УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТКАЗОВ В ШАГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ Российский патент 1995 года по МПК H02P8/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике управления электрическими машинами и может быть использовано в системах управления шаговыми двигателями с любым числом фаз.

Известно устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, содержащее шины: реверса, установки начального состояния, тактовых импульсов, пороговые датчики тока и напряжения, элементы 2И по числу фаз двигателя, блок синхронизации и логический блок, состоящий из кольцевого реверсивного сдвигающего регистра и элемента сравнения кодов, входы которого соединены с входами записи и выходами регистра, вход реверса которого соединен с шиной реверса, вход записи с шиной установки начального состояния, вход сдвига с первым входом блока синхронизации, второй выход которого подключен к входу разрешения сравнения элемента сравнения кодов, вход с шиной тактовых импульсов, пороговые датчики напряжения подключены параллельно фазам двигателя, в цепи которых включены пороговые датчики тока, выходы которых соединены с первыми входами элементов 2И, вторые входы которых подключены к выходам пороговых датчиков напряжения тех же фаз, выходы элементов 2И подключены к разрядным входам записи регистра, а выходом устройства является выход элемента сравнения кодов [1]
Известно устройство для обнаружения отказов в системе управления шаговым двигателем с коммутатором фаз, содержащее преобразователь код-аналог, элементы И, подключенные прямыми входами к фазам двигателя, а выходом через преобразователь код-аналог к регистрирующему прибору [2]
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, содержащее формирователь управляющих импульсов, коммутатор фаз, шаговый двигатель, шины: тактовых импульсов, реверса, включения двигателя, блок синхронизации, включающий в себя два одновибратора и линию задержки, элементы И, ИЛИ, триггер, элемент ИЛИ-НЕ, ИЛИ-НЕ со стробированием, кольцевой реверсивный сдвигающий регистр элемент сравнения кодов, входы сравнения которого подключены к разрядным входам записи и выходами регистра, вход реверса, разрядные входы записи, входы сдвига которого соединены с шиной реверса, выходом коммутатора фаз и первым выходом блока синхронизации, входы которого соединены с шинами тактовых импульсов и с шиной включения двигателя, которая соединена с входом одновибратора, выход которого подключен к входу разрешения записи регистра, выход элемента И подключен к одному из установочных входов триггера, другой установочный вход связан со вторым выходом блока синхронизации, выход триггера соединен с входом стробирования элемента ИЛИ-НЕ, входы которого связаны с выходами элементов И, ИЛИ-НЕ, элемента сравнения кодов, а выход подключен к выходу устройства [3]
Недостатками данного устройства являются:
отсутствие контроля движения шагового двигателя,
низкая помехозащищенность,
низкие эксплуатационные возможности.

В предложенном техническом решении произведено расширение функциональных и эксплуатационных возможностей и повышение помехозащищенности. Это достигается тем, что в устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, выполненном с формирователем управляющих импульсов, коммутатором и шаговым двигателем, снабженное шинами: тактовых импульсов, реверса, включения двигателя, содержащее выходную шину, одновибратор, две линии задержки, кольцевой реверсивный сдвигающий регистр, элементы 2И, 4И, 4ИЛИ-НЕ, элемент сравнения кодов, первые информационные входы которого подключены к выходам регистра, вход реверса которого соединен с шиной реверса и снабжен клеммой для подключения к первому входу формирователя управляющих импульсов электропривода, входы одновибратора подключены к шинам тактовых импульсов и включения двигателя и снабжены клеммами для подключения ко второму входу и третьему входам формирователя управляющих импульсов электропривода, вторые информационные входы элемента сравнения кодов объединены с входами элементов 4И, 4ИЛИ-НЕ и снабжены клеммами для подключения к фазам электропривода, дополнительно введены: шина исходного состояния, элемент 2ИЛИ, инвертор во вторую линию задержки, импульсный датчик положения ротора, вторая и третья выходные шины, второй и третий элементы 2И, первые входы которых объединены и подключены к выходу первой линии задержки, вторые входы элементов 2И соединены соответственно с выходами элемента сравнения кодов, элемента 4И и элемента 4ИЛИ-НЕ, выходы элементов 2И подключены соответственно к первой, второй и третьей выходным шинам, выход датчика положения ротора подключен к первому входу элемента 2ИЛИ, выходом подключенного к тактовому входу регистра, вход разрешения записи информации которого связан с шиной установки в исходное состояние, через вторую линию задержки с инвертором связан со вторым входом элемента 2ИЛИ и снабжен клеммой для подключения четвертого входа формирователя управляющих импульсов электропривода, установочные входы регистра снабжены клеммами для подключения выходов формирователя управляющих импульсов электропривода, а выход одновибратора соединен с выходом первой линии задержки.

