Устройство для управления шаговым двигателем

Всйсо ээ т Союз Советски кСоциалнстическмкРеспублик 11 738 О 92 ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(53) УДК 621 313 ,13-133.3: :6 2-83 (088,8 по делам изобретений н открытийОпубликовано 30,05.80. Бюллетень % 20 Дата опубликования описания 02 06 80 /(72) Авторы изобретения В. А, федукин и В. М. Писеев Московский институт электронной техники(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМИзобретение относится .к электротехнике, в частности к электроприводам, иможет быть использовано для управленияшаговым двигателем в системах автоматического регулирования,Известно устройство для управления5шаговым двигателем, содержащее много-канальный датчик положения ротора, связанный со входами усилителей мощности,коммутирующих фазы двигателя и осу 10ществляющих модуляцию фазных напряжений 11 .Наиболее близким к изобретению потехнической сущности является устройство для управления шаговым двигателем,т 5содержащее элемент сравнения, многоканальный датчик положения ротора, связанный со входами усилителей мощности,коммутирующих фазы двигателя, черезэлементы И, вторые входы которых соединены с выходом широтно-импульсногомодулятора 21.Недостатком указанных устройствявляется невозможность получения равномерного движения при низких скоросФтях,Целью изобретения является повышение равномерности движения шаговогодвигателя.Поставленная цель достигается тем,что устройство содержит преобразовательмногофазной системы напряжения датчика в однофазную пилообразную и функциональный генератор пилообразного напряжения с элементом синхронизации,связанный своими входами с выходамидатчика положения, а выходом - с однимвходом элемента сравнения, подключенного вторым своим входом к выходам датчика положения через преобразовательмногофазной системы напряжений в тзднофазную,Такое выполнение устройства повышает равномерность движения шагового двигателя благодарякорректировке,законов изменения фазных токов в функции текущего положения ротора двигателя.738092 15 55 Нафиг, 1 приведена функциональнаясхема предлагаемого устройства, применительно к четырехфазному шаговому двигателю, на фиг. 2-3 - временные диаграммы сигналов на отдельнык элементах устройства и моментные кривые для различных режимов работы.Устройство (фиг, 1) содержит шаговый двигатель 1, на валу которого укреплен многофазный датчик 2 положения ротора, выкоды которого через ключи 3 - 6, связанные управляющими выходами с первой группой формирователей 7 - 10, входы которык соединены с выходами датчика, связаны с входами сум мирующего усилителя 11, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения 12, соединенного выхоцом со входом широтно-импульсного модулятора 1 3, Второй вход элемента сравнения через ключи 14 и 15, управляемые по шинам 16 и 17, соответственно связан с шиной задающего сигнала 18 и с выходом управляемого функционального генератора 19, управляющий вход которого через элемент ИЛИ 20 подключен к выходам второй группы формирователей 21 - 24, входы которых соединены с выходами первой группы формирователей, фазные обмотки шагового двигателя через усилители мощности 26 - 28 связаны с выходами элементов ИЛИ 29 - 32, первые. входы которых соединены с выходами второй группы элементов И 33 . - 36,а вторые входы-с выходами второй группы элементов фИ" 37 - 40. Первые вкоды элементов И первой группы связаны с выходами первой группы формирователей, а вторые входы - с выкодом широтно- импульсного модулятора, Первые входы элементов И второй группы связаны с выходами первой группы формирователей, а вторые входы через инвертор 41-с выищом широтно-импульсного модулятора.Работа описанного устройства при подаче управляющего сигнала по шине 18поясняется временными диаграммами сигналов на отдельных элементах (фиг. 2), где показаны напряжения О 1 на выходах фаз датчика 2 положения ротора Д,Д,Й,Д 4; напряжения Ц, на выходак ф, ф, фэ, ф формирователей 7 - 10; напряжения О, на выходах К 4, К, К,К ключей 3 - 6; сигналы,. поступающие с выхода суммирующего усилителя 0 и по шине задающего сигнала О. йа два входа устройства сравнения 1 2; сигнал О на вкоде широтно-импульсного модуУ 4лятора 13, а также сигналы Оф и Ои на выходе этого модулятора и инвертора 41 соответственно.