред И. Асталощ Ко Палл едактор Т. Юрчик аказ 1149/5 ф ю Подлисноего комитета СССй и открытий