Управление шаговыми двигателями с обратной связью
7.1. Ограничения управления без обратной связи и необходимость управления с обратной связью
В системах управления, рассмотренных в гл. 5, импульсы управления поступают от внешнего источника, и принято допущение, что ШД в состоянии среагировать на каждый из них. Этот способ относится к управлению без обратной связи. Он имеет свои преимущества и широко используется в управлении частотой вращения либо позиционированием. Однако в таком случае возможности ШД ограничены. Например, ШД с управлением без обратной связи может пропустить импульс управления, если частота следования импульсов или инерции нагрузки слишком велика. Более того, движение двигателя с управлением без обратной связи имеет тенденцию становиться колебательным.
Возможности ШД могут быть в большой степени расширены, если использовать обратную связь по положению и (или) по частоте вращения для определения требуемой фазы (фаз) и времени их включения. Тогда уже ШД станет работать как вентильный двигатель. В управлении с обратной связью необходим датчик положения для определения положения ротора. В настоящее время в качестве таких датчиков наиболее часто применяют оптические, которые обычно устанавливают на валу двигателя. Механизм и принцип работы оптического датчика объясняется далее (см. рис. 7.10и7.11).В более современных системах вместо аддитивного механического датчика положение ротора определяют по форме кривых токов в обмотках двигателя (вентильные двигатели без явно выраженного датчика положения ротора).
Управление с обратной связью предпочтительнее не только потому, что исключает ошибки в совершении шага. Движение ротора более ровное и можно достигнуть высокой шаговой частоты (частоты приемистости).
7.2. Угол коммутации
До анализа деталей систем управления с обратной связью проанализируем влияние угла коммутации фаз обмотки ШД.
7.2.1. Одношаговый угол коммутации и большие углы включения.
Предположим, что при системе управления с обратной связью, изображенной на рис. 7.1, ШД начинает движение.

Рис. 7. 1. Схемы управления ШД с обратной связью (вентильный двигатель): 1 - логический блок; 2 - источник постоянного тока; 3 - коммутатор (инвертор) шагового двигателя; 4 - импульсы обратной связи (числовая информация о положении); 5 - оптический датчик; 6 - шаговый двигатель.
Рис. 7. 2. Зависимость угла поворота ротора от времени при управлении с обратной связью: 1 - малая нагрузка; 2 - большая нагрузка.
Оптический датчик определяет положение ротора и передает информацию логическому блоку, который, используя информацию о положении ротора, определяют фазу (или фазы), которую необходимо возбудить. Соотношение между настоящим положением ротора и фазой (или фазами), которую следует возбудить, определяется в терминах угла коммутации. В примере мы имеем дело с трехфазным двигателем, и при однофазном управлении необходима последовательность возбуждения фаза 1 à 2 à 3... Сейчас возбуждена фаза 1 и ротор находится в положении равновесия, соответствующем этой фазе. Затем возбуждается фаза 2, а 1 отключается для того, чтобы двигатель начал движение. Угол коммутации в этом случае равен одному шагу. Как только датчик положения определит, что ротор занимает положение равновесия для фазы N, логический блок, работающий с одношаговым углом коммутации, генерирует сигнал на возбуждение фазы N+ 1 для продолжения движения. Таким образом, ШД, управляемый системой с обратной связью, работает как вентильный двигатель постоянного тока, в котором обмотка (или обмотки), требующие возбуждения, выбираются по сигналам датчика положения ротора.
Частота вращения ШД, управляемого системой с обратной связью, меняется с нагрузкой, как показано на рис. 7.2. Чем больше нагрузка, тем меньше частота вращения. Однако на практике одношаговый угол коммутации не используется, так как в этом случае нет уверенности в продолжении движения, поскольку существует момент трения. Причины здесь следующие. Предположим, что ротор двигается к положению равновесия фазы, возбужденной в настоящий момент. Так как статический момент при приближении ротора к положению равновесия понижается, то двигатель может остановиться до положения равновесия в той точке, где статический и момент трения равны и противоположно направлены. Теперь, так как угол коммутации равен одному шагу, следующая фаза не возбудится, а это означает, что ротор не будет двигаться дальше. Если переключение возбуждения делается до положения равновесия, то двигатель может продолжить движение. В этом случае следует выбрать угол коммутации, больший, чем один шаг.
7.2.2. Угол коммутации и статический момент.
Зависимости момента от положения для трехфазного двигателя могут быть аппроксимированы синусоидальными кривыми, показанными на рис. 7.3, а. Если двигатель работает при однофазном управлении с одношаговым углом коммутации, то статический момент будет меняться со временем, как показано на рис. 7.3, б толстыми линиями. Заметим, когда ротор достигает положения равновесия фазы, возбужденной в настоящий момент, она отключается и подключается следующая. На рис. 7.3, в показан случай угла коммутации в 1¼ шага, который дает максимальное значение момента при синусоидальном его изменении от угла. Если и дальше увеличивать угол коммутации, значение статического момента будет понижаться (см. рис. 7.3, г, д). На рис. 7.4 приведен случай четырехфазного двигателя, который показывает, что значение момента становится максимальным при угле коммутации 1,5 шага.
7.2.3. Большие углы коммутации для высоких частот вращения.
Из рис. 7.3, д видно, что значение статического момента, развиваемого трехфазным двигателем, равно нулю, если угол коммутации равен 2 шагам. Аналогично четырехфазный ШД с углом коммутации 2,5 шага создает нулевой статический момент. Однако эти утверждения верны только для случая, когда частота вращения мала. Если двигатель вращается, то при этих углах коммутации создаются моменты, достаточные для ускорения или поддержания заданной частоты вращения. Это происходит из-за постоянной времени обмоток. Кривые распределения момента на рис. 7.3 и 7.4 построены в предположении, что ток достигает своего максимального значения мгновенно, как только включается транзистор.

