Устройство для управления шаговым двигателем

 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в программно-управляемом оборудовании позиционного типа с шаговыми двигателями . Целью изобретения является повьшение быстродействия путем сокращения времени торможения. На всей дистанции перемещения устройство позволяет поддерживать абсолютное значение динамической ошибки (рассогласование между положениями ротора двигателя и магнитного поля в статоре) на уровне, обеспечивающем максимальные значения вращающего и тормозящего моментов как на участках разгона и движения на максимальных скоростях, так и на участке торможения. Величина динамической ошибки отражается со-. держимым реверсивного счетчика 8, на прямой и обратный входы которого поступают импульсы генератора 1 и датчика 5 шагов соответственно. Реверсивный счетчик 8 через дополнительный блок 9 анализа динамической ошибки и два элемента И 12 и 13 регулирует частоту генератора 1 на участке торможения , обеспечивая при эффективном торможении отработку заданных перемещений без потери шагов двигателем. 7 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (ll) А1 (51) 4 Н 02 P 8 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4ие.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4048889/24-07 (22) 08.04.86 (46) 30.08.87. Бюл. ¹ 32 (72) И.N.Äåíèñoâ (53) 621.313.525(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1066018,.кл. Н 02 Р 8/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР № 783941, кл. Н 02 P 7/62, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (57) Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в программно-управляемом оборудовании позиционного типа с шаговыми двигателями. Целью изобретения является повышение быстродействия путем сокращения времени торможения. На всей дистанции перемещения устройство позволяет поддерживать абсолютное значение динамической ошибки (рассогласование между положениями ротора двигателя и магнитного поля в статоре) на уровне, обеспечивающем максимальные значения вращающего и тормозящего моментов как на участках разгона и движения на максимальных скоростях, так и на участке торможения. Величина динамической ошибки отражается содержимым реверсивного счетчика. 8, на прямой и обратный входы которого поступают импульсы генератора 1 и датчика 5 шагов соответственно. Реверсивный счетчик- 8 через дополнительный блок 9 анализа динамической ошибки и два элемента И 12 и 13 регулирует частоту генератора 1 на участке торможения, обеспечивая при эффективном фу торможении отработку заданных перемещений без потери шагов двигателем. С

7 ил.

Изобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано в дискретном электроприводе, например, в станках с числовым программным управлением.

Цель изобретения — повышение быстродействия двигателя путем сокращения времени торможения.

На фиг. 1 приведена блок-схема устар ройства для управления шаговым двигателем; на фиг. 2 — схема генератора; на фиг. 3 — схема компаратора; на фиг. 4 — элемент сравнения кодов; на фиг.5 — блок анализа динамической ошибки двигателя; на фиг. 6 — дополнительный блок анализа динамической ошибки двигателя; на фиг. 7 — график изменения скорости двигателя на дистанции 200 мм. 20

Устройство содержит генератор 1 с двумя входами Р и Т для увеличения и снижения частоты соответственно.

Выход генератора 1 соединен через первый вход ключа 2 с коммутатором 3 фаз шагового двигателя 4. На оси шагового двигателя 4 установлен датчик 5 шагов, выход которого подключен к первому входу компаратора 6.

Выход ключа 2 соединен с вторым входом компаратора 6 и со счетным входом счетчика 7 с предварительной установкой.

Выходы компаратор 6 подключены к прямому и обратному входам реверсив- 35 ного счетчика 8, выход которого подключен к первому входу блока 9 анализа динамической ошибки двигателя, второй вход которого подключен к первому выходу дешифратора 10, вход которого 40 подключен к выходу счетчика 7. Второй выход элемента 10 подключен к второму входу ключа 2, а третий выход — к первому входу дополнительного блока 11 анализа динамической ошибки двигате- 45 ля, второй вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика 8. Первый и второй выходы блока 9 подключены к первым входам элементов И 12 и 13 соответственно. 50

Первый и второй выходы блока 11 подключены к вторым входам элементов И 12 и 13 соответственно. Выходы элементов И 12 и 13 подключены к входам Т и Р генератора 1 соответственно.sr„

Генератор 1 (фиг. 2) релаксационного типа реализован на базе четырех элементов 2И-НЕ 14-17. Частота генератора задается конденсаторами 18 и 19

2 и резисторами 20 и 21, Плавное нарастание-с.нижени» частоты происходит при отпирании-запирании транзистора 22 и запирании-отпирании транзистора 23.

Конденсатор 24 и резисторы 25 и 26 определяют законы снижения и увеличе— ния частоты генератора. Ключ 2 представляет собой схему совпадения с двумя входами и может быть реализован на микросхеме 2И-HF,, на один из входов которой подключается выход генератора, а на второй вход — второй выход дешифратор 10.

Коммутатор 3 является сдвиговым реверсивным регистром с двенадцатью состояниями. Компаратор 6 (фиг. 3) состоит из двух идентичных каналов, включающих в себя, соответственно, два триггера 27 и 28, и 29 и 30, инверторы 31 и 32, элементы 2И-HE 33 и 34.

