Устройство для управления шаговым двигателем

СОЮЗ СОВЕТСКИХОО,ИВЛЮПНесиипРЕСПУБЛИК 6% 09 зСЮ Н 02 Р 8/00 К АВТОРСК У СВИДЕТЕЛЬСТВУ У 25 .Дед ьство СССР1971.ы для шаго ете /62 лениемып. 477,980,(54)(57) 1. НИЯ ШАГОВЫМ ключевые ус АВЛЕи регулир двигателя с блоками ных свя вигате нал авк и ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ОПИСАНИ(56) 1. Авторское свВ 505395, кл, Н 02 Р2, Рубцов В.П. Ивого электроприводашага. - Труды МЭИ,с. 37-44. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПР ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее ипители для коммутации ания токов в обмотках автоматические регуляторы ормирования сигналов обей по току в обмотках датчиками, источник сиги регуляторов и форсирую- троны, подключенные через развяэывающие диоды к обмоткам, работающим в противофазе, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, в него введе. ны пороговый элемент сравнения с двумя терморезисторами на входах, установленными на радиаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый терморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигнала уставки регуляторов, а второй терморезистор через другие масштабные резисторы - к выходам блоков формирования сигналовобратных связей.2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управляющий вход - с выходом регулятора тока.Изобретение относится к системамавтоматического управления с шаговымидвигателями и может быть использовано, например, при регулированни раз. -личных технологических процессов. 5Известны устройства управленияшаговыми двигателями, содержащиераспределитель и многофазный усилитель мощности, каждый канал которогосостоит из последовательно включенных датчика тока, основного ключевого элемента, обмотки управлениядвигателя, вспомогательного ключево,го элемента, который управляетсяот триггера с раздельными входамипо сигналам распределителя и датчика тока 13.Недостатком данных устройствявляется то, что они могут использоваться лишь с шаговыми двигателями, обмотки управления которых неимеют общей точки,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство для управления шаговымдвигателем, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования токов в обмотках двигателя, автоматические регуляторы с блокамиформирования сигналов обратных свя 30эей по току в обмотках с датчиками,источник сигнала уставки регуляторови форсирующие стабилитроны, подключенные через развязывающие диодык обмоткам, работающим в противофазе 2335Недостатком этого устройства яв"ляется сравнительно низкая надежность в связи с отсутствием контроляисправности.Целью изобретения является повыше 40ние надежности устройства.Эта цель достигается тем, что вустройство, содержащее ключевые усилители для коммутации и регулирования43токов в обмотках двигателя,автоматические регуляторы с блоками формирования сигналов обратных связей потоку в обмотках двигателя с датчиками, источник сигнала уставки регуляторов и форсирующие стабилитроны,подключенные через развязывающиедиоды к обмоткам, работающим в противофазе, введены пороговый элементсравнения с двумя терморезисторамина входах, установленными на радиаторах стабилитронов, и три масштабных резистора, причем первый терморезистор через один масштабный резистор подключен к источнику сигналауставки регуляторов, а второй терморезистор через другие масштабныерезисторы - к выходам блоков Формирования сигналов обратных связейпо токам.При этом блок формирования сигнала обратной связи снабжен аналоговым запоминающим элементом, сигнальный вход которого соединен с датчиком тока, а управляющий вход - свыходом регулятора тока.На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2временные диаграммы его работы.Устройство содержит распределитель 1 импульсов, схемы 2-5 совпадений, основные ключевые усилители6-9, развязывающие диоды 10-13,форсирующие стабилитроны 14 и 15,шунтирующие транзисторные ключи16 и 17 с инверторами 18 и 19 навходах, автоматические регуляторы20 и 21 с элементами 22 и 23 сравнения и усилители 24 и 25 с широтноимпульсной модуляцией, резистивныедатчики 26 и 27 токов, а также блокиформирования сигналов обратных связей по токам, выполненные на аналоговых запоминающих элемецтах 28 и 29.