Шаговый электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике , к электроприводу, сочетающему дискретную установку ротора заданное положение с ускоренным вращением ротора. Цель состоит в повышении момента и скорости в режиме дискретного вращения. Для лостиже IW AV 1П1я пели в ycTpoiiCTBo введены цифроиой блок задержки 3 и четырехканаль- iiiiiii коммутатор 6, выходы которого |1О,дкл:очены к управляющим входам че- i nipex ключевых усилителей мощности 7.1-7,4, первая группа входов - к выходам распределителя импульсов 4, а управляющий вход - к выходу цифрового блока задержки 3, управляющий вход которого соединен с шиной режима вращения Р, а тактирующий вход- С выходом входного коммутатора 1, цпфрово квадратурный фазовращатель 11 и компаратор 9, один вход которого соединен с выходом четвертого ключевого усилителя мощности 7.4, :;ругой вход - с тиной питания шагового двигателя. Схема обеспечивает подключение шагового двигателя, создавая дополнительный момент за счет того, что магнитное поле, создаваемое одной парой его обмоток, синхронизировано взаимодействует с магнитным полем ротора. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. i (Л DO Ю сд эо ел ой/г/

СОЮЗ СОВЕТ .1ИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИК (19) (111

Ai (50 4 11 02 8/00

ВС Е1

lf)

1 и 1

1 т (!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ШАГ013Ы11 Э11Е11ТР011РИК0,, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4085828/2«-07 (22) 09.07.86 (46) 07.02,88 11юл, N 5 (71) Опытное конс трукторскс -тех11о 1огическое бюро с опь;тн 1м ТТрп» ТТ. -1стном Института .1ета;111.., 1 зик11 . 111 УССР (72) А.N 1,зц, 11.11., 1111 пе11ко и В.В, Пет1,1 ов (53) 621.313. 525(088.8) (56) Авторское сvò;;åTå-ll ствс СССР

750692, кл, lI 0 I 8/Г 0, 19179

Гумен Б.ф., 1 алин.1нс1,ая Т. Р, Следящий lilll оный з-1е11тро11р11ноп. — .1,:

Энергия, 1980, с, 137-1 38. (57) 11аобретегн1е относится к лектро— технике, к зпектроприводу, сочетак1щему дискретную установку ротс ра FI заданное по.1ож ние с ускоренным воашением ротора. 11,епь состоит В повышении момента и скорости в реж11ме дис кретно l 11 В1 а!11ения, liJTFT постпже

11!1я !!ели в х cTp0IIcтВО ВВедсны пифрО лок задержки 3 и четырехканальпы11 к ммутатор 6, выходы которого

;..дк;юноны к y ïð;Tп. яю1цим входам че i: 1ре. . I,11к Ii i:ll-.l . ус11Уп1т ел ей MOIII H OC ти

7. 1-7,4, первая группа ьходoB — к

1111хопам pаспpедеJTTë епя импульсов 4, а управляющий вход — к выходу цифро11ого блока задержки 3, управляющий

FI lî÷, которого соединен с шиной реК11Ма ВР аlне ЧИЯ P а Т QK ТИРУЮЩИЙ ВХОД

Выходом входного коммутатора ц1;фровой квадратурный фазовращатель

11 и 1 омпаратор 9, один вход которого соединен с выходом четвертого кпючевого усилителя мощности 7.4, ;ругой вхсд — с п1иной питания шаго11ОГО дВИ атепя. СХЕМа ОбЕСПЕЧИВаЕт подключение шагового двигателя, создавая дополнительный момент за счет того, что магнк гное поле, создаваемое опной парой его обмоток, синхронизировано взаимодействует с магнитным полем ротора. 1 з ° и, ф-лы. 2 ил.

1372585

Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическими машинами и может быть использовано в электроприводе, сочетающем

5 дискретную установку ротора в заданное положение с ускоренным вращением ротора, например в научно-исследовательской аппаратуре.

Цель изобретения — повышение момента и скорости в режиме ускоренного вращения.

