Устройство для управления многофазным шаговым двигателем

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 13.03.81 (21) 3258312/24-07 И) М.КЛ. с присоединением заявки М Н 02 Р 8/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(23) Приоритет 53) УДК 621. 313. 13- -133.3(088,8 Опубликовано 23,1282, Бюллетень Мо 47 Дата опубликования описания 23. 12. 82 В.П.Рубцов, Е.А.Петрыкин, В.П,Козырев и А.А.Сухов(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНОГОФАЗНЫИ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕКИзобретение относится к электротехнике, а именно к управлению шаговыми двигателями, и может быть использовано, например, в приводах подач станков с программным управлением, координатографах и т.д.Известно устройство для управления многофазными шаговыми двигателями, содержащее распределитель импульсов и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает основной ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя с источником питания высокого уровня и подключенный своим входом к входу основного ключа через временной элемент, задающий длительность импульса форсирования11. Недостатком этого устройства является большая погрешность в отработке шага при несимметричной коммутации, когда при изменении числа одновременно включенных фаэ двигателя изменяется его максимальный статический момент. Кроме того, изменение фазных токов при колебаниях напряжения источника питания вызы-вает дополнительные потери в фазах.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для управления многофазным шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает ос:новной ключ, связывающий Фазу двигателя с источником питания постоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогательный ключ, связывающий фазу двигателя р источником питания высокого уровня, стабилизатор тока с силовым и управляющим входами и выходом и элементы ИЛИ 2.Недостатком известного устройства также является погрешность в отработке шага при несимметричной коммутации фаз и увеличенные потери в двигателе при максимальном числе рключенных фаэ и в,режиме стоянки.Цель изобретения - повышение КПД н точности отработки шага при несимметричной коммутации фаз двигагеля.Поставленная цель достигается тем, кто в устройстве для управления мно"Устройство содержит распределитель импульсов 1, подключенный выходами к входам многоканального усилителя мощности 2. Каждый канал усилителя 2 включает основной 3 и ,вспомогательный 4 ключи, подключаю 65 гофазным шаговым двигателем, содержащем распределитель импульсов, многоканальный усилитель, стабилизатор тока и элементы ИЛИ, введены элементы И по числу фаз двигателя с числом входовравным половине числа Фаз, два дополнительных ключа, инвертор и дополнительные стабилизаторы тока, число которых на единицу меньше половины числа фаз, причем все стабилизаторы тока подключены своими силовыми входами кисточнику питания низкого уровня, выходами - к разделительным диодам каналов усилителя мощности, взятых через два, а управляощими входами - к выходам обоих дополнительных ключей, связанных управляющими входами с выходом элемента ИЛИ - один непосредственно, а другой через инвертор, а входы элементы ИЛИ соединены с выходами всех элементов И, каждый из которых подключен к входам основных ключей усилителя мощности смежных каналов со смещением. подключения входов последующего элемента И относительнопредыдущего на один канал.Кроме того, в устройство введены третий, четвертый, пятый и шестой дополнительные ключи, второй инвертор и формирователь длительности импульсов, подключенный входами к входам распределителя, а выходом - к управляющим входам третьего и четвертого ключей непосредственно, а пятого и шестого - через второй инвертор вьпсоды третьего и четвертого ключей подключены к сигнальному . входу первого дополнительного ключа, а пятого и шестого ключей - к сигнальному входу второго дополнительного ключа. 