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 усилитель мощности, подключенный выходами к фазам шагового двигателя, распределитель импульсов, снабженный входами направления движения вперед и назад, и формирователи импульсов управления, установленные на выходах каналов управления направлением движения (Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, Под общ. ред. М.Г.Чиликина. М., «Энергия», 1971, с.558-559, а также Шаговый привод в робототехнике. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф. - М.: МЭИ, 1984, с.29-30). Данное устройство обеспечивает работу шагового двигателя в режиме программного управления в импульсном коде, поступающем на входы направления движения шагового двигателя.
Недостатком данного устройства является то, что при изменении частоты управляющих импульсов возникают резонансные явления в шаговом приводе, приводящие часто к сбоям в отработке заданной программы. Привод с шаговым двигателем является колебательной системой с малым внутренним демпфированием. Отработка каждого шага двигателя при подаче импульса управления сопровождается слабо затухающими колебаниями, ухудшающими качество движения. При совпадении частоты управляющих импульсов с частотой собственных колебаний привода могут возникать резонансные явления, приводящие к потере устойчивости движения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества движения шагового двигателя путем устранения сбоев в работе системы управления объектом.
Техническая задача - устранение сбоев в системе управления объектом - решается тем, что в известном устройстве, содержащем усилитель мощности, подключенный выходами к фазам шагового двигателя, распределитель импульсов, снабженный входами направления движения вперед и назад, и формирователи импульсов управления, установленные на выходах каналов управления направлением движения, в каждый канал управления направлением движения введены два элемента задержки импульсов и один трехвходовой элемент ИЛИ, выход которого соединен с соответствующим входом распределителя импульсов, первый вход - с выходом формирователя импульсов своего канала, второй вход через первый элемент задержки подключен к выходу формирователя импульсов противоположного канала, а третий вход - через второй элемент задержки подключен к выходу формирователя импульсов своего канала.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для управления шаговым двигателем, а на фиг.2 и 3 - соответственно осциллограммы отработки шага при традиционном и предлагаемом управлении, назовем его старт-стопным.
Устройство для управления шаговым двигателем (ШД) 1, вал которого соединен с механизмом 2, состоит из усилителя мощности 3, распределителя импульсов (РИ) 4 с входами направления движения вперед (В) и назад (Н). Импульсы управления шаговым двигателем вырабатываются двумя формирователями импульсов (ФИ) 5 и 6 соответственно для прямого и обратного направления движения шагового двигателя. В каждый канал управления распределителем импульсов введены элемент ИЛИ 7 и 8 и два блока задержки импульсов 9, 10 и 11, 12. Выход каждого элемента ИЛИ соединен с соответствующим входом распределителя импульсов 4, т.е. выход элемента ИЛИ 7 соединен с входом (В) распределителя импульсов, а выход элемента ИЛИ 8 - с входом (Н) распределителя импульсов. Первый вход элемента ИЛИ 7 соединен непосредственно с выходом формирователя импульсов 5 своего канала (В), а первый вход элемента ИЛИ 8 - с выходом формирователя импульсов 6 своего канала (Н). Первый блок задержки 9 и 11 соединен входом с выходом формирователя импульсов своего канала, а выходом - с вторым входом элемента ИЛИ противоположного канала, т.е. вход первого блока задержки 9 соединен с выходом формирователя импульсов 5 своего канала (В), а выходом - со вторым входом элемента ИЛИ 8 противоположного канала (Н). Аналогично подключен и первый блок задержки канала (Н). Второй блок задержки 10, 12 соединен входом с выходом формирователя импульсов своего канала, а выходом - с третьим входом элемента ИЛИ своего канала.
max
max
п
Устройство работает следующим образом. Для наглядности сравнения переходных процессов при различных способах управления ШД на фиг.2 приведены рассчитанные на модели осциллограммы отработки одного шага при традиционном управлении, а на фиг.3 - при старт-стопном управлении. Ступенчатая функция γ(τ) иллюстрирует дискретный характер изменения управляющего воздействия, соответствующего повороту поля статора на угол α=π/2. Ha осциллограмме фиг.2 отчетливо прослеживается колебательный характер изменения скорости ротора  и угла поворота ротора θ(τ). Отработка угла поворота θ(τ) при традиционном управлении сопровождается значительным перерегулированием θ, почти достигающим двойного значения шага, т.е. θ≈2α. Как уже отмечалось выше, колебания скорости ω и угла θ, сопровождающие процесс отработки шага, затухают медленно. При этом время отработки шага увеличивается. Время переходного процесса, как следует из анализа осциллограмм на фиг.2, составляет (в относительных величинах) τ≈10, а затухание колебаний происходит за 5-6 периодов. Здесь следует отметить, что временем переходного процесса принято считать время, за которое регулируемая величина не более, чем на 5% отличается от установившегося значения. Именно колебательный характер переходных процессов в приводе с ШД является основной причиной возникновения резонансных явлений, приводящих к потере устойчивости движения.
