Устройство для программного управления шаговым двигателем Советский патент 1983 года по МПК G05B19/40 

Изобретение относится к автомати ке и вычислительной технике и предназначено для использования в автом тнзированньлх системах управления технологическими процессами от упра ляющих вьлчислительных машин, исполь зующих шаговые двигатели. Известно многоканальное устройство для программного управления ша говым двигателем, содержащее вычислитель, распределитель импульсов, логические, элементы, счетчики, регистры, генератор импульсов, блоки управления и памяти, адресные блоки и усилители мощности шаговых двигателей til. В известном устройстве в вычислитель передается информация о моменте изменения состояния фазы шагового двигателя, но отсутствует передача информации о динамическом изменении тока в фазе. Наиболее близким к изобретению ло технической сущности является устройство для управления шаговым двигателем, содержащее распределите с частотным входом, два источника питания, блоки управления обмотками первые входы которых соединены с вы ходом источника питания, а вторые входы - с соответствуницими выходами распределителя, обмотки управления. двигателя, начала которых соединены с первыми выходами блоков управлени обмотками, имеющими пороговый элемент, первый и второй ключи, связан ные с источниками питания, и элемен обратной связи, соединенный с входо порогового элемента. В этом устройстве в. начальный мо мент включения фазы обмотки управле ния подается форсированное напряжение, в последующий момент включения фазы подается пониженное напряжение что улучшает динамические и энергет ческие характеристики шагового двигателя 21. Однако в этом устройстве отсутствует возможность передачи информации как о статическом, так и динамическом состояниях тока в фазах обмоток управления, что исключает возмож ность работы устройства в режиме непрерывного слежения. В устройствах l и Ц2 отсутствует возможность программного изменения числа тактов шаговых двигателей, что ограничивает область их при менения. Кроме того, исключается применение указанных устройств для управления шагобыми двигателями с дроблением электрического угла, при котором повышается в целом их динамическая устойчивость. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения режима непрерывного слежения и программного изменения числа тактов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для программного управления шаговым двигателем, содержащее распределитель импульсов, выходами соединенный с первыми входами N каналов управления, первыми и вторыми выходами соединенных с соответствующей фазной обмоткой шагового двигателя, каждый из каналов управления содержит первый электронный ключ, выходом соединенный с первым выходом канала управления, первым входом - с вторым выходом канала управления, с которым соединен выход блока питания, и последовательно соединенные второй электронный ключ и датчик обратной связи, соединенный выходом с общей шиной, а входом - с входом первого порогового элемента, первый вход второго электронного ключа соединен с вторым выходом канала управления, введены блок задания .программы и в каждый канал управления первый триггер, два элемента И, элемент И-НЕ и последовательно соединенные второй пороговый элемент третий элемент И, элемент задержки и второй триг- :гер, блок задания программы первым, вторым и третьим выходами соединен с соответствующими входами распределителя импульсов, четвертым выходом - с четвертым входом распределителя импульсов и с третьими входами каналов управления, первый триггер соединен 5-входом с выходом первого порогового элемента, а инверсным выходом - с первым входом первого элемента И, выходом соединенного с первым входом элемента И-НЕ и с вторым -входом второго электронного ключа, R -вход первого триггера соединен с первым входом втюрого элемента И и с третьим входом канала управления, второй триггер соединен прямым выходом с первым входом второго порогового элемента,, второй вход которого и вход первого порогового элемента соединены, выход второго элемента И соединен с R -входом второго триггера, вторые входы элемента Зсщержки, первого, второго и третьего элементов И соединены с первым входом канала управления, выход третьего элемента И соединен с вторыми входами первого электронного ключа и элемента И-НЕ, выход элемента И-НЕ соединен с третьим выходом канала управления и с соответствующим входом блока задания программы. На фиг.1 приведена .функциональная схема устройства для программного управления шаговым двигателем; на фиг.2 - временные диаграммы канала управления обмотками в режимах фиксированной стоянки и аварийной сиуации, при установке в исходное остояние, переходе на режим фиксироанной стоянки и выключении обмотки правления; на фиг.З - то же, в реиме отработки одного шага и при ереходе на режим фиксированной стоянки (индексы напряжений соответстуют позиционным номерам элементов устройства); на фиг.4 - схема элемента задержки.