На фиг. 1 показана функциональная схема электропривода; на фиг, 2— совмещенные временные диаграммы 15 пространственного расположения векторов магнитного поля ротора и статора шагового двигателя для случая ротора с одной парой полюсов и сигналов элементов управления шаговым двигателем в режиме ускоренного вращения, Шаговый электропривод содержит входной коммутатор 1, блок 2 управле- 25 ния двигателем постоянного тока, цифровой блок 3 задержки, распределитель

4 импульсов, генератор 5 импульсов, четырехканальный коммутатор 6, четыре ключевых усилителя 7,1-7,4 мощ- 30 ности, шаговый двигатель 8, компаратор 9, двигатель 10 постоянного тока, цифровой квадратурный фазовращатель

11, содержащий реверсивные счетчики

12 и 13, сдвоенный селектор-мультиплексор 14, триггер 15.

Управляющий вход входного коммутатора 1 подключен к шине режима вращения P первый вход — к выходу частоты приемистости генератора 5

40 импульсов, второй вход — к шине внешних управляющих импульсов f „р, а выход — к тактирующим входам распределителя 4 импульсов и цифрового блока 3 задержки, управляющий вход которого подключен к шине режима вра-45 щения Р, а выход — к управляющему входу четырехканального коммутатора

6. Управляющий вход распределителя

4 импульсов подключен к шине реверса (вперед-назад) ВН, к которой так- Я) же подключен один вход блока 2 управления двигателя постоянного тока, другой вход которого подключен к шине режима вращения P а выходы— к входам двигателя 10 постоянного тока, 55 ось которого жестко связана с осью шагового двигателя 8. Первая группа входов четырехканального коммутатора 6 подключена к выходам распределителя 4 импульсов, а выходы — к управляющим входам четырех ключевых усилителей 7.1-7.4 мощности, выходы которых подключены к обмоткам шагового двигателя 8, а выход ключевого усилителя мощности 7.4 — к одному входу компаратора 9, к другому входу которого подключена шина питания U„ шагового двигателя 8.

Прямой выход компаратора 9 подключен к входу направления счета (E+ 1) реверсивного счетчика 13, инверсный выход — к входу направления счета (Е+ 1) реверсивного счетчика сдвоенного селектора-мультиплексора 14. К первому входу (0.0) первой группы и к четвертому входу (3.1) второй группы входов мультиплексора

14 подключен выход удвоенной частоты тактирования генератора 5 импульсов, к второму (1.0), четвертому (3.0), входам первой группы и к первому (0.1), третьему (2.1) входам второй группы входов мультиплексора 14 под— ключен выход частоты тактирования генератора 5, третий вход (2.0) первой группы и второй (1 ° 1) вход второй группы входов подключены к общему проводу. Первый выход („О) мультиплексора .14 подключен к счетному входу (С) счетчика 12, а второй выход (.1) — к счетному входу (С) счетчика 13. Выходы заема (aR) счетчиков 12 и 13 подключены соответственно к входам установки в "О" (R) и в " 1" (S) триггера 15, прямой выход которого подключен к первому входу второй группы, а инверсный выход — к второму входу второй группы входов коммутатора 6 и к второму адресному входу (ДСЕ2) сдвоенного селектора-мультиплексора 14, Третий и четвертый выводы второй группы входов коммутатора 6 подключены к общему проводу.

Вход направления счета счетчика

13 является прямым управляющим входом цифрового квадратурного фазовращателя 11, вход направления счета счетчика 12 и первый адресный вход селектора 14 являются инверсным управляющим входом фазовращателя 11.

Входы 1.О, 3.0, О ° 1 и 2,1 сдвоенного селектора-мультиплексора 14 являются первым тактирующим входом фаэовращателя 11, а входы 0.0 и 3 ° 1 мультиплексора 14 являются вторым

1372585 (удвоенной частоты) тактирующим входом фаэовращателя. Прямой и инверсный выходы триггера 15 являются соответствующими выходами фазовращателя 11, 5

Устройство для управления шаговым приводом может быть выполнено на базе интегральных микросхем преимущественно серии К 561.