Рис. 7.3. Соотношение между утлом коммутации и статическим моментом в трехфазном двигателе: а - характеристики для каждой из фаз; б-д - различные утлы коммутации от 1 до 2 шагов: 1 - фаза 2 отключена в положении равновесия фазы 1; 2 - фаза 3 отключена в положении равновесия фазы 2.
Рис. 7.4. Соотношение между углом коммутации и статическим моментом в четырехфазном двигателе.
В действительности же существует временная задержка достижения током своего максимального значения из-за наличия индуктивности обмотки.
На рис. 7.5 соотношение между напряжением и током приведено для трех различных шаговых частот вращения: низкой (а), средней (б) и высокой (в). Ток, проходящий через обмотки за период, когда транзистор включен, создает положительный момент для ускорения двигателя.

Рис 7. 5. Связь между напряжением и током при одношаговом угле коммутации: А — ускорение; Б — торможение.
С другой стороны, ток, циркулирующий в обмотке и диоде обратного тока после отключения транзистора, может быть причиной появления тормозного момента. Если частота вращения мала, то действие тормозного момента незначительно. Однако при повышении частоты вращения, как это ясно из рис. 7.5, б и в, время действия положительного момента становится сравнительно небольшим и средний момент должен уменьшаться. Таким образом, максимальный момент недостаточно велик для того периода ускорения, который существует при значениях угла коммутации, близких к 1 шагу. Момент и максимальная частота вращения возрастают при увеличении угла коммутации, так как начальное время возрастания тока компенсируется более ранним включением обмотки, как показано на рис. 7.6.
Рис 7. 6. Изменение момента при увеличении угла коммутации в диапазоне больших частот вращения: А — ускорение; Б — торможение: а - 1 шаг; б - 1,5 шага.
В [1] проведен теоретический анализ влияния угла коммутации на характеристику реактивного двигателя.
На рис. 7.7 [2] приведен пример зависимости максимальной частоты вращения от угла коммутации, измеренной для четырехфазного гибридного ШД при двухфазном управлении.

Рис. 7.7. Зависимость максимальной частоты вращения от угла коммутации, измеренная для гибридного ШД с углом шага 1,8 при двухфазном управлении.
В этом случае максимальная частота вращения при угле коммутации, равном 1,0 шагу, составляет около 1000 Гц и повышается до 14000 Гц при 3,2-шаговом угле коммутации. На рис. 7.8 приведен другой пример, в котором угол коммутации меняется не непрерывно, а дискретно приращениями по 0,5 шага в диапазоне от 1,0 до 3,0 шага.

Рис. 7. 8. Зависимость максимальной частоты вращения о от угла коммутации, измеренная для гибридного двигателя с углом шага 1,8 при комбинации одно- и двухфазного управления.
При 1,5-шаговом и 2,5-шаговом углах коммутации использовалось однофазное управление, а при 1,0, 2,0 и 3,0-шаговом — двухфазное. Максимальная частота вращения выше 25 кГц достигается при 3,0-шаговом угле коммутации. Технические особенности последнего случая рассмотрены в
7.2.5. Определение угла коммутации при двухфазном управлении.
Влияние угла коммутации на характеристики двигателя до сих пор рассматривалось для однофазных схем управления. Но угол коммутации может быть также определен и для двухфазного управления. На рис. 7.9, а приведены зависимости статического момента от углового положения, аппроксимированные синусоидальными кривыми, когда возбуждены две или три фазы.

