Электропривод

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 P 8/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР).

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 ° °

-I;;

Ф

1»

I»

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

J (21) 49408З1/07 (22) 02.06.91 (46) 23.08.93. Бюл. hh 31 (71) Московский энергетический институт (72) В.П, Рубцов и А.К.Лебедев (56) Ратмиров В.А, и др. Дискретный привод. подачйстанков, Станкостроение, Обзор. M.: НИИМАШ, 1973, стр. 16.-17.

Луценко В.Е., Рубцов В.П. Электропривод и автоматизация промышленных установок. Итоги науки и техники. М., ВИНИТИ, 1

1978, с. 103-105, I (54) ЗЛЕ КТРОПРИВОД (57) Использование: системы управления движением рабочих органов различных технологических установок. Сущность: демпфер 2 электропривода с шаговым двигателем 1, усилителем мощнбсти 3 и рас„„5U 1835588 А1 пределитеаем импульсов 4 имеет усилитель мощности демпфером 5 и блок управления

6 и выполнен в аиде металлического диска

7, жестко укрепленного на валу 8 шагового двигателя. Система возбуждения демпфера снабжена С-образными полюсами 9 с катушками 10, соединенными согласно, последовательно или параллельно. и образующими однофазную обмотку 11.

Блок управления демпфером содержит преобразователь частота-напряжение 14 и инвертирующий. усилитель 15, или блок управления демпфером содержит одновибратор 16, или блок управления демпфером содержит два одновибратора 16, 17, или блок управления демпфером содержит три одновибратора 16, 17, 18, преобразователь частота-напряжение 14, инвертор 15, триггер 18. 8 ил.

1835588

Изобретение относится к области электротехники, а именно к управлению шаговым двигателем, и может быть использовано в системах управления движением рабочих органов различных технологических установок.

Целью изобретения является повышение быстродействия и плавности движения.

На фиг, 1 приведена функциональная схема злектропривода; на фиг. 2 — вид на демпфер с торцевой стороны: на фиг. 3— аксиальный разрез демпфера, на фиг. 4— схема подключения обмоток шагового двигателя и демпфера; на фиг, 5-8 — функциональные схемы блока управления демпфером, Электропривод (фиг. 1) содержит шаговый двигатель 1 с демпфером 2, коммутатор фаз шагового двигателя, включающий в себя усилитель мощности 3 и распределитель импульсов 4 с тактовым входом f и входами направления движения "Вперед" В и "Назад" Н, одноканальныйусилитель мощности демпфера 5 и блок управления демпфером

6.

Демпфер 2 выполнен в ниде металлического диска 7 (см, фиг. 2 и 3), жестко укрепленного на валу 8 шагового двигателя 1 или механизма, проводимого в движение двигателем (механизм на чертеже не показан), Неподвижная магнитная система возбуждения демпфера 2, жестко соединенная с корпусом шагового двигателя 1 или механизма, снабжена С-образными полюсами 9. число которых должно быть не менее двух, Каждый полюс 9, охватывающий диск 7, снабжен катушкой 10. Полюсы 9 равномерно расположены по окружности, Катушки 10 всех полюсов. соединенные между собой согласно последовательно или параллельно, образуют однофазную обмотку 11 (см. фиг. 4). Фазы 12 шагового двигателя 1 через силовые элементы усилителя мощности 3 соединены.с источником питания О постоянного тока. Для ограничения перенапряжений на фазах 12 шагового двигателя, обмотке 11 демпфера и силовых элементах усилителей мощности 3,4 введены разрядные цепи, выполненные в виде диодов 13.

Силовой элемент. например, транзистор, усилителя мощности демпфера 5 связывает обмотку 11 демпфера с источником питания постоянного тока U, Удобно, если для питания демпфера и шагового двигателя используется один источник U, как показано на фиг. 4. Однако могут быть использованы и различные источники питания для шагового двигателя и демпфера. Вход силового элемента усилителя мощности демпфера 5 соединен с выходом блока управления

10 демпфером 6. подключенного своим входом к тактовому входу распределителя импульсов 4, Блок управления демпфером 6 может быть выполнен на основе различных функциональных схем. Предс1авленный на фиг.

