МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОМАНДНЫЙ АППАРАТ С ЭЛЕКТРОННОЙ КОММУТАЦИЕЙ Российский патент 2008 года по МПК G05B11/00 

Изобретение относится области электронной техники и автоматики и может быть использовано в системах управления исполнительными органами, в частности в роботах, роботизированных линиях, в системах управления космических аппаратов и т.п.

Известны многоканальные командные аппараты (машины-автоматы), предназначенные для осуществления комплекса согласованных между собой действий [1].

Недостатком указанных устройств является жесткость программ, для изменения которой требуется изменение материальной части этих машин-автоматов.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство многоканального координированного управления группой объектов, реализующее способ такого управления по патенту РФ №2224278 G05B 11/14 [2]. Известное устройство выполнено с использованием узлов, выполняющих практически те же функции, что и в предложенном устройстве.

По существенным признакам и выполняемым функциям оно может быть признано прототипом. Устройство содержит соединенные последовательно контроллер интерфейсов (блок приема требований и блок хранения информации прототипа), блок дешифраторов (блок формирования очереди прототипа), блок формирователей команд (блок формирования воздействий прототипа), блок ключей (локальные устройства управления прототипа), выходы которых являются выходами многоканального командного аппарата.

Недостатками прототипа являются постоянная занятость общей части оборудования непосредственно формированием выходной команды и невозможность одновременной выдачи двух и более команд в связи с установленной очередностью обслуживания.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение быстродействия путем обеспечения возможности одновременной выдачи нескольких импульсных команд и за счет этого расширение функциональных возможностей.

Эта задача решается тем, что многоканальный командный аппарат с электронной коммутацией, содержащий соединенные последовательно контроллер интерфейсов, блок дешифраторов, блок формирователей команд и блок ключей, выходы которых являются выходами многоканального командного аппарата, снабжен генератором импульсов, блок формирователей команд выполнен на счетчиках импульсов, каждый из которых содержит счетный вход, вход запрета, вход сброса и управляющий выход, причем управляющий выход каждого из счетчиков импульсов блока формирователей команд соединен с входом запрета своего счетчика и с управляющим входом соответствующего ключа блока ключей, вход сброса каждого из счетчиков импульсов блока формирователей команд соединен с соответствующим выходом блока дешифраторов, выход генератора импульсов соединен со счетными входами всех счетчиков блока формирователей команд.

Суть изобретения поясняется с помощью чертежа, где приведена блок-схема предлагаемого многоканального командного аппарата с электронной коммутацией и подключенные к нему исполнительные органы системы управления изделия.

На чертеже показаны:

1 - контроллер интерфейсов;

2 - блок дешифраторов;

3 - блок формирователей команд;

4 - блок ключей;

5 - блок исполнительных органов;

6 - генератор импульсов;

Е - шина питания исполнительных органов;

0 - общая шина (GND).

Блоки устройства выполнены следующим образом:

1 - контроллер интерфейсов: D - его входная шина одновременно является входной шиной устройства в целом, а также (далее по контексту) D - входная информация устройства; А - выход контроллера интерфейсов и шина адреса выходной команды на включение исполнительного органа системы управления изделия; СИ - выход синхронизации. Все выходы контроллера 1 интерфейсов подключены к входам блока 2;

2 - блок дешифраторов: D1 - дешифратор (дешифраторы), A1...Ak - это индивидуальные имена цепей шины адреса A, SI - вход синхронизации, Y1...Yn выходы дешифратора (по количеству n выходных команд устройства). Все выходы блока дешифраторов соединены с соответствующими входами блока 3. Конструктивно контроллер интерфейсов и блок дешифраторов могут быть объединены в один моноблок;

3 - блок формирователей команд: D2.1...D2.n - счетчики импульсов (по количеству n выходных команд устройства), С - счетный вход каждого счетчика, V - вход запрета, R - вход сброса счетчика. К R-входу каждого счетчика подключен соответствующий выход блока дешифраторов 2. Определенный выход Q каждого счетчика импульсов подключен к входу запрета V этого же счетчика импульсов и к одному из входов блока 4;

4 - блок ключей: D3.1...D3.n - выходные ключи блока и устройства в целом (по количеству n выходных команд устройства); IN, OUT - соответственно управляющие входы и силовые выходы этих ключей, коммутирующих шину GND - общую шину устройства и системы управления, с которой устройство связано. Для ключа D3.n (в качестве примера) коммутируемой шиной является шина Е;

5 - блок исполнительных органов Rн.1...Rн.n системы управления изделия, подключенных к выходным ключам D3.1...D3.n устройства, представленных для простоты в виде резистивных нагрузок. На практике - это исполнительные органы робота, полезная нагрузка космического аппарата либо его исполнительные органы и т.п.;

6 - генератор импульсов, выход которого подключен к счетным входам С всех счетчиков импульсов блока формирователей команд 3;

Е - шина питания исполнительных органов.

