RU2708380C1 - Control method of 2-phase step electric motor - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in systems of digital discrete electric drive with 2-phase step electric motor, which require accurate positioning of actuator on wide range of frequencies, in particular: CNC machines, robots, etc. In control method of 2-phase step electric motor, wherein pulse modulation of phase voltages on motor windings is carried out at pulse frequency and pulse ratio, do not change the duty ratio of control pulses of supply voltage supplied to power semiconductor converter of digital discrete electric drive, shift of period of their supply between phases is changed, number of electric states for the specified period is not changed and corresponds to the control mode without electrical crushing of pitch, the step frequency is successively alternated provided that their quantity is stored for the specified period.

EFFECT: high accuracy of positioning of a discrete electric drive by preventing resonance phenomenon of a step motor at corresponding supply voltage frequencies.

1 cl, 6 dwg

Description

Используется в системах цифрового дискретного электропривода с 2-фазным шаговым электрическим двигателем, требующих точного позиционирования исполнительного устройства на широком диапазоне частот, в частности: станки с ЧПУ, роботы и т.д.It is used in digital discrete electric drive systems with a 2-phase stepper electric motor, requiring precise positioning of the actuator over a wide frequency range, in particular: CNC machines, robots, etc.

Предложенный способ относится к области разработки алгоритмов управления шаговыми электрическими двигателями цифрового дискретного электропривода систем и комплексов.The proposed method relates to the development of control algorithms for stepper electric motors of digital discrete electric drive systems and complexes.

Известен способ управления шаговым двигателем, включающий импульсную модуляцию фазных напряжений путем изменения частоты подачи управляющих импульсов с периодическим изменением скважности напряжений (Итоги науки и техники, серия "Электропривод и автоматизация промышленных установок", - М., 1978, т. 6, с. 84-85). Фазные обмотки подключаются к источникам питания с помощью ключей. Ключи управляются выходным напряжением триггера, на установочные входы которого поступают две последовательности сдвинутых по фазе импульсов с частотами f1 и f2.A known method of controlling a stepper motor, including pulsed modulation of phase voltages by changing the frequency of the supply of control pulses with periodic changes in the duty cycle of voltage (Results of science and technology, series "Electric drive and automation of industrial plants", - M., 1978, v. 6, p. 84 -85). Phase windings are connected to power sources using keys. The keys are controlled by the output voltage of the trigger, the installation inputs of which receive two sequences of phase-shifted pulses with frequencies f1 and f2.

Другим близким аналогом является способ управления шаговым двигателем, заключающийся в том, что осуществляют импульсную модуляцию фазных напряжений, изменяя скважность управляющих импульсов путем изменения длительности указанных импульсов (патент Великобритании N 2165107, Н02Р 8/00, 1986). Управление шаговым двигателем осуществляется путем периодического подключения фазных обмоток к источнику питания путем управления ключами, через которые фазные обмотки подключены к источнику питания. Управление осуществляется таким образом, что обеспечивается возрастание напряжения и токов в фазах ступенями от нуля до максимума с последующим уменьшением такими же ступенями до нуля. Напряжение каждой ступени формируется за счет изменения длительности импульсов, а при неизменной частоте, следовательно, и скважности импульсов в пределах соседних ступеней. При этом длительность (скважность) импульсов в пределах одной ступени остается неизменной.Another close analogue is a method of controlling a stepper motor, which consists in the fact that they carry out pulse modulation of phase voltages, changing the duty cycle of the control pulses by changing the duration of these pulses (UK patent N 2165107, НОР 8/00, 1986). The stepper motor is controlled by periodically connecting the phase windings to the power source by controlling the keys through which the phase windings are connected to the power source. The control is carried out in such a way that the voltage and currents in phases increase in steps from zero to maximum, followed by a decrease in the same steps to zero. The voltage of each stage is formed by changing the duration of the pulses, and at a constant frequency, therefore, the duty cycle of the pulses within adjacent stages. In this case, the duration (duty cycle) of the pulses within one stage remains unchanged.

Для реализации указанных способов необходимо иметь импульсы различной длительности, причем, чем большая точность требуется, тем больше значений необходимо запомнить. При создании устройства управления, реализующего данный способ на микропроцессоре, потребуется его высокое быстродействие. А при управлении несколькими двигателями создание такого устройства станет проблематичным.To implement these methods, it is necessary to have pulses of different durations, and the more accuracy is required, the more values must be remembered. When creating a control device that implements this method on a microprocessor, its high speed will be required. And when controlling multiple engines, the creation of such a device will become problematic.

