Устройство для управления шаговым двигателем

,В. Золотухин ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(7 1) Институт сверхтв ердых материалов АН УССР(56) Авторское свидетельство СССР Мф 1012207, кл, С 05 В 19/40, 1981,Авторское свидетельство СССР В 811477 кл. Н 02 Р 8/00, 1979.Авторское свидетельство СССР У 1043598, кл. С 05 В 19/40, 1982. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее последовательно соединенные задатчик программы и реверсивный распределитель импульсов, второй вход которого через первый элемент И соединен с частотным и первым управляющим выходом задатчика программы, а выход реверсивного распределителя импульсов соединен с входами канальных усилителей по числу фаз шагового двигателя, каждый канальный усилитель содержит первый и второй элементы И-НЕ, первый, второй, третий и четвертый ключи, первый и второй пороговый элементы, датчик тока, выход которого соединен с общей шиной, первый, второй, третий и четвертый диоды, причем выход первого ключа соединен с первым выводом первой обмотки фазы шагового двигателя и с катодом второго диода, вход первого ключа соединен через первый диод с вторым выводом первой обмотки фазы шагового двигателя и с входом второго ключа, выход которого соединен с входом датчика тока, с выходом четвертого ключа и с входами первого и второго пороговых элементов, инверсный выход первого порогового элемента соединен с третьими входами первого и второго элементов И-НЕ, первые входы которых соединены с выходами реверсивного распределителя импульсов, первый вывод второй обмотки фазы шагового двигателя соединен с выходом третьего ключа и с катодом третьего диода, второй вывод второй обмотки фазы шагового двигателя соединен с входом четвертого ключа, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и повышения надежиости работы устройства для управления а шаговым двигателем, в него введеныЙ блок защиты, элемент защиты, а в каждый канальный усилитель введены первый и второй элементы гальванической С развязки, третий пороговый элемент и элемент ИЛИ, первый вход которого Б соединен с первым управляющим выходом задатчика программы, второй входэлемента ИЛИ соединен с инверсным выходом второго порогового элемента,вход которого соединен с инверснымвходом третьего порогового элемента,с анодом третьего диода и с анодомчетвертого диода развязки, катод которого соединен с управляющим входомблока защиты, выход которого соединен с общей виной, вход блока защитычерез элемент защиты соединен с шиной форсированного питающего напряжения, а непосредственно - с входомпервого и третьего ключа, управляющиевходы первого и второго ключа соединены с выходом первого элемента гальваническои развязки, вход которог соединен с выходом первого эле1541560 мента И-НЕ, второй вход которого соединен с вторым входом второго элемента И-НЕ и с выходом элемента ИЛИ, четвертые входы первого и второго элементов И-НЕ,соединены с инверсным5 выходом третьегв порогового элемента, выход второго элемента И-НЕ соединен с входом второго элемента гальванической развязки, выход которого соединен 10 с управляющими входами третьего и четвертого ключавход которого соединен с входом второго ключа, выход коИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в автоматизирован 20 ных системах управления технологическнми процессами и .в исполнительных ,механизмах робототехнических устройств.Цель изобретения - расширение25 области применения и повышение надежности устройства для управления шаговым двигателем.На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства, первый вариант, на фиг, 2 - временные диаграммы его работы; на фиг 3 - функциональная схема устройства, второй вариант.Устройство (фиг. 1) содержит задатчик программы 1, элемент И 2, реверсивный распределитель 3 импульсов, 35 канальные усилители 4 по числу фаз шагового двигателя, синхронные ключаи 5 и 6, элементы 7 и 8 гальванической развязки, элементы И-НЕ 9 и 10, элемент ИЛИ 11, пороговый эле мент 12 с резистором 13 уставки, пороговый элемент 14 с резистором уставки 15, пороговый элемент 16 с резистором 17 уставки, диоды 18-20, датчик 4521 тока, диод 22 развязки, обмотки 23фаз шагового двигателя, блок 24 защиты, элемент защиты 25,Питание элементов осуществляетсяот шины форсроаного птащего нанряжения Б,и от шины питания цепеиуправления Ц,.