Входной 1 и четырехканальный 6 коммутаторы могут быть выполнены на базе микросхемы К 561ЛС2. Генератор 5 импульсов выполнен на базе инверторов К56 1ЛН2 и делителя часто-15 ты на основе счетчиков К561ИЕ10, соответствующие выводы которых используются для формирования удвоенной частоты тактирования, частоты тактирования и частоты приемистости.

Распределитель 4 импульсов реализуется на реверсивном счетчике с дешифратором, построенном на сдвоенных четырехканальных мультиплексорах К561КП1, Цифровой блок 3 задержки непосредственно реализуется на счетчиках К561ИЕ10, вход сброса является входом управления блоком, а выход одного из разрядов — выходом блока, для сохранения состояния выходного сигнала он используется и

30 для блокировки счетных импульсов.

Компаратор 9 может быть выполнен на микросхеме К554СА3. Реверсивные счетчики 12 и 13 выполняются на микросхемах К561ИЕ11, триггер 15 — на микросхеме К561ТМ2, мультиплексор

14 — на микросхеме К561КП1.

Ключевые усилители 7.1-7.4 мощности и блок 2 управления двигателем постоянного тока выполняются на со10

45

Сигнал на выходе 3 остается неизменным до тех пор, пока счетчик это50 го блока не насчитывает определенное (порядка 16-32) число тактирующих импульсов ° Затем этот сигнал становится соответствующим формированному режиму и изменяет состояние

55 коммутатора 6, На выход коммутатора

6 подключаются входы второй группы, изменяя структуру управления шаговым двигателем 8. ставных транзисторах.

Электропривод работает следующим образом.

Исходное состояние устройства определяется режимом принудительной коммутации обмоток шагового двигателя 8, задаваемой внешними сигналами, Режим задается сигналом на шине P поступающим от внешнего устройства (не показано), При этом входной коммутатор 1 пропускает на тактирующий вход распределителя 4 импульсов импульсы тактирования от внешнего устройства по шине f„„ Выходные сигналы распределителя 4 через пед,— вую группу входов четырехканального коммутатора б поступают на управляющие входы ключевых усилителей 7,1—

7.4 мощности, которые производят принудительную коммутацию обмоток двигателя 8, обес",å÷èâàÿ вращение его в заданном темпе. В этом режиме используется несимметричная восьмитактная коммутация с частотой импульсов f,,„ задаваемой в диапазоне от нуля (стоянка) до частоты приемистости °

В зависимости от сигнала внешнего устройства на шине реверса В1( распределитель 4 устанавливает последовательность включения обмоток шагового двигателя 8, соответствующую заданному направлению вращения.

Сигнал шины Р, соответствующий рассматриваемому режиму вращения, воздействуя на блок 2 управления, отключает питание двигателя 10 постоянного тока. Его обмотки закорачиваются, что повышает коэффициент демпфирования, улучшая динамические параметры привода.

Изменение режима вращения начинается установкой на шине P сигнала, соответствующего форсированному вращению. По этому сигналу блок 2 управления производит включение двигателя 10 в соответствии с направлением, задаваемым на шине ВН. Одновременно коммутатор 1 подключает на тактирующий вход распределителя 4 импульсы с частотой приемистости, поступающие от генератора 5. Кроме того, сигнал шины P подается на цифровой блок 8 задержки, но выходной сигнал этого блока остается таким же, как при принудительной коммутации, в течение определенного числа периодов тактирующих импульсов. Поэтому в течение времени задержки шаговый двигатель 8 продолжает работать в режиме принудительной коммутации, разгоняя привод до скорости, максимально допустимой для этого режима.

1372585

В новой структуре коммутируются две обмотки а и Ь двигателя 8 синхронизированно с положением ротора двигателя, которое контролируется

5 сигналами на отключенной обмотке

Чтобы получить максимальный момент от взаимодействия магнитных полей обмоток а и b статора (Фа) и ротора (Фл), их взаимное положение в пространстве должно соответствовать, представленному на фиг. 2 (для случая вращения по часовой стрелке).

