Способ управления шаговым двигателем и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 1)4 Н 02 ГОСУДАРСТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕЕТЕЛЬСТВУ ОПИСА ВТОР СКОМУ ента. Способ упвигателем (ШД)то в каждый цик авления шаг аключается в том,коммутации фазы яют отклонение уг ателя опреде птимального зн ла коммутации от ния путем измере ия между мом сов фазы с полюсами ротора и моментом изменения направления тока фазы, который пропорционален углу коммутации. Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальному закону во всем диапазоне изменения скорости вращения ротора независимо от режима работы ШД, Быстродействие повышается за счет уменьшения времени перемещения подвижных частей ШД иэ одного фиксированного положения в другое. Приведено устройство для осуществления предложенного способа управления ШД. 2 с.п.ф-лы, 7 ил. Я ШАГОВЫМ ДВИДЛЯ ЕГО ОСУЩЕНЫЙ КОМИТЕТ СССРОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(57) Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическими машинами и может быть использовано в замкнутых щаговых электроприводах. Целью изобретения является увеличение быстродействия путем повышения динамического усилия или моия интервала переметом совпадения полю 131Изобретение относитя к управлению электрическими машинами и можетбыть использовано в замкнутых щаговых злектроприводах,Целью изобретения является увеличение быстродействия путем повышениядинамического усилия или момента,На фиг,1 показан шаговый электродвигатель, поперечный разрез; наФиг. 2 - зависимости тока и моментадвигателя от углового положения рото;ра при различных углах коммутациибез учета индуктивностей Фаз; нафиг. 3 - то же, с учетом индуктивности Фаз; на Фиг, 4 - механическиехарактеристики двигателя при различных способах коммутации; на Фиг.5структурная блок-схема устройства;на фиг. б - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на Фиг.7 - схема логического сумматора.На Фиг.1 представлен в качествепримера двухфазный магнитоэлектрический двигатель, состоящий из неподвижного якоря 1 с полюсами, охваченными катушками двухфазной обмотки,и подвижный вторичный элемент (ротор)2 в виде двухполюсного постоянногомагнита. Данный двигатель не является обязательным для реализации способа, Спбсоб может быть применен киндукторному двигателю с невозбужденным зубчатым вторичным элементом (ротором) или к линейному электродвигателю с подвижным якорем и безобмоточ-ной зубчатой направляющей (вторичным элементом).Устройство для управления шаговымдвигателем (см.фиг.5) содержит последовательно соединенные логическийсумматор 3, реверсивный распределитель импульсов 4, усилитель мощнос"ти 5, шаговый двигатель 6, потенциальный датчик положения 7 подвижнойчасти двигателя, блок "дифференцирования 8, соединенный с двигателем б,датчик знака тока Фаз двигателя 9,.соединенный с ним и датчиком положения 7, фазовый детектор 10, триггер11, блок выделения разностного сигнала 12. Шина входных команд 13 соединена с входами 14 логического сумматора 3, к входу 15 которого подключен выход блока дифференцирования 8,а к входу 16 - блок выделения разно."стного сигнала 12,Блок выделения разностного сигна-.ла 12 имеет два выхода. Появлениесигнала на том илидругом выходе.оп 0993 2ределяется знаком Фазового сдвигасигналов с выходов блоков 9 и 7,Логический сумматор включает 1 О логических элементов И 17-26, инвертор 27 два логических элемента ИЛИ 28, 29. У распределителя импульсов 4 имеется два входа. При подаче импульсной последовательности на первый вход осуществляется сдвиг поля двигателя в одном направлении, подаче импульсов на второй вход соответствует сдвиг поля двигателя в обратном направлении.При возбуждении одной или обоих Фаз двигателя (фиг.1) постоянным токомвозникает момент взаимодействия полюсов ротора с возбужденными полюсами статора М, который является периодической Функцией углового положения ротора ц (Фиг.2). На фиг. 2 а показан момент, соответствующий возбуждению Фазы А двигателя на фиг., При возбуждении Фазы В возникает момент, сдвинутый в пространстве на 90 эл,град. относительно момента, возникающего при возбуждении фазы А. Среднее значение момента за период его изменения при возбуждении Фаздвигателя постоянным током равно 0".Двигатель развивает однонаправленный момент при коммутации его фаз, т.е. при периодическом изменении направления тока Фаз двигателя, Суммарный момент двигателя равен сумме моментов от взаимодействия полюсов отдельных фаз с полюсами ротора, однако, не теряя общности, основные закономерности взаимодействия полюсов фаз статора с полюсами ротора можно проследить на примере взаимодействия одной фазы двигателя.