Устройство содержит блок 1 задания программы, распределитель 2 импульсов, блок 3 питания, N каналов 4 управления и N фазных обмоток 5 шагового двигателя. Распределитель 2 импульсов состоит из счетчика 6, формирователя 7 и постоянного запоминаюего устройства (ПЗУ) 8. Устройство содержит также второй пороговый элемент 9, первый, пороговый элемент 10, первый 11 и второй 12 триггеры, третий элемент И 13, первый элемент И 14, второй элемент И 15, элемент -НЕ 16, элемент 17 задержки, первый 18 и второй 19 электронные ключи и атчик 20 обратной связи. Блок задания программы представляет собой микроэвм, например Электроника 60М .

Напряжение от распределителя 2 изменяется на первом входе элемента 17 задержки из О в i и запускает его. Два элемента НЕ в элементе 17 задержки служат в качестве задержки на время срабатывания формирователя импульсов,- выполненного, например, на микросхеме типа К155АГ1 (фиг.4).

Первый выход блока 1 задания программы соединен с адресным входом ПЗУ 8 распределителя 2 импульсов. Распределитель 2 импульсов обеспечивает по сщрерным входам от блока 1 задания программы выбор требуемого числа фаз шагового двигателя, причем число адресных шин равно где N - число Фазных обмоток управления. По этим же входам осуществляется реверс шагового двигателя, когда из памяти ПЗУ 8 при той же комбинации на выходах счетчика 6 выбирается другая, характерная для реверса, коммутация фаз шагового двигателя.

Второй выход блока 1 з.адания программы соединен с установочным входом счетчика 6, по которому задается число тактов, требуемое для Данного шагового двигателя.Это число может программно изменяться, при этом осуществляется дробление электрического угла шагового двигателя для повышения динамической устойчивости.

Третий выход блока 1 задания программы соединен с частотным входом .+ счетчика 6. Четвертый выход блока 1 задания программы

-;оединен со сбросовым R -входом счег- чика бис третьими входами каналов 4 управления.

По частотному входу счетчика 6 из блока 1 подаиотся .функциональные посылки импульсов в реальном масштабе времени благодаря применению локальной обратной связи о динами;ческом изменении тока в фазах шагового двигателя с третьих выходов каналов 4 управления обмотками. При .этом блок 1 анализирует длинную посылку импульсов, характерную для режима фиксированной стоянки, короткую посылку - для обработки шагового 5 угла, которому соответствует для данного шагового двигателя определенное число импульсов, получаемых при широтно-импульсной модуляции (ШИМ). с помощью канала 4 осуществ0;ляется ШИМ управляющих сигналов с .распределителя 2 импульсов, частота ; которой сохраняет среднее значение тока в обмотках 5 управления,и обеспечиваются переход на пониженное 5 потребление тока обмотками 5 в режиме фиксированной стоянки и передача информации по третьим выходам в блок 1 о статическом и динамическом, изменениях тока в обмотках 5 управQ ления.

Начало работы устройства происходит с подачей сигнала по сбросовому выходу блока 1 на распределитель 2 и каналы 4 управления обмотками

при этом схема возвращается в исход5

ное состояние. С выхода распределителя 2 по первому входу канала 4 единичный уровень поступает на вторые.входы элементов И 13 - 15 и элемента 17 задержки.

0 Единичные уровни от второго порогового элемента 9 и инверсного выхода первого триггера 11 подаются соответственно через первые входы элементов И 13 и 14 на вторые входы

5 первого 18 и второго 19 ключей. От источника 3 питания по шине питания напряжение поступает на первый вход первого ключа 18. Ток проходит последовательно через ключ 18, обмотку

0 5 управления, ключ 19 и элемент 20 обратной связи на общую шину. С элемента.20 обратной связи снимается сигнал и подается на второй вход второго порогового элемента 9 и вход

ее первого порогового элемента 10, причем порог срабатывания элемента 10 выше, --тем порог срабатывания элемента 9 .,

Как только напряжение обратной связи превысит порог срабатывания

второго элемента 9, на его выходе появляется нулевой уровень, который закрывает первый ключ 18. В момент открывания ключа 18 с выхода элемента И-НЕ 16 нулевой уровень передается по третьему выходу канала 4 управления обмотками в блок 1, что свидетельствует о начале включения обмотки 5 управления, а в момент закрывания первого ключа 18 передаеся единичный уровень.

