Устройство для программного управления позиционированием Советский патент 1986 года по МПК G05B19/18 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и може быть использовано для получения и контроля прецизионных перемещений, в частности в манипуляторах, роботах координатных столах, автоматических гониометрических устройствах и т.п. Цель устройства - упрощение устройства и повьпаение его быстродейстВИЯ. На фиг. I представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 структурная схема варианта реализаци блока выделения и преобразования ЭДС вращения. Устройство содержит блок ввода 1, программоноситель 2, блок вьщеления разностного сигнала 3, преобразователь код-частота 4, триггер 5, блок электрического дробления шага 6, уси лители мощности 7, блок выделения и преобразования ЭДС вращения 8, шаговый двигатель 9, исполнительный меха низм 10, реверсивный счетчик 11, дат чик нулевого положения 12, запоминаю щие устройства 13 и 14, блок коррекции положения 15, в который входит сумматор 16 и перемножитель цифровых сигналов 17, выход 18 устройства. Усилитель мощности 7 содержит фазные усилители 19-22. Блок выделения и преобразования ЭДС вращения 8 содержит усилите,гш 23 26, дифференциальные усилители 27-30 фильтры нижних частот 31-34, узел вы деления минимального сигнала 35, ком паратор 36 и источник опорного напря жения 37. Шаговый двигатель 9 имеет фазные обмотки 38-41. Изобретение основано на использовании дискретного электрического привода. Шаг дискретного перемещения исполнительного механизма можнозаписать следующим образом: 0 т -±Чп 0о±у«. С) где 96 основной иаг щагового двигателя ; Лоб- погрешность отработки основного шага; |„- передаточное отношение кинематической цепи; 8 - значение абсолютной погреш tti„ ности кинематической цепи; QO номинально значение шага дискретного перемещения; у„ - погрешность шага дискретного перемещения. 4,. .|.S.,,(3, . i -ЧИСЛО зубьев ведующих зубZчатых колес или число заходов червяка.; -число зубьев ведомых зубчатых (червячных) колес; п - число передаточных звеньев. и . 1 п / п i() j -i:i 88ip,, - максимальное значение кинематической погрещности передач. Введем в формулу {1 ) коэффициент укции nZ; /nz i j k - число передаточных звеньев с учетом редукции. при kin. Тогда формулу (1) можно переписать в ts. .i: ,j.(Pi/щ-)Scf. (7) четом формул (2), (3) и (6) можно исать номинальное значение шага кретного перемещения и погрешность а дискретного перемещения , ,(8) if, ±4 /b JK±Scfj.,. (9) емеще1ше на некотором участке можзаписатьNsty,.o6/b.,±4oi/bfj,± q)j-Ms(0) Ng - значение номера шага; Укд - значение погрешности на S-м шаге с учетом введения электрической редукции; m - предельное число шагов, обу(1повливающее диапазон перемещений. Значение а не умножается на N , как шаговый двигатель не накаплит погрешность отработки шагов. Для большого круга задач составщей погрешности 4oi/b jn можно небречь ввиду малости. Таким обом, заданная дискретность переме31щения достигается при меньшем в п/к раз числе передаточных звеньев кинематической цепи и меньшей погрешности перемещения , так как у - )f « . Погрешность кинематической цепи имеет случайную и систематическую составляющие. Последняя может быть записана в запоминающем устройстве и учтена при корректировании положения исполнительного механизма. Блок электрического дробления шага используется для улучшения качества движения исполнительного меха низма и повышения быстродействия двигателя, а также еще и как элемент способствующий понижению общего коэф фициента редукции кинематических цепей устройства, а следовательно, и упрощению этих цепей. Функцию детектора положения может вьшолнить электронный блок вьщеления и преобразования ЭДС вращения, который вырабатывает импульсный сигнал при каждом перемещении ротора двигателя. Причем обычньш датчик шагов не может справиться с этой задачей, так как дискретность перемещени вала двигателя после дробления шага настолько мала, что требует для измерения применения высокоточного пре образователя угол-код. ЭДС вращения представляет собой затухающий колебательный процесс, возникающий при каждом перемещении ротора двигателя, модулирующий ступенчатую функцию тока, формируемую при дроблении щага. Максимальная амплитуда ЭДС вращения пропорциональна величине шага и при большом коэф фициенте электрической редукции тре- до

бует усиления и обработки.

