СПОСОБ ПРОГРАММНОГО ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА

СПОСОБ ПРОГРАММНОГО ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА


RU (11) 2020725 (13) C1

(51) 5 H02P8/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 4863435/07 
(22) Дата подачи заявки: 1990.07.12 
(45) Опубликовано: 1994.09.30 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Шаговый электропривод в робототехнике. Под ред. Л.А.Садовского. М.: МЭИ, 1984, с.81-87. 2. High - Resolution Stepping Motor drive H.P. Layek, Rev. SCI. Instrum.47, N 4, 1976, с.480-483. 3. Смирнов Ю.С. Системы управления сервомеханизмами с шаговыми электродвигателями. Микропроцессорные средства и системы, N 4, 1985, с.71-77. 
(71) Заявитель(и): Научно-производственное объединение "Мехатрон" 
(72) Автор(ы): Ивоботенко Б.А.; Боярченков А.М.; Козаченко В.Ф.; Обухов Н.А.; Мелкумов Г.А. 
(73) Патентообладатель(и): Ивоботенко Борис Алексеевич; Боярченков Александр Михайлович; Козаченко Владимир Филиппович; Обухов Николай Александрович; Мелкумов Георгий Ашотович 

(54) СПОСОБ ПРОГРАММНОГО ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА 

Использование: в роботах и станках с числовым программным управлением. Сущность: при способе программного позиционного управления многофазным шаговым электродвигателем с электрическим дроблением шага в строго определенные моменты времени одновременно изменяют фазу всех токов в обмотках шагового электродвигателя, увеличивая в начале разгона фазу токов на определенный угол. В установившемся режиме указанный фазовый сдвиг снимают и увеличивают фазу токов на другую величину, определяемую максимальной скоростью. В режиме торможения фазу токов уменьшают в зависимости от максимального ускорения. Это позволит улучшить динамику электропривода. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с программным управлением для систем точного воспроизведения движений в роботах и станках с числовым программным управлением с синхронными, в частности шаговыми электродвигателями при высоких требованиях к быстродействию, точности позиционирования и качеству отработки заданной траектории движения.

Известны способы позиционного программного управления шаговым электродвигателем с инвертором напряжения, распределителем импульсов и блоком электрического дробления шага, формирующим двухканальную последовательность сигналов одинаковой частоты с регулируемым фазовым сдвигом между ними, поступающих на вход распределителя импульсов, обеспечивающие позиционирование с частотами, меньшими частоты приемистости шагового двигателя [1]. Известны также способы позиционного программного управления шаговым электродвигателем, аналогичные предыдущему, но с блоком программного разгона-торможения, обеспечивающие позиционирование с частотами выше частоты приемистости [1].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу позиционного программного управления является способ, основанный на применении инвертора тока и блока электрического дробления шага с цифроаналоговым преобразователем, обеспечивающий формирование в фазных обмотках шагового двигателя токов одинаковой амплитуды и переменной частоты, пропорциональной заданной программной скорости движения [2].

Недостатки известного технического решения состоят в отсутствии системы управления динамическим моментом двигателя и как следствие в возникновении значительных ошибок воспроизведения заданной траектории движения; необходимости снижения среднего момента двигателя на этапах разгона-торможения с целью обеспечения достаточной устойчивости и надежности привода и, как следствие, к недоиспользованию двигателя по моменту, а также к снижению быстродействия привода; наличии статических ошибок позиционирования при действии активного момента нагрузки.

Целью изобретения является улучшение статических и динамических свойств позиционных шаговых электроприводов, повышение быстродействия и надежности привода.