Если обмотки а и Ь (они создают магнитные поля противоположных направлений) коммутировать так, чтобы направление магнитного поля изменялось в соответствии с представленным на фиг. 2, то момент двигателя

10 пОстОЯннОГО тОки ДОполнЯетсЯ мО 20 ментом, развиваемым на шаговом двигателе 8, Для получения информации о положении ротора используется ЭДС вращения (Е ), наводимая на отключенной обмотке IV (она ортогональна обмоткам а-b) магнитным полем ротора (фиг, 2), Напряжение на обмотке компаратором 9 преобразуется в прямо. угольные импульсы (U ) — меандр, имеющий период, соответствующий частоте вращения ротора. В соответствии с пространственным расположением обмотки d эти импульсы сдвинуты по фазе на 90 (электрический угол) по отношению к импульсам, которые сле- 35 дует подавать на обмотки а-Ь для достижения максимального дополнительного момента шагового двигателя 8, Поэтому прежде, чем сигналы компаратора 9 поступают через коммутатор

6 на усилители 7.1 и 7.2, они с помощью цифрового квадратурного фаэовращателя 11 сдвигаются на 90 (сигнал U „,„- 15, фиг. 2).

Работа элементов фаэовращателя иллюстрируется (фиг ° 2) временными диаграммами сигналов (U — выход компаратора 9, U„, — выход " .1" мультиплексора 1, О, выход заема BR счетчика 13 U, — выход " „0" муль- 50 типлексора 14, U,> выход заема BR счетчика 12 и U„< — выход триггера 15), При низком уровне выходного сигнала (U О) компаратора 9 счетчик 12

9 устанавливается в режим сложения 55 (E+ 1), а на первый адресный вход мультиплексора (1) подается " 1".

В этом случае сигнал на выход (.О) U — мультиплексора 14 и далее на счетный вход . счетчика 12 гроходит через входы "1,0" и "3.0", которые подключены к выходу частоты тактирования f, генератора 5, В результате в течение полупериода U = О на счета чике 12 накопится число, пропорциональное длительности полупериода.

В слеДУюЩий полУпеРНОД U з = 1 на счетчике 12 устанавливается режим вычитания (E-1), а адресный код на мультиплексоре 14 подключит на счетный вход счетчика 12 выход удвоенной частоты тактирования 2f, генератора

5, Содержимое счетчика 12 станет убывать. При достижении счетчиком

12 нуля на его выходе заема BP (соответствует переносу при работе счетчика на вычитание) появится " 1" (сигнал U, ), которая по входу R установит триггер 15 в "О". В резуль тате этого изменится адресный код на мультиплексоре 14 ("2,0"), который присоединит счетный вход счетчика 12 к общему проводу, т.е. прекратит подачу импульсов на счетчик, сохраняя при этом на адресном коде его нулевое состояние.

Так как частота импульсов при вычитании в два раза больше частоты импульсов при сложении, то импульс на выходе BR появляется в середине полупериода, т ° е ° будет сдвинут на о I четверть периода (90 ) . В следующем полупериоде Ц = О на счетчике 12

9 снова накапливается число, пропорциональное полупериоду оборота ротора, весь описанный цикл повторяется, Таким образом, каждый период в течение одного полупериода производится измерение его длительности, а в другой полупериод формируется импульс, сдвинутый на четверть периода (половину предыдущего полупериода).

Благодаря тому, что каждый период производится измерение длительности полупериода, достигается оперативная подстройка фазового сдвига под изменение частоты, т,е. скорости вращения привода.

Работа счетчика 13 происходит аналогично. На нем производится измерение полупериода при U > = 1, а сдвинутый на 90 импульс формируется в середине полупериода U9 = О, Установочные входы R u S триггера 15 управляются импульсами заема BR соответственно счетчиков 12 и 13, в ре1372585 зультате чего на нем формируется меандр, сдвинутый на 90 по отношению к меандру компаратора 9, Сигналы с выходов триггера 15 в режиме ускоренного вращения подаются для управления усилителями 7.1 и 7.2 обмоток а и Ь шагового двигателя 8.