40Такое выполнение устройства позволяет уменьшить различие в макси-. мальных моментах шагового двигателя при различном числе одновременно возбужденных фаз за счет регулирования токов в фазах. Одновременно уменьшение фазных токов примаксимальном числе одновременно возбужденных фаз приводит к повышению КПД. Этому способствует и снижение тока в фазах двигателя в режиме стоянки.На фиг.1 приведена функциональная схема устройства применительно кшестифазному шаговому двигателю с двенадцатитактной несимметричной щ коммутацией; на Фиг.2 - векторные диаграммы моментов шестифазного двигателя при различном. числе одновременно включенных фаз. щие фазу двигателя 5 к источникупостоянного тока низого уровня П 2через разделительный диод 6, а к источнику высокого уровня Ц - непосредственно, Длительность включения вспомогательного ключа 4 задается временным элементом 7. Фаза 5шагового двигателя связана с источником высокого уровня через диод 8.Между источником питания низкогоуровня П и разделительными диодами 6включены стабилизаторы тока 9 (онимогут быть выполнены как параметрическими, так и импульсными) .Уставкитока на входах всех стабилизаторовизменяются посредством ключей 10-15,на входы которых подаются сигналыс шин уставок тока Г ст.мин; 3 ст.макс; Г вр.мин; У вр, макс. УправлЕние ключами 10 и 11 осуществляется от дешифратора режима коммутации, выявляющего число одновременновозбужденных фаз. Дешифратор построен на элементе ИЛИ 16 и элементахИ 17, Ключ 10 соединен с выходом элемента ИЛИ 16 непосредственно, аключ 11 - через инвертор 18.Управление ключами 12-15 осуществляется от измерителя скорости (частоты управления) шагового двигателя,выполненного, например, в видеФэлемента ИЛИ 19, и формированиядлительности импульсов 20. Ключи 12и 14 связаны с выходом формирователя 20 непосредственно, а ключи 13и 15 - через инвертор 21.При выполнении распределителяимпульсов 1 по схеме с одним тактовым(сигнальным) входом и двумя входами направления движения элемент ИЛИ 19 исключается из измерителя скорости.Устройство работает следующим образом.При отсутствии на входах В или Нраспределителя 1 импульсов управления й на его выходах устанавливаУется определенная комбинация сигналов единичного и нулевого уровней,соответствующая некоторрму числуодновременно возбужденных Фаз 5 шагового двигателя, Применительно кшестифазному шаговому двигателю, управляемому по двенадцатитактной системе коммутации, одновременно можетбыть воебуждено либо две, либо трифазы (Фиг.2). При возбуждении двухФаз 5 результирующий момент составляет, например для Фаз, создающихмоменты М, и ММ = 2 М фсоз - ,21 Я. пфгде и - число тактов коммутации фазшагового двигателя (п=12для двенадцатитактной ком-мутации);М - максимальный статическийимомент одной фазы.Для шестифазного двигателя при двух возбужденных фазах момент ра- вен М =,2 М сбз- = 1,73 М .м б ф мПри возбуждении трех Фаз результирующий момент, обусловленный, например моментами .М; М, М (Фиг.2), составит для шестифазного двигателя2 ММ р,- цНесимметричная .коююутация шагового двигателя характеризуется, как правило, изменением числа одновременно возбужденных фаз на единицу при максимальном числе одновременно возбужденных фаз, близком к половине числа фаэ двигателя (с округлением в большую сторону при нечетном .числе фаз) . Таким образом, при двенадцатитактной системе коммутации шестифазного шагового двигателя., ха" рактеризующейся поочередным возбуждением то двух (М ), то трех (М ) Фаз 5,результирующий момент изме 1 1 АЗ няется .приблизительно на 15%, так какМаъН 2-1 73И 1, 71Изменение максимального момента от одного такта коммутации к друго- му приводит к погрешности в отработке шага, поскольку величина угла поворота ротора двигателя 0 является ункцией максимального значения результирующего моментаММнгДе МН -.