Элемент 17 задержки запускается по своему второму входу перепадом импульса из нуля в единицу от распределителя 2, при этом на выходе элемента 17 задержки отсутствует появление импульсов ШИМ до тех пор, пока выдержка времени элемента 17 задержки не станет равной максимальному периоду следования импульсов с распределителя 2. Как только с распределителя 2 импульсов прекращается поступление импульсов, что свидетельствует о начале фиксированной стоянки, на выходе элемента 17 задержки появляются импульсы ШИМ, которые по установочному входу перебрасывают второй триггер в единичное состояние, тем самым переключается уровень порога срабатывания по первому входу второго порогового элемента 9.Возвращение в нулевое состояние второго триггера 12 для того, чтобы следующий разрешающий уровень с распределителя 2 отрабатывать с требуемым током в обмотке 5 управления, осуществляется подачей нулевого уровня от распределителя 2 импульсов, следуемого за единичным уровнем, через третий элемент И 15 на сбросовый вход второго триггера 12. Запуска

элемента 17 задержки при подаче .HSлевого уровня по его второму входу не происходит, и через него частота ШИМ не проходит.

При аварийной ситуации, когда ток в обмотке 5 превышает заданное значение, срабатывает первый пороговый элемент 10 и устанавливает первый триггер 11 в единичное состояние. При этом нулевым уровнем с инверсного выхода закрывается второй ключ

19, о чем единичным уровнем с третьего выхода канала 4 управления обмотками передается информация в блок 1. Для возобновления работы устройства требуется осуществить подачу сбросового сигнала.

Блок 1 по поступаемой информации о порядке переключения обмоток 5 управления анализирует правильность их переключения и в случае сбоя прекращает подачу функционгшьных импульсов по частотному входу распределителя 2.

Формирователь 7 в распределитель 2 импульсов служит для формирования короткого импульса из перепада на его входе от сигналов переноса из нуля в единицу, что исключает появление двух комбинаций на выходе счетчика 6 в момент его загрузки.

Применение устройства для программного управления шаговым двигателем обеспечивает передачу информации в блок задания программы о статическом и динамическом изменениях тока в обмотках управления двигателя, по частоте которого судят о динги 1ике работы шагового двигателя, а также работу устройства в реальном масштабе времени. Кроме того, устройство позволяет изменить величину электрического угла шагового двигателя благодаря программному изменению числа тактов коммутации, что улучшает динамическую устойчивость шаго,вого двигателя. Обеспечиваются также работа с N-фазным шаговым двигателем С числом NV тактов симметричной или несимметричной коммутации обмоток управления и улучшение энергетических характеристик шагового двигателя в режиме фиксированной стоянки при меньшем потреблении тока обмотками управления, что расшир яет функциональные возможности предлагаемого устройства.

УСТРСЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЬМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержш 1ее распреф елитель иьатульсов, вы эсодами сое 1Инемный с первыми входами Л каналов управления, первыми и вто рыми выходам соединенных с соответствующей фазной обмоткой шагового двигателя, каждый из каналов управления содержит первый электронный ключ, выходом соединенный с первым выходом кансша управления, первым входом - с вторым выходом канала уп равяения с которым coeijirHeH выход блока питания, и последовательно соединенные второй электронный ключ. и датчик обратной связи, соединенный выходом с общей шиной,a входом - с входом первого порогового элемента, первый вход второго электронного клю-; ча соединен с вторьм выходом канаша управления, о т, л и ч a ю ц е е. с я тем,что,с целью расширения функцио,нальных возможностей,в него блок задания программы и в каждый канал управления первый триггер, два элемента И, элемент И-НЕ и последовательно соединенные второй пороговый элемент, третий элемент И, элемент задержки и второй триггер, блок задания программы первым, вторым и третьим выходами соединен с соответствуккцими входами распределителя импульсов, четвертым выходом - с четвертьФ входом распределителя импульсов и с третьими входами каналов упргюления, первый триггер соединен S -ВХОДСЯ4 с выходом первого порогового элемента, а инверсным выходом - с первым входом первого элемента И, выходом соединённого с первым входом элемента И-НЕ и с BTOfKitM входом второго электронного ключа, R-вход первого триггера соединен с первым входом второго: элемента И и с третьим входом канала управления, второй т шггёр соединен прямым выходом с перовым входом второго порогового элемента, второй вход которого и вход первого порогового элемента соединены,выход второго элемента И соединен с R-входом второго триггера, вторые входы элемента Зсщержки, первого, второго и третьего-элементов СП И соединены с первым входом канала управления, выход третьего элемента 00 00 И соединен с вторыми входами первого .электронного ключа и элемента И-НЕ, ,выход элемента Й-НЕ соединен с со третьим выходом канала управления и с соответствуювдам входом блока зада ШЁя программы.