В устройстве блок выделения и преобразования ЭДС вращения используется для получения сигналов обратной связи о положении вала двигателя в режиме дробления шага. Блок выделения и преобразования ЭДС вращения используется не только как положения исполнительного механизма, но совместно с триггером как датчик обратной связи, включенный в контур локально-замкнутого шагового привода высокого разрешения, что значительно повышает быстродействие устройства. Причем при высоком разрешении неконтролируемые пропуски шагов благодаря такому датчику отсутствуют.

версивный счетчик 11, соответствующий начальному положению кинематической цепи исполнительного механизма 10. При отсутствии программы позиционирования на входе устройства на выходе всех блоков присутствует нулевая информация. Отработка программы начинается с ввода программы перемещения в заданную координату бд с заданной скоростью от программо-носителя 2 в блок ввода 1. Преобразователь код-частота 4 преобразует входной код, поступающий от блока ввода 1, в заданную частоту импуль- сов. Первый же импульс устанавливает триггер 5 в единичное состояние. Поскольку на второй вход блока выделения разностного сигнала 3 поступает 0 Устройство работает следующимсбразом. Предварительно с заданной дискретностью снимают передаточную характеристику кинематической цепи исполнительного механизма 10 и аагового двигателя 9. Погрешность 8Cf кинематических звеньев исполнительного механизма 10 в виде набора дискретных значений, а также погрешность uo( отработки шага двигателя 9 записывают в запоминающее устройство 13 с учетом знака погрешности. Далее программируют запоминающее устройст14, куда заносят величину номивонального значения щага дискретного .J перемещения б„ При наличии о ъе. энергозависимой памяти состояния реверсивного счетчика 11 операцию вывода исполнительного механизма 10 в исходное состояние производят вначале при наладке устройства и в дальнейшем датчик нулевого положения 12 в работе не участвуют. В исходное состояние, при котором срабатывает датчик нулевого положения 12, устройство может быть выведено либо вручную, либо автоматически. В последнем случае сигнал сброс (на фиг. 1 не показан), также как и сигнал старт и др, определяет направление перемещения исполнительного механизма 10 независимо от значения сигнала на выходе блока вьщеления разностного сигнала 3 до тех пор, пока не срабатывает датчик нулевого положения 12. В исходной положении от датчика нулевого положения 12 поступает сигнал установки нулевой информации в ренулевая информация от блока коррекции положения 15, то на его первом выходе формируется сигнал направления перемещения, определяемого входной информацией на первом входе, а на втором выходе появляется сигнал разрешения работы блоки электрического дробления шага 6. Единичньпа сиг нал с триггера 5 поступает в блок электрического дробления шага 6, где формируется первая ступень тока пита ния фаз шагового двигателя 9, усилен ная усилителем мощности 7. Шаговый двигатель 9 отрабатывает единичное перемещение, после чего на его обмот ках (фазах) наводится ЭДС вращения Ejp которая после обработки в блоке выделения и преобразования ЭДС враще ния 8 вьщеляется на его выходе в вид импульсного сигнала. Работа блока вьщеления и преобразования ЭДС вращения происходит следующим образом. Усилители 23, 24, 25 26 имеют коэффициент усиления, равны коэффициенту усиления усилителей 19 J 20, 21, 22. Выходы тех и других усилителей подключены на входы дифферен циальных усилителей 27, 28, 29, 30, На выходе последних вьщеляется усиленный разностный сигнал, представляющий собой колебательный процесс, присутствующий на обмотках шагового двигателя. Составляющими этого сигна ла являются высокочастотный сигнал самоиндукции и взаимоиндукции, возни кающий при переключениях обмоток (фаз) двигателя, ЭДС вращения - за- тухающий низкочастотньй сигнал, декремент затухания которого зависит от параметров двигателя и нагрузки. Паразитные сигналы самоиндукции и взаимоиндукции, а также колебания комбинационных частот подавляются далее фильтром низких частот 31i 32, 33, ЗА, т.е. реализуется частотная селекция сигналов. Такая селекция возможна ввиду того, что период колебаний ЭДС вращения не зависит от периода входной частоты : т.е. частоты формирования ступеней тока при электрическом дроблении шага, а определяется параметрами двигателя и нагрузки. На выходе фильтров нижних частот 31, 32, 33, 34 появляются сиг налы ЭДС вращения, один из которых имеет большую амплитуду по абсолют ной величине, ч чем другие, что связа но с направлением коммутации обмоток (фаз) шагового двигателя и положением его ротора относительно- фаз статора. Узел выделения минимального сигнала 35.