Устройство для управления шаговым двигателем

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СО11ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН д11 4 Н 02 Р 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4050531/24 — 07 (22) 07.04.86 (46) 15.06.88. Бюл. 9 22 (72) А.М. Верба, }O.К. Цыганков, А.И. Бондаренко и A.Â. Чекед (53) 621.313.525(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 1327768, кл. Н 02 Р 8/00,,1985.

Авторское свидетельство СССР .

Ф 1023614, кл. Н 02 Р 8/00, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах числового программного управления станками и промышленными роботами с шаговыми электродвигате„„Я0„„1403329 A 1 лями, Цель состоит в сокращении потребления энергии и повышении плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки. Каждый канал 7 усилителя мощности устройства содержит элемент

2И 8, первым входом соединенный с управляющим входом узла 9 формирования разрядного тока и с S-входом RSтриггера 10, а также с одним из выходов распределителя 1 импульсов. Датчик тока 13 соединяет обмотку 14 шагового двигателя с одним выводом источника питания 2, второй ее вывод обмотки 14 соединен с узлом 9 формирования разрядного тока и через ключевой элемент 12 — с другим выводом источника питания 2. Сигнал уровня тока

1403329 стоянки, соответствующий данному режиму и поступающий в виде кода через первый регистр 5, первый преобразователь код-аналог 3 и первый вход сумматора 15 на второй вход сумматора ll, устанавливает на его выходе и вторых входах сумматора,!5 и элемента ИЛИ 21 единичный потенциал. При изменении нагрузки на роторе шагового двигателя автоматически изменяется ток форсировИзобретение относится к управлению электрическими машинами и может быть использовано в дискретном электроприводе с форсировкой тока, работающем при переменной нагрузке. 5

Цель изобретения — сокращение поI требления энергии и повышение плавности движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки.

На фиг. l приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 — временные диаграммы его работы; на фиг. 3 — схема функционального преобразоватеЛя; на фиг.4

15 график изменения напряжения на выхо де функционального преобразователя; на фиг. 5 — схема узла формирования разрядного тока.

Устройство для управления шаговым

20 двигателем содержит распределитель 1 импульсов, источник 2 питания, первый преобразователь 3 код-аналог, второй преобразователь 4 код-аналог, первый регистр 5, второй регистр б,и многоканальный усилитель мощности, каждый канал 7 которого включает в себя элемент 2И 8, первым входом соединенный с управляющим входом узла 9 формиро30 вания разрядного тока и с S-входом и RS-триггера 10, а также с одним иэ выходов распределителя 1 импульсов, компаратор 11, ключевой элемент

12, управляющий вход которого подключен к выходу элемента 2И 8, датчик 35 тока 13, соединяющий обм тку )4 шагового двигателя с одним выводом источника 2 питания, второ.: вывод обмотки 14 соединен с уэлсы 9 формирования разрядного тока и "ерез ключеки, так как его отключение происходит в момент, когда ротор достигает определенного положения, определяемого сравнением напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с выхода второго преобразователя 4 код †анал. При этом, шаговый двигатель потребляет энергию в соответствии с нагрузкой на роторе. 5 ил.

2 вои элемент 12 — с другим выводом источника 2 питания. Датчик 13 тока соединен с первым входом компаратора

11„ к второму входу которого подключен выход сумматора 15, первый вход которого через первый преобразователь

3 код-аналог подключен к выходам первого регистра 5, второй вход — к выходу компаратора 11, функциональный преобразователь 16, состоящий из по следовательно соединенных дифференцирующего звена 17 и операционного усилителя 18, дополнительный компаратор 19, дополнительный элемент 2И 20 и элемент ИЛИ 21, при этом вход функционального преобразователя 16 подключен к первому выводу обмотки 14, а выход — к первому входу дополни" тельного компаратора 19, второй вход которого через второй преобразователь

4 код-аналог соединен с выходами второго регистра 6, R-вход триггера 10 подключен к выходу дополнительного элемента 2И 20, первый вход которого соединен с выходом дополнительного компаратора 19, а второй вход — с выходом триггера 10, подключенным к первому входу элемента ИЛИ 21, второй вход которого соединен с выходом компаратора 11, а выход — с вторым входом элемента 2И 8. Узел 9 формирования разрядного тока содержит диод 22, катодом подключенный к общей точке обмотки 14 и ключевого элемента 12, и паралельно соединенные резистор 23 и ключевой элемент 24, управляющий вход которого соединен с выходом распределителя 1 импульсов.

