Устройство для управления шаговым электродвигателем

(и)936340 Союз Советски кСоциалистическиеРесттубпик ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22)Заявлено 16. 07.80 (21) 2959753/21-07с присоединением заявки РЙ -(51) М. Кд,Н 02 Р 8/00Н 02 К 29/02 ЪсуАэрстеенный комитет СССР во делен изобретений н открытнй(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ1Изобретение относится к электротехнике и может. быть использовано для .управления шаговыми электродвигателями с электрическим дроблением шага в системах числового программного управления (ЧПУ) металлорежу 5 щими станками, координатографами и т.д. 4Известно устройство для управленияшаговым электродвигателем, содержащее 1 о усилители мощности, коммутирующие фазы двигателя, управляемые от датчика положения, установленного на валу двигателя 1 . т 5Недостатком этого устройства является небольшой диапазон регулирования скорости и положения, что обусловлено ограниченным числом тактов коммутации шагового двигателя и не возможностью получения требуемого угла коммутации фаз, определяющего в, конечном итоге скорость движения замкнутого шагового электропривода. 2Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления шаговым электродвигателем с электрическим дроблением шага и датчиком положения на валу, содержащее усилители мощности, преобразователи код - аналог, постоянные запоминающие устройства, сумматор и блок управления. Оно осуществляет электрическоеадробление шага, уменьшающее дискретность регулирования положения вала двигателя и расширяющее диапазен регулирования скорости путем изменения с малой дискретностью угла коммутации фаз 21,Недостатком устройства является низкая надежность, обусловленная использованием импульсного (инкре-. ментного) датчика положения и счетчиков, обладающих низкой помехоус.тойчивостью. Кроме того, выполнение ,импульсного датчика положения при больших кратностях электрического дробления шага (малых дискретностях93634 15 На фиг. 1 приведена структурнаясхема предлагаемого устройства; нафиг, 2 и 3 - временные диаграммы,поясняющие его работу,Устройство (фиг, 1) содержит генератор тактовых импульсов 1, делитель 2, функциональный синус-косинусный преобразователь 3, выходысинусоидального О и косинусоидального Онапряжений которого подключены к входам двухфазного датчика положения 4 (например, вращающегося трансформатора), Выход датчикаположения 4 и выход опорного сигнала делителя 2 соединены с двумявходами преобразователя фаза-код 45 50 йривода) представляет собой трудноразрешимую технологическую задачу,поскольку его разрешающая способность(число импульсов за оборот) должнабыть равна или кратна разрешающейспособности привода, Применение импульсного датчика вызывает усложнение схемы, обусловленное необходимостью введения элементов, обеспечивающих временную синхронизацию импульсов управления и импульсов обратФной связипоступающих с датчика,Цель изобретения - повышение надежности и расширение диапазона регулирования шага (дискретности),Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для управлениящаговым электродвигателем с датчикомположения на валу, содержащем усилители мощности, преобразователи код" .аналог, постоянные запоминающиеустройства, сумматор и блок управления, вверены генератор тактовыхимпульсов, функциональный синус-косинусный преобразователь, преобразователь фаза-код и делитель, соединенный входом с выходом генератора тактовых импульсов, кодовыми входамис входами функционального синус-косинусного преобразователя, подключенного выходами синусного и кос 1 инусного напряжений к входам датчика,связанного выходом с первым входомпреобразователя фаза-код, второйвход которого соединен с выходом опорч35ного сигнала делителя, третий - свыходом генератора тактовых импульсов, а выход - с первым входом сумматора, подключенного вторым входомк выходу блока управления, а выхода 40ми - к входам постоянных запоминающих устройств. 