Ь.Устройство по фиг. 3 проще, чемустройство по фиг. 1, диоды 18 и 20,датчик 21 тока, пороговые элементы12, 14 и 16, резисторы 13, 15 и 1755уставки, а также элемент ИЛИ 11 являются общими для всех каналов устройства. торого соединен с анодом второго диода,12. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что при симметричной коммутации шагового двигателя с любым числом фаз объединены выходы вторых ключей каждого канального усилителя и объединены между собой одноименные входы, кроме первых, всех элементов И-НЕ каждого канального усилителя. Элементы гальванической развязки7 и 8 и пороговые элементы 12, 14и 16 выполнены на оптронных ключах.В качестве оптронных ключей впредлагаемом устройстве могут бытьиспользованы микросхемы серии К 249,например оптронный переключатель-инвертор У 249 ЛП 1 В, элементы И, ИЛИ,распределитель импульсов могут бытьвыполнены на элементах серии К 561,например К 561 ЛЕ 5, К 561 ЛА 8, К 56 ИР 11,блок 24 защиты выполнен на тиристорном ключе, элемент 25 защиты на плавком предохранителе,Устройство работает следующим образом.При подаче команды "Старт" с задатчика 1 программы на элемент И 2тактирующие импульсы поступают нареверсивный распределитель 3 импульсов. С выхода последнего импульсы,сдвинутые по времени, поступают надва канала канального усилителя 4,подключенных к двум обмоткам 23 фазшагового двигателя. Распределителем3 импульсов задается такое распределение импульсов, при котором обмотки 23 фаз, имеющие общую точку под"ключения, находятся под током поочередно, Соответственно поочередноработают синхронные ключи 5 и 6. Обаключа синхронных ключей 5 и 6 включаются и отключаются одновременнов течение всего такта, заданного реверсивйым распределителем 3 импульсов, В течение такта коммутации про-исходит многократное подключениефазы к формировочному (повышенному)напряжению питания Б. Значение токауставки 1 задается датчиком 21тока, а элементом сравнения служит5 154 пороговый элемент 12 на оптронном ключе, который служит также элементом гальванической развязки мощных высоковольтных цепей питания П шагоИ 1 ного двигателя от элементов управления, подключенных к другому источнику питания Пп (Б ) Н ).п и, И В исходном состоянии пороговые элементы 12, 14 и 16 на оптронных ключах заперты, на их инверсных выходах присутствует уровень логической "1", который поступает на элементы И-НЕ 9 и 10, При подаче тактового импульса от распределителя 3 импульсов открывается соответствующий элемент И-НЕ 9 (10), и на выходе появляется уровень логической "1". В результате срабатывает пороговый элемент 7 (8) на оптронном ключе, служащий для развязки цепей управления от цепей питания Фаз шагового двигателя (11 Щ) и включается синхронный ключ 5 (6), подключая одну из обмоток фаз 23 к источнику питания 11 д . Ток в фазе начинает расти, растет соответственно напряжение на датчике 21 тока, что приводит к срабатыванию порогового элемента 14 на оптронном ключе, а затем порогового элемента 12 на оптронном ключеРазница в уров нях срабатывания ключей 14 и 12 обусловлена разницей сопротивлений 15 и 13 уставки (Рд, и Куст, )При этом Куст,) Бу.т, Однако переключение оптронного ключа 14 не оказывает влияния на ход нарастания тока, так как отрицательный перепад с инверсного выхода порогового элемента 14 на оптронном ключе блокируется схемой ИЛИ 11, если нет команды "Стоп", При срабатывании порогового элемента 12 на оптронном ключе отрицательным перепадом с его выхода закрывается элемент И-НЕ 9 (10), что приводит к запиранию синхронного ключа 5 (6) и разряду индуктивности фазы по цепи Б датчик 2 1 токй, диод 19, обмотка 23 Фазы, диод 18, Бд с возвратом части накопленной энергии в источник питания 0 . Приэтом отрицательный перепад напряжения на датчике 21 тока (ток через датчик 21 тока нри разряде течет в обратном направлении благодаря схеме подключения диодов 19 и 20) приводит к срабатыванию порогового элемента 16 на оптронном ключе, подключен 15606 5 1 О 5 20 75 30 35 40 45 50 55 ного к входной цепи в обратной полярности по отношению к оптронным ключам 12 и 14. Напряжение срабатыванияпорогового элемента 16 на оптронномключе вырабатывается с.