Запоминающие элементы выполнены наоперационных усилителях 30 и 3 1 сконденсаторами 32 и 33 в обратныхсвязях и МОП-транзисторных ключах34 и 35 на входах усилителей. Выходызапоминающих устройств подключены квходам схем 22 и 23 сравнения, другие входы которых соединены с источником 36 сигнала уставки токов. Сигнальные входы 37 и 38 запоминающихэлементов соединены с датчиками 26и 27 токов, а управляющие входы 39и 40 подключенык выходам усилителей24 и 25 с широтно-импульсной модуляцией, являющимся одновременно выходами регуляторов, которые через инверторы 18 и 19 соединены также с цепями управления шунтирующих ключей16 и 17,Устройство содержит также пороговый элемент 4 1 сравнения с двумятерморезисторами 42 и 43 на входах,установленными на радиаторах стабилитронов 14 и 15, и масштабнйе резисторы 44-46, соединяющие источник36 сигнала уставки регуляторов ивыходы запоминающих элементов 28 и29 с терморезисторами 42 и 43.02005 10 о-.15 20 Э 11 двигателя, причем обмотки 1,111 и 11, 1 Ч работают в противофазе).В качестве порогового элемента 4"сравнения используется схема на операционном усилителе 47, в обратную связь которого включен ограничитель тока на диодном мосте 48 и . тскоограничивающих резисторах 49,О и конденсатор 51. На выходе операционного усилителя включено реле 52 сигнализации отказа.Шунтирующий ключ, форсирующий стабилитрон, регулятор тока и схема формирования обратной связи по т ку являются общими для двух обмоток двигателя, работающих в противофазе, Принципиально регулирование токов может осуществляться в каждой обмот ке двигателя с помощью отдельного регулятора. Устройство работает следующим образом.В установившемся режиме, когда на двух выходах распределителя 125 действуют единичные логические сигналы, а на двух других - нулевые, две из четырех обмоток двигателя подключаются к источнику питания Е, Пусть, например, в обмотках30 1 и 11 протекают токи, а обмотки 111, 1 Ч обесточены. Тогда регуляторы 20 и 21 поддерживают токи д(фиг,2) в обмотках 1, 11 в соответствии с уставкой Ч на выходе источника 26 путем автоматической подстройки скважности импульсов Ущ Пщ , фоРмиРУемых на выходах усилителей 24. и 25. Действительно, при наличии импульсов на выходах усилителей 24 и 25 происходит замыка- ние ключей 6 и 8, и обмотки 1, 11 подключаются к источнику питания, в результате чего токи 1, 1 нарастают (ключевые элементы 16 и 17 благодаря наличию инверторов 18 и 19 находятся при этом в, разомкнутых состояниях, . Напряжение питания Е выбирается так, чтобы обеспечивалось форсированное нарастание токов при включении обмоток. В промежутках между импульсами (в паузах) ключи 6 и 8 закрываются и ЭДС самоиндукции обмоток 1 и 11 замыкаются через шунтирующие ключи 16 и 17. Поэтому в паузах токи д, 1 медленно спадают по экспонентам с йостоянными времени 7, определяемыми индуктивностью 1. и сопротивлением К обмотки управления. При замыкании основных ключей 6 и 8 замыкаются также МОП-транзисторные ключи 34 и 35 аналоговых запоминающих элементов 28 и 29, которые переходят в режим слежения, отрабатывая напряжения датчиков Бдф Бд В результате на выходах аналогогвых запоминающих элементов формируются напряжения Ц, Пг, пропорциональные токам в обмотках, подключенных к источнику питания Е. Скорость слежения аналоговых запоминающих элементов существенно выше скорости нарастания токов в обмотках управления двигателя.При закрывании ключей 6 и 8 ХОП-транзисторные ключи 34 и 35 также размыкаются, благодаря чему запоминающие элементы 28 и 29 переходят в режим хранения информации и на их выходах поддерживаются практически неизменные напряжения, определяемые токами обмоток в моменты окончания импульсов усилителей 24 и 25.При достаточно больших коэффициентах усиления усилителей 24 и 25 в установившемся режиме длительности импульсов и пауз автоматически устанавливаются регулятором так, что средние значения напряжений Б и П на выходах запоминающих элегментов 28 и 29 практически равны напряжению уставки , т.е. Ц, = И 2 = 0 Следовательно, токи д 1 в обмотках 1, 11 также равны заданномуБ ., Б значению ( = - и д = - , гдек, г к К, К - сопротивления датчиков 26 и 27 тока и К = Кг) .Рассмотрим работу устройства в переходных процессах при коммутации обмоток управления пс сигналам распределителя. Пусть под действием сигнала распределителя 1 происходит размыкание ключа 6 и отключение обмотки 1, а схема 3 совпадений подготавливается к включению обмотки 111 (обмотки 11 и 1 Ч управления остаются в исходных состояниях и двигательделает один шаг). При появлении импульса на выходе усилителя 24 (момент времени с, фиг.2) происходит замыкание ключа 7 и ИОП-транзистора 34. Токв обмотке 111 начинает увеличиваться от нулевого значения, и на выходе запоминающего элемента 28 формируется напряжение 0 пропорциональное току 1 З, Пока напряже 1102005ние Б, не приблизится к уставке У,на выходе усилителя 24 действуетимпульс, удерживающий ключи 7 и 34в замкнутж состояниях (интервал фиг. 2). Скорость спада тока ь в 5обмотке 1 определяется напряжениемпробоя стабилитрона 14, причем спадтока происходит форсированно по линейному закону. В результате завремя нарастания тока в обмотке 111(интервал Т, ) ток в обмотке 1 успевает снизиться практически до нуля(интервал )Таким образом, в устройстве достигается форсировка как нарастания, 15так и спада тока прч включении иотключении обмотки по сигналам распределителя. В то же время в установившемся режиме форсировка обеспечивается только при подключении обмотки к источнику питания. Спад жетока происходит через шунтирующийключевой элемент по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой параметрами обмотки управления.