На фиг. 4 приняты следующие обозначения: Ml, М2, МЗ вЂ” нагрузка на

1403329 роторе шагового двигателя, где

Мl с М2 - МЗ.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии (фиг. 2) с выхода распределителя 1 поступает сигнал логического нуля, который устанавливает на выходе триггера 10 первом входе элемента ИЛИ 21 и втором 10 входе дополнительного элемента 2И 20 единичный потенциал, а узел 4 формирования разрядного тока — в состояние большого сопротивления и запирает элемент 2И 8, что обеспечивает отклю- 15 чение обмотки 14 от источника 2 питания запертым ключевым элементом 12, поэтому на первом входе компаратора

11, входе и выходе функционального преобразователя 16 напряжение равно нулю. Сигнал уровня тока стоянки, соответствующий данному режиму и поступающий в виде кодов от 3BI" или другого программного устройства через первый регистр 5, первый преобразователь 25

3 код-аналог и первый вход сумматора

15 на второй вход компаратора ll, устанавливает на его выходе и вторых входах сумматора 15 и элемента ИПИ 21 единичный потенциал . Сигнал уровня тока форсировки, также соответствующий данному режиму и поступающий в виде кодов от ЭВМ или другого программного устройства через второй регистр 6 и второй преобразователь 4

35 код-аналог на второй вход дополнительного компаратора 19, устанавливает на его выходе единичный потенциал, который проходит через дополнительный элемент 2И 20, работающий в режиме повторения сигналов на его первом входе, так как íà его втором входе присутствует единичный потенциал, поступающий с выхода триггера 10.

При этом на выходе сумматора 15 будет напряжение где U — напряжение на выходе первоЪ

ro преобразователя 3 коданало г;

U н - напряжение на выходе компаратора 11;

К вЂ” коэффициент усиления сумма35

55 тора 15.

В то время, когда на выходе компаратора 11 единичный потенциал — на выходе сумматора 15 будет напряжение

U „,, когда нулевой потенциал 35 мин

При поступлении с распределителя

) импульсов сигнала логической единицы триггер 10 начинает работать в режиме деления частоты, при котором изменение состояния триггера 10 происходит по переднему фронту импульса на его входе, узел 9 формирования разрядного тока включением ключевого элемента 24 устанавливается в состоя— ние малого сопротивления, а на выходе элемента 2И 8 появляется единичный потенциал, открывающий ключевой элемент 12, через который источник 2 питания подключается к обмотке 14 и по ней протекает ток, создающий на датчике )3 тока падение напряжения

U, поступающее на вход фун сционального преобразователя 16 и первый вход компаратора ll

-6Ф(ь4 Р«1

О Ц2Й iе ч

Rî ++R« напряжение источника 2 питания; активное сопротивление датчика 13 тока и обмотки

14 соответственно; индуктивность обмотки 14. где U<

В„4 ий,.

Напряжение на выходе функционального преобразователя 16, состоящего из последовательно соединенных .дифференцирующего звена 17 и операционного усилителя 18, определяется формулой

t () Uq K R

R (3 1 4 14 л где К, коэффициент усиления операционного усилителя 18;

-R С, - постоянная времени дифференцирующего звена 17;

R иС, — активное сопротивление и емкость дифференцирующего звена 17 соответственно.

Данная формула справедлива только для случая, когда ротор шагового двигателя будет неподвижен, т.е. индуктивность <4 обмотки 14 будет постоянной.

Постоянная времени = К4 С,7 дифференцирующего звена 17 выбирается в зависимости от значения постояннойвремени с 14 = L<4 (Rie +R<4 ) обмотки

i 403329

14, таким образам, чтобы напряжение

U на выходе функционального преобразователя 16 (фиг. 4) к моменту соответствующему началу перемещения ротора шагового двигателя при минимальной нагрузке М, на нем, достигло уровня, превышающего напряжения U на выходе второго преобразователя 4 код-аналог, а затем изменяются в не- 10 больших пределах до момента t, со,ответствующего началу перемещения ро,тора шагового двигателя при максимальной нагрузке М на нем. Во время перемещения ротора шагового двигате1 ря на одно полюсное деление и индук,тивность L<< обмотки 14 изменяется от минимального L „„ äо максимально1о L, „ значений, вследствие чего изменяется ток в обмотке 14, а следа- 20 ательно,.и напряжение U на выходе функционального преобразователя 16, фелич ma которого при этом будет со-! ответствовать положению ротора относительно оси обмотки 14. 25

Когда падение напряжения U 3 (фиг. 2) достигнет величины макси шального напряжения на выходе сумматора 15, на выходе компаратора 11 появится нулевой потенциал, в резупь- ЗО тате чего на выходе сумматора 15 усТановится напряжение U« » =KU>. 0д ако ключевой элемент 12 будет оставаться открытым, так как триггер 10 сохраняет свое прежнее состояние, при котором на его выходе единичный потенциал.