При замкнутом способе управлениякоммутация Фаз осуществляется по сигналам датчика положения (датчикне показан) в определенныхположениях ротора, Среднее значение момента, развиваемого полюсами каждой фазы, а значит, и среднее значение момента двигателя в целом зависит от угла коммутации. На фиг.26, в и г показаны зависимости момента, развиваемого при взаимодействии полюсов возбужденной фазы якоря двигателя с ротором, от углового положения ротораотносительно полюсов этой фазы при углах коммутации у, равных 0,45 и 90 . Там же показан характер изменения Фазного тока 1.без учета времени коммутации тока, вызванного индуктивностью фазной обмотки. Данное допущение справедливо при небольших скоростях вращения ротора, когда время нарастания и спа да тока в Фазе мало по сравнению с периодом ее коммутации.Как видно из зависимостей на Фиг. 2, среднее значение момента, развиваемого полюсами возбужденной Ю Фазы двигателя, имеет максимальное значение при угле коммутации равном нулю. При этом изменение направления тока Фазы происходит в момент совпадения полюсов ротора с по люсами данной фазы и отсутствуют интервалы перемещения ротора, когда на него действует отрицательный момент по отношению к направлению вращения ротора. Последнее является криО терием максимизации момента, развиваемого полюсами Фазы и всего двигателя в целом. Иэ характеристик на Фиг.2 следует, что с увеличением угла коммутации средний момент полюсов фазы уменьшается и при= 90о становится равным "0".С ростом частоты коммутации фаз (скорости вращения ротора) время переходного процесса изменения тока фазы становится соизмеримо с периодом его коммутации. Моменты начала коммутации (точка , на Фиг,З) и моменты изменения направления тока фазы (точка с на фиг.З) не совпадают. 35 При этом даже при угле коммутацииу = 0 возникают интервалы перемеще. ния, на которых к ротору прикладывается отрицательный момент, уменьшающий среднее значение динамического момента и снижающий быстродействие двигателя.Для увеличения динамического момента двигателя угол коммутации с ростом скорости вращения ротора необходимо увеличивать.При этом критерий максимизации момента остается тем же, что и при небольшой скорости вращения - отсутствие интервалов перемещения ротора, когда на него воз О действует отрицательный момент по отношению к направлению вращения ротора. Последнее условие соблюдается, если ток Фазы меняет свое направление (переходит через нуль) в момент совпадения полюсов Фазы и полюсов ротора (Фиг.З). Это определяет оптимальный закон регулирования угла коммутации двигателя, обеспечивающиймаксимизацию момента двигателя вовсем диапазоне изменения скоростивращения ротора. При любой скоростивращения ротора угол коммутации должен быть таким, чтобы ток каждой фазы изменял свое направление в моментсовпадения полюсов данной Фазы с полюсами ротора,Однако определение конкретногозначения оптимального усла коммутации затруднительно, так как оно эави"сит от ряда параметров двигателя (ин"дуктивность и сопротивление Фаэныхобмоток, ЭДС вращения ротора и т.д.)точное определение которых не всегдавозможно,На фиг.4 зависимости момента от1частоты вращения соответствуют отсутствию регулирования угла коммутации ( " = О, либо у= 45 во всемдиапазоне изменения скорости). Кривая у = айаг соответствует изменению момента двигателя с ростом скорости вращения при условии регулирования угла коммутации по оптимальному закону.Способ управления шаговым двигателем заключается в следующем. Вкаждый цикл коммутации Фазы двигателя определяют отклонение угла коммутации от оптимального значения путемизмерения интервала перемещения между моментом совпадения полюсов Фазыс полюсами ротора (С, на Фиг,З) имоментом изменения направления токафазы (С на фиг.З). В численном выражении данный интервал пропорционален углу коммутации. В последующий цикл коммутацииугол коммутации изменяют на величину отклонения с целью достижения оптимального угла коммутации, когдаточка совпадения полюсов фазы с полюсами ротора соответствует точкеизменения направления тока фазы,Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальномузакону во всем диапазоне измененияскорости вращения ротора, независимо от режима работы двигателя, изменения нагрузки на валу, измененияпараметров двигателя в процессе эксплуатации,Устройство для управления шаговымдвигателем работает следующим образом.По шине управления 13 на вход 14 логического сумматора 3 подается потенциальная команда "Знак" о направлении движения и импульсная команда Пуск о начале отработки программно го перемещения. В зависимости от программируемого направления движения пусковой импульс, пройдя через сумматор, переключает распределитель импульсов 4 в состояние, соответствующее первому шагу программного движения. Выходные сигналы распределителя импульсов, усилившись в усилителе мощности 5, сдвигают поле в двигателе на один шаг. Подвижная часть двигателя попадает в поле ускоряющих сил и начинает движение.Потенциальный датчик положения 7 на интервале перемещения в один шаг переключается дважды. Первое переключение соответствует половине отработанного шага, второе переключение осуществляется при полной отработке шага.2В момент отработки шага блокомдифференцирования вырабатывается импульс, который по цепи обратной связи поступает на вход 15 логическогосумматора 3 и осуществляет второепереключение распределителя импульсов, выходной сигнал которого черезусилитель мощности сдвигает поле вдвигателе на второй шаг.