В известном электроприводе ускоренное перемещение обеспечивается

10 включением двигателя постоянного тока при отключении шагового двигате ля. В этом случае шаговый двигатель, нагружая двигатель постоянного тока, снижает допустимые момент нагрузки и скорость. В предлагаемом электроприводе шаговый двигатель не отключается, а, напротив, в режиме ускоренного вращения подключается, создавая значительный дополнительный момент на оси привода за счет того, что магнитное поле, созда ваемое одной парой его обмоток, синхронизировано взаимодействует с магнитным полем ротора. Причем синхронизация достигается не введением специального датчика положения ротора, а за счет использования другой пары обмоток шагового двигателя.

В предлагаемом электроприводе достигаются повышение момента привода в 2-3 раза по сравнению с известным,превышение паспортной скорости вращения двигателя постоянного тока в 3-4 раза, а частоты приемистости в 20-70 раз.

20

30

Формула изобретения

1. Шаговый электропривод, содер40 жащий жестко соединенные валами четырехфазный шаговый двигатель и двигатель постоянного тока, и устройство управления, соединенное с шинами управляющих импульсов, режима вращения и реверса и включающее в себя соединенный входами с шинами режима вращения и реверса блок управления двигателем постоянного тока, входной коммутатор, соединенный входами с шинами управляющих импульсов, режима вращения и выходом частоты приемистости генератора импульсов, выходом — с тактовым входом распределителя импульсов, вход реверса . 55 которого соединен с шиной реверса, ключевые усилители мощности, соединяющие фазы шагового двигателя с источником питания, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения момен-." и скорости в режиме ускоренного вращения, в него введены компаратор, цифровой квадратурный фазовращатель, цифровой блок задержки и четырехканальный коммутатор, выходы которого подключены к управляющим входам ключевых усилителей мощности, первая группа входов — к выходам распределителя импульсов, управляющий вход — к выходу цифрового блока задержки, управляющий вход которого соединен с шиной режима вращения, тактирующий вход — с выходом входного коммутатора, компаратор, один вход которого соединен с выходом четвертого ключевого усилителя мощности, другой вход — с шиной питания шагового двигателя, два взаимно инверсных выхода соединены с управляющими входами цифрового квадратурного фазовращателя, тактирующие входы которого соединены с выходом частоты тактирования и выходом удвоенной частоты тактирования генераторов импульсов, а два взаимно инверсных выхода цифрового квадратурного фазовращателя соединены с первым и вторым входами второй группы входов четырехканального коммутатора, третий и четвертый входы этой группы соединены с общим проводом.

2. Электропривод по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что цифровой квадратурный фазовращатель содержит первый и второй реверсивные счетчики, сдвоенный селектор-мультиплексор и триггер, прямой и инверсный выходы которого являются соответствующими выходами цифрового квадратурного фазовращателя, а входы установки триггера в "0" и в "1" соединены соответственно с выходами заема первого и второго реверсивных счетчиков, вход направления счета первого реверсивного счетчика и первый адресный вход сдвоенного селектора-мультиплексора соединены друг с другом и являются инверсным управляющим входом цифрового квадратурного фазовращателя, прямым управляющим входом которого является вход направления счета второго реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с вторым выходом сдвоенного селектора-мультиплексора, 1372585

Фс

F>p Un

Составитель В.Алфимов

Те хред М.Дидык

Корректор М.Пожо

Редактор Н.Гунько

Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 498/54

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 первый выход которого соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика, второй и четвертый входы первой группы входов и первой и тре5 тий входы второй группы входов сдвоенного селектора-мультиплексора соединены и являются первым тактирующим входом цифрового квадратурного фазо вращателя, первый вход первой группы входов и четвертый вход второй группы входов сдвоенного селектора-мультиплексора соединены друг с другом и являются вторым тактирующим входом цифрового квадратурного фазовращателя, третий вход первой группы входов и второй вход второй группы входов сдвоенного селектора-мультиплексора соединены с общим проводом, а второй адресный вход соединен с инверсным выходом триггера.