CS237043B1 - Zapojení řídicího obvodu ovládače krokového motoru - Google Patents

Abstract

Zapojení řídicího obvodu ovládače krokového motoru řeší problém stability chodu motoru při nízkých krokovacích kmitočtech a současně umožňuje chod motoru vysokou rychlostí, danou možnostmi samotného motoru. Řídicí obvod ovládače vytváří dvojice kroků motoru vzdálených časově od sebe o polovinu periody vlastních kmitů motoru. V případě požadavku na vyšší krokovací rychlosti zajišťuje samočinně přechod do režimu, kdy vzdálenost kroků je dána periodou vstupních impulsů. Uvede-li se motor vnějším impulsem, do přechodného stavu, vydá generátor dvojic impulsů ve vhodném čase další impuls, ukončující tento přechodný stav motoru. Zapojení řídicího obvodu lze využít u pohonů krokových motorů, používaných zejména pro automatizaci a robotizaci.

Description

Vynález se týká zapojeni řídicího obvodu ovládače krokového motoru, pracujícího v otevřené polohové smyčce, u něhož se řeší problém stability chodu motoru při nízkých krokovacích kmitočtech a současně se jím umožňuje chod motoru vysokou rychlostí, danou možnostmi samotného motoru.

Jedním z vážných problémů u pohonů s krokovými motory je zajištění správného chodu motoru při tzv. rezonančních kmitočtech, při nichž, bez zvláštních opatření, dochází k nesouladu mezi přivedeným počtem řídicích, impulsů a natočením rotoru. V dosud známých zapojeních je správného chodu motoru dosahováno různými způsoby. Jedním z možných řešení je elektronické dělení kroku, spočívající v tom, že se základní krok motoru rozdělí na větší počet dílčích kroků. Rotor motoru je pak udržován v rovnováze mezi dvěma polohami, odpovídajícími základním krokům tak, že se přepínáním proudů ve vinutích motoru střídá magnetická neutrála v rychlém sledu mezi oběma základními polohami. Poměrem mezi dobami, po něž magnetická neutrála setrvává v jedné či druhé základní poloze, se určuje její střední poloha, představující výslednou polohu rotoru. Takové řešení je výhodné tam, kde je krokový motor řízen mikropočítačem; pro jednoduché autonomní ovládače bez mikroprocesoru má však některé nevýhody. Neustálé pulsace momentu, způsobené rychlými změnami polohy magnetické neutrály, které jsou pro tento způsob řízení motoru typické i při nejnižších rychlostech, mohou nepříznivě působit na přesnost a životnost mechanických dílů pohonu. V průběhu změny střední polohy magnetické neutrály z jedné základní polohy do druhé se mění statický vazební moment motoru a odpovídajícím způsobem i příkon, potřebný pro funkci motoru, takže se snižuje účinnost zařízení, a to zvláště při malých rychlostech otáčení, což je nevýhodné zejména u motorů s velkými momenty.

Jiný způsob elektronického dělení kroku je založen na regulaci proudu ve vinutích motoru, čímž se dosahuje obdobného posuvu magnetické neutrály mezi základními polohami jako v předcházejícím případě. Tento způsob nemá výše uvedené nevýhody, jeho obvodová realizace je však složitější. Dalším možným způsobem je způsob ovládání, kdy při každém kroku je generována trojice impulsů, z nichž první má za následek vykonání kroku, druhý brzdění motoru a třetí fixaci nové polohy. Rovněž realizace tohoto algoritmu řízení je relativně složitá.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny zapojením řídicího obvodu ovládače krokového motoru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že výstup stavového registru je připojen na stavový vstup generátoru dvojic impulsů.

Generátor dvojic impulsů při přivedení impulsů na vstup ovládače generuje dvojici impulsů, které při periodě vstupních impulsů, delších než je polovina doby periody vlastních kmitů motoru, mají pevný časový odstup rovný právě této polovině doby vlastních kmitů motoru. První z této dvojice impulsů způsobí, ze se magnetická neutrála rotoru natočí o úhel, odpovídající jednomu dílčímu kroku motoru do polohy, která je při tomto způsobu řízení jen přechodná. Rotor motoru začne vykonávat pohyb směrem k této poloze magnetické neutrály a vlivem setrvačnosti je překmitne.