0 45, третий вход которого подключенк выходу генератора 1. Выход преобразователя фаза - код 5 подключен кодному иэ входов сумматора 6, соединенного вторым своим входом с выходомблока управления 7, Выходы сумматора через постоянные запоминающиеустройства 8 и 9 и. преобразователикод-аналог 10 и 11 соединены со входами усилителя мощности 12, коммутирующего Фазы шагового двигателя 13.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии на выходеблока управления 7 сформирован нулевой код, т,е. М=0. ПреобразовательФаза-код 5 в каждом периоде напряжений О ,1 и и О ,.питающих фазы датчика 4 и формируемых посредством генератора 1, делителя 2 и Функционального преобразователя 3, преобразует фазу выходного напряжения датчика 4 относительно опорного сигнала,поступающего с делителя 2, в кодй, единице которого соответствует шаг двигателя в схемес электрическим дроблением. Для работы схемы необходимо, чтобы кодна выходе преобразователя фаза-код5 был связан с углом поворота, соединенных между собой валов датчикаи двигателя 13 и их параметрамисоотношенимМ, =, -1 агде- угол поворота вала двигателя (датчика);коэффициент электрического дробления шага;сС - "естественный шаг двигателя;в - число Фаз двигателя;целая часть числаст 2 й:р - число пар полюсов двигателя,т,е. код М, определяет положение,ротора шагового двигателя внутриего полюсного деления ф =2 горВыходной код сумматора 6, которыйв этом случае (М =0) будет равен8,1=4 через постоянные запоминающиеустройства 8.и 9, преобразователикод-аналог 10 и 11 и усилитель мощности 12 устанавливает некоторуюкомбинацию включенных фаз двигателя13 и величин фазных токов так, чторезультирующий вектор магнитногополя статора совпадает с продольной936340 5осью ротора. Электромагнитный момент двигателя при этом равен нулю.Рассмотренное состояние устройствасоответствует началу отсчета навременных диаграммах, приведенныхна фиг. 2 (диаграммы построены дляпримера использования датчика с одной парой полюсов).Если в таком режиме (МУ=О) к валу .двигателя приложить внешнй вращающий 1 Омомент, то под его действием вал двигателя, а вместе с ним и вал датчи- .ка, придут в движение. При этом фаза выходного напряжения датчика 4относительно опорного сигнала делителя 2 ЬМ (фиг. 2) будет линейноизменяться в течение каждого оборотана 360 . Преобразователь фаза-код 5преобразует это изменение фазы в линейный циклический код Мт с периодом 20повторения 2 Ж/р и максимальным значением е 6 единиц (фиг, 2). Так какМУ=О, то выходной код сумматора 6,будет повторять код й, т.е. й =й.УКод йл с помощью постоянных заломи знающих устройств 8 и 9 преобразуется в ступенчато-синусоидальные кодыМ и М 4 (фиг. 2), которые, в своюочередь, преобразуются линейнымипреобразователями код-аналог 10 и зо11 в ступенчато-синусоидальные напряжения 04 и О, определяющие уставки фазных токов (для упрощенияна фиг. 2 и 3 ступенчато-синусоидальные коды и напряжения представленыих огибающей). Кроме того, постоянные запоминающие устройства 8 и 9формируют сигналы О и 04, осуществляющие коммутацию ключевых элементов усилителя мощности в соответствии с выбранной диаграммой коммутациишагового двигателя. В результате совместного действия напряжений 1 04усилитель мощности 12 формирует в фазах шагового двигателя токи 1 л 4(фиг. 2). При этом смещение роторашагового двигателя под действиемвнешних сил вызывает такое же смещение результирующего вектора магнитного поля статора и электромагнитныймомент, развиваемый двигателем, будетоставаться равным нулю (при малыхкратностях дробления внутри каждогоисскуственного шагаю 1(и =ФЕ будетиметь место некоторый фиксирующий55момент, развиваемый двигателем, обусловленный дискретным характером перемещения результирующего вектора магнитного поля статора),1 бДля создания электромагнитного момента и приведения ротора шагового, двигателя в движение, например вперед, с помощью блока управления 7 на второй вход сумматора 6 подают код МУ (фиг. 1 и 3), максимальное значение которого не должно превышать йу( Я. При этом код й =МФйу наЛ выходе сумматора 6 получает приращение, цто эквивалентно его сдвигу на угол Цк (фиг. 3) Соответствующий сдвиг получают токи 114 и результирующий вектор электромагнитного момента, положение которого определяется кодом М 1, смещается относительно продольной оси ротора шагового двигателя, определяемой кодом й, цто вызывает электромагнитный момент и приводит в движение вал двигателя. Циклический код с выхода преобразователя фаза-код , суммируемый с кодом МУ вызывает перемещение результирующего вектора магнитного поля статора синхронно с движением ротора. При этом поддерживается рассогласование вектора поля и оси ротора, заданные кодом йу. Для работы схемы необходимо, чтобы сумматор 6 работал по циклическому закону так, чтобы максимальное значение кода на его выходе М не превышало значения гп 8, т.