ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОНТРОЛЕМ ПОВОРОТА РОТОРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для преобразования линейных и угловых перемещений в электрический сигнал.
Известен шаговый двигатель с датчиком шагов (Пат.РФ №2085020). В качестве измерительных элементов датчика шагов в данном шаговом двигателе используются статорные обмотки. Кроме того, двигатель содержит электронную схему, содержащую диодную сборку с общим катодом, дифференцирующую цепь и ждущий мультивибратор, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания. При этом, электронная схема датчика шагов выполнена в виде преобразователя уровня напряжения, транзисторного ключа, резистивно-емкостного делителя напряжения и компаратора. Общий катод диодной сборки подсоединен к входу преобразователя уровня напряжения, выполненному на первом, втором, третьем, четвертом, пятом и шестом резисторах и первом и втором транзисторах, причем первый вывод первого резистора соединен с общим катодом диодной сборки, а его второй вывод, соединен с первым выводом второго резистора и базой первого транзистора, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, а коллектор с первым выводом пятого резистора и базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом шестого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с отрицательной шиной питания, а вторые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов соединены с положительной шиной питания, коллектор второго транзистора является выходом преобразователя уровня напряжения и соединен с входом резистивно-емкостного делителя напряжения и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом ждущего мультивибратора, выход которого соединен с базой транзисторного ключа, коллектор которого соединен с выходом резистивно-емкостного делителя напряжения и входом компаратора, а общие точки дифференцирующей цепи, резистивно-емкостного делителя напряжения и эмиттер транзисторного ключа соединены с отрицательной шиной питания, причем выход компаратора является выходом датчика шагов.
Основными недостатками устройства являются сложность, требующая большого числа элементов, низкая точность распознавания полезного сигнала на уровне шума и трудность применения в других устройствах управления шаговыми двигателями.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства, упрощение схемы обработки сигнала, и повышение точности распознавания полезного сигнала на уровне шума при единичном повороте ротора шагового двигателя.
Предлагаемый шаговый двигатель с контролем поворота ротора в качестве измерительных элементов использует собственные статорные обмотки, а электронная схема содержит последовательно соединенные диодную сборку с общим катодом, преобразователь уровня и миниатюрное электронно-вычислительное устройство - микроконтроллер.
Сущность полезной модели заключается в следующем. В четырехфазном электромагнитном шаговом двигателе с потенциальным управлением и циклом коммутации при его работе две обмотки из четырех поочередно находятся под током, осуществляя дискретное перемещение результирующего магнитного поля, а следовательно, и магнитного ротора. При дискретном перемещении ротора (т.е. совершении шага) его магнитное поле пересекает обесточенные обмотки статора, наводя в них ЭДС, которую можно снять в виде импульсов и использовать как подтверждение совершения шага двигателем, что и используется в предполагаемой полезной модели.
В предлагаемом шаговом двигателе с контролем поворота ротора с датчиком шагов, в качестве измерительных элементов используются статорные обмотки шагового двигателя, и электронная схема, содержащая диодную сборку с общим катодом, электронный коммутатор, преобразователь уровня напряжения и устройство обработки сигналов, причем одни концы статорных обмоток шагового двигателя подсоединены к положительной шине питания, а другие к анодам диодной сборки и к выходам электронного коммутатора, общая точка которого соединена с отрицательной шиной питания. При этом устройство обработки сигналов содержит микроконтроллер, на вход компаратора которого через схему согласования, содержащую транзисторный оптрон и дополнительные ограничитель уровня с выхода преобразователя уровня напряжения подается сигнал, запускающий встроенный таймер и через заданное время задержки, необходимое для стробирования помехи, на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера подается тот же сигнал, что и на вход встроенного компаратора, где по результатам преобразования производится анализ информационного сигнала и принимается решение об очередном совершенном или не совершенном перемещении якоря шагового двигателя на один шаг.
На фиг. 1 изображена структурная схема контроля поворота шагового двигателя. На фиг.2 - алгоритм программы микроконтроллера.