Po uplynutí poloviny doby periody vlastních kmitů motoru, způsobí druhý z dvojice impulsů další posuv magnetické neutrály, která se nyní přibližně ztotožní s okamžitou polohou rotoru, který se v této poloze zastaví a zůstane v ní až do příchodu dalšího impulsu na vstup ovládače. Motor tedy může trvale zaujímat pouze polovinu ze svých stabilních poloh, přičemž druhá polovina slouží jako přechodné stavy pro vykonání celého kroku. Zapojením řídicího obvodu je dáno, které polohy může motor zaujímat trvale, a které jsou přechodné, přičemž toto přiřazení je možno měnit elektrickým signálem. Pokud se toto přiřazení uskuteční takovým způsobem, že je v přechodných stavech vybuzeno více fází než ve stavech trvalých, tedy například u dvoufázových motorů jsou v přechodném stavu vybuzeny obě fáze a v trvalém stavu jedna fáze, odpovídá moment motoru v době pohybu během přechodného stavu počtu vybuzených fází. Tím je zajištěn větší moment v době přechodného stavu, kdy motor vykonává pohyb. Menší moment v trvalém stavu není na závadu, neboť statický vazební moment je větší než provozní moment. Příkon motoru pak odpovídá počtu vybuzených fází, což zvláště při nižších rychlostech otáčení vede k úspoře elektrické energie.

Vhodným zapojením řídicího obvodu ovládače krokového motoru je dále možno dosáhnout zvyšování rychlosti otáčení až na mez danou možnostmi samotného motoru. V tomto případě se při zvyšování kmitočtu vstupních impulsů nad hodnotu danou převrácenou hodnotu poloviny doby periody vlastních kmitů motoru samočinně zkracuje časový odstup mezi impulsy ve dvojicích, který je dán periodou vstupních impulsů, zatímco časové intervaly mezi dvojicemi jsou zkráceny na zanedbatelný okamžik, takže otáčky motoru lze zvyšovat až na hodnotu mezní provozní rychlosti.

Na připojených výkresech jsou znázorněny příklady zapojení řídicího obvodu ovládače krokového motoru podle vynálezu, kde obr. 1 znázorňuje blokové schéma zapojení, obr. 2 znázorňuje provedení generátoru dvojic impulsů, vhodné pro kmitočty vstupních impusů nižší než dvojnásobek vlastního rezonančního kmitočtu, na obr. 3 je znázorněno obdobné zapojení, umožňující navíc volbu otáčení směru otáčení a volbu trvalého motoru, obr. 4 znázorňuje zapojení generátoru

S dvojic impulsů, vhodné pro kmitočty vstupních impulsů až do mezního provozního kmitočtu, na obr. 5 je znázorněno zapojení podle obr. 4, umožňující navíc volbu směru otáčení a volbu trvalého stavu motoru a na obr. 6 je znázorněn příklad možného provedení obvodové realizace generátoru dvojic impulsů podle obr. 5.

Jak je zřejmé z obr. 1, je řídicí obvod ovládače krokového motoru 10 tvořen generátorem 1 dvojic impulsů, na jehož krokovací vstup 2 se přivádějí vstupní řídicí impulsy. Výstup 3 generátoru 1 dvojic impusů je připojen na hodinový vstup 4 stavového registru S, který může být tvořen například čítačem, přičemž jeden z výstupů 6 stavového registru 5, zpravidla nejnižší bit čítače, udává, zda je stav motoru 10 trvalý nebo přechodný. Tento výstup 6 je připojen jednak na stavový vstup 7 generátoru 1 dvojic impulsů, a jednak prostřednictvím dekodéru 8 je připojen k výkonovému zesilovači 9, který silově napájí krokový motor 19.