выделяет один основной сигнал, являющийся реакцией на перемещение ротора. Далее этот сигнал формируется с помощью компаратора 36, порог срабатывания которого задает источник опорного напряжения 37. Поскольку декремент затухания, ЭДС вращения возрастает с увеличением нагрузки, то порог срабатывания компаратора 36 выбирается в зависимости от допустимого диапазона колебаний нагрузки шагового двигателя 9 при работе исполнительного механизма 10, следовательно, предлагаемая реализация блока вьщеления.и преобразования ЭДС вращения позволяет работать без искажения исходного сигнала, поступающего с обмотки (фазы) шагового двигателя, что повьшает достоверность получения сигнала обратной связи. Кроме того, получение этого сигнала с учетом нагрузки шагового двигателя позволяет исключить аварийные ситуации, связанные с перегрузками шагового двигателя при работе исполни-тельного механизма 10. Сформированный сигнал ЭДС вращении в блоке 8 поступает на второй установочный вход триггера 5 и устанавливай ет его в исходное состояние, завершая формирование тактирующего импульса. Параллельно импульс с блока выделения и преобразования ЭДС вращения 8 поступает на счетный вход реверсивного счетчика 11. Последний накапливает информацию о шагах перемещения. С выхода его снимается код числа Ng, т.е. числа шагов в направлении заданной координаты. Этхзт код поступает на вход адреса запоминающего устройства 13, определяя значение величины коррекции на данном шаге перемещения, а также на второй вход церемножителя 17 блока коррекции положения 15, который производит вычисления . Значение погрешности ± J , выбранное из запоминающего устройства 13 по адресу, полученному из счетчика 11, поступает на вход сумматора 16. Код числа на выходе сумматора 16 равен величине -0о«в Укв- , Значение функции т выводится на выход 18 и является истинным, откорректированным с учетом погрешностей кинематических цепей текущим значени ем координаты перемещения при позиционировании . Эта величина функции Y поступает на блок вьщеления разностного сигнала 3, где производится оценка разницы Z 6 Nq-Y заданного программой значения координаты б и текущего значения Y . Знак Z определяет направление счета реверсивного счетчика 11. Отработка программы позиционирования завершается при , что свидетельствует о достижении требуемой позиции (координаты перемещения При этом с второго выхода блока выделения разностного сигнала 3 на бло ;электрического дробления шага 6 поступает сигнал Стоп, запрещая даль нейшую работу привода. Конкретная реализация устройства может быть осуществлена, например, следующим образом. Блок ввода 1 - большая интегральная схема (БИС) К580ИК55 - программируемый параллельный интерфейс. Программоноситель 2 - накопитель на магнитном диске (НМД) или пере,программируемое постоянное запоминаю щее устройство. Блок выделения разностного сигнала 3 выполняет функцшо цифрового ком паратора и реализуется на микросхемах типа 56АНП2, при этом первый выход блока 3 является выходом , а второй выход -выходом компаратора. Преобразователь код-частота 4 ре лизуется при соединении генератора импульсов и счетчика типа 564ИЕ15 или КР580ВИ53. Блок электрического дробления йа га 6 реализуется известным образом с(1). В этом случае первый выход блока выделения разностного сигнала 3 подключают на вход у установки направления блока электрическсгго дробления шага 6, второй выход - на вход сброса у , а выход триггера 5 на информационный вход Т1, а выхода блока 6 являются выходы элементов И Реверсивный счетчик 11 (микросхе мы), например, типа 564ИЕ11. Запоминающие устройства 13 и 14 например, микросхемы типа К573РФ1. В качестве перемножителя 17 цифр вых сигналов могут быть использован микросхемы 564ИПЗ, а в качестве су матора 16 - 564lIMl , Датчик, нулевого положения представляет собой простейшее устройство, например, оптопара и сектор с прорезью, котор ое служит для установки начального положения редуктора исполнительного механизма 10, с которого начинается его тарировка и контроль при возврате в исходное положение после отработки заданной программы. Устройство позволяет с :высокой точностью, которая определяется точностью измерения погрешностей . и Aoi и объемом памяти запоминающего устройства, в которое записаны эти погрешности, производить позиционирование исполнительного механизма. Введение электрического дробления шага позволяет уменьшить число передаточных звеньев кинематической цепи