Рис. 7.9. Определение утла коммутации при двухфазном управлении трехфазным ШД: 1 - положение равновесия с возбужденными фазами 1 и 2; 2 - положение равновесия с возбужденными фазами 2 к 3; 3 - положение равновесия с возбужденными фазами 3 и 1; 4 - фаза 1 включена, а фаза 3 отключена пока, фаза 2 остается возбужденной.
Положения равновесия указаны на том же рисунке. Когда ротор достигает положения равновесия с возбужденными фазами 7 и 2, фаза 1 отключается, а 2 остается включенной. Это управление с одношаговым углом коммутации. На рис. 7.9, б приведены зависимости момента для случая 1,5-шагового угла коммутации.
Комбинация однофазного и двухфазного управления. Количество выходных импульсов датчика положения ротора за один оборот намного больше, чем число шагов, поэтому трудно изменять угол коммутации непрерывно. Например, если для датчика положения число возможных импульсов и шагов ШД за один оборот равно 200, то возможный набор углов коммутации будет равен 0, 1, 2 и 3 или 0,5, 1,5, 2,5 и 3,5 шага. Какой из них выбрать, зависит от взаимного положения датчика и ротора, а также схемы управления. Однако при использовании как однофазной, так и двухфазной схемы управления система может использовать восемь различных углов коммутации.
Эта идея была выдвинута в [3] в 1967 г.
Датчик положения, представленный в этой работе, является комбинацией непрозрачного диска с 50 маленькими отверстиями, находящимися на 7,2° друг от друга, и четырех пар фототранзистор—источник света. В настоящее время для этих целей широко используют многоканальные оптические датчики. При выборе угла коммутации для комбинированного способа управления (одно- и двухфазного), будет использоваться трехканальный оптический датчик с разрешающей способностью 200 импульсов за один оборот. На рис. 7.10 показана модель аналогичного датчика, установленного непосредственно на валу двигателя. Для простоты показан только один канал.
Рис 7.10. Конфигурация оптического датчика обратной связи по положению: 1 - оптический датчик положения ротора; 2 - шаговый двигатель; 3 - логический блок; 4 - обмотки; 5 - сигнал управления углом коммутации.

Рис 7. 11. Принцип работы оптического датчика положения ротора: 1 - вращающийся диск; 2 — неподвижная маска; 3 - чувствительный элемент; 4 — источник света.
Принцип работы оптического датчика положения ротора показан на рис. 7.11. На диске 1 чередуются прозрачные и непрозрачные сектора. Так он вращается вместе с валом двигателя, маска 2 периодически пропускает или блокирует свет. Выходной сигнал датчика формируется в требуемом виде как цифровой сигнал.
Одно из возможных соотношений между выходным сигналом датчика и положениями равновесия при однофазном управлении приведено на рис. 7.12.

Рис. 7. 12. Соотношение между выходными сигналами датчика положения ротора и положениями равновесия при однофазном управлении.
Датчик установлен на валу ротора так, что положения равновесия оказываются в центрах интервалов Н-уровня при выходном сигнале в канале А. Канал А используется для распознавания направления вращения. Сигнал канала В, сдвинутый на 90° по отношению к А, используется для генерации временных импульсов, которые используются как сигналы переключения. Здесь имеются два временных генератора: CG1 и CG2. Первый из них генерирует отрицательный логический временной импульс каждый раз, когда сигнал канала В понижается в интервале Н-уровня сигнала А. Второй генерирует импульс при возрастании сигнала канала В в интервале L-уровня сигнала А. Другими словами, CG1 выдает импульсы при вращении по, a CG2 против часовой стрелки. Положения ротора, при которых генерируются временные импульсы, здесь называются моментами (точками) коммутации.
Соотношение между возможными значениями угла коммутации, положениями равновесия при однофазном управлении и фазами, которые должны быть возбуждены, приведены для направления по часовой стрелке в табл. 7.1, против — в табл. 7.2. Для примера рассмотрим строку для угла коммутации в 1,5 шага. Когда ротор пересекает точку коммутации S2, фаза 2 включается, а 3 возбуждается. Расстояние от S2 до следующего положения равновесия для возбужденной фазы 3 равно 1,5 шага. Если в S2 возбуждается фаза 4, то угол коммутации составляет 2,5 шага, как это показано в шестой строке. Таким образом, однофазное управление включает углы коммутации 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 3,5 шага. Угол коммутации 3,5 шага можно рассматривать как —0,5 шага. Если в S2 при вращении по часовой стрелке возбуждаются фазы 2 и 3, как это показано в третьей строке, то угол коммутации равен 1,0 шага, так как следующей является точка S3, отстоящая от S2 на один шаг. Двухфазное управление включает углы коммутации 0; 1,0; 2,0 и 3,0 шага.
В табл. 7.1 представлены точки коммутации для положений равновесия при двухфазном управлении. Если датчик установлен так, что моменты (точки) коммутации расположены в положениях равновесия для однофазного управления, то соотношение между углами коммутации и фазами, которые должны быть возбуждены, такие, как показано в табл. 7.3 и 7.4.
Таблица 7.1. Связь углов коммутации, положений равновесия для однофазного возбуждения и возбуждаемых фаз для четырехфазного двигателя с направлением вращения по часовой стрелке. Переключения осуществляются в положениях равновесия для двухфазного возбуждения

| Р1 | Р2 | РЗ | Р4 | Р1 | Р2 | |
0 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | 3,4 | 4,1 | #1 | |
0,5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | #2 | Остановка |
1,0 | 1,2 | 2,3 | 3,4 | 4,1 | 1,2 | #3 | |
1,5 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | #4 | Поворот |
2,0 | 2,3 | 3.4 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | #5 | Ускорение |
2,5 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | #6 | |
3,0 | 3,4 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | 3,4 | #7 | |
3,5 (-0,5) | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | #8 | Торможение |
Таблица 7.2. Связь углов коммутации, положений равновесия для однофазного возбуждения и возбуждаемых фаз дли четырехфазного двигатели с направлением вращения против часовой стрелки. Переключения совершаются в положениях равновесия для двухфазного возбуждения