На фиг.3 приведены осциллограммы отработки одного шага при старт-стопном управлении, рассчитанные на модели для тех же значений параметров, что и осциллограммы на фиг.2. Суть старт-стопного управления заключается в том, что при поступлении сигнала управления на переключение обмоток ШД в условном направлении вперед поле статора и соответственно момент двигателя сдвигаются на угол γ=α=π/2. Под действием положительного момента ротор двигателя движется с ускорением в направлении вперед. График на фиг.3 показывает, что скорость  в процессе разгона изменяется по закону, близкому к линейному, т.е. практически с постоянным движущим моментом. При этом угол поворота ротора 6 изменяется по закону, близкому к параболическому. Для исключения перерегулирования угла 9 при старт-стопном управлении, которое обеспечивает близкий к оптимальному по быстродействию процесс отработки перемещения, в определенный момент времени необходимо изменить знак момента, т.е. перевести ШД из режима разгона в режим торможения. Как следует из осциллограмм на фиг.3, такое переключение управления необходимо осуществлять при повороте ротора на угол, близкий к половине шага, т.е. на угол θ≈α/2=π/4. Изменение знака момента обеспечивается переключением обмоток ШД на шаг назад, т.е. возвратом поля статора в исходное (до поступления сигнала управления) состояние, соответствующее
1
γ=0. Переключение обмоток ШД удобнее производить в функции времени. Для этого на вход назад системы управления подают дополнительный импульс управления, возвращающий ШД в исходное (до поступления основного импульса управления) состояние. Время подачи первого дополнительного импульса управления обозначим как τ.
2
После первого дополнительного переключения обмоток двигатель переходит в тормозной режим, что обеспечивает при правильной настройке временных интервалов отработку второй половины шага без перерегулирования. В момент времени τ, когда ротор двигателя повернулся на шаг и его скорость при этом практически равна нулю, на вход системы управления подают второй дополнительный импульс, обеспечивающий возврат поля статора в исходное (до подачи дополнительных импульсов) состояние соответствующее γ=α=π/2. При этом происходит фиксация ротора в положении θ=α=π/2, так как скорость ротора и движущий момент ШД равны нулю.
Таким образом, при старт-стопном управлении ШД обеспечивается близкая к оптимальному по быстродействию отработка шага. Перерегулирование и последующие колебания угла и скорости исключаются. Очевидно, что при этом значительно сокращается время переходного процесса. В зависимости от выбранного направления движения вперед или назад на выходе одного из формирователей импульсов 5 или 6 формируются короткие импульсы управления. Одновременно на выходах обоих формирователей импульсов сигналы управления не должны вырабатываться, что обеспечивается системой управления, формирующей импульсы. При появлении, например, сигнала управления на выходе формирователя импульсов 5 для движения вперед он проходит через элемент ИЛИ 7 на вход В распределителя импульсов 4, обеспечивая переключение обмоток ШД на один шаг в направлении вперед. После задержки в первом блоке задержки 9 этот импульс управления поступает через элемент ИЛИ 8 на вход Н распределителя импульсов 4, переключая обмотки ШД в исходное (до поступления импульса управления) состояние. Возврат электромагнитного поля ШД в предыдущее состояние переводит его в режим торможения. Такое переключение обмоток ШД необходимо осуществлять при перемещении ротора двигателя на величину, примерно соответствующую половине шага. Отработка шага двигателем после первого переключения обмоток замедляется, но ротор продолжает двигаться по инерции в прямом направлении, преодолевая тормозной момент. После поворота ротора ШД на шаг импульс с выхода второго блока задержки 10 поступает на третий вход элемента ИЛИ 7, возвращая поле статора двигателя в состояние, соответствующее поступлению импульса с формирователя 5. К этому моменту времени ротор ШД повернется на угол, соответствующий шагу. При этом его скорость будет близка к нулю. Возврат поля статора ШД в состояние, соответствующее отработке одного шага, приведет по существу к фиксации ротора при нулевой скорости без дополнительных колебаний.
Формирование на каждый импульс управления двух дополнительных импульсов, переключающих поле статора ШД сначала назад, а потом вперед, обеспечивает так называемое старт-стопное движение ротора двигателя. После отработки текущего импульса управления шаговый двигатель будет находиться в положении, определенном этим импульсом, до поступления следующего импульса управления на вход вперед или назад. Описанная процедура формирования дополнительных импульсов управления не зависит от того, на какой из входов (вперед или назад) поступил текущий импульс управления.
Старт-стопное управление шаговым двигателем обеспечивает четкую отработку каждого шага без перерегулирования и дополнительных колебаний, что, с одной стороны, повышает быстродействие привода, а с другой, - исключает потерю устойчивости движения в области резонансных частот. Как показали исследования, в области низких частот, включая и область резонанса, обеспечивается старт-стопное движение ротора ШД с четкой его фиксацией после отработки каждого шага. В области высоких частот движение ротора ШД носит непрерывный характер при отсутствии дополнительных колебаний. Характерно, что настройка блоков задержки сохраняется во всем диапазоне рабочих частот ШД.
Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу повышения устойчивости движения дискретного привода с ШД и улучшения качества его движения схемотехническими методами без конструктивного изменения двигателя.