Устройство для управления шаговым двигателем

5 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к техникеправления электрическими машинамиИ может быть использовано при управйенни дискретными исполнительнымимеханизмами в системах автоматическо.го управлений,Цель изобретения - повышение точности и расширение эксплуатационныхвозможностей путем многорежимногоуправлениА,На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 - схема блока выявле 1 ыя модуля:и знака входного сигнала;Ма фиг.3 - схема соединения пороговых элементов с делйтелем напряжения при управлении трехфазным двигагелем в режиме шеститактной комму- .тации; на фиг.4 - циклограмма измейения напряжений в этом режиме; нафиг.5 - схема соединения пороговыхзлементов с делителем найряжения приправлении трехфазным двигателем вежиме трехтактной коммутации; наг.6 - то же, при управлении четыехфаэным двигателем в режиме восьмигактной коммутации; на фиг.7 - тоФе, в режиме четырехтактной коммутации.Устройство содержит блок 1 выявления модуля и знака входного сигнала с первым 2 и вторым 3 выходами,1 вухвходовый интегратор 4 с времяэадающим резистором 5 и конденсатором 6, подключенным к инвертирующемуходу, и делителем напряжения на резисторах 7 и 8 на неинвертирующемвходе, переключатель 9, релейный элемент 10, первый 11 и второй 12 пороговые элементы, управляемый коммутатор 13 с входом 14 управления, вха 1 ами 15 и 16 и выходами 7 и 18 итри усилителя 19-21 мощности, выходыКоторых предназначены для подключеНия фазных обмоток двигателя. В устройство дополнительно введены четвертый усилитель 22 мощности, третий 23и четвертый 24 пороговые элементы ипереключатель 25-29 с входами 30-34управления и сигнальными входами 3544. Первый выход 2 блока 1 выявлениямодуля и знака входного сигнала соединен через переключатель 9 с инвертирующим входом интегратора 4, выход которого подключен к релейномуэлементу 1 О, Выход релейного элемента соединен с управляющим входомпереключателя 9 и управляющими входами 30-34 переключателей 25-29. Неинвертирующие входы пороговых элементов 11 и 12,н инвертирующие входыпороговых элементов 23 и 24 соединены с выходом интегратора 4, другиевходы пороговых элементов 11, 12, 23и 24 через переключатели 25-28 подключены к промежуточным выводам резистивного делителя 45, подключенного к источнику 46 опорного напряжения Ц . К этому же источнику подключен вход 43 переключателя 29, другойвход 44 этого переключателя соединенс ниной нулевого потенциала, й вход34 управления переключателя 29 подключен к выходу релейного элемента 10.На фиг2 показан один из вариантоввыполнения блока 1 выявления модуляи знака входного сигнала, которыйсодержит сумматор на операционномусилителе 47 и диодный ключ на операционном усилителе 48, Двухвходовыйсумматор 47 охвачен отрицательной обратной связью через резистор 49. Выход сумматора 47 является первымвыходом 2 блока 1 выявления модулязнака входного сигнала,Диодный ключ включает в себя входной резистор 50, цепь отрицательнойобратной связи на резисторе 51 идиоде 52, цепь ограничения на стабилитроне 53, диоде 54 и резисторе55, подключенном к источнику смещения -Е, цепь положительной обратнойсвязи на резисторах 56 и 57 и энакоразделительный диод 58. Цепь ограничения предотвращает насьшение операционного усилителя 48 при отрицательных входных сигналах Ц , когда обратная связь через резистор 51 разомкнута (диод 52 не проводит). Цепьположительной обратной связи обеспечивает скачкообразное изменениенапряжения на выходе операционногоусилителя 48, когда полярность сигнала Бизменяется с положительнойна отрицательную, Выход диодногоключа (катод диода 58) является вторым выходом 3 блока 1.Устройство для управления шаговымдвигателем работает следующим образом.В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала напряжение навыходе 2 блокавыявления модуля изнака входного сигнала равно нулю,вследствие чего интегратор 4 не изменяет своего напряжения и находит5 156 ся в насыщении под действием смещения нуля операционного усилителя. Поэтому релейный элемент 10, пороговые элементы 11, 12, 23 и 24 и нереключатели 25-29 не переключаются. Двигатель, подключенный к выходам усилителей 19-22 мощности, находится в заторможенном состоянии.Рассмотрим работу устройства при наличии входного сигнала П . Пусть 118 (.