0 | 1,2 | 2,3 | 3,4 | 4.1 | 1,2 | #1 | |
0,5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | #2 | Остановка |
1,0 | 4,1 | 1.2 | 2,3 | 3,4 | 4,1 | #3 | |
1,5 | 4 | 1 | L | 3 | 4 | #4 | Поворот |
2,0 | 3,4 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | 3,4 | #5 | Ускорение |
2,5 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | #6 | |
3,0 | 2,3 | 3,4 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | #7 | |
3,5 (-0,5) | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | #8 | Торможение |
Примечание. P1, Р2, РЗ, Р4 - положения равновесия для однофазного возбуждения. 1, 2... — точки переключения.
#1 - эффективное торможение; нет гарантии реверса.
#2 - слабое торможение; используется для конечного позиционирования.
#3 - плохо для вращения.
#4 - хороший запуск, медленное вращение.
#5 - хороший запуск-ускорение.
#6 - нет запуска двигателя, но обеспечивается высокая частота вращения.
#7 - запуск двигателя в противоположном направлении, обеспечивает самую высокую частоту вращения в прямом направлении.
#8 - хорошее торможение.
Таблица 7.3. Связь углов коммутации, положений равновесия и возбуждаемых фаз для четырехфазного двигателя с направлением вращения по часовой стрелке. Переключения совершаются в положениях равновесия для однофазного возбуждения

0 | 4 | 1 | 2 | 3 |
0,5 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | 3,4 |
1,0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
1,5 | 1,2 | 2,3 | 3,4 | 4,1 |
2,0 | 2 | 3 | 4 | 1 |
2,5 | 2,3 | 3,4 | 4,1 | 1,2 |
3,0 | 3 | 4 | 1 | 2 |
3,5 (-0,5) | 3,4 | 4,1 | 1,2 | 2,3 |
Таблица 7.4. Связь углов коммутации, положений равновесия и возбуждаемых фаз для четырехфазного двигателя с направлением вращения против часовой стрелки. Переключения совершаются в положениях равновесия для однофазного возбуждения

0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
0,5 | 4,1 | 1,2 | 2,3 | 3,4 |
1,0 | 4 | 1 | 2 | 3 |
1,5 | 3,4 | 4,1 | 1,2 | 2,3 |
2,0 | 3 | 4 | 1 | 2 |
2,5 | 2,3 | 3,4 | 4,1 | 1.2 |
3,0 | 2 | 3 | 4 | 1 |
3,5 (-0,5) | 1,2 | 2,3 | 3,4 | 4,1 |
Примечание. P1, Р2, РЗ и Р4 — положения равновесия для однофазного возбуждения. Р12, Р23, Р34 и Р41 - положения равновесия для двухфазного возбуждения. 1, 2 ... - точки переключения, которые в этом случае отличаются от точек 1,2 в табл. 7.1, 7.2.
7.2.6. Угол коммутации при пуске и вращении ротора.
Когда система сконструирована так, чтобы в положении равновесия ротор находился посреди промежутка между двумя точками коммутации, угол коммутации при остановке или запуске меньше, чем при вращении, на 0,5 шага. Этот факт следует из табл. 7.1, если конечное позиционирование выполняется по однофазной схеме управления. Для того чтобы установить ротор в положение Р1 необходимо возбудить только фазу 1, а для перевода ротора в положение равновесия Р2 следует возбудить фазу 2, что соответствует второй строке в табл. 7.1 как для вращения по, так и против часовой стрелки (табл. 7.2). Когда двигатель останавливается при таком управлении, угол коммутации равен нулю. Но если он вращается в каком-либо направлении, то угол будет равен 0,5 шага. Разница в 0,5 шага имеет также место при других схемах управления. Предположим, что вначале двигатель находится в положении Р1 с возбужденной обмоткой фазы 1, затем запускается в направлении по часовой стрелке при управлении, задаваемом пятой строкой таблицы, т.е. с углом коммутации, при вращении равным 2 шагам. Теперь возбуждаются фазы 3 и 4, и положение равновесия при этом располагается в точке S4, которая отстоит от P1 на 1,5 шага. Таким образом, пусковой угол коммутации меньше на 0,5 шага.
Разница в углах коммутации при запуске и вращении обусловливает то, что четырехфазный двигатель может быть запущен в требуемом направлении по схеме с 2-шаговым углом коммутации. Если этот угол при запуске также положить равным 2 шагам, то направление вращения не будет определено.
7.2.7. Угол коммутации при ускорении и торможении.
Если остановленный двигатель требуется разогнать, то угол коммутации должен быть больше 1 шага. На рис. 7.13 приведены зависимости частоты вращения от углов коммутации 1,0; 1,5 и 2,0 шага (момент инерции нагрузки 5,28-10-5кг•м2).
Рис. 7. 13. Зависимость частоты вращения от числа шагов при углах коммутации 1,0 (7); 1,5 (2); 2,0 шага (3) (для случая ускорения).
Эти зависимости измерены для той же самой комбинации двигатель—система управления, которая была использована для получения характеристик максимальной частоты вращения (см. рис. 7.8). Очевидно, что схема управления с одношаговым углом коммутации разгоняет двигатель менее эффективно, в то время как с двухшаговым обеспечивает достаточное ускорение. Если угол коммутации увеличить после того, как двигатель достиг определенной частоты вращения, то ускорение становится более эффективным. Для торможения ротора угол коммутации нужно свести к нулю или некоторому небольшому значению. На рис. 7.14 показаны зависимости частоты вращения от числа шагов при углах —0,5; 0; 0,5 шага и таком же моменте инерции нагрузки.
Рис. 7. 14. Зависимость частоты вращения от числа шагов при углах коммутации 0 (1); - 04 (2); 0,5 (3) шага (для случая торможения).
7.3. Система управления с обратной связью, использующая микропроцессор
В [3] предложено применить для управления ШД с обратной связью большой либо малый микропроцессор. Так как в настоящее время микропроцессоры достаточно дешевы, использование их для управления ШД стало очень интересной инженерной проблемой. Рассмотрим микропроцессорную систему с обратной связью [4] для управления четырехфазным гибридным ШД с углом шага 1,8°. Для этих целей был использован микропроцессор типа 8080А. Выбор угла и расположение точек коммутации основано на данных табл. 7.1. В качестве датчика положения ротора использовали трехканальный оптический датчик. Каналы А и В выполняли те же самые функции, какие описаны в 7.2.5. Третий канал R генерировал один импульс за оборот и использовался для определения положения ссылки.
7.3.1. Задачи микропроцессора.
На рис. 7.15 показаны две зависимости частоты вращения от угла, построенные при управления ШД с обратной связью.