Поэтому при исправной работе устройства токи через стабилитроны 14и 15 протекают только при коммутацииобмоток по сигналам распределителя. ЗОСледовательно, мощности, рассеиваемые на стабилитронах, и температурырадиаторов, на которых они установлены, одинаковы, Соответственно сопротивления терморезисторов,42 и 43 д равны (К 12= К 43 Кт) Поскольку напряжения И.1 и 02 на выходах запоминающих элементов 28 и 29 практически равны по абсолютной величине и противоположны по знаку напря О жению уставки Б, при выполнении условия К 4- К 4 Ь 2 К 44(К 44- Кц) - сопротивления резисторов 44-46) результирующий ток ь, поступающий на вход операционного усилителя 47 порогового элемента 41, равен нулю (ьУ Б- О) . РазК 44+ Кт 0,5 К 4+ Ктброс сопротивлений резисторов на входах порогового элемента, а также погрешности регуляторов 20 и 21 могут приводить к появлению некоторого раэностного тока йь. Однако этот ток меньше тока ограничения,1, диодного моста 48 в цепи обратной связи операционного усилителя 47. Поэтому выходное напряжение этого усилителя практически равно нулю и реле 52 обесточено. Для предотвращения срабатывания реле в переходиж процессах при коммутации обмоток двигателя по сигналам распределителя, когда напряжения У и И .существенно1 Яотличаются от уставки 0, операционный усилитель 47 снабжен конденсатором 51 в обратной связи, который обеспечивает необходимую задержку,Рассмотрим теперь работу схемы контроля при отказе устройства. Отказы люби элементов, входящих в контур регулирования тока, приводят к нарушению равенства 0 = Ц = У. Вследствие этого появляется результирующий ток на входе операционного усилителя 47, которьп 3 превьппает ток ограничения 1 диодного моста 48. Это ведет к насыщению операционного усилителя и срабатыванию реле 52, сигнализирующего неисправность устройства. Таким путем обнаруживаются отказы всех основных элементов и узлов устройства управления, в т.ч и отказы в цепях, шунтирующих обмотки управления, Так, обрывы форсирующих стабилитронов и развязывающих диодов приводят к недопустимым перенапряжениям на основных ключевых элементах и в конечном счете вызывают их отказы, в результате чего напряжения на выходах запоминающих элементов существенно отличаются от напряжения уставки Б. При обрыве же шунтирующего ключа и других неисправностях, которые ведут к размыканию шунтирующего ключа, спад токов обмоток двигателя происходит через форсирующий стабилитрон не только в переходных процессах при коммутации обмоток по сигналам распределителя, но и в процессе регулирования токов в подключенных обмотках. Это вызывает резкое увеличение тепловой мощности, рассеиваемой на соответствующем стабилитроне, и существенное повышение температуры одного из терморезисторов. В результате нарушается баланс токов на входе операционного усилителя 47, разностный ток превьппает пороговый уровень 1 , и реле 52 срабатывает, сигнализируя о неисправности устройства управления. Аналогичным образом выявляются неисправности, приводящие к зямьианию шунтирующих ключей или стабилнтронов, поскольку мощности, рассеиваемые в стабилитронах, и соответственно температуры и сопротивлениятерморезисторов 42, 43 оказываютсяразными. Лишь на низких частотахкоммутации различие температур становится весьма незначительным и подобные неисправности не обнарузиваются. Однакб на низких частотах отказы, которые сводятся к короткому замыканию шунтирующего ключа, не приводят к отказу устройства управления в целом, так как затягивание заднего фронта импульса тока в об мотках двигателя влияет лишь на дина"мику привода и практически не проявляется при низких частотах. При увеличении же частоты коммутации такие отказы сразу пе выявляются.1102005 Ьи шин Составитель В,РубцовРедактор Т.Кугрьппева Техред Л. Коиюбняк Корректор емч 4780/42ВНИИ а о т 11303 н Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна Тираж 667 ПИ Государственного а делам изобретений Москва, Ж, Раушск Подписнтета СССРрытийб., д, 4/5