5 блок управления демпфером 6 содержит преобразователь частота — напряжение 14 и инвертирующий усилитель 15, выход кото-. рого является выходом блока управления демпфером 6. Вход преобразователя частота-напряжение 14, соединенного выходом со входом инвертирующего усилителя 15, является входом блока управления демпфе15 ром 6.

Блок управления демпфером 6 (см. фиг, 6} содержит одновибратор 16, вход которого является входом блока управления демпфером, а выход — выходом последнего, 20 На фиг. 7 представлен вариант блока управления демпфером 6, содержащий два последовательно соединенных одновибратора 16 и 17. Вход первого одновибратора

16 является входом блока управления демпфером 6, а выход одновибратора 17— выходом блока управления демпфером 6, Вариант выполнения блока управления демпфером 6, представленный на фиг. 8, содержит два последовательно соединенных одновибратора 16, 17, третий одновибратор 18 с регулируемой задержкой, импульсный вход которого соединен с выходом первого одновибратора 16. а аналоговый вход через преобразователь

35 частота-напряжение 14 и инвертирующий усилитель 15 соединен со входом первого одновибратора 16, являющегося входом . блока управления демпфером 6. Выходы второго 17 и третьего 18 одновибраторов

"0 подключены ко входам элемента И19, выход которого является выходом блока управления демпфером.

Устройство работает следующим образом.

45 Импульсы управления с частотой f поступают на тактовый вход распределителя импульсов 4, на выходах которого формируется многоканальный (по числу фаз шагового двига ля) система прямоугольных

50 управляющих напряжений. Последовательность прямоугольных импульсов напряжения на выходах распределителя импульсов

4, определяющая порядок чередования коммутации фаэ 12 шагового двигателя 1, опре55 деляет направление движения шагового двигателя и зависит от комбинации сигналов, поданных на входы направления движения В и Н распределителя импульсов

4, При сигнале единичного уровня на входе

В и нулевого уровня на входе Н распредели1835588 тель импульсов обеспечивает коммутацию фаэ 12 шагового двигателя 1 в прямой последовательности, соответствующей условному направлению движения "Вперед", При сигнале единичного уровня на входе Н и чулевого уровня на входе B обеспечивается коммутация фаз двигателя в обратной последовательности, что соответствует движению в условном направлении "Назад".

Состояния, когда на оба входа В и Н распределителя импульсов 4 поданы одновременно единичные или нулевые сигналы, являются запрещенными и должны быть исключены При формировании сигналов управления.

Многоканальная система управляющих напряжений прямоугольной формы, вырабатываемых распределителем импульсов 4, усиливается многоканальным усилителем мощности 3, силовые элементы которого осуществляют последовательно коммутацию фаз 12 шагового двигателя 1, При отключении каждая фаза 12 шагового двигателя шунтируется диодом 13 раздели° тельной цепи, что обеспечивает уменьшение коммутационных напряжений на силовых элементах усилителя мощности 3.

Шаговый двигатель является колебательной электромеханической системой в связи с чем его движение как при обработке, одного шага, тэк и при обработке серии шагов с различной частотой, сопровождается колебаниями угла и скорости. Эти колебания ухудшают качество движения (плавность движения) и могут служить причиной потери устойчивости в области частот резонанса. Собственно шэговый двигатель, особенно при управлении от усилителя мощности со свойствами источника тока, обладает низкими демпфирующими свойствами, что является причиной длительного затухания колебаний, составляющего десятки периодов. Использование внешнего демпфера позволяет снизить колебания угла и скорости и приблизить процессы изменения угла и скорости к апериодическим.

Демпфер более эффективен в области низких частот управления, когда колебания мгновенной скорости в несколько раз превышает ее значение, а устойчивость движения может быть нарушена. В области высоких частот управления, когда движение носит непрерывный характер, колебания скорости малы и эффективность демпфера снижается, однако и в области высоких частот демпфирование колебаний мгновенной скорости позволяет повысить нагрузочную способность шагового двигателя и устойчивость его движения. Применение демпфера предлагаемой конструкции в сочетании с блоком управления возбуждением демпфера позволяет повысить эффективность демпфирования колебаний скорости в области низких частот управления и уменьшить его

5 вредное влияние на быстродействие и нагрузочную способность в области высоких частот управления. Управление режимом работы демпфера обеспечивается следующими схемами блока управления.

