УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

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 заданной в импульсном коде программе перемещения рабочего органа. Недостатком данного устройства является то, что оно обеспечивает работу шагового двигателя с числом тактов коммутации равным числу фаз шагового двигателя. При ограниченном числе тактов коммутации шагового двигателя и совпадении частоты импульсов управления с частотой собственных колебаний в приводе возникают резонансные явления, приводящие к потере устойчивости движения.
Известно также устройство для управления шаговым двигателем, содержащее блок формирования импульсов управления, соединенный выходами со входами распределителя импульсов, и многоканальный усилитель мощности, ключевые элементы которого соединяют фазы двигателя с источником питания постоянного тока (Соколов М.М., Рубцов В.П. Дискретный электропривод механизмов электротермических установок. - М.: Энерго-атомиздат, 1986, с.80-82). Недостатком этого устройства также является низкое качество движения ротора шагового двигателя при ограниченном числе его фаз, обусловленное дискретным характером изменения момента. При совпадении частоты управления с частотой собственных колебаний привода низкие демпфирующие свойства шагового двигателя 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.
Технический эффект, заключающийся в снижении дискретности управления двигателем, благодаря чему обеспечивается более плавное движение ротора двигателя и исключаются резонансные явления, вызывающие потери устойчивости движения, достигается тем, что известном устройстве, содержащем блок формирования импульсов управления, соединенный выходами со входами распределителя импульсов и многоканальный усилитель мощности, ключевые элементы которого соединяют фазы двигателя с источником питания постоянного тока, согласно полезной модели, дополнительно в каждый канал усилителя мощности параллельно основному ключевому элементу введено не менее одного ключевого элемента с последовательно соединенным резистором, а входы дополнительных ключевых элементов подключены к выходам распределителя импульсов, выполненного с числом каналов равным сумме числа фаз двигателя и числа дополнительных ключей.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, на которых на:
фиг.1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю с двумя дополнительными ключевыми элементами в каждой фазе,
фиг.2 приведены временные диаграммы токов в фазах шагового двигателя,
фиг.3 приведены векторные диаграммы моментов двигателя соответствующие указанным на фиг.2 токам.
Устройство для управления шаговым двигателем 1, состоит из многоканального усилителя мощности 2, каждый канал которого содержит основной ключевой элемент 3, непосредственно соединяющий фазу двигателя с источником питания постоянного тока U, и дополнительные ключевые элементы 4, 5 (применительно к четырехфазному шаговому двигателю с двенадцатитактной коммутацией фаз), подключенные к фазам двигателя через резисторы 6, 7. Число дополнительных ключевых элементов может быть произвольным, что не изменяет существо предложения. Распределитель импульсов 8 соединен выходами со входами ключей всех каналов усилителя мощности 2, а входами - с выходами блока формирования импульсов управления 9.
Устройство работает следующим образом. Блок формирования импульсов 9 вырабатывает импульсы управления с частотой f (фиг.2), поступающие одновременно только на один из входов B (для условного движения вперед) или H (для условного движения назад). Распределитель импульсов 8 преобразует поступающие на его вход импульсы управления в многоканальную систему прямоугольных импульсов (число каналов равно числу ключевых элементов усилителя мощности 2), управляющих коммутацией всех ключевых элементов 3, 4, 5 усилителя мощности 2. При периодическом переключении ключевых элементов усилителя мощности 2 в фазах Φ1, Ф2, Ф3, Ф4 шагового двигателя 1 будут протекать токи трапецеидальной формы I1, I2, I3, I4 (фиг.2), вызывающие движение ротора двигателя меньшими шагами в сравнении с естественной коммутацией фаз с частотой, кратной числу фаз. Такой режим коммутации шагового двигателя получил название «дробление» шага.
э
м
м
э
При «естественной» коммутации фаз шагового Двигателя, когда число тактов коммутации n равно числу фаз m шагового двигателя, вектор момента двигателя M1, М2, М3, М4 при каждом переключении обмоток поворачивается на электрический шаг α=360°/n электрических градусов, как показано на фиг.3,а. Применительно к четырехфазному шаговому двигателю (см. фиг.1) шаг при «естественной» четырехтактной коммутации фаз (n=4) составит 90°. Понятие электрический шаг коммутации вводят для удобства рассмотрения работы двигателя, что позволяет описывать его работу независимо от числа полюсов ротора. Механический шаг α двигателя при коммутации фаз двигателя зависит от числа полюсов ротора p и определяется как α=α/p=360°/n p.Для используемых на практике шаговых двигателей механический шаг составляет единицы градусов.
эд
э
д
д
При дроблении шага, осуществляемом в предлагаемом устройстве, с помощью дополнительных ключей 4, 5 и последовательно включенных с ними резисторов 6, 7 токи в фазах двигателя модулируются, как это показано на временных диаграммах фиг.2. Такая коммутация фаз двигателя позволяет увеличить число тактов коммутации и уменьшить шаг двигателя, который при дроблении шага определяется выражением α=α/к, где к - коэффициент дробления шага. Применительно к показанному на фиг.1 четырехфазному двигателю с двумя дополнительными ключами 4 и 5 в каждом канале усилителя мощности 2 коэффициент дробления шага равен трем, что обеспечивает двенадцатитактную коммутацию фаз двигателя, т.е. в рассматриваемом случае n=12.
10
11
12…………
40
41
42
Модуляция токов в предлагаемом устройстве при двенадцатитактной коммутации фаз двигателя обеспечивает более «плавное» перемещение магнитного потока и, следовательно, момента (см. векторную диаграмму на фиг.3,б). При дроблении шага вектор момента двигателя с каждым изменением тока в фазах перемещается не на 90 электрических градусов, как при «естественной» коммутации (фиг.3,а), а на 30 электрических градусов (см. векторную диаграмму моментов M, М, ММ, Μ, М на рис.3,б), т.е. более плавно.
Дробление шага, осуществляемое в предлагаемом устройстве, снижает дискретность управления двигателем, обеспечивает более плавное движение ротора двигателя и исключает резонансные явления, вызывающие потери устойчивости движения.
При коммутации фаз шагового двигателя, обладающих индуктивностью, возникают перенапряжения, для устранения которых фазы двигателя шунтируют встречно включенными диодами. Это типовой прием, который используется во всех устройствах управления шаговыми двигателями. На схеме фиг.1 они обозначены символами VD. Наличие или отсутствие диодов VD не является существенным для достижения поставленной цели.
Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу повышения устойчивости и качества движения дискретного привода с схемотехническими методами без конструктивного изменения двигателя.