Положение ротора шагового двигателяв пределах одного полюсного деления однозначно определяется номером формирователя первой группы, имеющего вданный момент времени высокий потенциал на выходе и уровнем сигнала на выходе фазы датчика, подключенной в данный момент через один из аналоговыкключей 3 - 6 на вход суммирующего усилителя 1 1, Сигнал с датчика имеет виц многофаэной системы непрерывных напряжений треугольной формы, причем,геометрия ротора датчика согласованас геометрией ротора машины.Текущее значение уровня сигнала сфазы датчика на выходе суммирующегоусилителя сравнивается устройствомсравнения 1 2 с величиной уровня управляющего сигнала на шине задающегосигнала 18 или с выхода управляемогофункционального генератора 1 9. Коэффициент заполнения К импульсной послеЪдовательности на выходе широтно-импульсного модулятора 1 3 пропорционален величине разностного сигнала на выходеустройства сравнения, а коэффициент заполнения импульсной последовательностина выходе инвертора 41 будет при этом(1 - К) Сигнал с выхода каждого изформирователей 7 - 10 управляет однимиз элементов И группы 33 - 36 и однимиз элементов И группы 37 - 40, Например, сигнал с выхода формирователя 7подключает сигнал с выхода широтноимпульсного модулятора через элементыИ 33, ИЛИ 29, усилитель мощности 25к первой фазешагового двигателя ипроинвертированный инвертором 41 сигнал модулятора через элементы И 38,ИЛИ 30, усилитель мощности 26 - ковторой обмотке шагового двигателя, Час 45тота следования импульсов на выходеширотно-импульсного модулятора выбирается во много раз больше частотысобственных колебаний электропривода.При этом среднее значение токов в обмотках двигателя пропорционально коэффициенту заполнения импульсной последовательности, поступающей на усилители мощности,В зависимости от уровня управляющего сигнала, поступающего по шине 18 возможны различные режимы работы уст. ройства.щим сйгналом.При подаче управляющего сигнала на шину 1 7 на вход устройства сравнения 12 через ключ 15 задающий сигнал поступает с выхода управляемого функционального генератора 19, Форма управляющего сигнала повторяет форму сигнала датчика положения 2 в те отрезки времени, на которые ключи 3 - 6 подключают соответствующие выходы через суммирующий усилитель 11 к элементу сравнения 12 (В описываемом варианте при линейной форме сигналов с датчика управляемый функциональный генератор должен быть генератором линейно изменяющегося напряжения, например, интегратором). Запускается функциональный генератор от передних фронтов сигналов с формирователей 7 - 10, выделяемых формирователями 21 - 24 через элемент ИЛИ 20, При этом происходит процесс непрерывного сравнения текущего значения уровня сигнала функционального гене ратора 19 и сигнала датчика 2 вырабатываемого на выходе суммирующего усилителя 11.При скоростях нарастания сигнала функционального генератора, меньших скорости механических переходных процессов шагового двигателя, осуществляется процесс непрерывногослежения сигнала датчика за сигналом с выхода функционального генератора, и следовательно, положения ротора за сигналом функционального генератора.Работа схемы по непрерывному слежению полностью аналогична вышеописанному процессу установки дискретных значений позиции внутри одного шага,Работа устройства в режиме бесколлекторной машины постоянного тока на высоких скоростях при стабилизации скорости иллюстрируется временными диаграммами и моментными кривыми на фиг. 3. Здесь фиг. 3, а соответствует случаю, когда скорость шагового двигателя, определяемая крутизной сигнала с датчика, меньше скорости, задаваемой ,крутизной сигнала Она выходе функционального генератора; фиг. 3, б соотПри величине управляющего сигнала, поступающего по шине 18 на устройство сравнения 12, превышающего амплитуду сигнала, поступающего на другой вход устройства сравнения с выхода суммирующего усилителя 11, на выходе устройства сравнения формируется сигнал постоянной амплитуды, которому соответствует импульсный сигнал с К-1 на выходе . широтно-.импульсного модулятора 13 (см. фиг. 2, а). В этом случае шаговый двигатель работает в режиме бесколлекторной машины постоянного тока.При величине управляющего сигнала, равного амплитуде сигнала с выхода суммирующего усилителя, на выходе устройства сравнения формируется пилообразный сигнал с периодом, соответствующим времени отработки одного шага, которому соответствует импульсный сигнал с изменяющимся К от К -1 доК 2-О на выходе широтно-импульсногомодулятора (см, фиг. 2,б).