Příklad zapojení generátoru 1 dvojic impulsů, které je vhodné pro kmitočty vstupních impulsů nižší, než je dvojnásobek vlastního rezonančního kmitočtu krokového motoru 10 se zátěží, je znázorněn na obr. 2, kde generátor 1 dvojic impulsů je opatřen rezistorem 11, jehož první vývod 111 tvoří stavový vstup 7 a jehož druhý vývod 112 je připojen jednak na první vývod 121 kondenzátoru 12, jehož druhý vývod 122 je uzemněn, jednak na kolektor tranzistoru 13, jehož emitor je uzemněn, a jednak na vstup 141 Schmittova klopného obvodu 14. Výstup 142 obvodu 14 je připojen jednak přes ochranný rezistor 15 na bázi tranzistoru 13, a jednak na druhý vstup 162 sdružovacího členu 16, jehož první vstup 161 tvoří krokovací vstup 2 generátoru 1 dvojic impulsů a jehož výstup 163, tvořící výstup 3 generátoru 1 dvojic impulsů, je připojen na vstup 4 stavového registru 5.

Funkce zapojení podle obr. 2 je následující. Přijde-li v ustáleném stavu na krokovací vstup 2 řídicí impuls, projde tento impuls na výstup 3 do stavového registru 5, čímž motor 10 přejde do přechodového stavu a na stavovém vstupu 7 se objeví napětí úrovně H, kterým se nabíjí kondezátor 12. Jakmile napětí na kondenzátoru 12 přesáhne prahovou úroveň Schmittova klopného obvodu 14, přejde jeho napětí do úrovně H, čímž se sepne tranzistor 13, který vybije kondenzátor 12, čímž výstupní napětí Schmittova klopného obvodu 14 přejde opět do úrovně L. Impuls z výstupu 142 obvodu 14 projde sdružovacím členem 16 na výstup 3 a uvede stavový registr 5 do trvalého stavu, v něm zůstane až do příchodu dalšího impulsu na krokovací vstup 2.

Při požadavku na možnost reverzace motoru 10 se podle obr. 3 opatří sdružovací člen vstupem 161 pro volbu směru otáčení, prvním výstupem 165 pro první směr otáčení, připojeným na první vstup 51 stavového registru 5 a druhým výstupem 166 pro druhý směr otáčení, připojeným na druhý vstup 52 stavového registru 5. Požaduje-li se rovněž možnost vzájemné záměny přechodných a trvalých stavů, což umožňuje dosáhnout původní počet stabilních poloh motoru 10, opatří se podle obr. 3 generátor 1 dvojic impulsů obvodem 23 typu „EXCLUSIVE-OR“ zapojeným tak, že jeho první vstup 231 je vstupem pro volbu trvalého stavu, jeho druhý vstup 232 tvoří stavový vstup 7 a jeho výstup 233 je připojen na první vývod 111 rezistoru 11.

Příklad zapojení generátoru 1 dvojic impulsů, které je vhodné pro kmitočty vstupních impulsů vyšší až do mezního provozního kmitočtu, je znázorněno na obr. 4, kde generátor 1 dvojic impulsů je opatřen registrem 17 kroku, jehož nastavovací vstup 171 tvoří krokovací vstup 2 a jehož nulovací vstup 172 tvoří stavový vstup 7, přičemž jeho výstup 173 je připojen na vstup A 181 kombinačního obvodu 18, jehož vstup B 182 je připojen na výstup 192 monostabilního klopného obvodu 19. Vstup C 183 kombinačního obvodu 18 je připojen na vstup 191 monostabilního klopného obvodu 19, připojený rovněž na nulovací vstup 172 registru 17 kroku. Vstup D 184 kombinačního obvodu 18 je připojen jednak na výstup 203 synchronizačního obvodu 20, jehož datový vstup 201 je připojen na výstup 185 kombinačního’obvodu 18, a jednak na řídicí vstup 212 hradlovacíbo členu 21. Impulsní vstup 202 synchronizačního členu 20 je připojen jednak na výstup 221 oscilátoru 22, a jednak na impulsní vstup 211 hradlovacího členu 21, jehož výstup 213 tvoří výstup 3 generátoru 1 dvojic impulsů.

