Способ управления шаговым двигателем и устройство для его осуществления

Способ управления шаговым двигателем и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике , к управлению электрическими машинами и может быть использовано в замкнутых шаговых электроприводах . Целью изобретения является увеличение быстродействия путем повышения динамического усилия или момента . Способ управления шаговым двигателем (ВД) заключается в том, что в каждый цикл коммутации фазы двигателя определяют отклонение угла коммутации от оптимального значения путем измерения интервала перемещения между моментом совпадения полюсов фазы с полюсами ротора и моментом изменения направления тока фазы, который пропорционален углу коммутации . Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальному закону во всем диапазоне изменения скорости вращения ротора независимо от режима работы ШД. Быстродействие повышается за счет уменьшения времени перемещения подвижных частей ЦЩ из одного фиксированного положения в другое. Приведено устройство для осуществления предложенного способа управления ЩЦ, 2 с.п,ф-лы, 7 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ai (19) (11) (51)4 Н 02 P 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A8TQPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3992707/24-07 (22) 1 9. 1 2. 85 (46) 15. 05. 87. Бюл. У 18 (72}. В. Б. Баль, А. Б. Красовский, В.М.Добромыслин и Е.И.Савостин (53) 621 ° 313,525 (088,8) (56) Гумен В.Ф., Калининская Т.В.

Следящий шаговый электропривод. Л.:

Энергия, 1980, с.4.

Патент CUIA М 4044881, кл.197-82, 1977. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, к управлению электрическими машинами и может быть использовано в замкнутых щаговых электроприводах. Целью изобретения является увеличение быстродействия путем повышения динамического усилия или момента. Способ управления шаговым двигателем (ШД) заключается в том, что в каждый цикл коммутации фазы двигателя определяют отклонение угла коммутации от оптимального значения путем измерения интервала перемещения между моментом совпадения полюсов фазы с полюсами ротора и моментом изменения направления тока фазы, который пропорционален углу коммутации. Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальному закону во всем диапазоне изменения скорости вращения ротора независимо от режима работы ШД, Быстродействие повышается за счет уменьшения времени перемещения подвижных частей ШД из одного фиксированного положения в другое. Приведено устройство для осуществления предложенного способа управления ШД. 2 с.п.ф-лы, 7 ил..1 131

Изобретение относит я к управлению электрическими машинами и может быть использовано в замкнутых шаговых злектроприводах.

Целью изобретения является увеличение быстродействия путем повышения динамического усилия или момента, На фиг. 1 показан шаговый электро. двигатель, поперечный разрез; на фиг. 2 — зависимости тока и момента двигателя от углового положения рото; ра при различных углах коммутации без учета индуктивностей фаз; на фиг. 3 — то же, с учетом индуктивности фаз; на фиг. 4 — механические характеристики двигателя при различных способах коммутации; на фиг.5 структурная блок-схема устройства; на фиг. б — временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.

7 - схема логического сумматора.

На фиг.1 представлен в качестве примера двухфазный магнитоэлектрический двигатель, состоящий из неподвижного якоря 1 с полюсами, охваченными катушками двухфазной обмотки, и подвижный вторичный элемент (ротор)

2 в виде двухполюсного постоянного магнита. Данный двигатель не является обязательным для реализации способа. Спбсоб может быть применен к индукторному двигателю с невозбужденным зубчатым вторичным элементом (ротором) или к линейному электродвигателю с подвижным якорем и безобмоточ- ной зубчатой направляющей (вторичным элементом).

Устройство для управления шаговым двигателем (см.фиг.5) содержит последовательно соединенные логический сумматор 3, реверсивный распределитель импульсов 4, усилитель мощности 5, шаговый двигатель 6, потенциальный датчик положения 7 подвижной части двигателя, блок "дифференцирования 8, соединенный с двигателем 6, датчик знака тока фаз двигателя 9, .соединенный с ним и датчиком положения 7, фазовый детектор 10, триггер

11, блок выделения разностного сигнала 12. Шина входных команд 13 соединена с входами 14 логического сумматора 3, к входу 15 которого подключен выход блока дифференцирования 8, а к входу 16 — блок выделения разно.стного сигнала 12, Блок выделения разностного сигна-. ла 12 имеет два выхода. Появление сигнала на том или другом выходе. on0993 2 ределяется знаком фазового сдвига

Ф сигналов с выходов блоков 9 и 7, Логический сумматор включает 10 логических элементов И 17-26, инвертор 27, два логических элемента

ИЛИ 28, 29. У распределителя импульсов 4 имеется два входа. При подаче импульсной последовательности на первый вход осуществляется сдвиг поля двигателя в одном направлении, подаt че импульсов на второй вход соответствует сдвиг поля двигателя в обратном направлении.

При возбуждении одной или обоих фаз двигателя (фиг. 1) постоянным током возникает момент взаимодействия полюсов ротора с возбужденными полюсами статора М, который является периодической функцией углового положения ротора

90 эл.град. относительно момента, возникающего при возбуждении фазы А.