Рис. 7.15. Зависимости частоты вращения от положения:
а - удовлетворительная; б - неудовлетворительная; 1 - конечное положение.
На рис. 7.15, а показан пример, в котором ШД запускается с требуемым углом коммутации, ускоряется при другом его значении и начинает торможение в момент, с которого частота вращения быстро уменьшается и становится равной нулю как раз в требуемом положении. Для запуска и ускорения использовали угол коммутации более 1 шага, а для торможений нулевой или отрицательный. На рис. 7.15, б представлен неудачный пример управления. Торможение начинается тогда, когда обнаружено конечное положение. Но двигатель не может остановиться моментально и будет вращаться по инерции. Для приведения ротора в нужное положение он должен вращаться в обратном направлении с установлением соответствующего угла коммутации. Зависимость частоты вращения от углового положения ротора может быть колебательной, как показано на рис. 7.15, б.
Микропроцессорная система используется здесь для определения наилучшего времени изменения углов коммутации. На рис. 7.16 показана схема системы, в которой логический блок вынесен за микропроцессор.

Рис. 7.16. Система управления с логическим блоком, вынесенным за микропроцессор: 1 - микропроцессор; 2 - команды управления; 3 - программа обучения и выполнения; 4 - монитор; 5 - коммутатор и логический блок; 6 - оптический датчик положения ротора; 7 - шаговый двигатель; 8 — нагрузка.
Сигнал позиционирования поступает в блок формирования сигнала, который управляет движением ротора и обменивается информацией с микропроцессором. Математическое обеспечение должно быть организовано так, чтобы микропроцессор определял лучшее время для изменения углов коммутации, основываясь на предыдущем опыте и текущих данных о положении и частоте вращения. Микропроцессор, в конечном счете, после нескольких итераций будет находить оптимальное время изменения угла коммутации.
7.3.2. Элементы системы управления.
На рис. 7.17 приведена структурная схема системы управления ШД.

Рис. 7.17. Структурная схема системы управления: 1 - блок генерации временных сигналов и определения направления вращения; 2 - эталонный сигнал; 3 — направление вращения; 4 - временной импульс; 5 -счетчик фазы; 6 - логический блок; 7 - источник постоянного тока; 8 - коммутатор двигателя; 9 - режим/направление; 10 - выходной порт 2; 11 - счетчик текущего положения; 12- входной порт 1; 13 - счетчик ошибки; 14 - генератор сигнала изменения угла коммутации; 15 — сигнал ошибки; 16 — расстояние (набор 1); 17 - угол коммутации; точка изменения (набор 2); 18 - входные порты 2 и 3; 19 - выходной порт 1; 20 - входные порты 3, 4 и 5; 21 - инструкции супервизору; 22 - нагрузка; 23 - двигатель; 24 - датчик положения ротора; 25 - процессор/память (8080А).
Когда управляющая вычислительная машина или другая система выдают задание, например, на печать символа либо позиционирование в определенной точке, микропроцессор вычисляет расстояние до требуемого положения и направление вращения. Он также определяет времена для установки необходимых углов коммутации, исходя из следующих данных: текущего положения; шагового расхождении между текущим и конечным положениями; сигнала прохождения ротором точки, отстоящей на полшага от конечного положения; сигнала о движении в противоположном направлении; частоты вращения.
В примере, приведенном здесь, последнее данное не используется.
1.Блок генератора временных сигналов и определения направления получает трехканальный сигнал от датчика положения ротора и вырабатывает временные импульсы для работы устройств вне микропроцессора. Соотношение между сигналами датчика и временными импульсами было рассмотрено в 7.2.5 с использованием рис. 7.12. Сюда входит устройство определения направления вращения, представляющее собой триггер, показанный на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Триггерный блок для определения направления вращения.
Рис. 7.19. Изменение направления движения (1) и импульсы времени.
Временные сигналы от CG1, которые являются короткими при движении по часовой стрелке, подаются на выход S, временные сигналы от СС2, короткие при движении против часовой стрелки, подаются на выход
. Если от CG1 поступает короткий временной импульс, то состояние Q1 станет равным H. Дальнейшие импульсы от CG1 не меняют состояний Q1 и Q2. В ситуации, приведенной на рис. 7.19, где двигатель вращается по часовой стрелке до положения равновесия РЗ, а затем наоборот, выход Q1 триггера остается равным Н до того момента, пока точка переключения S3 не будет пройдена в направлении против часовой стрелки. Когда ротор пройдет точку переключения S3, временной импульс, сгенерированный CG2, изменит выходные состояния Q1 = L и Q2 = H. Существует возможность колебаний ротора около положения равновесия, как показано на рис. 7.20. Но блок определения направления вращения не меняет состояния до тех пор, пока не будет пересечена позиция переключения.