О. В этом случае на выходе усилителя 46 возникает положительное напряжение, под действием которого замыкаются положительная обратная связь через резисторы 56 и 57 и нелинейная отрицательная обратная связь через стабилитрон 53 и диод 54. В результате на втором выходе 3 блока 1 выявления модуля и знака входного сигнала появляется положительное напряжение, примерно равное опорному напряжению стабилитрона 53. Это напряжение управляет коммутатором 13, устанавливая его в положение, при котором пороговый элемент 12 (вход 15 коммутатора) соединяется с усилителем 21 мощности, а пороговый элемент 23 (вход 16) - с усилителем 20 мощности. Поскольку напряжение Б = 0а (диод 52 не проводит), напряжение Б на первом выходе блока 1 выявления модуля и знака входного сигнала определяется выражением Б = 1 Б ь .Напряжение Б поступает на интегратор 4, причем в зависимости от состояния переключателя 9 происходит линей" ное увеличение или уменьшение выходного напряженияинтегратора Бц. Пусть, например, в исходном состояний напряжение Б на выходе интегратора 4 равно нулю, а на выходе релейного элемента 10 действует нулевой сигнал Б,при котором переключатели 9 и 29 находятся в положениях, показанных на фиг,1. В этом случае положительное напряжение ц с выхода 2 блока 1 поступает на неинвертирующий . вход интегратора 4. Поэтому выходное напряжение Уя интегратора 4 возрастает от нулевого значения до напряжения Бо, при котором происходит переключение релейного элемента 10 (фиг.4). Релейный элемент 1 О переходит в единичное состояние, при котоя4 К С30 где К - сопротивление резистора 5;С 6 - емкость конденсатора 6;Ь - напряжение опорного источника.Выходное напряжение Б интегратора поступает на входы пороговых элементов 11, 12, 23 и 24, формирующихнапряжения для управления двигателем.При этом уставки пороговых элементовкоммутируются переключателями 25-28 40 в соответствии с состоянием релейного элемента 10.За счет выбора надлежащих уставокможно обеспечить управление трехфазными двигателями в трех- и шести тактном режимах работы, а также четырехфазными двигателями в четырехи восьмитактном режимах.Рассмотрим работу устройства стрехфазным пвигателем в шеститактномрежиме (временные Диаграммы на фиг.4)В этом случае обмотки управления двигателя подключаются к выходам усилителей 19-21 мощности, а уставки пороговых элементов выбираются согласноследую 1 цим равенствам:1 Б = О П, = По2 У = 2/3 Цс 112 = 1/30 о 13 Бз = 1/3 У, 11 э = 2/3 По.для порогового элемента 1 для порогового элемента 1 для порогового элемента 2 186 6ром переключатели 9 и 29 устанавливаются в положения, противоположныепоказанным на фиг.1. При этом напряжение Б поступает на оба входа интегратора 4 и выходное напряжение Пинтегратора уменьшается. В момечтвремени, когда напряжение 11 достигает нулевого значения, происходитпереключение релейного элемента О,который вновь устанавливается в нулевое состояние, переводя переключатели 9 и 29 в исходное положение, Врезультате в схеме возникает периодический процесс, причем при равенствесопротивлений резисторов 7 и 8 ингервалы времени линейного уменьшенияи увеличения выходного напряжения Циравны и на выходе интегратора 4 имеют 20 место симметричные колебания треугольной формы.Скорость изменения напряжения Б ропределяется током заряда (разряда) .конденсатора 6, поэтому частота ко-, 25 лебаний й прямо пропорциональнанапряжению входного сигнала Б :Схема реэистивного делителя 45 опорного напряжения ц и его соедионение с переключателями 25-27 для формирования указанных уставок приведены на фиг.З, где положение переключателей соответствует единичному сигналу на выходе релейного элемента 10. В момент й щ О релейныйэлемент О переходит в нулевое состояние ипереключатели 25-27 устанавливаются в положения,.противопо,ложные показанным на фиг.З. При ,этом уставка первого порогового элемента 11 принимает значение Ц = О, уставка второго порогового элемента12 Ц 2/ЗЦо и уставка третьего порогового элемента 23 Ц 5= 1/Зцо.В момент йТ/2 (Т - период колебаний) релейный элемент 10 пере"ключается в единичное состояние и пе" реключатели 25-27 переходят в показанные на фиг.З положения, в результатечего уставкипринимают новыезначениЯ: ц 1 =-цо 1 ц = 1/3 цоюц = 2/3 цо.Первый 11 и второй 12 пороговыеэлементы находятся в единичных состояниях, при которых напряжение ин,тегратора ц превьппает их уставки,Третий пороговый элемент 23 имеетинверсную статическую характеристику,поскольку сигнал цц поступает наего инвертирующий вход. Поэтому единичное состояние третьего порогового элемента, соответствует неравенствуТц ) цп в интервале 0 (й ( - и ц 7 цв интервале - ( Й ( Т.