Первый и второй входы компаратора 6 представляют собой входы первого и второго каналов, а выходы компаратора — выходы этих двух каналов. Импульсы напряжения, поступающие на первый f и второй входы компаратора 6, преобразуются на его выходах синхронно с двумя сдвинутыми на полпериода тактирующими сериями импульсов 1т и 2т, вырабатываемых генератором 35. Тактирующие серии импульсов в каналах компаратора 6 перекрещены: 1т для первого канала — это 2т для второго канала и наоборот. Поэтому выходные сигналы компаратора не перекрываются во времени независимо от времени поступления входных сигналов. Счетчик 7 является двоичным счетчиком с входом предварительной установки.

Дешифратор 10 (фиг. 4) реализован на типовых элементах логики: двух схемах 8И-НЕ 36 и 37, одной схеме 4ИНЕ 38, восемнадцати инверторах 39-56.

Дешифратор 10 на своих трех выходах вырабатывает следующие сигналы. На первом выходе сигнал уровня напряжения логической единицы вырабатывается при наличии хотя бы одной единицы в шести старших разрядах счетчика 7, что соответствует участку разгона и движения на максимальной скорости (при вращении ротора шагового двигателя 4 с положительным значением динамической ошибки). На третьем выходе сигнал уровня логической единицы вырабатывается при нулевом состоянии шести старших разрядов счетчика 7, что со3 13343 ответствует дистанции торможения (при вращении ротора шагового двигателя 4 с отрицательным значением динамической ошибки). На втором выходе сигнал

5 напряжения уровня логического нуля вырабатывается при нулевом состоянии всех разрядов счетчика 7, что является признаком окончания отработки заданного перемещения.и обеспечивает 10 запирание ключа 2. Реализация дешифратора 10 показана на фиг. 4 при шестнадцатиразрядной информации, поступающей с выхода счетчика 7, и включении торможения в моменты появления сигналов уровня логического нуля в 11-16 разрядах.

Блок 9 (фиг. 5) на первом своем входе имеет четыре инвертора 57-60, выходы которых подключены к входам первого элементы 4И-НЕ 61. Одновременно выходы инверторов 57, 59, 60 подключены к первому, третьему, второму входам второго элемента 4И-НЕ 62, четвертый вход которого подключен к вхо- 25 ду второго инвертора 58.. Выходы элементов 4И-НЕ 61 и 62 подключены к установочным входам триггера 63, выходы которого подключены к входам пятого 64 и шестого 65 инверторов соответственно, выходы которых представляют собой соответственно первый и второй выходы блока 9. Вход ключа 2 блока 9 подключен к входу блокировки триггера 63.

Блок 11 (фиг. 6) на втором своем входе имеет четыре инвертора 66-69, выходы которых подключены к входам элемента 4И-HE 70. Первый вход элемента 4И-НЕ 71 подключен к выходу инвертора 66. Второй, третий и четвер- 40 тый входы элемента 4И-НЕ 71 подключены к входам третьего, четвертого и второго инверторов 68, 69„ 6? соответственно. Выходы элементов 4И-НЕ 70 и 71 подключены к установочным входам 45 триггера 72, выходы которого подключены к входам пятого и шестого инверторов 73 и 74 соответственно, выходы которых образуют первый и второй выходы блока 11. Вход генератора 1 бло- 50 ка 11 подключен к входу блокировки триггера 72.

Блок 9 и дополнительный блок 11 на фиг. 5 и 6 изображены для диапазона абсолютных величин динамической ошибки 0-2 шагов двигателя 4. Блок 9 анализирует положительные значения динамической ошибки и включается на участках разгона и движения на максималь50

4 ных скоростях шагового двигателя 4 при соответствующих состояниях счетчиков 7, т.е. при наличии единицы хотя бы в одном из 11-16 разрядов счетчика 7, при которых выдается с первого выхода дешифратора 10 логическая единица, разрешающая работу блока 9, а с третьего выхода дешифратора 10 выдается логический нуль, блокирующий работу дополнительного блока 11. Последний анализирует отрицательное значение динамической ошибки и включается на участке торможения, когда в разрядах 11-16 счетчика 7 присутствуют нули. При этом на третьем выходе дешифратора 10 появляется логическая единица, разрешающая работу дополнительного блока 11, а с первого выхода дешифратора 10 выдается логический нуль, блокирующий работу блока 9.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии нулевое состояние счетчика 7, на втором выходе дешифратора 10 задают логический нуль, запирающий ключ 2. Логический нуль с первого выхода дешифратора 10 задает логическую единицу на обоих выходах блока 9 анализа. Логическая единица с третьего выхода дешифратора 10, при нулевом состоянии реверсивного счетчика 8 приводит к появлению на первом выходе дополнительного блока il анализа логической единицы, что обеспечивает появление логической единицы на выходе первого элемента И, приводящей к работе генератора 1 на низкой частоте, равной частоте приемистости шагового двигателя 4.

При занесении информации о величине перемещения в счетчик 7 на втором выходе дешифратора 10 вырабатывается логическая единица, которая отпирает ключ 2. Логические нули на третьем выходе и логической единицы на первом выходе дешифратора 10 приводят к блокировке дополнительного блока 11 анализа (выдаче логической единицы на обоих его выходах) и разрешению работы блока 9 анализа.