Рис. 7. 20. Малые колебания вблизи положения равновесия не изменяют состояние блока определения направления вращения.
2.Блок вычисления фазы определяет, какую из четырех зон P1, Р2, РЗ или Р4 проходит ротор двигателя или в какой из них он остановился.
3.Логический блок находит фазу, которую необходимо возбудить, получая сигналы об угле коммутации и направлении вращения от микропроцессора и основываясь на информации, получаемой от блока вычисления фазы. Схема работы приведена в табл. 7.1. Характеристики каждого значения угла коммутации приведены в примечаниях к таблице.
4. Блок остановки ШД. Для остановки ротора угол коммутации устанавливается равным 0,5 шага, если ротор двигателя находится в зоне на расстоянии не более одного шага от конечного положения. Если частота вращения двигателя достаточно мала при входе ротора в эту зону, он может быть замедлен и остановлен в требуемом конечном положении равновесия. Следовательно, в рассматриваемой системе управления конечное позиционирование выполняется однофазным управлением. Если ротор проходит конечную зону и не успевает остановиться, новый угол коммутации определяется микропроцессором по его математическому обеспечению (программным способом). Как будет показано, угол коммутации устанавливают с помощью математического обеспечения микропроцессора до попадания в конечную зону.
5. Коммутатор (инвертор) двигателя. Силовая часть системы управления двигателем может быть различных типов, которые были рассмотрены в § 4.3.
6.Блок вычисления текущего положения. Это счетчик для регистрации текущего положения. Когда требуемое положение достигается при вращении ротора по часовой стрелке, счетчик сбрасывается до нуля и наращивает значение на единицу с каждым временным импульсом, полученным от CG1. Если требуемое положение достигается при вращении против часовой стрелки, счетчик устанавливается на 200 и значение на следующем импульсе равно 199. Таким образом, значение счетчика при движении против часовой стрелки уменьшается.
7.Счетчик ошибки. Этот блок вычисляет расстояние между текущим и конечным положениями ротора и посылает эту информацию на входные порты 2 и 3 микропроцессора. Конечное положение определяется микропроцессором.
8.Генератор сигналов изменения угла коммутации. На этот блок посыпается сигнал микропроцессора о положении, в котором необходимо сменить значение угла коммутации. При достижении этого положения сигнал сбрасывается и посылается микропроцессору как сигнал прерывания.
7.3.3. Математическое обеспечение микропроцессора.
Здесь приведен сравнительно простой пример программы для управления символьным диском в печатающем устройстве. Структурная схема ее показана на рис. 7.21.

Рис. 7.21. Структурная схема программы.
1.Начальная установка. В начале двигатель работает по обычной схеме без обратной связи, выполняя один оборот или меньше по часовой стрелке. Это сделано для сброса счетчика текущего положения. При поступлении сигнала, который поступает один раз за оборот, счетчик устанавливается в нуль.
2.Прогон предварительного обучения. Во время этого процесса каждый вид движения, который может встретиться при управлении работой двигателя, выполняется по нескольку раз для обучения системы микропроцессора, выявления времени изменения углов коммутации, достижения оптимальных моделей частоты вращения при данной нагрузке. Так как в рассматриваемом случае необходимо управлять 200-с им вольным диском, то для выявления оптимальных углов коммутации требуется выполнение около сотни шагов в обоих направлениях. В действительности это очень большое количество символов. Они располагаются по краю диска с малым моментом инерции. На практике, как правило, используются машины с 128 или 132 символами, установленными на двойном лепестковом диске, как показано на рис. 8.3. Для простоты математического обеспечения здесь полагается, что диск имеет один ряд символов.
Метод обучения объясняется рис. 7.22-7.24, на каждом из которых приведено 13 шагов движения по часовой стрелке.

Рис. 7. 22. Зависимость частоты вращения от расстояния для тринадцати шагов в первом варианте движения: • - положение равновесия; - точка изменения утла коммутации.