Прототипом изобретения является патент РФ 2119237 С1 МПК⁸ Н02Р 8/22, опубликованный 20.09.1998. Представленный в нем способ заключается в том, что осуществляют импульсную модуляцию фазных напряжений на обмотках двигателя, изменяя скважность управляющих импульсов, подаваемых на коммутатор, подключающий фазные обмотки к источнику питания, путем изменения длительности этих импульсов. Указанную длительность формируют как сумму соответствующих импульсов из ряда эталонных (весовых) импульсов, длительности которых различаются в кратное число раз, равное двум. При этом на обмотках формируется требуемое напряжение. Данный способ относится к способам управления с электрическим дроблением шага. Принцип электрического дробления шага шагового двигателя с ограниченным числом фаз и полюсов основан на управлении пространственной ориентацией вектора результирующего поля в рабочем зазоре посредством модуляции фазных напряжений (токов) внутри основного периода коммутации. Это приводит к увеличению числа электрических состояний и в пределе сводится к непрерывному изменению токов в его обмотках, что позволяет получать низкие и сверхнизкие скорости движения и уменьшать величину основного шага. Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления шаговым двигателем, при котором осуществляют импульсную модуляцию фазных напряжений, изменяя скважность управляющих импульсов путем изменения длительности указанных импульсов, длительность управляющих импульсов формируют как сумму соответствующих импульсов из ряда весовых импульсов, длительности которых отличаются в кратное число раз, равное двум, формируя при этом требуемое значение напряжения на обмотках двигателя.The prototype of the invention is a patent of the Russian Federation 2119237 C1 IPC ⁸ H02P 8/22, published on 09/20/1998. The method presented in it consists in the fact that they carry out pulse modulation of phase voltages on the motor windings, changing the duty cycle of the control pulses supplied to the switch connecting the phase windings to the power source by changing the duration of these pulses. The indicated duration is formed as the sum of the corresponding pulses from a series of reference (weight) pulses, the durations of which differ by a multiple of times equal to two. In this case, the required voltage is formed on the windings. This method relates to control methods with electric step crushing. The principle of electric crushing of a step of a stepper motor with a limited number of phases and poles is based on controlling the spatial orientation of the resulting field vector in the working gap by modulating phase voltages (currents) within the main switching period. This leads to an increase in the number of electrical states and, in the limit, reduces to a continuous change in the currents in its windings, which makes it possible to obtain low and ultra-low speeds and reduce the magnitude of the main step. The specified technical result is achieved by the fact that in the stepper motor control method, in which the phase voltage is pulsed modulated by changing the duty cycle of the control pulses by changing the duration of these pulses, the control pulse duration is formed as the sum of the corresponding pulses from a number of weight pulses, the durations of which differ by a multiple times equal to two, while forming the required voltage value on the motor windings.

Для реализации этого способа необходимо сформировать эталонные (весовые) импульсы, длительности которых различаются в два раза. Для изменения напряжения на фазах двигателя от нуля до максимума и снова до нуля ступенями скважностью импульсов в пределах одной ступени изменяют. При этом частота импульсов не изменяется, поэтому скважность меняется за счет изменения длительности импульсов.To implement this method, it is necessary to form reference (weight) pulses, the duration of which varies by half. To change the voltage on the phases of the engine from zero to maximum and again to zero by steps, the duty cycle of the pulses within one stage is changed. In this case, the frequency of the pulses does not change, therefore, the duty cycle varies due to changes in the duration of the pulses.

Недостатки прототипа вызваны применением режима электрического дробления шага, недостатками которого являются:The disadvantages of the prototype are caused by the application of the electric crushing step, the disadvantages of which are:

- ограничение максимальной частоты вращения ротора, возникающее из-за того, что с увеличением дробления шага, растет количество переключений напряжения, подаваемого на обмотки, что ведет к росту тепловых потерь в двигателе;- the limitation of the maximum rotor speed, arising due to the fact that with an increase in step crushing, the number of voltage switching applied to the windings increases, which leads to an increase in heat loss in the motor;

- падение величины максимального момента двигателя, т.к. обмотки двигателя запитываются не максимальным значением тока, а его уровнями.- a drop in the maximum torque of the engine, because the motor windings are powered not by the maximum current value, but by its levels.

Технической задачей является увеличение точности позиционирования дискретного электропривода, путем предотвращения явления резонанса шагового двигателя на соответствующих частотах напряжения питания.The technical task is to increase the accuracy of the positioning of the discrete electric drive, by preventing the resonance phenomenon of the stepper motor at the corresponding frequencies of the supply voltage.

Фиг. 1. Функциональная схема цифрового дискретного электропривода.FIG. 1. Functional diagram of a digital discrete electric drive.

Фиг. 2. Диаграмма фазных напряжений на обмотках 2-фазного шагового двигателя при полношаговом режиме управления.FIG. 2. Phase voltage diagram on the windings of a 2-phase stepper motor in full-step control mode.

Фиг. 3. Переходные процессы по углу поворота ротора и токам в обмотках фаз 2-фазного шагового двигателя при полношаговом режиме управления на резонансной частоте с пропуском шагов.FIG. 3. Transients in the angle of rotation of the rotor and currents in the windings of the phases of a 2-phase stepper motor with a full-step control mode at a resonant frequency with skipping steps.

Фиг. 4. Электрическая принципиальная схема микропроцессорной системы управления цифрового дискретного электропривода.FIG. 4. Electrical schematic diagram of a microprocessor control system of a digital discrete electric drive.