исполнительного механизма и увеличить точность и воспроизводимость позиционирования при одинаковом объеме памяти запоминающего устройства. Уменьшение числа передаточных звеньев кинематической цепи повышает быстродействие устройства, что соответствует поставленной цели изобретения. Кроме того, за счет введения блока 6 электрического дробления шага значительно улучшается воспроизводимость перемещения, а введение блока выделе- ния и преобразования ЭДС вращения 8 и триггера 5 позволяет образовать локально-замкнутый шаговьй электропривод повышенной устойчивости при колебаниях входных задающих частот и нагрузки. Блок выделения и преобразования ЭДС вращения обеспечивает надежность получения информации обратной связи и исключить аварийные ситуации, связанные с перегрузками шагового двигателя при работе исполнительного механизма. Устройство снйлсает затраты на его изготовление за счет упрощения устройства, а также повышает производительность оборудования, в котором оно применяется за счет повышения быстродействия устройства. Формула изобретения 1. Устройство для программного управления позиционированием, содержащее программоноситель, подключенный к входу блока ввода, один выход которого соединен с входом преобразователя код-частота, другой выход - с 9 первым входом блока выделения разностного сигнала, к второму входу кото рого подключен выход блока коррекции положения, соединенного первым и вто рым входами с первым и вторым запоми нающими устройствами, усилитель мощности, подключенный к фазам шагового двигателя, вал которого соединен с исполнительным механизмом, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и повышения его быстродействия, в него дополнительно введены блок электрического дробления шага, триггер, блок вьщеления и преобразования ЭДС вращения, реверсивный счетчик и датчик нулевого положения, при этом блок электрического дробления шага подключен первым и вторым входами к первому и второму выходам блока выделения разностного сигнала, а выходами - к входам усили теля мощности, первый установочный вход триггера соединен с выходом преобразователя код-частота, а выход - с третьим входом блока электри ческого дробления шага, первые входы блока выделения и преобразования ЭДС вращения подключены к входам уси лителя мощности, а входы - к фазам щагового двигателя, вход направления реверсивного счетчика соединен с первым выходом блока выделения разностного сигнала, а счетный вход - с вторым установочным входом

) 60К) триггера и с выходом блока выделения и преобразования ЭДС вращения, выход датчика нулевого положения подключен к установочному входу реверсивного счетчика, соединенного выходом с адресным входом первого запоминающего устройства и с третьим входом блока коррекции положения. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что блок выделения и преобразования ЭДС вращения содержит усилители, коэффициент усиления которых равен коэффициенту усиления файных усилителей мощности, дифференциальные, усилители, фильтры нижних частот, узел выделения минимального сигнала,компаратор и нсточ- ник опорного налряжения,причем входы усилителей являются первыми входами блока, неинвертирующие входы Дифференциальных усилителей являются вторыми входами блока, инвертирующие входы дифференциальных усилителей соединены с выходами соответствую1щ х усилителей, а выходы - через соответствующие фильтры нижних частот с входами узла вьщеления минимального сигнала, выход которого подключен к первому входу компаратора, с вторым входом которого соединен источник опорного напряжения, при этом выход компаратора является выходом блока выделения и преобразования ЭДС вращения ,

Фиг.2

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для получения и контроля прецизионных перемещеннй. в частности в манипуляторах, роботах, координационных столах, автоматических гониометрических устройствах и т.п. Пель изобретения-упрощение устройства и повьшение его быстродействия , Устройство содержит блок ввода, преобразователь код-частота, блок выделения разностного сигнала, блок коррекции положения, два запоминающих устройства, блок электрического дробления шага, фазные усилители мощности, шаговый двигатель, исполнительный механизм, реверсивный счетчик, датчик нулевого положения и триггер. Блок вьщеления и преобразования ЭДС вращения содержит усилители, коэффициент усиления которых (Л равен коэффициенту усиления фазных усилителей мощности, дифференциальные усилители, фильтры нижних частот, узел выделения минимального сигнала, S компаратор и источник опорного напряжения. 1 3.п, ф-лы, 2 ил.