Вновь введенные элементы и связи в предлагаемом техническом решении позволяют по переднему фронту импульсной команды, подаваемой по шине "исходное состояние", установить на выходе формирователя управляющих импульсов определенную кодовую комбинацию. Эта команда также поступает на вход второй линии задержки и через второй вход элемента 2ИЛИ подается на вход разрешения записи в регистр и по окончании времени, которое определяет вторая линия задержки, это время необходимо для завершения переходных процессов в формирователе, производит запись этой кодовой комбинации в регистр. Это позволяет разнести по времени формирование определенной кодовой комбинации и запись ее в регистр, а также позволяет выработать на выходе формирователя любую кодовую комбинацию. Одновременно импульсная команда "исходное состояние" подается на коммутатор фаз и шаговый двигатель, которые включаются на время действия этой команды, тем самым отрабатывается кодовая комбинация коммутатором фаз и шаговым двигателем.

В прототипе после отработки тактового импульса формирователем и коммутатором фаз кодовая комбинация подается на обмотки шагового двигателя. Через время, определяемое первым одновибратором блока синхронизации, а не действительным переключением шагового двигателя подается импульс на вход сдвига регистра, т. е. на фазы двигателя подается напряжение, пропорциональное кодовой комбинации, и импульс, выработанный одновибратором сдвигает информацию в регистре, она сравнивается в элементе сравнения кодов, на выходе которого появляется логический ноль, который подтверждает отсутствие отказа. А на самом деле двигатель может не обработать шага и будет стоять на месте. Таким образом, в прототипе не происходит обнаружения отказа вращения шагового двигателя.

В предлагаемом техническом решении произведено расширение функциональных возможностей. Вновь введенный импульсный датчик положения вала позволяет фиксировать действительную отработку каждого шага, при этом выдается импульс, который и производит сдвиг информации исходного или предыдущего состояния. С выхода регистра информация сравнивается с той, которая находится на обмотках шагового двигателя элементом сравнения, на выходе которого будет логический ноль. Если напряжение, пропорциональное кодовой комбинации поступает на обмотки шагового двигателя и он не отрабатывает этого шага, то на входах элемента сравнения будут разные коды и на его выходе появится логическая единица, которая и будет свидетельствовать о наличии отказа.

Прототип не позволяет определить место нахождения отказа шагового электропривода. Если отказ произошел, то на выходе устройства будет присутствовать сигнал отказа, но в каком месте и какой характер неисправности отказа прототип обнаружить не позволяет. В связи с этим, при наладке и особенно при срочном ремонте потребуются дополнительные средства и время для определения местонахождения и характер отказа.

Предлагаемое техническое решение позволяет определить в какой именно части электропривода произошел отказ. А именно: если вал шагового двигателя не отработал управляющего импульса, то на выходе первого элемента 2И появится сигнал отказа, если произошло замыкание всех фаз, то на выходе второго элемента 2И появится сигнал отказа, если произошел обрыв всех фаз, то на выходе третьего элемента 2И появится сигнал отказа. Таким образом, введение двух выходных шин и двух элементов 2И позволяет точно определить место нахождения отказа, что очень важно при наладке и быстром ремонте шагового электропривода.

В прототипе высокий уровень сигнала, поступающий на вход стробирования элемента ИЛИ-НЕ в течение времени нахождения триггера 6 в единичном состоянии, в котором он может находиться от t 4 до t 5 времени отработки команды "включение двигателя" до прихода первого тактового импульса и от t 8 до t 9 времени отработки устройства одним тактовым импульсом до прихода другого, позволяет пройти любым случайным помехам по проводам до шагового двигателя или другого устройства при нахождении двигателя на фиксированной стоянке. Любое случайное импульсное изменение кодов на входах элемента 9 вызывает ложный отказ устройства.