Рис 7. 23. Зависимость частоты вращения от расстояния (шагов) для тринадцати шагов во втором варианте движения: • — положение равновесия; ∙ — момент изменения угла коммутации.

Рис 7.24. Оптимальная зависимость частоты вращения от расстояния для 13 шагов.
Расстояние или число шагов до нового конечного положения посыпается из выходного порта 01 в счетчик ошибки. Затем (ускорение по часовой стрелке) значения угла коммутации и направление вращения передаются для запуска двигателя из выходного порта 02 в логический блок. Таким образом, двигатель ускоряется с углом коммутации 2,0 шага до тех пор, пока не достигнет точки, ближайшей к конечному положению равновесия. Когда ротор находится в конечной зоне, угол коммутации автоматически устанавливается равным необходимому для остановки двигателя и начинается торможение. Если ротор выходит из конечной зоны и проходит следующую точку коммутации, генератором сигналов изменения угла коммутации выдается выходное прерывание. Получая этот сигнал, микропроцессор выдает команду на изменение угла коммутации (торможение по часовой стрелке) до 0,5 шага для эффективного торможения моментом, направленным против часовой стрелки (возникающим при таком значении угла коммутации). Двигатель окончательно остановится и начнет движение в противоположном направлении. Когда ротор проходит точку коммутации S3, имея противоположное направление вращения, генератор выдает противоположный сигнал прерывания. Получив его, микропроцессор определяет число шагов от конечного положения, которое на рис. 7.22 равно девяти. Отметим, что значение угла коммутации автоматически становится равным (поворот против часовой стрелки) —1,5 шага после реверса направления вращения, это отражено в табл. 7.1, 7.2. Предположим, что ротор находится в зоне положения РЗ и двигатель в режиме торможения при вращении по часовой стрелке. По табл. 7.1 найдем фазу, которая должна быть возбуждена. Эта фаза 2, в таблице она подчеркнута. С другой стороны, в табл. 7.2 фаза 2 находится в столбце РЗ в строке, относящейся к повороту против часовой стрелки, для угла коммутации 1,5 шага. Таким образом, после поворота двигатель будет ускоряться с углом коммутации 1,5 шага.
Когда он снова войдет в конечную зону, угол коммутации будет установлен в нуль для попадания ротора в конечное положение. Но быстрая остановка ротора в это время невозможна из-за инерции нагрузки. Если ротор опять выйдет из конечной зоны, то опять генерируется выходной сигнал прерывания для изменения угла коммутации, который примет значения, соответствующие торможению при вращении против часовой стрелки. После установки движения по часовой стрелке угол коммутации автоматически принимает значение, соответствующее такому повороту. Ускорение до конечной зоны не является таким же приемлемым, как ранее, из-за меньшего значения угла коммутации, равного 1,5 шага. В конечной зоне угол коммутации снова устанавливается в нуль. Из рис. 7.23, б видно, что до остановки ротора в конечном положении произойдет еще одно или несколько колебаний.
Когда еще раз будет выдано то же самое задание, следует пройти 13 шагов по часовой стрелке, торможение начнется в точке коммутации девятого шага перед конечной зоной. В этом случае частота вращения станет равна нулю до достижения конечного положения, как показано на рис. 7.23. Когда будет пройдена точка коммутации S190, выдается прерывание на реверс двигателя и счетчик ошибки подсчитывает количество оставшихся до конечного положения шагов (на рис. 7.23, 7.24). Оно рассматривается как отрицательная ошибка в 4 шага. В памяти микропроцессора ошибка корректируется на 8—4 = 4. Снова (см. рис. 7.23) угол коммутации принимает значение, соответствующее торможению против часовой стрелки, т.е. то же самое, что и для реверса направления вращения по часовой стрелке, при сигнале прерывания на реверс движения по часовой стрелке. Дальнейшее выполнение движения такое же, как и ранее. При повторении этого процесса несколько раз будет найдено оптимальное время изменения угла коммутации и достигнуто движение по кривой, приведенной на рис. 7.24.
3. Существуют ли данные для печати? После выполнения последовательности из двухсот видов движений, система управления готова к практической работе. Если микропроцессор получает какие-либо данные для печати, они помещаются в память.
4. Вычисление числа шагов и направления вращения. Рассчитывается расстояние между текущим и конечным положениями ротора и результат засыпается в счетчик ошибки. Момент, в который угол коммутации следует сменить с ускорения на торможение, также засылается в генератор сигналов изменения угла коммутации.
5. Главная программа. Определяется значение угла коммутации, соответствующее ускорению ротора, и посылается с порта 2 для запуска двигателя. Предполагают, что каждое движение выполняется в кратчайшее время. Однако если случаются какие-либо вариации из-за изменения нагрузки, то могут произойти отрицательные или положительные ошибки позиционирования и времена изменения угла коммутации будут скорректированы микропроцессором.
7.4. Другие типы управления с обратной связью
7.4.1. Обратная связь с управлением по току.
Схема управления с обратной связью по значению тока в обмотках 132-шагового трехфазного реактивного двигателя была предложена лабораторией Yokosuka Electrical Communication корпорации Nippon Telegraph and Telephone Pablic и фирмой Sanyo Denki для применения в управлении фигурным символьным диском серийного печатающего устройства. Некоторые элементы этой системы могут быть найдены в [5], но основные ее черты приведены здесь. Двигатель, объединенный с инкрементным оптическим датчиком положения ротора, показан на рис. 7.25.