Фиг. 5. Диаграмма фазных напряжений на обмотках 2-фазного шагового двигателя при заявленном способе управления.FIG. 5. Phase voltage diagram on the windings of a 2-phase stepper motor with the claimed control method.

Фиг. 6. Переходные процессы по углу поворота ротора и токам в обмотках фаз 2-фазного шагового двигателя при заявленном способе управления.FIG. 6. Transients in the angle of rotation of the rotor and currents in the windings of the phases of a 2-phase stepper motor with the claimed control method.

Поставленная задача заключается в том, что предложен способ управления 2-фазным шаговым электрическим двигателем, при котором осуществляют импульсную модуляцию фазных напряжений на обмотках двигателя при частоте и скважности импульсов, не изменяют скважность управляющих импульсов питающего напряжения, подаваемых на силовой полупроводниковый преобразователь цифрового дискретного электропривода, изменяют смещение периода их подачи между фазами, число электрических состояний на заданный период не изменяется и соответствует режиму управления без электрического дробления шага, частоту шагов последовательно чередуют при условии сохранения их количества на заданный период.The task is that a method for controlling a 2-phase stepping electric motor is proposed, in which the phase voltage is pulsed modulated on the motor windings at a pulse frequency and duty cycle, the duty cycle of the supply voltage pulses supplied to the power digital semiconductor converter of a digital discrete drive is not changed, the shift of the period of their supply between the phases is changed, the number of electrical states for a given period does not change and corresponds to the mode systematic way without electrical crushing step, the frequency steps sequentially alternated while maintaining their quantity at a predetermined period.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

При стандартном способе управления 2-фазным шаговым электрическим двигателем в режиме полного шага при помощи силового полупроводникового преобразователя (СПП), входящего в состав системы цифрового дискретного электропривода (фиг. 1), подаются прямоугольные напряжения частотой 1/4Т на обмотку каждой из фаз, смещенные друг относительно друга на период 2Т (фиг. 2), однако на частоте резонанса это приводит к пропуску шагов (фиг. 3).In the standard method for controlling a 2-phase stepper electric motor in full step mode using a power semiconductor converter (SPP), which is part of a digital discrete electric drive system (Fig. 1), rectangular voltages with a frequency of 1 / 4T are applied to the winding of each phase, offset relative to each other for a period of 2T (Fig. 2), however, at the resonance frequency this leads to skipping steps (Fig. 3).

Предлагаемый способ состоит в следующем, на частотах, близких к резонансной, предлагается с помощью микропроцессорной системы управления (МПСУ) (фиг. 4) программно реализовать алгоритм подачи управляющих импульсов на СПП цифрового дискретного электропривода, позволяющий не меняя фазные напряжения в пределах каждой из фаз, а именно сохраняя их частоту на уровне 1/4Т, изменить взаимное смещение фазных напряжений (фиг. 5).The proposed method consists in the following, at frequencies close to the resonant one, it is proposed using a microprocessor control system (MPSU) (Fig. 4) to programmatically implement an algorithm for supplying control pulses to an SPP of a digital discrete electric drive, allowing without changing the phase voltages within each phase, namely, keeping their frequency at the level of 1 / 4T, change the mutual displacement of the phase voltages (Fig. 5).

Предложенное техническое решение позволяет, сохранив общее число шагов на периоде 4Т, а следовательно, и номинальную скорость вращения ротора, последовательно чередовать частоту шагов в пределах одного периода, вследствие чего предотвратить попадание значения частоты подачи управляющих импульсов в область резонансной частоты и предотвратить появление резонанса шагового двигателя (фиг. 6).The proposed technical solution allows, preserving the total number of steps in the 4T period, and therefore the nominal rotor speed, to sequentially alternate the step frequency within the same period, as a result of which to prevent the value of the feed frequency of the control pulses from entering the region of the resonant frequency and to prevent the resonance of the stepper motor (Fig. 6).

Claims (1)

Способ управления 2-фазным шаговым электрическим двигателем, при котором осуществляют импульсную модуляцию фазных напряжений на обмотках двигателя при частоте и скважности импульсов, отличающийся тем, что не изменяют скважность управляющих импульсов питающего напряжения, подаваемых на силовой полупроводниковый преобразователь цифрового дискретного электропривода, изменяют смещение периода их подачи между фазами, число электрических состояний на заданный период не изменяется и соответствует режиму управления без электрического дробления шага, частоту шагов последовательно чередуют при условии сохранения их количества на заданный период.A control method for a 2-phase stepping electric motor, in which pulse phase-voltage modulation of the motor windings is carried out at a frequency and duty cycle of the pulses, characterized in that they do not change the duty cycle of the control voltage pulses supplied to the power semiconductor converter of a digital discrete electric drive, change their period offset supply between phases, the number of electrical states for a given period does not change and corresponds to the control mode without electric dr ления ления ления последовательно,,,,,, ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ления ’

Images