В предлагаемом техническом решении произведено повышение помехозащищенности от ложных отказов. Одновременно по переднему фронту с подачей команды "включение двигателя" или переднему фронту тактового импульса запускается одновибратор, с выхода которого сигнал поступает на вход первой линии задержки. Сигнал с выхода одновибратора, проходя через первую линию задержки, поступает на первые входы элементов 2И. И после завершения переходных процессов, связанных с отработкой шаговым электроприводом импульса управления, короткий импульс, вырабатываемый одновибратором проходит на входы элементов 2И. Это позволило исключить из схемы прототипа триггер, элемент ИЛИ-НЕ со стробированием. Учитывая то, что одновибратор вырабатывает импульс, который проходит через линию задержки, короткий по длительности, вероятность совпадения импульсных помех с этим импульсом очень мала, так как импульсные помехи далеко не совпадают как по длительности, так и по частоте с импульсом, вырабатываемым одновибратором.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается отсутствием триггера, элемента ИЛИ-НЕ со стробированием, одного одновибратора из блока синхронизации, наличием новых элементов: двух элементов 2И, двух дополнительных выходных шин, импульсного датчика положения ротора (вала), элемента 2ИЛИ, инвертора во второй линии задержки и шиной "исходного состояния" и новых связей. Эти элементы широко известны и описаны в технической литературе. Анализ схемных решений аналогов и прототипа показал, что вновь введенные элементы и связи для расширения функциональных и эксплуатационных возможностей и повышение помехозащищенности в аналогичных устройствах не использовались, что обеспечивает данному техническому решению соответствие критерию "новизна".

Расширение функциональных и эксплуатационных возможностей и повышение помехозащищенности с помощью вновь введенных элементов и связей совместно с другими элементами схемы является доказательством того, что новая совокупность признаков позволяет получить новый положительный эффект. Это позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение, охарактеризованное в независимом пункте изобретения подтверждает возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов. Оно может быть реализовано на микросхемах серии К155 и использовано в промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства страны. Что подтвержает соответствие технического решения критерию изобретения "промышленная применимость".

На чертеже показана функциональная схема устройства.

Устройство содержит формирователь 1 управляющих импульсов, выходы которого подключены через коммутатор фаз 2 к шаговому двигателю 3 с датчиком положения ротора (вала) 4, выход которого через первый вход элемента 2ИЛИ 5 соединен с тактовым входом регистра 6, информационные входы которого соединены соответственно с выходами формирователя импульсов 1, выход регистра подключен к входу В элемента сравнения кодов 7, входы А которого соединены соответственно с фазами шагового двигателя 3, с входами элемента 4И 8, 4ИЛИ-НЕ 9, шины реверса и исходного состояния соединены с входами реверса и входами разрешения записи регистра 6 соответственно, а также с первым и четвертым входами формирователя 1 импульсов, второй и третий входы которого подключены к шинам тактовых импульсов и включения двигателя, первому и второму входам одновибратора 10 соответственно, шина исходного состояния через вторую линию задержки 11 с инвертором подключена ко второму входу элемента 2ИЛИ 5, выход одновибратора 10 через первую линию задержки 12 соединен к первым входам элементов 2И 13, 2И 14, 2И 15, вторые входы которых подключены соответственно к выходам элементов сравнения кодов 7, 4И 8, 4ИЛИ-НЕ 9, а выходы элементов 2И 13, 2И 14, 2И 15 соединены к выходным шинам 16, 17, 18.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения питания вырабатывается команда "Исходное состояние", которая выдает отрицательный импульс на вход распределителя импульсов 1, на вход линии задержки 11 и на вход Е регистра 6. Наличие логического нуля на входе Е регистра 6 является разрешением параллельной записи информации с установочных входов регистра 6. На выходе распределителя импульсов 1 устанавливается исходная кодовая комбинация, которая поступает на информационные входы регистра и через коммутатор фаз 2 на шаговый двигатель 3. Если шаговый двигатель 3 не находился в этой кодовой комбинации при его включении, то он отрабатывает исходную комбинацию, в результате чего вал двигателя отработает один шаг, и с датчика положения 4 поступает импульс через первый вход элемента 2ИЛИ 5 на вход С регистра 6 и по его переднему фронту происходит запись информации с выходов распределителя 1 в регистр 6. Линия задержки 11 задерживает и инвертирует сигнал, поступающий на его вход на время, необходимое для завершения переходных процессов в элементах 1, 2, 3, 4. По окончании переходных процессов с выхода линии задержки 11 выдается положительный импульс, который передним фронтом повторно производит запись информации с выхода распределителя 1 в регистр 6. Если шаговый двигатель 3 при включении питания не отрабатывает исходную комбинацию, т.е. при выключении питания он находился в ней, то с выхода датчика 4 не поступает импульс на вход С регистра 6. Через время, определяемое линией задержки 11 импульс с выхода 11 поступает через второй вход элемента 2ИЛИ 5 на вход С регистра 6 и производит запись исходной кодовой комбинации с выхода распределителя 1 в регистр 6. С выхода регистра 6 кодовая комбинация поступает на вход В элемента сравнения кодов 7. С выхода коммутатора фаз 2 информация подается на входы элементов 4И 8, 4ИЛИ-НЕ 9 и на вход А элемента сравнения кодов 7. При нормальной работе устройства на выходах элементов 7, 8, 9 логический ноль, который поступает на вторые входы элементов 2И 13, 2И 14, 2И 15, на выходе которых логический ноль подтверждает отсутствие отказа. По завершении импульса команды "Исходное состояние" питание с двигателя может сниматься. Таким образом, производится отработка исходной кодовой комбинации шаговым электроприводом и проверка на отсутствие отказа. Устройство готово к работе.