ТНа фиг.4 приведены временныедиаграммы изменения напряжений навыходах интегратора 4, релейногоэлемента 1 О и пороговых элементов11, 12 и 23, поясняющие работу устройства. Как видно из временных диаграмм, выходные напряжения цйц пороговых элементов сдвийуты по2 йфазе на угол - , а относительная3длительность импульсов С/Т составляет 1/2. Частота вращения двигателяпропорциональна напряжению ци определяется выражением й = 6 й = в -", шаг/с 1,3 цехА 8 2 ц КСь0 5 ЬБлагодаря имеющимся в схеме свя-зям формирование уставок на переклю 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 чение релейного и порогового элементов осуществляется от одного и того же опорного источника,в результате чего колебания напряжения этого источника практически не влияют на фазовый сдвиг и относительную длительность импульсов управления. Это обеспечивает повьппение точности управления и улучшает механические характеристики двигателя, особенно в областй высоких частот, где нарушение фазовых соотношений может вызывать снижение момента и сбои в работе двигателя.При положительном входном напряжении (Ц0) устройство работает аналогично, за исключением того, что управляемый коммутатор 13 под действием нулевого сигнала управления с второго выхода 3 блока 1 выявления модуля и знака входного сигнала устанавливается в положение, противоположное описанному при Ц( О. Действительно, пРи ц ь ) 0 опеРационный усилитель 48 охвачен отрицательной обратной связью через диод 52 н на его выходе действует отрицательное напряжение, при котором диод 58 заперт и Ц = О. В то же время на первом выходе 2 блока 1 выявления модуля и знака входного сигнала возникает нанряжение ц = ца= цп 1, как и для случая ц( О. Поэтому частота вращения двигателя не зависит от полярности напряжения ц . Однако приЬхположительном входном сигнале благодаря тому, что коммутатор 3 переключает пороговые элементы 23 и 12 на входах усилителей 20 и 21, изменяется порядок коммутации фаз двигателя.Работа устройства с трехфаэным двигателем в трехтактном режиме (с парной коммутацией обмоток управления) происходит аналогично и требует лишь изменения уставок пороговых элементов согласно схеме на фиг.5.При нулевом сигнале на выходе релейного элемента 10 уставки пороговых элементов 11, 12 и 23 имеют значения Ц = О, ц = 2/Зцо, цз = 2/Зцо, а при переключении релейного,элемента 1 О уставки принимают значения ц = 2/Зцо, Ц = О, ц = 2/зц . фазовый сдвиг между выходными напряжениями цц, ц 1, ц пороговых элемен- тов также составляет 2/36, однако относительная длительность импульсовУ/Т2/3. Частота вращения двигате 3 Увх, ля Г 31- = - , шаг/с. Как и,л,ве 40 К,С,в режиме шеститактной коммутации при отрицательном входном напряжении(Па 0), управляемый коммутатор 13 подключает пороговый элемент 12 к усилителю 21, а пороговый элемент 23 - к усилителю 20.При положительных входных сигналах (00) управляемый коммутаторВх13 переключает пороговые элементы 12 и 23 на входах усилителей 20 и 21 и порядок коммутации фаз двигателя изменяется на обратный.Рассмотрим работу устройства с четырехфазными двигателями. В этом случае четвертая фаза двигателя подключается к выходу усилителя 21, а третья фаза - к выходу усилителя 22, который управляется от четвертого порогового элемента 24, имеющего, как и третий пороговый элемент 23, инверсную статическую характеристику по отношению к сигналу интегратора 4.В восьмитактном режиме для получения необходимой последовательности напряжений на выходах пороговых.элементов 11, 12, 23 и 24 уставки выбираются следующим образом. При нулевом состоянии релейного элемента 10 П 1"1/4"оф Уй= 3/4 По Пз = 1/2 Пв ц 4 О.При единичном состоянии релейного элемента 10 Б, = Оо, Б = 1/2 О, Пв = 1/4 Бо, Б = 3/4 Бо.Фазовый сдвиг выходных напряжений пороговых элементов составляет 1/2 Р, относительная длительность импульсов С /Т = 3/8, а частотавращения двигателя4 13 вх- шаг/с 3,ввУОовССхема коммутации уставок, снимаемых с резистивного делителя опорного напряжения Б приведена на фиг.6.При Б( О напряжение иа второй и четвертой фазах двигателя совпадает соответственно с выходными напряжениями третьего 23 и второго 12 пороговых элементов.