Среднее значение момента за период

его изменения при возбуждении фаз двигателя постоянным током равно "0"

Двигатель развивает однонаправленный момент при коммутации его фаз, т.е. при периодическом изменении направления тока фаз двигателя, Суммарный момент двигателя равен сумме моментов от взаимодействия полюсов отдельных фаз с полюсами ротора, однако, не теряя общности, основные закономерности взаимодействия полюсов фаз статора с полюсами ротора можно проследить на примере взаимодействия одной фазы двигателя.

При замкнутом способе управления коммутация фаз осуществляется по сигналам датчика положения (датчик не показан) в определенных i положениях ротора, Среднее значение момента, развиваемого полюсами каждой фазы, а значит, и среднее значение момента двигателя в целом зависит от угла коммутации. На фиг.

2б, в и г показаны зависимости момента, развиваемого при взаимодействии полюсов возбужденной фазы якоря двигателя с ротором, от углового -положения ротора (относительно полюсов этой фазы при углах коммутации у, равных 0,45 и 90 . Там же показан характер изменения фазного тока i

l3l0993 без учета времени коммутации тока, вызванного индуктивностью фазной обмотки. Данное допущение справедливо при небольших скоростях вращения ротора, когда время нарастания и спа- 5 да тока в фазе мало по сравнению с периодом ее коммутации.

Как видно из зависимостей на фиг. 2, среднее значение момента, развиваемого полюсами возбужденной f0 фазы двигателя, имеет максимальное значение при угле коммутации у равном нулю. При этом изменение направления тока фазы происходит в момент совпадения полюсов ротора с полюсами данной фазы и отсутствуют интервалы перемещения ротора, когда на него действует отрицательный момент по отношению к направлению вращения ротора. Последнее является кри-20 терием максимизации момента, развиваемого полюсами фазы и всего двигателя в целом. Иэ характеристик на фиг.2 следует, что с увеличением угла коммутации средний момент полюсов фазы уменьшается и при т = 90 о становится равным "0"

С ростом частоты коммутации фаз (скорости вращения ротора) время переходного процесса изменения тока фазы становится соизмеримо с перио— дом его коммутации. Моменты начала коммутации (точка t на фиг,3) и моменты изменения направления тока фазы (точка t на фиг.3) не совпадают. 35

При этом даже при угле коммутации г = 0 возникают интервалы перемещения, на которых к ротору прикладывается отрицательный момент, уменьшающий среднее значение динамического момента и снижающий быстродействие двигателя.

Для увеличения динамического момента двигателя угол коммутации с ростом скорости вращения ротора необходимо увеличивать.При этом критерий максимизации момента остается тем же, что и при небольшой скорости вращения — отсутствие интервалов перемещения ротора, когда на него воз- 5( действует отрицательный момент по отношению к направлению вращения ротора. Последнее условие соблюдается, если ток фазы меняет свое направление (переходит через нуль) в момент совпадения полюсов фазы и полюсов ротора (фиг.3). Это определяет оптимальный закон регулирования угла коммутации двигателя, обеспечивающий максимизацию момента двигателя во всем диапазоне изменения скорости вращения ротора. При любой скорости вращения ротора угол коммутации должен быть таким, чтобы ток каждой фазы изменял свое направление в момент совпадения полюсов данной фазы с полюсами ротора.

Однако определение конкретного значения оптимального у ла коммутации затруднительно, так как оно зависит от ряда параметров двигателя (ин" дуктивность и сопротивление фаэных обмоток, ЭДС вращения ротора и т.д.) ° точное определение которых не всегда возможно, На фиг.4 зависимости момента от

1 частоты вращения соответствуют отсутствию регулирования угла коммутации (" = О, либо у= 45 во всем диапазоне изменения скорости) ° Кривая у = var соответствует изменению момента двигателя с ростом ско1 рости вращения при условии регулирования угла коммутации по оптимальному закону.

Способ управления шаговым двигателем заключается в следующем. В каждый цикл коммутации фазы двигателя определяют отклонение угла коммутации от оптимального значения путем измерения интервала перемещения между моментом совпадения полюсов фазы с полюсами ротора (t, на фиг,3) и моментом изменения направления тока фазы (t на фиг.3).

В численном выражении данный интервал пропорционален углу коммутации. В последующий цикл коммутации угол коммутации изменяют на величину отклонения с целью достижения оптимального угла коммутации, когда точка совпадения полюсов фазы с полюсами ротора соответствует точке изменения направления тока фазы.

Способ обеспечивает регулирование угла коммутации по оптимальному закону во всем диапазоне изменения скорости вращения ротора, независимо от режима работы двигателя, изменения нагрузки на валу, изменения параметров двигателя в процессе эксплуатации, Устройство для управления шаговым двигателем работает следующим образом.

1310993

По шине управления 13 на вход 14 логического сумматора 3 подается потенциальная команда "Знак" о направлении движения и импульсная команда Пуск" о начале отработки программно- 5 го перемещения. В зависимости от программируемого направления движения пусковой импульс, пройдя через сумматор переключает распределитель импульсов 4 в состояние, соответствующее первому шагу программного движения. Выходные сигналы распределителя импульсов, усилившись в усилителе мощности 5, сдвигают поле в. двигателе на один шаг. Подвижная часть двигателя попадает в поле ускоряющих сил и начинает движение.

