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.