При Бв ) О вторая фаза двигателя подключается к второму пороговому элементу 12, а четвертая фаза - к третьему пороговому элементу 23, в результате чего порядок коммутации фаз изменяется на противоположный.61186 1 О 10 15 Использование величины напряжения входного сигнала для управления скоростью движения и его знака для определения направлением позволяет лег; ко подключать устройство к наиболее распространенным регуляторам, реагирующим на отклонение параметра от заданного. 20 25 30 35 40 45 50 Для четырехтактного режима с парной коммутацией обмоток двигателя (фиг.7), когда фазовый сдвиг выходных напряжений пороговых элементов равен в/2 при относительной длительности импульсов 7/Т1/2, уставки пороговых элементов должны выбирать, ся в соответствии с равенствами У,ф О, Пв 1/2 Б, 01/2 Б , 00 при нулевом сигнале на выходе релейного элемента 10. При единичном сигнале на выходе релейного элементе.10 уставки пороговых элементов принимают значения ц щ Ц , У" 1/281/2 ПфФ фЧастота вращения двигателя определяется выражением: Е = - -,1 шаг/с)Б акФв 0 ЦСвАналогично рассмотренному при изменении полярности входного сигнала П с помощью управляемого коммутатора 13 обеспечивается изменение порядка чередования напряжений на фазах двигателя.Очевидно, что рассмотренный четырехтактный режим с парной коммутацией обмоток двигателя позволяет использовать предлагаемое устройство также для управления двухфазными дви" гателями; При этом обмотки управления двигателя подключаются к выходам усилителей 19 и 20 или 21 и 22.Таким образом, устройство обеспечивает управление двух-, трех- и четырехфазнывя двигателями со скоростью, пропорциональной абсолютной величине входного напряжения, причем направление вращения двигателя определяется полярностью входного напряжения, Наряду с возможностью управления различными по конструкции двигателями устройство позволяет изменять режим коммутации обмоток двигателя, обеспечивая трех- и шеститактные режимы работы для трехфазных двигателей и четырех- и восьмитактные режимы для четырехфазных двигателей.11 156Устранение влияния стабильности уставок на Фазовый сдвиг включения Фаэ двигателя позволяет при нестабилизированном источнике опорйого напряжения повысить точность работы.При экспериментальной проверке неравенство длительностей включения .фаз не превышает 1 Е, а нелинейность зависимости частоты от входного напряжения - не более 0,2 Е.Формула изобретенияУстройство для управления шаговым двигателем, содержащее блок выявления модуля и знака входного сигнала, первый выход которого через переключатель подключен к инвертирующему и через делитель напряжения к неинвертирующему входам интегратора, выход которого подключен к неинвертирующему входу релейного элемента, соединенного выходом с управляющим входом переключателя, три усилителя мощнос"ти, выходы которых предназначены для соединения с Фазными обмотками двигателя, управляемый коммутатор, управляющий вход которого подключен к второму выходу блока выявления модуля и знака входного сигнала, а выходы - к второму и третьему усилителям мощнос 1186 12 ти, первый и второй пороговые элементы, неинвертирующие входы которых подключены к выходу интегратора, р тл и ч а ю щ е е с я тем что с цеЭ Улью повышения точности управления и расширения эксплуатационных возможностей устройства, дополнительно введены источник опорного напряжения с резистивным делителем, третий и четвертый пороговые элементы, четвертый усилитель мощности и пять переключателей, входы управления которых соединены с выходом релейного элемента, инвертирующий вход которого через пятый переключатель соединен с источником опорного напряжения, инвертирующие входы третьего и четвертого пороговых элементов подклю чены к выходу интегратора, а неинвертирующие входы третьего и четвертого и инвертирующие входы первого и второго пороговых элементов через соответствующие переключатели подключены 25 к резистивному делителю источникаопорного напряжения, выходы первого и четвертого пороговых элементов подключены к входам первого и четвертого усилителей мощности, а выходы втоЗо рого и третьего пороговых элементовсоединены с входами управляемого коммутатора.561186 оставитель В.АлФехред Л.Олийнык Шекмар е едактор А,О аказ 983 Тираж 446 , Подписное Го сударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 НИИПИ оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1