10 На фиг. 5 приведена схема блока управления. использующая аналоговые сигналы.

Импульсы управления, поступающие на вход распределителя импульсов 4 и соответственно вход блока управления демпфером

15 6, преобразуются преобразователем 14 в аналоговый сигнал, пропорциональный частоте f. Усилитель 15 инвертирует этот сигнал. В результате с увеличением частоты управления f сигнал, поступающий на вход

20 усилителя 5 демпфера, уменьшается. При этом уменьшаются ток в обмотке 11 демпфера {см, фиг. 4) и создаваемый этим током демпфирующий момент, Изменение тока в обмотке 11 демпфера и, соответственно, 25 демпфирующего момента, обратно пропорционального частоте управления, обеспечивает повышение эффективности его использования, посксльку в области низких частот небольшой демпфируощий момент

55 устраняет колебания угла и скорости, не влияя на нагруэочную способность и быстродействие привода, а в областй высоких частот уменьшенный демпфирующий момент не оказывает существенного влияния не быстродействие и нагрузочную способность, Наиболее простой являешься схема блока управления демпфером, приведенная на фиг. 6, Здесь одновибратор 16 на каждый импульс управления частотой f формирует импульс измененной длительности, который усиливается усилителем 5 демпфера.

Таким образом, с поступлением каждого импульса управления на вход распределителя импульсов 4 обмотка 11 демпфера подключается усилителем мощности 5 к источнику питания постоянного тока U и демпфирующий момент создается только на органиченном отрезке времени, определяемом длительностью переходного процесса. По окончанию импульса обмотка 11 демпфера отключается от источника питания U. Такая схема блока управления демпфером обеспечивает эффективное демпфирование в области низких частот управления и более высокий КПД, поскольку при длительной стоянке шагового двигателя обмотка 11 демпфера обесточена и не потребляет энергию.

Схема блока управления демпфером, представленная на фиг. 7, обеспечивает

1835588 сдвиг во времени момента включения обмотки 11 демпфера относительно начала коммутации фаз. Этот сдвиг по времени обеспечивается первым одновибратором

16, запускаемым импульсами управления, поступающими на тактовый вход распределителя импульсов 4. После окончания импульса, вырабатываемого первым одновибратором 16, запускается второй одновибратор 17, обеспечивающий выключение усилителя мощности 5 и, следовательно, возбуждение обмотки 11 демпфера.

Благодаря сдвигу во времени момента возбуждения демпфера отработка шага при коммутации фаэ 12 шагового двигателя происходит без тормозящего демпфирующего момента, т.е. максимальным быстродействием. По окончании отработки шага, время которого определяется экспериментально и задается длительностью импульса, вырабатываемого первым одновибратором 16, включается возбуждение демпфера, что обеспечивает интенсивное затухание колебательного процесса. Таким образом, в сравнении со схемой на фиг. 6 блока управления демпфером схема на фиг. 7 обеспечивает более эффективную работу демпфера и повышает быстродействие привода при отработке единичных шагов, когда движение носит пульсирующий характер. В области высоких частот. схемы на фиг. 6 и 7 обеспечивают почти непрерывное протекание тока в обмотке демпфера, что несколько уменьшает нагруэочную способность шагового двигателя.

Более гибкое управление демпфером в зависимости. от частоты управляющих им-, пульсов обеспечивает схема блока управле- ния демпфером, приведенная на фиг. 8.