Шаговый двигатель, имеющий схему контроля поворота ротора, изображенную на фиг. 1, работает следующим образом.
При подаче фазных питающих токов в статорные обмотки шагового двигателя ротор начинает дискретное круговое движение относительно оси и своим магнитным полем пересекает витки статорных обмоток, наводя в них ЭДС, используемую в предлагаемом устройстве в качестве информационного сигнала о совершении шага ротором. Этот информационный сигнал можно снимать только с обесточенных статорных обмоток, а именно, с той обмотки, которая была обесточена последней, т.к. именно мимо нее в эту фазу проходит ротор. В момент обесточивания обмотки в ней наводится ЭДС самоиндукции, которая является помехой при выявлении информационного сигнала.
И помеха, и информационный сигнал наводятся относительно положительной шины питания, а относительно отрицательной шины питания имеют смещение уровня напряжения, равное напряжению питания шагового двигателя. Съем информационного сигнала и помехи со статорных обмоток 1 производится через диодную сборку 2, осуществляющую пропуск их на преобразователь уровня напряжения, не допуская шунтирования этих сигналов открытыми ключами электронного коммутатора. В преобразователе уровня напряжения в исходном состоянии первый и второй транзисторы 6 и 10 закрыты, т.к. делители напряжения из первого и второго резисторов 3 и 4 и четвертого и третьего резисторов 7 и 8 имеют одинаковый коэффициент деления, равный примерно, 0,5-0,75, а сопротивления обмоток статора 1 малы по сравнению с сопротивлениями делителей. При появлении помехи и информационного сигнала, первый и второй транзисторы 6, 10 открываются и переходят в линейный режим, а на резистивном делителе появляются сигналы, повторяющие входные сигналы, но уже относительно отрицательной шины питания. Так как сигнал помехи имеет всегда фиксированную длительность, то он легко убирается с помощью стробирования.
С выхода преобразователя уровня напряжения через схему согласования, содержащую транзисторный оптрон 12 нагрузочный резистор 13, сигналы поступают на вход компаратора 14 микроконтроллера, на второй вход которого подается пороговое напряжение Uref с потенциометра или внутреннее опорное напряжение микроконтроллера.. При снижении входного сигнала ниже этого порога вырабатывается сигнал, запускающий встроенный таймер 15 и через заданное время задержки, необходимое для стробирования помехи запускается аналого-цифрового преобразователь, АЦП 16, на вход которого подается тот же сигнал, что и на вход встроенного компаратора.
Оцифрованные значения напряжения поступают в программу сравнения 17, которая считывает значения уровня или(и) формы сигнала из ПЗУ 18, затем производится анализ информационного сигнала и принимается решение об очередном совершенном или не совершенном перемещении ротора шагового двигателя на один шаг. В ПЗУ, в зависимости от требуемой точности анализа входного согнала, записан код уровня или форма идеального сигнала. В первом случае программа сравнения работает как обычный компаратор. Во-втором случае формы входного и идеального сигнала сравниваются и если они совпадают (с заданной точностью) перемещение ротора на один шаг считается совершенным.
Алгоритм работы программы микроконтроллера выглядит следующим образом (фиг.2). Импульсы отрицательной полярности поступают на инвертирующий вход компаратора AIN1 и вход ADC1 аналого-цифрового преобразователя. При снижении напряжения на входе компаратора ниже заданного порога Uref возникает прерывание, которое запускает таймер TCNT0. По окончании счета таймера происходит запуск АЦП и измеренные значения накапливаются в памяти микроконтроллера. После накопления достаточного количества измерений, для устранения помех, происходит цифровая фильтрация и входной сигнал сравнивается с уровнем и формой сигнала записанным в ПЗУ микроконтроллера. По результатам сравнения принимается решение об очередном совершенном или не совершенном перемещении ротора шагового двигателя на один шаг (сигнал ошибки).
Таким образом, предлагаемый шаговый двигатель, соединений с датчиком шагов, отличается более простым схемным решением, более высокой скоростью обработки информационного сигнала, высокой помехоустойчивостью и возможностью включения в другие устройства по управлению шаговыми двигателями.