момент нагРУзки 1М - максимальное значение реюэультирующего момента,равное М при двух возбужденных фазах и ММЪпри трех фазах.уменьшение тока двигателя при трех одновременно возбужденныхфазах позволяет исключить колебания результирующего момента, уменьшив погрешность в отработке шага и снизив одновременно потери. В описываемой схеме это 1 остигается введением трех стабилизаторов 9 тока (они могут быть любого типа), управляющие входы которых подключены к выходам двух ключей 10 и 11. На сигнальные входы ключей 10 и. 11 подаются сигналы уставок тока, соответствующие трем (У мин) и двум (Х макс) возбужденным Фазам. Эти сигналы могут поступать непосредственно с шин уставок тока (как показано пунктиром на фиг,1), если ток в фазах 5 двигателя сохраняется неизменным как в стоянке (Е = О), так и в режиме вращения (ЕО). В большинстве случаев момент шагового двигателяв режиме стоянки может быть снижен(путем уменьшения тока) без ущербадля качества работы системы. Для изменения тока в Фазах 5 в режимах5 вращения и стоянки в схему введеныключи 12-15, связывающие сигнальныевходы ключей 10 и 11 с шинами уставок тока 3 ст, мин; 1 ст, макс;Х вр. мин; У вр, макс.10 Значение уставки тока на входахстабилизаторов 9 и соответственнов фазах 5 определяется состояниемэлементов, контролирующих режимывозбуждения двигателя.В режиме сто 15 янки (й =О) на выходе Формирователя длительности импульса 20 вырабатывается сигнал логического нуля.При этом закрыты ключи 12 и 14 ичерез инвертор 21 открыты (находят 20 ся в проводящем состоянии) ключи13 и 15. В этом случае на сигнальные входы ключей 10 и 11 поступаютсигналы уставок З ст. мин и У ст.макс., соответствующие режиму стоянки (пониженное значение тока вфазах), При этом уставка У ст.минсоответствует трем возбужденным фазам 5, а уставка У ст. макс - двумфазам. Уставки тока на входах стаЗ 0 билизаторов 9 будут определятьсяпри этом числом одновременно возбуж- .денных Фаз 5.При трех возбужденных Фазах 5,что соответствует наличию единичного сигнала на любых тРех выходахраспределителя 1, один из логических элементов И 17 выявляет этукомбинацию и вырабатывает на своемвыходе также сигнал логической единицы, который проходит через эле 40 мент ИЛИ 1 б на вход ключа 10 и отпирает его (переводит.в проводящеесостояние). Нулевым сигналом на выходе инвертора 18 при этом запирается ключ 11. В результате на управ 45 ляющие входы всех стабилизаторов 9поступает сигнал 1 ст. мин. Йслисигнал логической единицы присутствует только на двух выходах распределителя 1 (любых), все элементы50 И 17 (их число должно быть равночислу фаэ двигателя) вырабатываютсигнал логического нуля, которыйчерез элемент ИЛИ 16 и инвертор 18отпирает ключ 11 и запирает ключ 1055 .При этом на входы стабилизаторов 9поступает сигнал уставки 1 ст,макс.,соответствующий двум возбужденнымфазам,В режиме вращения (Г ф О) причастоте, большей граничйой, на вы-ходе формирователя будет постояннбприсутствовать сигнал логическойединицы, отпирающий ключи 12 и 14и.запирающий ключи 13 и 15 через65 инвертор 21. При этом на входы клю.чей 10 и 11 поступят сигналы Х вр,мин 2 вр,макс, соответствующие режиму вращения (повышенный или номинальный ток в Фазах), Эти уставки будут переключаться ключами 10 и 11 по сигналам, элемента ИЛИ 16.функции измерителя скорости, образованного элементами 19 и 20, мо. - гут быть заменены внешней командой, поступающей на шину "Режим работы от внешнего устройства (показана пунктиром на фиг.1) .