Работает устройство следующим образом.

Включение устройства в составе системы управления изделия производится путем подачи напряжения питания на все его блоки, кроме блока 5 исполнительных органов (блок 5 включается отдельно, не относится к признакам заявленного устройства, которое может обслуживать несколько различных блоков исполнительных органов, включаемых в разное время в разных режимах работы изделия). В момент включения, за счет произвольного состояния счетчиков импульсов D2.1...D2.n они начинают счет импульсов генератора 6 по своим входам С до тех пор, пока на задействованном выходе Q каждого из них не появится сигнал, запрещающий по входу V дальнейший счет. Все счетчики становятся в устойчивое состояние не более чем за время, необходимое для штатного формирования самой продолжительной команды (определяется коэффициентом пересчета каждого из счетчиков в том виде, как эти счетчики включены: на чертеже условно показано, что коэффициент пересчета каждого счетчика зависит от того, с какого разряда счетчика снимается выходной сигнал; возможно и иное решение). После того, как все счетчики D2.1...D2.n установятся в такое устойчивое состояние, устройство готово к работе. Поскольку командные аппараты обычно формируют короткие импульсы на исполнительные органы, то время перехода всех счетчиков в устойчивое состояние занимает доли секунды, редко - единицы секунд. Более того, существуют другие обстоятельства, требующие поочередного включения системы управления, в которую входит командный аппарат, и исполнительных органов. А именно система управления после ее включения должна пройти инсталляцию, самотестирование и т.п., на что уходит времени десятки секунд и даже минуты. Поэтому установка счетчиков в устойчивое состояние всегда уложится в то время, пока система управления в целом проходит инсталляцию.

В таком состоянии устройство может находиться неограниченное время, при этом генератор 6 импульсов формирует импульсы непрерывно.

Для формирования выходного импульса уст-ва (команды на блок 5 исполнительных органов) на вход D контроллера 1 интерфейсов подается необходимая информация. В контроллере 1 интерфейсов эта информация может накапливаться и/или сразу по заданному алгоритму поступать по шине А адреса на входы А1...Ak блока дешифраторов 2 (на чертеже показан только один дешифратор D1, однако в реальных устройствах их обычно несколько). Каждый новый адрес на выходе А контроллера 1 интерфейсов сопровождается импульсом синхронизации СИ. Блок дешифраторов 2 производит дешифрацию информации с шины А и по импульсу синхронизации на входе SI формирует импульс на одном из своих выходов Y1...Yn.

Далее происходит следующее. Счетчик, получивший команду по входу R, сбрасывается в исходное состояние, с его входа V снимается запрещающий сигнал и он начинает счет импульсов генератора 6. Одновременно изменение состояния на выходе этого счетчика поступает на управляющий вход IN ключа, включает его и выдает команду OUT на включение одного из исполнительных органов Rн.1 - Rн.n. Длительность этой команды будет определяться периодом следования импульсов генератора 6 и количеством импульсов, необходимых для заполнения соответствующего счетчика (или соответствующей части счетчика, задействованной для формирования заданной длительности выходного импульса по включенному каналу). Таким образом можно сформировать любую из n выходных команд, заложенных во входной информации D устройства.

Такой принцип управления («подал команду и забыл») проще, функционально надежнее, требует вдвое меньше команд: после подачи команды по окончании заполнения счетчика он автоматически выключит исполнительный орган, т.е. без подачи для этого специальной команды на отключение.