При состояниях реверсивного счетчика 8, соответствующих малым значениям динамической ошибки, при которых вращающий момент не достигает максимальной величины, логической единицы на втором выходе блока 9 анализа через второй элемент И 13 поступает на вход P генератора 1 На первом выхо5 13343 де блока 9 анализа вырабатывается логический нуль, поступающий на вход Т генератора 1. Частота генератора 1 увеличивается. Импульсы с вьгхода ге5 нератора 1, прошедшие через ключ 2, уменьшают содержимое счетчика 7, через второй вход компаратора 6 увеличивают содержимое реверсивного счетчика 8 и через коммутатор 3 фаз осуществляют управление вращением шагового двигателя 4. Импульсы с датчика 5,шаF0B через первый вход компаратора 6 уменьшают содержимое реверсивного счетчика 8. При достижении состояния реверсивного счетчика 8, равного MBK симальной установленной величине динамической ошибки, на первом выходе блока 9 вырабатываетс логическая единица. Логический нуль и логическая 20 единица через первые входы элементов И 13 и !2 поступают на входы Р и Т генератора 1 соответственно, вызывая уменьшение его частоты. Величи-на динамической ошибки уменьшается 25 до достижения состояния реверсивного счетчика 8, соответствующего малым значениям динамической ошибки, при которых вращающий момент начинает уменьшаться. При этом логическая еци- З0 ница и логический нуль с второго и первого выходов блока 9 соответственно, через первые входы элементов И 13 и 12 поступают на. входы Р и Т генератора 1, увеличивая его частоту.

Когда состояние счетчика 7 становится соответствующим дистанции торможения, на первом и третьем выходах дешифратора 10 вырабатываются логический нуль и логическая единица соответ40 ственно. Работа блока 9 анализа при этом блокируется, Разрешается работа блока 11 анализа, который вырабаты-вает логическую единицу и логический нуль на первом и втором выходах соот45 ветственно. Зти уровни через вторые ,входы элементов И 12 и 13 поступают на входы Т и Р генератора 1 соответственно, снижая его частоту„ Абсолютное значение динамической ошибки

50 уменьшается, а тормозящий момент возрастает.

Таким образом, на участке торможения дополнительный блок 11 и два элемента И 12 и 13 обеспечивают эффектив- -5 ное торможение ротора шагового двигателя 4 магнитным полем статора при отрицательных значениях,цинамической ошибки, соответствующих максимальным

so

6 величинам тормозящего момента. После отработки заданного перемещения состояние счетчика 7 становится равным нулю, что вызывает .запирание ключа 2 логическим нулем с второго выхода дешифратора 10.

Увеличение эффективности тормозящего момента на участке торможения позволяет сократить время снижения скорости на 50Х и увеличить дистанцию движения на максимальной скорости. На фиг. 7 представлен график, поясняющий расчет величины сокращения времени отработки перемещения на 200 мм для линейного закона нарастания и снижения скорости перемещения с У =20 до < =

=180 мм/с при соответствующем шаге винта механизма перемещения равном

6 мм.

На фиг. 7 приняты следующие обо-. значения: lp и р — дистанция и время

1 1 11 11

Разгона; 1 1, t „, 1, и время движения на максимальной скорости при управлении от устройства, выполненного по прототипу, и от предлагаемого устройства соответственно;

1 1 11 \1

1,, t, 1,, tT — дистанция и время торможения для прототипа и предлагаемого устройства соответственно; Т, Т вЂ” общее время отработки указанного перемещения для прототипа и предлагаемого устройства.

Указанные параметры траектории имеют следующие значения: Тр =10 мм;

1„=170 мм; 1 =-20 мм.", 1 =180 мм; 1, =

=10 мм.

Относительное снггжение времени отработки перемещения составляет 5,67, При более коротких перемещениях относительное сокращение времени перемещения будет выше указанного, при более длинных — ниже.

Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее управляемый генератор импульсов переменной частоты с входами увеличения и снижения частоты, соединенный выходом через ключ с коммутатором фаз двигателя, с валом двигателя соединен датчик шагов, подключенный к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к выходу ключа и счетному входу счетчика с предварительной установкой, выходы подключены к входам прямого и обратного счета реверсивного счетчика, соединенного выходом с пер7 13 вым входом блока анализа динамической ошибки, второй вход которого соединен с первым выходом элемента сравнения кодов, вход которого подключен к выходу счетчика с предварительной установкой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия путем сокращения времени торможения, введены дополнительный блок анализа динамической ошибки и два элемента И, второй выход элемен34350 та сравнения подключен к управляющему входу ключа, третий выход — к первому входу дополнительного блока анализа динамической ошибки, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, выходы соединены с первыж входами элементов И, вторые входы которых подключены к входам блока анализа динамической ошибки, а выходы — к входам увеличения и снижения частоты генератора.

1334350

Составитель В.Алфимов

Редактор И.Касарда Техред И.Попович Корректор В.Бутяга

Заказ 3978/56 Тираж 659 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4