Рис. 7. 25. Трехфазный реактивный ШД с оптическим датчиком положения ротора.
Структурная схема этой системы, приведенная на рис. 7.26, имеет следующие особенности.

Рис. 7. 26. Структурная схема управления током в схеме управления с обратной связью по положению ротора: 1 - начальный сигнал; 2 - задание профиля частоты вращения; 3 - выбор фаз; 4 — задание угла коммутации; 5 - коммутатор двигателя; б - управление током; 7 - шаговый двигатель; 8 — оптический датчик положения ротора; 9 - импульсы обратной связи по положению ротора.
Во-первых, профили изменения частоты вращения во времени фиксируют заранее. Максимальное расстояние в каждом направлении равно 66 шагам. Профили частоты вращения заносят в постоянную память. Основные из них имеют форму трапеций, но для короткого движения используют треугольный профиль.
Во-вторых, положение и частота вращения ротора связаны обратной связью, и изменение последней сравнивают с заданным модельным профилем: расхождение между ними усиливается и используется для управления током двигателя.
В-третьих, в системе управления принимают углы коммутации 1,75; 1,25; 0,5 шага соответственно для ускорения, вращения с постоянной частотой и торможения.
В-четвертых, используют коммутатор в виде прерывателя.
В-пятых, сигналы управления на выполнение шага во время ускорения и постоянного вращения берут от сигналов обратной связи датчика положения ротора, в то время как обычные используют только во время торможения.
7.4.2. Управление с обратной связью без датчика.
Управление с обратной связью по положению ротора в основном нуждается в тех типах датчиков, которые преобразуют механические положения в электрические сигналы. Во многих случаях для этого используют датчики оптического типа. Однако у этих датчиков существуют некоторые недостатки: они обычно дороже ШД; регулировка положения датчика относительно соответствующего положения ротора является нелегкой задачей; возникают проблемы, связанные с нагреванием или электрическим шумом.
Вместо оптического или другого типа механического датчика, соединенного с ротором, можно использовать для определения положения последнего формы кривых тока или напряжения. В [6] дано описание этого метода в системах управления реактивным ШД.
В 1979 г. на Международной конференции по ШД и системам была представлена новая схема управления с обратной связью гибридным двигателем, разработанная в [7]. Здесь приведены ее основные черты.
Поперечное сечение двигателя представлено на рис. 2.49. Форма кривой тока в обмотке сразу после коммутации показана на рис. 7.27, а.

Рис. 7. 27. Формы кривых тока в обмотке сразу после начала возбуждения: а - без нагрузки; б - с нагрузкой; 1 - без движения; 2-е движением.
Если двигатель не может достичь полной частоты вращения, например, из-за необходимости работы против силы тяжести или подключения инерционной нагрузки, получается нижняя кривая на рис. 7.27, б. Схема обратной связи для линейных двигателей использует разницу между этими кривыми.
На рис. 7.28 приведена структурная схема. Управление двигателя осуществляется по двухполупериодной двухфазной схеме, конец каждой обмотки подсоединен к блоку сравнения напряжений.

Рис 7. 28. Система управления с обратной связью по положению ротора четырехфазным двигателем, использующая датчик тока: 1 - микропроцессор; 2 - усилитель сигнала управления; 3 - усилитель напряжения; 4 - обмотка; 5 - R-С-генератор.
Другой вход блока сравнения соединен с генератором экспоненциального сигнала, который запускается микропроцессором. После команды на выполнение шага микропроцессор задерживает сигнал так, что система управления оказывается в ситуации 1 на рис. 7.27, а я б, т.е. не будет равенства напряжения в фазах и, в конечном счете, микропроцессор не получит подтверждения выполнения шага.
Однако если блок сравнения получил кривую такой формы, как на рис. 7.27, а и б для сигнала с движением, то будут две точки равенства напряжения в фазах, на которых выход блока сравнения переключится в состояние выключено, а затем снова включено. Показано, что время первого равенства напряжений является оптимальным для начала следующего шага при ускорении двигателя или вращении с постоянной частотой. Время второго равенства напряжений используется для режима торможения. Функционирование системы происходит следующим образом.
Сигнал на выполнение первого шага в требуемом направлении выдается включением тока в соответствующей обмотке.
После задержки микропроцессор запускает генератор сигнала экспоненциальной формы.
Когда блок сравнения выдает сигнал о первой точке равенства напряжения, микропроцессор определяет, сколько шагов требуется для выполнения движения. Если больше двух, что выбирается следующее состояние управления и для ускорения двигателя возбуждается следующая обмотка. В случае, когда осталось два шага или меньше, микропроцессор устанавливает сигнал, который исключает ускорение до второй точки равенства напряжения в фазах. Задержка возбуждения обмотки обеспечивает приведение в действие "электромагнитной упругости" для эффективного торможения двигателя.