Таким образом, за период отработкиодного шага среднее значение тока водной из включенных фаз изменится отустановившегося значения до нуля, а вдругой фазе наоборот. Суммарная моментная характеристика, образуемая токамидвух фаз шагового двигателя,равномерно сместится в диапазоне одного шага,При уровне управляющего сигнала на шине 18 меньшем, чем амплитуда сигнала с выхода суммирующего усилителя, на выходе элемента сравнения формируется управляющий сигнал, соответствующий заданной уровнем сигнала на шине 1 8 позиции ротора внутри шагового инвертора, При этом на выходе широтно-импульсного модулятора формируется импульсный сигнал с К, определяемым величиной сигнала на выходе устройства сравнения, и суммарная моментная характеристика, образуемая токами двух включенных соседних фаз шагового двигателя, равномерно сместится в промежуточное положение, обеспечивая установку1ротора двигателя в необходимое положение внутри одного шага. В случае отклонения ротора от положения; определяемого управляющим сигналом, поступающим .по шине 18, величина сигнала с датчика 2 и, следовательно, с выхода суммирующего усилителя также изменится в ту или другую сторону, Это приведет к изменению .величины сигнала на выходе устройства сравнения и к изменению КЗ импульсного сигнала на выходе широтно. 10 15 20 25 30 35 45 50 55 импульсного модулятора. Изменение Кимпульсного сигнала вызовет изменениесоотнощения токов во включенных фазахшагового двигателя, суммарная моментная характеристика, образуемая токамифаз, сместится в направлении, необходимомдлявозвращдния ротора шагового двигателя в положение, определяемое управляю7, 73ветствует скорости шагового двигателябольше заданной, Сигналы с прямого иинвертированного выходов генератора 13,1,соответственно О и Ои, условио показаянйе в меньшем масштабе времени,определяют уровень возбуждения двухфаз двигателя, участвующих в формировании суммарной моментной характеристики.На фиг. 3 для обоих случаев показанычетыре реализации суммарной моментнойхарактеристики, 1, П, Ш, 1 У, откудавидно, что при оставании скорости отзаданной, двигатель постоянно находитсяпод действйем положительных разгоняющихмоментов, в случае опережениябаланс псаожительных и отрицательныхдвижущих моментов воздействует на двигатель в сторОну уменьшения его скорости, Этим достигается стабилизацияскорости в режиме бесколлекторной машины постоянного тока.Таким образом, устройство обеспечивает следующие режимы работы двигате"ля "позиционирование внутри шага; равномерное движение ротора при работе в режиме самокоммутации; стабилизацию иуправление скоростью в режиме самокоммутации; управляемое равномерное движение на низких и инфранизких скоростях.Устройство также позволяет подучитьразличные сочетания указанных вышережимов путем простейших переключений во внешйих цепях управления. Последовательность этих режимов в различныхсочетанйяхреализуется чисто электричес-ким путем без применения механическихсвязей и устройств, например, редукторов 8092 ьс зубчатыми и другими передачами. Это позволяет значительно уменьшить вес и размеры и увеличить надежность приводов с шаговым двигателем для роботов, 5манипуляторов, установок автоматического .скрайбирования и других систем, в которых требуется сочетание подобных разнообразных режимов работы привода,формула изобретения10Устройство для управления шаговымдвигателем, содержащее элемент сравнения, многоканальный датчик положенияротора, связанный со входами усилителеймощности, коммутирующих фазы двигателя, через элементы И, вторые входы которых соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения рав 20номерности движения, оно содержит преобразователь многофазной системы нап-"ряжений датчика в однофазную пилообразную и функциональный генератор пилообразного напряжения с элементом синхронизации, связанный своими входами с выходами датчика положения, а выходомс одним вхбдом элемента сравнения, подключеного вторым своим входом к выходам датчика положения через преобра 30эователь многофазной системы напряжений в однофаэную,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе11. Авторское свидетельство СССРМ 556542, кл. Н 02 К 29/02, 1974.2, Патент США М 3305713,кл. 318-138, 1967,113035,Филиал ППП ф Составитель 3. Горника Техреду(, Кастелевич Корректор М. ПожТираж 783 Подписное Государственного комитета СССР о делам иэобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/Патент"., г. Ужгород, ул. Проектн