е, М в, Работа сумматора описывается соотношениями МФМ при (Мйу)а М Фй-а Е при (М,рйУ ); гпМ-М при (М-МУ)ЪО М 11 М ФО 1 при (Му МУ ) (О Иомент, развиваемый двигателем, пропорционален рассогласованию результирующего вектора магнитного поля статора и оси ротора (коду й ) и работа устройства в этом режиме эквивалентна разгону двигателя постоянного тока, Иеняя величину кода М на втором входе сумматора 6, можно обеспечить любое значение электромагнитного момента двигателя. Подача на второй вход сумматора 6 отрицательного дополнительного) кода вызывает изменение знака момента, развиваемого двигателем. формируя на втором входе сумматора 6 с помощью блока управления 7 необходимые значения кода МУ, можно обеспечить работу шагового йривода в любом режиме, получая в зависимости от назначения системы слежения, позиционирование и программирование движения.Такое выполнение устройства позволяет не разрабатывать специальныедатчики положения, а использоватьсерийные синус-косинусные вращающиеся трансформаторы, обладающиемалыми габаритами и низкой стоимостью. Структура предлагаемого устройства позволяет изменить коэффициент дробления шага (дискретностьпривода) при неизменном датчикепутем изменения коэффициента деления делителя и коэффициента пересчета преобразователя Фаза-код,т.е. воздействием на электроннуючасть схемы,Предложенное устройство можетбыть использовано при любом числепар полюсов датчика положения идвигателя и коэффициента электрического дробления шага, путем выполнения преобразователя фаза-код 5 исумматора 6 с соответствующими коэффициентами пересчета,Такое исполнение устройства обеспечивает широкие функциональные возможности привода и расширяет диапазон регулирования шага (дискретности) привода.Технико-экономический эффект отвнедрения предлагаемого устройстваобусловлен снижением стоимости привода за счет исключения дорогостоящих импульсных датчиков положения,увеличением его помехоустойчивости,поскольку информация с датчика положения повторяется в течение саждогопериода питающих его напряжений ислучайные импульсные помехи не нарушают работы привода, Кроме того,широкие функциональные возможностипозволяют разработать ряд модификаций привода, отличающихся дискретностью, на основе одних и тех жедвигателя и датчика положения. Формула изобретения Устройство для управления шаговымэлектродвигателем с электрическимдроблением шага и датчиком положе"ния на валу, содержащее усилительмощности, преобразователи код-аналог, постоянные запоминающие устройства, сумматор и блок управления,10 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения надежности и расширения диапазона регулированияшага, введены генератор тактовыхимпульсов, Функциональный синус 5 косинусный преобразователь, преобразователь фаза-код и делитель, соединенный входом с выходом генераторатактовых импульсов, кодовыми выходами - с входами функционального синус-косинусного преобразователя,подключенного выходами синусного икосинусного напряжения к входам датчика, связанного выходом с первымвходом преобразователя фаза-код,2 второй вход которого соединен с выходом опорного сигнала делителя,третий - с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с первымвходом сумматора, подключенного вторым входом к выходу блока управления, а выходами - к входам постоянных запоминающих устройств.1Источники информации,принятые во внимание при экспертизеЛуценко В,Е., Рубцов В,П.Электропривод с щаговыми двигателями.-"Итоги науки и техники", сер.филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проект иипи каз 4249/ 936340 Тираж / исно