Затем подается команда "Включение двигателя" уровнем логической "1". При этой команде включается шаговый двигатель и запускается одновибратор 10, который вырабатывает импульс определенной длительности и подает его на вход первой линии задержки 12, время которой необходимо для завершения переходных процессов в устройстве. По истечении этого времени с выхода линии задержки 12 импульс поступает на первые входы элементов 2И 13, 2И 14, 2И 15, на вторых входах которых должны быть логические "0" и на выходных шинах 16, 17, 18 тоже будут логические "0", подтверждающие отсутствие отказов. Далее подается команда "Реверс", которая определяет направление сдвига информации в распределителе 1 и регистре 6. Затем подаются импульсы тактовой частоты по шине "Такт". По приходу импульса тактовой частоты на вход распределителя 1, на его выходе вырабатывается новая кодовая комбинация, которая поступает через коммутатор фаз 2 на обмотки шагового двигателя 3, на входы элементов 7, 8, 9. При отработке шаговым двигателем тактового импульса на выходе датчика 4 появляется импульс, который через первый вход 2ИЛИ 5 поступает на С вход регистра 6. Наличие уровня "1" на входе Е регистра 6 дает разрешение на сдвиг информации в регистре 6. По переднему фронту импульса, поступающего с выхода датчика 4, происходит сдвиг информации в регистре 6 влево или вправо в зависимости от уровня сигнала на шине "Реверс". Новая кодовая комбинация с выхода регистра 6 поступает на входы В элемента сравнения кодов 7, на входы элементов 4И 8, 4ИЛИ-НЕ 9 также поступает новая комбинация с выхода коммутатора фаз 2. В элементе сравнения кодов 7 происходит сравнение кодовой комбинации с выхода регистра 6 и с выхода коммутатора фаз 2. При равенстве кодов на выходе элемента 7 низкий уровень сигнала, который поступает на второй вход элемента 2И 13, на вторые входы элементов 2И 14, 2И 15 при отсутствии обрыва фаз или короткого замыкания с выходов элементов 4И 8, 4ИЛИ-НЕ 9, поступает соответственно также низкий уровень сигнала. Одновременно по приходу тактового импульса запускается одновибратор 10, с выхода которого короткий импульс задерживается в элементе 12 на время переходных процессов в устройстве, необходимое для отработки тактового импульса. По окончании этого времени на первые входы элементов 13, 14, 15 подается положительный импульс определенной длительности. Элементы 13, 14, 15 открываются по первым входам. При отсутствии отказов на вторых входах элементов 13, 14, 15 присутствует низкий уровень и на выходах этих элементов будет низкий уровень, который свидетельствует об отсутствии отказов.