Несмотря на то, что блок 2 дешифраторов принципиально не может выдать более одной команды одновременно, устройство в целом позволяет выдавать на исполнительные органы несколько команд сразу. Для этого, когда по условиям работы устройства в составе системы управления требуется выдать одновременно несколько команд, процесс их формирования производится следующим образом. Блок 1 в быстром темпе по входной информации D поочередно с помощью дешифратора 2 запускает необходимые счетчики из числа D2.1...D2.n блока 3. С помощью выходных сигналов этих счетчиков открываются выбранные ключи из числа D3.1...D3.n блока 4 и включают требуемые исполнительные органы Rн.1...Rн.n, каждый на свое наперед заданное время. Поскольку быстродействие электроники по цепи прохождения сигналов управления D - 1 - А - 2 - 3 - 4 на порядки выше скорости срабатывания исполнительных органов блока 5 и продолжительности их работы, то заданные исполнительные органы включаются одновременно (на самом деле «практически одновременно») и в течение достаточно длительного времени могут работать совместно. Более того, чтобы продлить время включения любого (или нескольких) из уже включенных исполнительных органов, достаточно подать повторно необходимую команду (необходимые команды) и включение исполнительного органа (исполнительных органов) продлится с этого момента еще на один заданный промежуток времени. Включение любого исполнительного органа таким образом можно в фоновом режиме продлить при необходимости на любое время.

В специализированных системах управления можно организовать «волновой поток» включения исполнительных органов, когда включение следующего исполнительного органа производится на фоне включенных ранее, а выключение исполнительных органов происходит на фоне включенных позднее. Таким исполнительным органом может служить, например, шаговый многофазный электродвигатель, обмотки которого могут быть подключены к ключам блока 4.

При необходимости может быть обеспечена коммутация не только шины Е, но и шины GND, например, как показано для исполнительного органа R_H.n.

На основе принципа одновременного формирования разнополярных команд может быть обеспечено управление исполнительными органами, включенными в двухкоординатную матрицу, в том числе реверсивным исполнительным органом.

Совокупность признаков, подобная рассмотренной автором в данном предложении, не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Рассмотренный многоканальный командный аппарат с электронной коммутацией найдет применение для управления исполнительными органами различных изделий. В настоящее время такое устройство находится на стадии эскизного проектирования для одного из изделий предприятия. Блоки предложенного устройства могут быть выполнены на интегральных микросхемах любого типа и степени интеграции, а также на полевых транзисторах требуемого типа проводимости, в том числе (предпочтительно) с интеллектуальными свойствами, а именно с защитой от различных перегрузок, перегрева и т.д.

Литература

1. Артоболевский С.И. Технологические машины-автоматы. М.: Машиностроение, 1964 г., с.152-173.

2. Патент РФ G05B 11/14 №2224278 (прототип).

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и автоматики и может быть использовано для формирования импульсных команд управления исполнительными органами. Технический результат заключается в увеличении быстродействия путем обеспечения возможности одновременной выдачи нескольких импульсных команд и за счет этого расширение функциональных возможностей. Он достигается тем, что в многоканальный командный аппарат с электронной коммутацией, содержащий соединенные последовательно контроллер интерфейсов, блок дешифраторов, блок формирователей команд и блок ключей, выходы которых являются выходами устройства, введен генератор импульсов, а блок формирователей команд выполнен на счетчиках импульсов, каждый из которых содержит счетный вход, вход запрета, вход сброса и управляющий выход, причем управляющий выход каждого счетчика импульсов блока формирователей команд соединен с входом запрета своего счетчика и с управляющим входом соответствующего ключа блока ключей, вход сброса каждого из счетчиков импульсов блока формирователей команд соединен с соответствующим выходом блока дешифраторов, выход генератора импульсов соединен со счетными входами всех счетчиков блока формирователей команд. 1 ил.

Многоканальный командный аппарат с электронной коммутацией, содержащий соединенные последовательно контроллер интерфейсов, блок дешифраторов, блок формирования команд и блок ключей, выходы которых являются выходами многоканального командного аппарата, отличающийся тем, что в него введен генератор импульсов, а блок формирователей команд выполнен на счетчиках импульсов, каждый из которых содержит счетный вход, вход запрета, вход сброса и управляющий выход, причем управляющий выход каждого из счетчиков импульсов блока формирователей команд соединен с входом запрета своего счетчика и с управляющим входом соответствующего ключа блока ключей, вход сброса каждого из счетчиков импульсов блока формирователей команд соединен с соответствующим выходом блока дешифраторов, выход генератора импульсов соединен со счетными входами всех счетчиков блока формирователей команд.