В режиме вращения распределитель 1 коммутирует фазы 5 в определенной последовательности посредст-, вом ключей 3 и 4. При включении кхпг ча 3 временной элемент 7 включает на некоторое время ключ 4. В резуль- тате к фазе 5 впервый момент времени прикладывается повышенное напряжение П, форсирующее процесс нарастания тока. Когда ток в фазе 5 достигает заданного значения, ключ 4 запирается и Фаза 5 подключается к од" ному из стабилизаторов 9 через разделительный диод 6. Число стабилизаторов 9 должно быть равно максимальному числу одновременно возбужденных Фаз ( для шестиФЬзного двигателя три), что соответствует, как правило, половине числа фаз. К каждому стабилизатору 9 при этом подключается через разделительные диоды б две фазы. Стабилизатор 9 ускоряет процесс установления тока в возбужденной фазе 5, поддерживает его постоянным во всех режимах работы при колебаниях напряжения питания и изменении параметров двигателя (Например, нагрев обмоток, технологический разброс параметров и т.д.), Наличие стабилизаторов 9 делает предлагаемое устройство не критичным к изменению параметров .двигателя и позволяет исключить дополнительную настройку схемы при замене двигателя, а также предотвращает выход из строя источника низкого напряжения при закорачивании фазы двигателя.Предлагаемая схема включения вспо.,могательного ключа 4 не являетсяединственной, Управление ключом 4 может осуществляться как от временного элемента 7 (как показано на Фиг.1), так и в функции фазного то-, ка с помощью цепи обратной связи по току.После отключения фазы 5 ключом 3накопленная в ней электромагнитнаяэнергия рекуперируется в источник цитания Б по цепи стабилизатор 9-ди"од 6 - фаза 5 - диод 8 - встречновключенный источник Ц. Применение предлагаемого устройства позволяет повысить надежность привода, уменьшить погрешность при отработке шага и повысить КПД.Формула изобретения1. Устройство для управления многофазным шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает в себя основной ключ, связывающий фазудвигателя с источником питания по 15 стоянного тока низкого уровня через разделительный диод, и вспомогатель-. ный ключ, связывающий фазу двигате.ля с источником питания высокогоуровня, стабилизатор тока с силовы ми и управляющими входами и выходоми элементы ИЛИ, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышенияКПД и точности отработки шага принесимметричной коммутации фаз дви гателя, введены элементы И по числу фаз двигателя с числом входовравным половине числа фаэ, два дополнительных ключа, инвертор и дополнительные стабилизаторы тока, ЗО число которых на единицу меньше половины числа фаз, причем все стабилизаторы тока подключены своими силовыми входами к источнику питаниянизкого уровня, выходами - к разделительным диодам каналов усилителямощности, взятых через два, а управляющими входами - к выходам обоихдополнительных ключей, связанныхуправляющими входами с выходом эле"мента ИЛИ - один непосредственно, адругой через инвертор, а входы элемента ИЛИ соединены с выходами всехэлементов И, каждый иэ которых подключен к входам основных ключей усилителя мощности смежных каналов сосмещением подключени входов последующего элемента И относительно предыдущего на один канал.2. Устройство по п.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что введенытретий, четвертый, пятый и шестойдополнительные ключи, второй инвертор и Формирователь длительности импульсов, подключенный входами квходам распределителя, а выходом -к управляющим входам третьего и четвертого ключей непосредственно, апятого и шестого - через второй инвер тор, выходы третьего и четвертогоключей подключены к сигнальному входу первого дополнительного ключа, апятого и шестого ключей - к сигнальному входу второго дополнительного 65 ключа.983965 Фжи,е,райнамФЮ ФлМамегоугюрайюАгЖг.У Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Луценко В.Е. и др, Злектропривод с щаговыми двигателями ВИИИТИ. фЭлектропривод и автоматизация про-мыапенных установок. Том,б, 1978,с. 59-60,2, Авторское свидетельство СССР9 551788, кл. Н 02 Р 7/62, 1975.983965 Составитель Э.Горникедактор Н.Егорова Техред М,Гергель Коррек Пономарен Эаказ 9951/7 ВНисное д. 4 Фил ППП Патентф, г. Ужгород, Ул, Проектная, 4 Тираж ПИ Государст о делам изоб 35, Москва,721 нно тен 35,Пкомитета СССи открытийУшская наб.,