Funkce zapojení podle obr. 4 je následující. V trvalém stavu je na stavovém vstupu napětí úrovně L. Při příchodu impulsu na krokovací vstup 2 přejde napětí na výstupu stavového registru 5 do úrovně H, čímž způsobí, že na výstupu 185 kombinačního obvodu 18 se objeví rovněž napětí úrovně H. V okamžiku sestupné hrany napětí na impulsním vstupu 202 synchornizačního obvodu 20 se na výstupu 203 tohoto obvodu objeví napětí H, čímž následující impuls z oscilátoru 22 projde výstup 3 a nastaví svou vzestupnou hranou registr 17 kroku do stavu odpovídajícího následujícímu přechodnému stavu, přičemž na stavovém vstupu 7 přejde napětí na úroveň H Tím se jednak vynuluje registr 17 kroku, a jednak nastartuje monostabilní klopný obvod 19. Napětí na výstupu 185 kombinačního obvodu 18 přejde do stavu L, které při sestupné hraně napětí na vstupu 201 pronikne na výstup 203 synchronizačního obvodu 20 a zabrání průchodu dalších impulsů do stavového registru 5. Pokud během trvání impulsu monostabilního klopného obvodu 19 nepřijde další impuls na krokovací vstup 2, objeví se na výstupu 185 Kombinačního obvodu 18 napětí úrovně H po skončení impulsu monostabilního klopného obvodu 19, takže na výstup 3 projde další impuls, ukončující přechodný stav motoru 10, načež působením vstupu 183 kombinačního obvodu 18 opět přejde napětí na výstupu 185 tohoto obvodu do úrovně L a zabrání průchodu dalších impulsů na výstup 3.

Jestliže během trvání impulsu na výstupu 192 monostabilního klopného obvodu 19 přijde další impuls na krokovací vstup 2, přejde napětí na výstupu 173 registru 17 kroku do úrovně H, čímž způsobí přechod napětí na výstup 185 kombinačního obvodu 18 do úrovně H a průchod impulsu na výstup 3, čímž se ukončí přechodný stav motoru 10 a napětí na stavovém vstupu 7 přejde do úrovně L. To však nemá vliv na stav registru 17 kroku, takže napětí na výstupu 203 synchronizačního obvodu 20 zůstane v úrovni H a na výstup 3 pronikne další impuls, zasahující nový přechodný stav motoru 10. Napětí na stavovém vstupu 7 přejde do stavu H, takže napětí na výstupu 173 registru 17 kroku a tím i na datovém vstupu 201 synchronizačního členu 20 přejde do úrovně L, čímž se zablokuje průchod dalších impulsů na stavový vstup 7. Vzestupná hrana napětí na vstupu 191 monostabilního klopného obvodu 19 způsobí jeho opětné zpuštění, takže se od tohoto okamži8 ku začne znovu odměřovat nastavený časový interval.

Kombinační obvod 18 musí realizovat v ustáleném stavu funkci Y = A + BC. Vstup 184 je žádoucí z důvodů správné funkce při připojení napájecího napětí. Příklad vhodné funkce realizovaného tímto obvodem je Y = = (A + BCJ.D.

Popsané zapojení, znázorněné na obr. 4, umožňuje otáčení motoru 10 v jednom směru. Při požadavku na možnost reverzace se v zapojení podle obr. 5 hradlovací člen 21 opatří vstupem 214 pro volbu směru otáčení a prvním výstupem 215 pro první směr otáčení, připojeným na první vstup 51 stavového registru 5 a druhým výstupem 216 pro druhý směr otáčení, připojeným na druhý vstup 52 stavového registru 5. Požaduje-li se rovněž možnost vzájemné záměny přechodných a trvalých stavů, což umožňuje dosáhnout původní počet stabilních poloh motoru 10, opatří se podle obr. 5 generátor 1 dvojic impulsů obvodem 23 typu „EXCLUSIVE-OR“ zapojeným tak, že jeho první vstup 231 je vstupem pro volbu trvalého stavu, jeho druhý vstup 232 tvoří stavový vstup 7 a jeho výstup 233 je připojen na nulovací vstup 172 registru 17 kroku.