Подвижная часть двигателя отраба- .тывает второй шаг, после отработкикоторого по цепи обратной связи распределителем импульсов осуществляетсясдвиг поля на следующий шаг и т,д,При этом устройство работает обычным40образом, осуществляя режим самокоммутации двигателя по выходным сигналам датчика положения,Момент переключения тока в каждойфазе двигателя регистрируется датчиком знака тока фаз двигателя, Приэтом его выходной потенциал изменяется на противоположный.Фазовый детектор измеряет фазовыйсдвиг между сигналами с выхода датчика положения и датчика знака тока,выходной сигнал которого в угловыхединицах равен величине этого сдвига.На вход триггера 11, работающегов счетном режиме, подаются. импульсы,формируемые блоком дифференцирования 8 при отработке двигателем каж"дого шага перемещения, Триггер, изменяя свое состояние с приходом каждого входного импульса, на выходеформирует эталонный потенциальныйсигнал, интервал между сменой полярности в котором в угловых единицахсоответствует одному шагу перемещения.Если длительность сигнала с выхода фазового детектора превышает величину, соответствующую одному шагу,то блоком выделения разностного сигнала вырабатывается импульс, которыйв зависимости от направления перемещения и знака взаимного фазовогосдвига входных сигналов фазового детектора, проходя через сумматор(вход 1 б), производит дополнительныепереключения в распределителе импульсов. Результатом этого является дополнительный сдвиг поля в двигателев том направлении, при котором компенсируется возникший фазовый сдвигмежду моментом отработки двигателемшага и моментом изменения знака токав фазах двигателя,После отработки программы перемещения по шине управления подается потенциальная команда на останов Стоп",Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг.б. Лиаграммы изображены для случая, когда выходной сигнал датчика положения опережает сигнал датчика знака тока фазы на величину, превышающую шаг двигателя. При этом блок выделения разностного сигнала формирует корректирующую команду, поступающую на вход логического сумматора 3.Описанные способ и устройство обладают следующими преимуществами: динамическое усилие или динамический момент двигателя увеличиваются не менее чем на 307. за счет установки оптимального угла коммутации в любом режиме работы двигателя;максимальная скорость перемещения подвижных частей двигателя повышается на 353 за счет увеличения динамического момента двигателя; быстродействие шагового двигателя повышается на 257. за счет уменьшения времени позиционирования подвижных частей, т.е. за счет уменьшения времени перемещения подвижных частей двигателя из одного фиксированного положения в другое.131Ф о р м у л а изобретения 1. Способ управления шаговым двигателем с явнополюсными якорем и индуктором, состоящий в том, что при движении индуктора- Фиксируют моменты совпадения осей полюсов якоря и индуктора, задерживают сигнал о совпадении указанных осей и коммутируют катушки фаз якоря задержанным сигналом, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения быстродействия путем повышения динамического усилия или момента, дополнительно измеряют интервал между моментами совпадения осей полюсов индуктора и якоря и перехода тока Фазной катушки через ноль и изменяют длительность задержки сигнала при следующей коммутации на величину указанного интервала.2. Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее сумматор, раслределитель импульсов,усилитель мощности, блок дифференци 0993 8рования, датчик положения, соединенный выходом с блоком дифференцирования, а входом - с подвижной частьюшагового двигателя, Фазные обмоткикоторого через усилитель мощностиподключены к выходу распределителяимпульсов, подключенного входом квыходу сумматора, соединенного первым входом с шиной управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью увеличения быстродействия путем повышения динамического усилияили момента, оно снабжено датчикомзнака тока фаз, фаэовым детектором, 15 триггером и блоком выделения разностного сигнала, подключенным выходомк второму входу сумматора, первымвходом - через триггер к выходу блока дифференцирования, вторым входом - 20 к фазовому детектору, первый входкоторого связан с выходом датчикаположения, а второй подключен к датчику знака тока Фаз, при этом выходблока дифференцирования соединен стретьим входом сумматора.дыюд долдон. ,маго лаю щ иод разоА део 7 ентора оставитель Л,Шакина ехред И,Попович,Проектная,Элавонный дл Яьиод триггер дарод длани оыдеяения ра ноеююго сигаю/54 Тираж 66 ВНИИПИ Государственнопо делам изобрете 113035, Москва, Ж,Производственно-полиграфическое комитета СССР й и открытий аушская наб.,Корректор М, Демчик