Потенциальный датчик положения 7 на интервале перемещения в один шаг переключается дважды. Первое переключение соответствует половине отработанного шага, второе переключение осуществляется при полной отработке шага.

В момент отработки шага блоком дифференцирования вырабатывается импульс, который по цепи обратной связи поступает на вход 15 логического сумматора 3 и осуществляет второе переключение распределителя импульсов, выходной сигнал которого через усилитель мощности сдвигает поле в двигателе на второй шаг.

Подвижная часть двигателя отраба- . тывает второй шаг, после отработки которого по цепи обратной связи распределителем импульсов осуществляется сдвиг поля на следующий шаг и т.д.

При этом устройство работает обычным

40 образом, осуществляя режим самокоммутации двигателя по выходным сигналам датч ик а п ол ожени я, Момент переключения тока в каждой фазе двигателя регистрируется датчиком знака тока фаз двигателя. При этом его выходной потенциал изменяется на противоположный.

Фазовый детектор измеряет фазовый сдвиг между сигналами с выхода датчика положения и датчика знака тока, выходной сигнал которого в угловых единицах равен величине этого сдвига.

На вход триггера 11, работающего в счетном режиме, подаются. импульсы, формируемые блоком дифференцирования 8 при отработке двигателем каждого шага перемещения. Триггер, изменяя свое состояние с приходом каждого входного импульса, на выходе формирует эталонный потенциальный сигнал, интервал между сменой полярности в котором в угловых единицах соответствует одному шагу перемещения.

Если длительность сигнала с выхода фазового детектора превышает величину, соответствующую одному шагу, то блоком выделения разностного сигнала вырабатывается импульс, который в зависимости от направления перемещения и знака взаимного фазового сдвига входных сигналов фазового детектора, проходя через сумматор (вход 1б), производит дополнительные переключения в распределителе импульсов. Результатом этого является дополнительный сдвиг поля в двигателе в том направлении, при котором компенсируется возникший фазовый сдвиг между моментом отработки двигателем шага и моментом изменения знака тока в фазах двигателя, После отработки программы перемещения по шине управления подается потенциальная команда на останов Стоп".

Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг.б. Лиаграммы изображены для случая, когда выходной сигнал датчика положения опережает сигнал датчика знака тока фазы на величину, превышающую шаг двигателя. При этом блок выделения разностного сигнала формирует корректирующую команду, поступающую на вход логического сумматора 3 °

Описанные способ и устройство обладают следующими преимуществами: динамическое усилие или динамический момент двигателя увеличиваются не менее чем на 30% за счет установки оптимального угла коммутации в любом режиме работы двигателя; максимальная скорость перемещения подвижных частей двигателя повышается на 35Х за счет увеличения динамического момента двигателя; быстродействие шагового двигателя повышается на 257. за счет уменьшения времени позиционирования подвижных частей, т.е. за счет уменьшения времени перемещения подвижных частей двигателя из одного фиксированного положения в другое.

131 формула изобретения

1. Способ управления шаговым двигателем с явнополюсными якорем и индуктором, состоящий в том, что при движении индуктора- фиксируют моменты совпадения осей полюсов якоря и индуктора, задерживают сигнал о совпадении указанных осей и коммутируют катушки фаз якоря задержанным сигналом, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия путем повышения динамического усилия или момента, дополнительно измеряют интервал между моментами совпадения осей полюсов индуктора и якоря и перехода тока фазной катушки через ноль и изменяют длительность задержки сигнала при следующей коммутации на величину указанного интервала.

2. Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее сумматор, распределитель импульсов,уси— литель мощности, блок дифференци0993

8 рования, датчик положения, соединенный выходом с блоком дифференцирования, а входом — с подвижной частью шагового двигателя, фазные обмотки которого через усилитель мощности подключены к выходу распределителя импульсов, подключенного входом к выходу сумматора, соединенного первым входом с шиной управления, о т10 л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия путем повышения динамического усилия или момента, оно снабжено датчиком знака тока фаз, фаэовым детектором, 15 триггером и блоком выделения разностного сигнала, подключенным выходом к второму входу сумматора, первым входом — через триггер к выходу блока дифференцирования, вторым входом—

20 к фазовому детектору, первый вход которого связан с выходом датчика положения, а второй подключен к датчику знака тока фаз, при этом выход блока дифференцирования соединен с третьим входом сумматора.

1310993 ф ,оЫ/

Оу 1ЮО

1310993 выгод lamvu u пояаженоя

8 sod Amvv уносно /7юяо p0

Ньиод qxvodo деюен ора

Эталонный сьг

/Оьиод триггер

8ыод ояаю

Юыдеяения роз ноетюго сигаю

ФигЕ

Составитель Л,Шакина

Редактор М.Бандура Техред H.Попович

Корректор М. Демчик

Заказ 1900/54 Тираж 661

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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