Здесь также, как и в схеме фиг. 7, обеспечивается сдвиг во времени момента возбуждения демпфера относительно момента коммутации фаз 12 шагового двигателя, но вреМя возбуждения изменяется в зависимости от частоты управления f. Это осуществляется третьим одновибратором 18 с регулируемой длительностью импульса, Аналоговый вход одновибратора 18 через инвертирующий усилитель 15 и преобразователь частота-напряжение. подключен ко входу первого одновибратора 16, т.е. ко входу блока управления демпфером 6. Импульсный вход одновибратора 18 подключен ко входу второго одновибратора 17, Таким образом, при поступлении на тактовый вход f распределителя импульсов 4 и, соответственно, на вход блока управления де1ипфером 6 импульса управления запускается первый одновибратор 16, Задним фронтом импульса, вырабатываемого одновибратором 16, запускается второй 17 и третий 18 одновибраторы. Длительность импульса, вырабатываемого вторым одновибратором 17, неизменна, а длительность импульса на выходе третьего одновибратора 18 будет уменьшаться при увеличении частоты управления f. При низких частотах управления

f, соответствующих режиму единичных шагов, длительность импульса, вырабатывае i0 мого третьим одновибратором 18, будет максимальна. Если устанавливают равной длительности импульса, вырабатываемого вторым одновибратором 17.

Импульсы с выходов одновибраторов 17

55 и 18 поступают на входы элемента И19, Единичный сигнал на выходе элемента И19 будет существовать до тех пор, пока на его обоих входах присутствуют сигналы единичного уровня. Длительность импульса на выходе элемента И19 будет определять время возбуждения обмот .и 11 демпфера. В области низких частот, когда длительность импульсов на выходах второго 17 и третьего 18 одновибраторов приблизительно равны, время возбуждения обмотки 11 демпфера будет неизменным. С увеличением частоты управления f на выходе преобразователя 14 частота-напряжение увеличивается аналоговый сигнал. При этом на выходе инвертирующего усилителя 15, т.е. на аналоговом входе одновибратора 18, сигнал уменьшается, что приводит к уменьшению длительности импульса, вырабатываемого этим одновибратором. В результате с ростом частоты f элемент И19 будет" запираться раньше до окончания импульса, вырабатываемого вторым одновибратором 17, т.е. длительность возбуждения обмотки 11 демпфера будет уменьшаться с ростом частоты управления f. Следовательно, в области высоким частот демпфирующий момент уменьшается, что повышает быстродействие и нагрузочную способность привода.

Таким образом, рассмотренные схемы блока управления демпфером обеспечивают гибкое регулирование демпфирующего момента в зависимости от частоты управления, что повышает плавность движения и быстродействие привода с шаговым двигател ем.

Формула изобретения

1, Эъектропривод, содержащий шаговый двигатель с демпфером, снабженным жестко связанным с валом двигателя металлическим диском, усилитель мощности. выход которого подключены к фазам обмотки шагового двигателя и источнику постоянного тока, а входы — к выходам распределителя импульсов. снабженного входами направления движения и тактовым входом, о т л и ч аю шийся там, что, с целью повышения быстродействия и плавности движения, демпфер снабжен многополюсной магнитной системой, составленной из С-образных магнитопроводов с катушками, соединенными между собой последовательно согласно, образуя однофаэную обмотку, а диск демпфера установлен между полюсами С-образных магнитопроводов, дополнительно введены одноканальный усилитель мощности, свя.зывающий обмотку демпфера с источником постоянного тока, и блок управления демпфером, который входом соединен с тактовым входом распределителя импульсов, а выходом — с входом дополнител ьного усилиталл мощности.

2. Электропривод по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что блок управления демпфером выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя частота-напряжение и инвертирующего усилителя.

3. Электропривод no n. 1. о т л и ч а ешийся тем, что блок управления демпфером выполнен в виде одновибратора.

4. Электропривод по и. 1. о т л и ч а ю5 шийся тем, чтс блок управления демпфером выполнен в виде двух последовательно соединенных одновибраторов, 5. Электропривод по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что блок управления лемпфе10 ром выполнен в виде двух последовательно соединенных одновибраторов, третьего одновибратора с регулируемой задержкой, импульсный вход которого соединен с выходом первоГо одновибратора, а аналоговый вход

15 через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и преобразователь частота-напряжение соединен с входом первого одновибратора, являющегося входом блока управления демпфером, выход второго и

2О третьего одновибраторов подключены к входам элемента И, выход которого является выходом блока управления демпфером.

1835588 Фаг. 5.

Фиг. 6.

Фйг. 8, Составитель В.Рубцов

Техред М.Моргентал Корректор М.Самборская

Редактор

Пройзводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 2984 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комиТета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР

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