помощью резистора 17 (Рчст, юприч уст - к уст )Оптронный ключ 16 "подхватывает" выключение синхронного ключа 5 (6) иэлемента 7 (8) гальванической развязки и обеспечивает требуемый гистерезис тока в Фазе, уменьшая коммутационные потери. Этот гистерезис легко регулировать, установив переменныйрезистор 17 уставки. Так как диод 19(20) подключен не непосредственно ккорпусу, а к датчику тока, датчиктока как при включении синхронныхключей, так и при их отключении постоянно контролирует ток в фазе,причем при отключении ключей токчерез датчик меняет свое направлениена противоположное. Таким образом,отрабатывается каждый импульс, поступающий с распределителя 3 импульсов. При поступлении команды Стоп" на элемент ИЛИ 11 и элемент И 2 прекращается поступление импульсов на распределитель 3 импульсов и он переходит в режим хранения предыдущего состояния, что обеспечивает выдержку 11 Д под током в заданном положении и исключает ложные шаги при повторной подаче команды Старт . В этом случае устройство переходит в режим пониженного потребления энергии за счет снижения в несколько раз тока через Фазу 23 1 Я. Этот режим реализуется следующим образом; Уровнем логического "0" сигналаСтоп", поступившим на схему ПЛИ 11, разрешается влияние выходного сигнала с оптронного ключа 14 на схему И-НЕ 9 (10). Поскольку величина сопротивления 15 Кт -К , , то срабатывание порогового элемента 14 на оптронном ключе происходит при значительно меньшем напряжении на датчике 21 тока, т.е. при меньшем токе через обмотку 23 Фазы, причем это уменьшение тока пропорционально величине отношения К,т, /йут и определяется требуемым Фиксирующим моментом 1 Д при стоянке под током. Таким образом, для правильной работы устройства должно быть выдержано ус- ловие. Поскольку с переходом на режимстоянки под током уменьшается времядостижения тока уставки, то при 5КК автоматически уменьшается гистереэис сниженного тока в фазе, т.е. колебания тока становятсячаще, а величина тока меньше,Для обеспечения надежности работыустройства, помехоустойчивости и защиты его от высокого напряжения(Бд ) 100150 Б) применены оптДронные,ключи, совместившие функциигальванических разделителей и пороговых элементов. Кроме того, защитаобеспечена введением блока 24 защиты,который срабатывает при любом превышении номинальных режимов питанияфаз и защищает не только сами фазы,но и другие элементы при превышениитока через фазу и в случае электрического пробояСохранение большой величины гистерезиса, в режиме стоянки под токомпри парной коммутации, может приводитьк дрожанию вала ШД, поскольку несовпадающие колебания тока в соседнихфазах приобретут значительную величи 30 ну по отношению к среднему значению тока, Предлагаемое техническое реше- . ние автоматически снижает величину гистерезиса в режиме стоянки под то. - ком и практически исключает дрожание вала.Синхронное включение - отключение двух ключей позволяет в два раза поднять напряжение питания фаз и, следовательно, ускорить форсировку процесса заряда индуктивности фаэ (напряжение на транзисторных ключах ограничено -предельно допустимым напряжением Б (Б ) на одном ключе), а также производить рекуперацию энергии в источник не только по окончании такта коммутации, но и во все моменты переключения синхронного ключа. Устройство, выполненное по первому варианту (фиг. 1), может быть применено при любом типе коммутации (симметричные, несимметричные) и позволяет испольэовать шаговый двигатель с нерасщепленными фазами, устройство по второму варианту (фиг. 3) значительно проще, но применимо только при симметричной коммутации.1541560 Составитель Е. ВласоТехред М.Дидык Пата Па рре кто едак аз 279 ВНИИПИ Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагар Тираж 671 арственного комитета по 113035, Москва, ЖПодписноеобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб., д. 4/5