Это достигается тем, что при известном способе позиционного программного управления многофазным шаговым электродвигателем с электрическим дроблением шага, при котором в обмотках шагового двигателя формируют токи переменной частоты и одинаковой амплитуды, с увеличением частоты токов на этапе разгона двигателя в соответствии с оптимальной по быстродействию тахограммой разгона, стабилизацией частоты токов на этапе движения с установившейся скоростью, уменьшением частоты токов на этапе торможения в соответствии с оптимальной по быстродействию тахограммой торможения и фиксацией токов фаз в конце торможения, дополнительно в строго определенные дискретные моменты времени изменяют фазу одновременно всех токов в обмотках двигателя, при этом в начале разгона увеличивают фазу токов на угол arcsin[(Jmax + Mc)/Mmax] , при переходе к режиму движения с установившейся скоростью указанный выше фазовый сдвиг токов снимают и увеличивают фазу токов на угол arcsin[( max + Mc)/Mmax], при переходе к режиму торможения указанный выше фазовый сдвиг токов снимают и дополнительно уменьшают фазу токов на угол arcsin[(Jmax - Мc)/Mmax], в конце торможения при переходе к режиму фиксации заданного конечного положения указанный выше фазовый сдвиг снимают.

Поставленная цель по улучшению точности позиционирования и уменьшению статической ошибки в условиях действия активного момента нагрузки достигается дополнительным увеличением фазы всех токов двигателя на угол arcsin(Mc) при переходе к режиму фиксации заданного конечного положения, где

J - суммарный момент инерции привода с вращающимся двигателем или суммарная масса подвижной части линейного привода (m );

max - максимальное угловое ускорение для принятой тахограммы разгона вращающегося двигателя или максимальное ускорение для линейного двигателя (amax);

Мс - момент статической нагрузки или усилие статической нагрузки (Fс) для вращающихся и линейных двигателей соответственно;

Мmax - максимальный статический синхронизирующий момент и максимальное статическое синхронизирующее усилие (Fmax), для вращающегося и линейного двигателей соответственно;

- коэффициент эквивалентного вязкого трения, учитывающий наличие в приводе вентиляторного момента нагрузки, потерь на вихревые токи и перемагничивание;

max - максимальная установившаяся скорость позиционирования для вращающегося и линейного двигателей (Vmax) соответственно.

На фиг. 1 изображен цикл позиционирования привода с программируемым разгоном, движением на заданной установив- шейся скорости, программируемым торможением и фиксацией конечного положения, а также уравнением движения привода при питании обмоток шагового двигателя от управляемого инвертора тока и глубоком электрическом делении конструктивного шага машины

J + + Mc= Mmaxsin(-), где m, - механическое и электрическое положение ротора (=mp);

p - число пар полюсов машины;

- программное значение фазы токов двигателя.

На первых двух графиках показана тахограмма позиционного электропривода, соответствующая предлагаемому способу управления - зависимости изменения механической скорости двигателя (t) и электрического положения ротора (t) от времени. Точками отмечены моменты времени, когда производятся дискретные изменения фазы токов двигателя. На третьем графике показан закон изменения приращения фазы токов двигателя в функции времени д(t).

Дискретный сдвиг фазы токов при разгоне д.р. приводит к дискретному сдвигу электромагнитного поля в воздушном зазоре машины и созданию требуемого значения динамического момента в соответствии с заданным максимальным ускорением привода max. Дискретный сдвиг фазы токов при переходе от разгона к установившемуся движению д.у. обеспечивает создание электромагнитного момента, достаточного для компенсации момента вязкого трения на скорости, равной скорости позиционирования max, а также момента статической нагрузки Мс. Дискретный сдвиг фазы токов при переходе к режиму торможения д.т. обеспечивает создание тормозного электромагнитного момента в соответствии с заданным замедлением (- max). Дискретный сдвиг фазы токов при переходе к режиму фиксации обеспечивает создание электромагнитного момента, достаточного для компенсации активного момента нагрузки Мс в конечной точке траектории движения.

Четвертый график иллюстрирует закон изменения программного значения фазы токов двигателя (t) = (t) + д(t), определяемого суммой двух составляющих: программного значения электрического положения ротора двигателя и дискретного приращения фазы токов двигателя.