Если при поступлении новой кодовой комбинации на фазы двигателя 3 не происходит вращение ротора, то с выхода датчика 4 не поступает импульс на вход С регистра 6, и информация в нем не сдвигается. На входах А элемента 7 новая кодовая комбинация, а на входах В предыдущая. На выходе элемента 7 появляется высокий уровень, который по приходу импульса с выхода линии задержки 12 на первый вход элемента 13 переключает его из "0" в "1". Высокий уровень на выходе элемента 13, т.е. на выходной шине 16 свидетельствует о наличии отказа. Если на выходной шине 16 высокий уровень, то ясно, что произошел отказ неотработка валом двигателя импульса управления. Отработка каждого импульса тактовой частоты происходит согласно приведенному описанию.

Введение датчика положения вала позволяет контролировать отказ шагового двигателя типа пропуск шага. Контроль за отказом шагового электропривода типа короткого замыкания всех обмоток производится элементами 4И 8 и 2И 14, отказ типа обрыв всех обмоток контролируется элементами 4ИЛИ-НЕ 9 и 2И 15. Следовательно, устройство позволяет четко и однозначно обнаруживать все виды отказов и выдает сигнал именно такого вида отказа, который непосредственно имеет место. Подключение выхода одновибратора 10, который вырабатывает короткий импульс, через линию задержки 12 к первым входам элементов 13, 14, 15 позволяет открывать эти элементы на определенное время по окончании переходных процессов в устройстве. Импульсное открытие этих элементов позволяет исключить появление ложных отказов, вызванных появлением импульсных помех во время работы шагового электропривода.

Использование: электротехника, системы управления шаговыми двигателями, с любым числом фаз. Цель - упрощение и увеличение эксплуатационных возможностей. Сущность: устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе содержит формирователь управляющих импульсов (ФМУИ) 1, коммутатор фаз (КМФ) 2, шаговый двигатель (ШВД) 3, датчик положения (ДЧП) 4, элемент ИЛИ (ЭМИ) 5, регистр (РС) 6, элемент сравнения кодов (ЭМСК) 7, четыре элемента И (ЭМИ) (8, 13, 14, 15), элемент ИЛИ - НЕ (ЭМИН) 9, одновибратор (ОВ) 10, две линии задержки (ЛЗ) 11, 12, шины: включения двигателя (ШВД), тактовых импульсов (ШТИ), реверса (ШР), исходного состояния (ШИС), три выходные (ШВ) 16, 17, 18. Это позволяет фиксировать действительную отработку каждого шага и выявить место отказа. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТКАЗОВ В ШАГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ, выполненном с формирователем управляющих импульсов, коммутатором и шаговым двигателем, снабженное шинами тактовых импульсов, реверса, включения двигателя, содержащее выходную шину, одновибратор, две линии задержки, кольцевой реверсивный сдвигающий регистр, элементы 2И, 4И, 4ИЛИ НЕ, элемент сравнения кодов, первые информационные входы которого подключены к выходам регистра, вход реверса которого соединен с шиной реверса и снабжен клеммой для подключения к первому входу формирователя управляющих импульсов электропривода, входы одновибратора подключены к шинам тактовых импульсов и включения двигателя и снабжены клеммами для подключения к второму и третьему входам формирователя управляющих импульсов электропривода, вторые информационные входы элемента сравнения кодов объединены с входами элементов 4И, 4ИЛИ НЕ и снабжены клеммами для подключения к фазам электропривода, отличающееся тем, что в него введены шина исходного состояния, элемент 2ИЛИ, инвертор во вторую линию задержки, импульсный датчик положения ротора, вторая и третья выходные шины, второй и третий элементы 2И, первые входы трех элементов 2И объединены и подключены к выходу первой линии задержки, вторые входы всех элементов 2И соединены соответственно с выходами элемента сравнения кодов, элемента 4И и элемента 4ИЛИ НЕ, выходы элементов 2И подключены соответственно к первой, второй и третьей выходным шинам, выход импульсного датчика положения ротора подключен к первому входу элемента 2ИЛИ, выходом подключенного к тактовому входу регистра, вход разрешения записи информации которого связан с шиной установки в исходное состояние, через вторую линию задержки с инвертором связан с вторым входом элемента 2ИЛИ и снабжен клеммой для подключения четвертого входа формирователя управляющих импульсов электропривода, установочные входы регистра снабжены клеммами для подключения выходов формирователя управляющих импульсов электропривода, а выход одновибратора соединен с выходом первой линии задержки.