Во время нарастания напряжения U<> на шунте 13 происходит увеличение напряжения U<< на выходе функционально- 40 го преобразователя 16, при достижении им уровня напряжения U va выходе второго преобразователя 4 код-аналог ьа выходе дополнительного компаратора 19 установится нулевой потенциал, 45 сохраняющийся до тех пор, пока при перемещении ротора шагового двигателя напряжение U, на выходе функционального преобразователя 16 не уменьшится до величины напряжения 04, íà 50 выходе дополнительного компаратара 19 появится сигнал логической единицы, передний фронт которого переводит триггер 10 в состояние, когда на его вЫходе будет нулевой потенциал, посту- 55 пающий на второй вход дополнительного элемента 2И ?О, не пропуская импульсы с выхода компаратора 19 íà R"вход триггера 10, и через элемент ИЛИ 21 и элемент 2И 8 закрывающий ключевой элемент 1? . Ток в обмотке 14 затухает с постоянной времени о „„так как сопротивление узла 9 формирования раз--рядного тока мало и им можно пренебречь. Напряжение на датчике тока 13 уменьшается до уровня напряжения

U« на втором входе компаратора

< мин

11 в результате че-о на его выходе появляется единичный потенциал, который через элемент ИЛИ 21 и элемент

2И 8 открывает ключевой элемент 12, после чего ток в обмотке 14 начинает увеличиваться. Увеличение тока в обмотке 14 будет происходить до тех пор, пока напряжение U<> на шунте 13 не достигнет вепичины напряжения

i6 мсика на выходе сумматора 15, при этом на выходе компаратора 11 установится нулевой потенциал, который через элемент ИЛИ 21 закрывает ключевой элемент 12. Так продолжается до появления на выходе распределителя 1 импульсов сигнала логическог0 нуля.

После этого на выходе -лемента И 8 устанавливается нулевой потенциал, закрывающий ключевой элемент 12 и отключающий обмотку 14 от источника 2 питания, узел 9 формирования разряд— ного тока переключается в состояние большого сопротивления, что обеспечивает быстрое затухание тока в обмотке 14, а на выхоце триггера 10 появляется единичный потенциал.

При следующем появлении сигнала логической единицы на выходе распределителя 1 импульсов цикл работы повторяется.

Если происходит увеличение или уменьшение нагрузки на роторе шагово го двигателя, то автоматически увеличивается или уменьшается величина тока форсировки, так как его отключение происходит в момент, когда ротор достигает определенного положения относительно оси обмотки 14, определяемого путем сравнения напряжения на выходе функционального преобразователя 16 с напряжением, поступающим с выхода второго преобразователя 4 код-аналог. При этом шаговый двигатель потребляет энергию в соответствии с нагрузкой на era роторе, что уменьшает потребление энергии и повышает плавность движения шагового двигателя.

Формула

7 14033 и з о б р е т е н и я

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, источник питания, два регистра, два преобразователя код-аналог и многоканальный усилитель мощности, каждый канал которого включает в себя элемент 2И, узел формирования разрядного тока, RS-триггер, соединенный 5-входом с управляющим входом узла формирования разрядного тока, первым входом элемента 2И и одним иэ выходов распределителя импульсов, компаратор, соединенные последовательно с источником питания и обмоткой двигателя ключевой элемент, pàòчик тока, подключенный к первому входу компаратора, и сумматор, первый 2р вход которого через первый преобразователь код-аналог подключен к выходам первого регистра, второй вход — к выходу компаратора, а выход — к второму входу компаратора, управляющий вход 25 ключевого элемента соединен с выходом

29 8 элемента 2И, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения потребления энергии и повышения плавнбсти движения путем управления длительностью форсировки в зависимости от нагрузки, в каждый канал усилителя мощности введены функциональный преобразователь, состоящий из последовательно соединенных дифференцирующего звена и операционного усилителя, дополнительные компаратор и элемент 2И и элемент ИЛИ, первым входом соединен" ный с выходом RS-триггера, вторым входом — с выходом компаратора, выходом — с вторым входом элемента 2И, вход функционального преобразователя подсоединен к датчику тока, выход к первому входу дополнительного компаратора, второй вход которого через второй преобразователь код-аналог подключен к выходу второго регистра, выход — к первому входу дополнительного элемента 2И, второй вход которого соединен с выходом RS-триггера, а выход — с R-входом RS-триггера.

1403329

Составитель В. Алфимов

Редактор К). Середа Техред А.Кравчук Корректор С. Черни

3 аказ 3003/54

Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4