Отличительным признаком данного изобретения является формирование дополнительных фазовых сдвигов токов в соответствии с величиной ускорения и нагрузки на соответствующем интервале траектории позиционирования, что обеспечивает минимизацию динамических ошибок привода и улучшение качества движения; значительное увеличение допустимых темпов разгона-торможения вплоть до значений ускорения, соответствующих моменту двигателя (0,7-0,8) Мmax, по сравнению с значениями ускорения, соответствующими моменту двигателя (0,3-0,4) Мmax для традиционных систем управления; практически оптимальный по быстродействию старт-стопный характер перемещения независимо от величины и требуемой скорости перемещения; минимизацию статических ошибок и повышение точности позиционирования в условиях действия активного момента нагрузки.

Изобретение осуществляется следующим образом (см. фиг. 2). На входах сумматора 1 производится сложение двух цифровых сигналов: сигнала текущего программного электрического положения ротора (t) = (t), вырабатываемого устройством планирования траектории движения, и сигнала дискретного сдвига фазы токов д(t), вырабатываемого генератором дискретных сдвигов поля, работающим совместно с планировщиком траектории движения. Выходной цифровой сигнал сумматора (t) = (t) + + д(t), определяющий мгновенное значение фазы вектора суммарного тока статора, поступает на адресные входы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 2, хранящего m-фазную последовательность цифровых кодов токов отдельных фаз m-фазного шагового электродвигателя. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3 обеспечивает преобразование кодов уставок токов фаз в аналоговые сигналы задания токов фаз, поступающие на входы инвертора тока (УТ) 4, а последний формирует заданные уровни токов в обмотках двигателя 5. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. СПОСОБ ПРОГРАММНОГО ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА, при котором формируют в фазах обмотки шагового электродвигателя токи переменной частоты и одинаковой амплитуды с увеличением частоты токов на этапе разгона электродвигателя в соответствии с оптимальной по быстродействию тахограммой разгона, стабилизацией частоты токов на этапе движения с установившейся скоростью, уменьшением частоты токов на этапе торможения и фиксацией токов фаз обмотки в конце торможения, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических свойств электродвигателя, качества движения и повышения надежности в отработке заданной траектории в условиях действия внешних возмущений, дополнительно в строго определенные дискретные моменты времени одновременно изменяют фазу всех токов в обмотках шагового электродвигателя, при этом в начале разгона увеличивают фазу токов на угол arcsin (Imax + Mc ) / Mmax , при переходе к режиму движения с установившейся скоростью указанный выше фазовый сдвиг токов снимают и увеличивают фазу токов в обмотках шагового электродвигателя на угол arcsin ( max + Mc ) / Mmax , при переходе к режиму торможения снимают указанный выше фазовый сдвиг токов и уменьшают фазу токов в обмотках шагового электродвигателя на угол arcsin ( Imax - Mc) / Mmax , в конце торможения при переходе к режиму фиксации заданного положения упомянутый выше фазовый сдвиг снимают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения статической точности в условиях действия активного момента нагрузки, дополнительно при переходе к режиму фиксации заданного конечного положения увеличивают фазу токов на угол arcsin Mc,

где I - суммарный момент инерции для вращающегося шагового электродвигателя или суммарная масса поданной части для линейного шагового электродвигателя;

max - максимальное угловое ускорение тахограммы разгона для вращающегося шагового электродвигателя или максимальное ускорение для тахограммы разгона для линейного шагового электродвигателя;

Mc - момент статической нагрузки или усилие статической нагрузки соответственно для вращающегося и линейного шагового электродвигателей;

Mмах - максимальный статический синхронизирующий момент или максимальное статическое синхронизирующее усилие соответственно для вращающегося и линейного шагового электродвигателей;

- коэффициент эквивалентного вязкого трения, учитывающий наличие в приводе вентиляторного момента нагрузки, потерь на вихревые токи и перемагничивание;

max - максимальная установившаяся скорость позиционирования для вращающегося или линейного шагового электродвигателей соответственно.