устройство для управления шаговым двигателем

Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем, содержащее задатчик скорости, два преобразователя напряжение-частота, распределитель импульсов и усилитель мощности, подключенный выходами к фазам шагового двигателя, отличающееся тем, что дополнительно снабжено датчиком скорости шагового двигателя, детектором знака, элементами сложения и вычитания и дифференцирующим элементом, вход которого соединен с выходом элемента вычитания, а выход - с одним из входов элемента сложения, подключенного другим своим входом к выходу задатчика скорости, соединенного также с суммирующим входом элемента вычитания, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика скорости, причем выход элемента сложения связан с входом детектора знака, подключенного выходами к входам преобразователей напряжение-частота, каждый из которых подключен выходом к соответствующему входу распределителя импульсов.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления дискретным приводом с шаговым двигателем.

Известно устройство для управления шаговым двигателем, содержащее управляемый генератор импульсов, блок управления шаговым двигателем и шаговый двигатель, приводящий в движение рабочий орган (Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под общ. ред. М.Г.Чиликина. М., «Энергия», 1971, с.558-559). Данное устройство обеспечивает работу шагового двигателя в режиме программного управления по жестко заданной в импульсном коде программе перемещения рабочего органа. Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает работу шагового двигателя в режиме исполнительного элемента системы управления объектом, когда сигнал управления задается в аналоговой форме и в течение времени принимает произвольное значение.

Известно также устройство для управления шаговым двигателем, содержащее последовательно соединенные задатчик скорости, два преобразователя напряжение-частота и блок управления шаговым двигателем, включающий в себя распределитель импульсов и усилитель мощности, подключенный выходами к шаговому двигателю (Соколов М.М., Рубцов В.П. Дискретный электропривод механизмов электротермических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.80-82). Данное устройство может использоваться в качестве исполнительного привода в системах автоматического управления, однако требует задания входного сигнала в виде импульсных кодов, что ограничивает возможности и области применения. Недостатком этого устройства является также низкое качество движения ротора шагового двигателя, обусловленное дискретным характером изменения его момента и низкими демпфирующими свойствами системы. При совпадении частоты управления с частотой собственных колебаний привода низкие демпфирующие свойства привода могут приводить к возникновению резонансных явлений, вызывающих потерю управления и выпадение двигателя из синхронизма.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении качества движения шагового двигателя и устранению сбоев в работе системы управления объектом.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство, содержащее последовательно соединенные задатчик скорости, два преобразователя напряжение-частота, распределитель импульсов и усилитель мощности, подключенный выходами к фазам шагового двигателя, согласно полезной модели дополнительно снабжено датчиком скорости, расположенным на валу шагового двигателя, детектором знака, элементами сложения и вычитания и дифференцирующим элементом, вход которого соединен с выходом элемента вычитания, а выход - с одним из входов элемента сложения, подключенного другим своим входом к выходу задатчика скорости, соединенного также с суммирующим входом элемента вычитания, вычитающий вход которого соединен с выходом датчика скорости, причем выход элемента сложения связан с входом детектора знака, подключенного выходами к входам преобразователей напряжение-частота.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для управления шаговым двигателем.

Устройство для управления шаговым двигателем 1 состоит из усилителя мощности 2, распределителя импульсов 3, двух преобразователей напряжение-частота 4 и 5, предназначенных для выработки импульсных сигналов управления прямого и обратного направления движения шагового двигателя, детектора знака 6, элемента сложения 7 (сумматора), задатчика скорости 8, элемента вычитания 9 (компаратора), дифференцирующего элемента 10 и датчика скорости 11 шагового двигателя (ШД).

Задатчик скорости (ЗС) 8, формирующий аналоговый сигнал, пропорциональный заданной скорости ₃ движения ШД 1, соединен с одним из входов элемента сложения (сумматора ) 7, второй вход которого подключен к выходу дифференцирующего элемента 10. Вход дифференцирующего элемента 10 соединен с выходом элемента вычитания (компаратором К) 9, соединенного входом сложения с выходом задатчика скорости 8, а входом вычитания - с выходом датчика скорости 11. Выход сумматора 7 соединен с входом детектора знака (ДЗ) 6, переключающего каналы управления шаговым двигателем при изменении знака сигнала управления . Выходы детектора знака 6 через преобразователи напряжение-частота 4, 5, преобразующие аналоговый сигнал в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величине сигнала , соединены с входами направления движения В и Н распределителя импульсов 3, преобразующего одноканальную последовательность импульсов управления в многофазную (по числу фаз ШД) систему управляющих напряжений. В зависимости от знака сигнала управления импульсы поступают на вход В (условное направление движения Вперед) или на вход Н (условное направление движения Назад). Выходы РИ 3 подключены к входам усилителя мощности 2, соединенного своими выходами с фазами шагового двигателя 1.

Устройство работает следующим образом. Аналоговый сигнал ₃ с выхода задатчика скорости 8 поступает через сумматор 7, детектор знака 6 и преобразователь ПНЧ 4 или 5 на один из входов распределителя импульсов 3, что вызывает движение ШД 1 в том или ином направлении со скоростью . Сигнал с выхода датчика скорости 11, пропорциональный скорости ШД, вычитается из сигнала, пропорционального заданному значению ₃ скорости и после дифференцирования сигнал d /dt поступает на второй вход сумматора 7. В результате движение ротора ШД будет определяться суммой сигналов = ₃+d /dt, что эквивалентно введению в ШД момента, пропорционального разности заданной и текущей скоростей.

Такой момент создает демпфирующая короткозамкнутая обмотка в классическом синхронном двигателе. Введение демпфирующего момента в ШД приводит к повышению устойчивости движения, исключает сбои в области резонансных частот и повышает быстродействие привода.

Как показали исследования, введение в дискретный привод с ШД предлагаемой корректирующей связи по производной скорости ротора эквивалентно наличию в двигателе короткозамкнутой демпфирующей обмотки. Выполнить конструктивно короткозамкнутую демпфирующую обмотку в ШД не представляется возможным из-за зубчатой конструкции статора и ротора. Улучшение демпфирующих свойств дискретного привода с ШД обеспечивается традиционно введением момента «сухого трения», снижающего нагрузочные свойства двигателя, или, в единичных случаях, «заливкой» двигателя минеральным маслом, что также приводит к снижению момента двигателя. Предлагаемая корректирующая обратная связь по разности скоростей не приводит к снижению нагрузочных характеристик ШД. Более того, введение такой связи приводит к увеличению быстродействия и нагрузочной способности привода, а также обеспечивает возможность регулирования величины демпфирования путем изменения коэффициента обратной связи.

Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу повышения демпфирующих свойств дискретного привода с ШД и улучшения качества движения схемотехническими методами без конструктивного изменения двигателя.