Claims (7)

1. Zapojení řídicího obvodu ovládače krokového motoru, tvořené generátorem dvojic impulsů, na jehož krokovací vstup je připojen výstup řídicího signálu, a jehož výstup je připojen na vstup stavového registru, jehož výstup je připojen na vstup dekodéru, vyznačující se tím, že výstup (6) stavového regis? tru (5) je připojen na stavový vstup (7) generátoru (1) dvojic impulsů.

2. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že generátor (1) dvojic impulsů je opatřen rezistorem (11), jehož první vývod (111) tvoří stavový vstup (7) a jehož druhý vývod (11.2) je připojen jednak na první vývod (121) kondenzátoru (12), jehož druhý vývod (122J je uzemněn, jednak na kolektor tranzistoru (13), jehož emitor je uzemněn, a jednak na vstup (141) Schmittova klopného obvodu (14), jehož výstup (142J je připojen jednak přes ochranný rezistor (15) na bázi tranzistoru (13), a jednak na druhý vstup (162) sdružovacího členu (16), jehož první vstup (161) tvoří krokovací vstup (2) generátoru (lj dvojic impulsů a jehož výstup (163J,tvořící výstup (3) generátoru (1) dvojic impulsů, je připojen na vstup (4) stavového registru (5).

3. Zapojení podle bodu 2, vyznačující se tím, že sdružovací člen (16) je opatřen vstupem (164) pro volbu směru otáčení, prvním výstupem (165) pro první směr otáčení, připojeným na první vstup (51) stavového registru (5) a druhým výstupem (166) pro

VYNALEZU druhý směr otáčení, připojeným na druhý vstup (52) stavového registru (5).

4. Zapojení podle bodu 2 nebo 3, vyznačující se tím, že na první vývod (111) rezistoru (11) je připojen svým výstupem (233) obvod (23) typu „EXCLUSIVE-OR“, jehož první vstup (231) je vstupem pro volbu trvalého stavu a jehož druhý vstup (232J tvoří stavový vstup (7).

5. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že generátor (1) dvojic impulsů je opatřen registrem (17) kroku, jehož nulovací vstup (172) tvoří stavový vstup (7) a jehož nastavovací vstup (171) tvoří krokovací vstup (2), přičemž jeho výstup (173) je připojen na vstup A (181) kombinačního obvodu (18), jehož vstup B (182) je připojen na výstup (192) monostabilního klopného obvodu (19) a dále, jehož vstup C (183) je připojen na vstup (191) monostabilního klopného obvodu (19) a dále, jehož vstup D (184) je připojen jednak na výstup (203) synchronizačního obvodu (20), jehož datový vstup (201) je připojen na výstup (185) kombinačního obvodu (18) a jednak na řídicí vstup (212) hradlovacího členu (21), a jehož Impulsní vstup (202) je připojen jednak na výstup (221) oscilátoru (22) a jednak na impulsní vstup (211) hradlovacího členu (21), jehož výstup (213) tvoří výstup (3) generátoru (1) dvojic impulsů, přičemž vstup (191) monostabilního klopného obvodu (19) je při237043

I pojen na nulovací vstup (172) registru (17) kroku.

6. Zapojení podle bodu 5, vyznačující se tím, že hradlovaci člen (21) je opatřen vstupem (214) pro volbu směru otáčení, prvním výstupem (215) pro první směr otáčení, připojeným na první vstup (51) stavového registru (5) a druhým výstupem (216) pro dru10 hý směr otáčení, připojeným na druhý vstup (52) stavového registru (5).

7. Zapojení podle bodu 5 nebo 6, vyznačující se tím, že na nulovací vstup (172) registru (17) kroku je připojen svým výstupem (233) obvod (23) typu „EXCLUSIVE-OR“, jehož první vstup (231) je vstupem pro volbu trvalého stavu a jehož druhý vstup (232J tvoří stavový vstup (7).