Устройство для управления шаговым электроприводом Советский патент 1987 года по МПК G05B19/18 G05B19/40 

Изобретение относится к системам программного управления и предназначено для плавного разгона, замедления и точного останова прецизионног координатного стола, приводимого в движение шаговым электродвигателем посредством передачи винт - гайка.

Целью изобретения является упрощение алгоритма управления шаговым электроприводом и улучшение динамических характеристик электропривода

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для управления шаговым электроприводом; на фиг.2 - временная диаграмма работы устройства; на фиг.З - динамические характеристики перемещения исполнительного органа для известного (а) и предлагаемого (б) устройств; на фиг.4 - пример реализации линейно-экспоненциального формирователя.

Устройство управления шаговым электроприводом содержит вычитающий счетчик 1 импульсов, блок 2 памяти, регистр 3, узел 4 сравнения, линейно экспоненциальный формирователь 5, преобразователь 6 напряжение - частота, элемент И 7, триггер 8, входы 9 и 10 устройства и выход 11 уст- ройства.

Линейно-экспоненциальный формирователь 5 содержит инвертор 12, ключ 13 заряда, ключ 14 разряда и конденсатор 15.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчик 1 обнулен, на его информационном входе - нулевое логическое состояние. На информационный вход счетчика I подано число N , равное количеству шагов, -которое необходимо отработать шаговому электроприводу, управляемому, данным устройством. На входы раз- решения записи счетчика 1, регистра 3 и узла 4 сравнения, а также на вхо установки триггера 8 подан единичный логический уровень. Так как счетчик 1 обнулен, на вход сброса тригге- 50 ОД регистра 3 число N - число шара 8 также подан единичный логический уровень. Линейно-экспоненциальный формирователь 5 вырабатывает постоянное напряжение, в соответствии с которым преобразователь 6 напряжение - частота выдает на первый вход элемента И 7 импульсы с постоянной частотой, соответствующей частоте приемистости шагового .электропривода.

Так как с прямого выхода триггера 8 на второй вход элемента И 7 подается логический нуль, то импульсы, выдаваемые с выхода преобразователя 6 напряжение - частота на вход элемента И 7, на выход 11 устройства не поступают.

В линейно-экспоненциальном формирователе 5 ключи 13 и 14 выполнены на основе полевых транзисторов, имеющих два выраженных участка в статической выходной характеристике. Вьшзе напряжения насыщения характеристика почти горизонтальна и независимо от напряжения сток-исток величина тока стока остается постоянной (т.е. транзистор находится в режиме стабилизации тока). Ниже напряжения насыщения характеристика линейно возрастает - транзистор находится в режиме омического сопротивления. В результате процесс заряда (разряда) конденсатора 15 протекает вначале по линейному закону (на участке стабилизации тока полевого транзистора), затем.по экспоненциальному закону (заряд конденсатора через омическое сопротивление).

При поступлении сигнала Пуск на входы разрешения записи счетчика 1, регистра 3 и на вход установки триггера 8 подается логический нулевой уровень. Входы разрешения записи счетчика 1 и регистра 3 являются статическими и запись информации в счетчик 1 и регистр 3 производится по нулевому логическому уровню. Вход установки .триггера 8 является динами- ческим и срабатывает по восходящему фронту импульса.

В соответствии с этим в счетчик 1 производится запись числа и на вход сброса триггера 8 подается логический нуль. Становится возможной установка триггера 8, Далее число N с выхода счетчика 1 поступает на вход блока 2 памяти и на второй вход узла 4 сравнения. Блок 2 памяти выдает на

гов торможения,

от общего числа шагов iiy,

5

являющееся функцией

Ny,. Число NT записьшается в регистр 3 и подается на первый вход узла 4 сравнения,

Затем сигнал Пуск переходит из нулевого логического состояния в единичное, на прямом выходе триггера 8 устанавливается логическая единица и в силу этого импульсы с выхода преоб313

.разователя в напряжение - частота начинают поступать на общий выход 11 устройства. Импульсы с выхода преобразователя 6 напряжение - частота осуществляют также синхронизацию работы узла 4 сравнения: выдача очередного результата сравнения осуществляется узлом 4 сравнения по восходящему фронту импульса и этот результат сохраняется на выходе узла 4 сравнения до прихода следующего фронта. Если выполняется неравенство N N, то на выходе узла 4 сравнения устанавливается единичный логический уровень; если справедливо неравенство N i N., то «а выходе узла 4 сравнения - нулевой логический уровень. Как только единичный логический уровень подает

ся на линейно-экспоненциальный форми- jn импульсы появляются на выходе 1

эти устрователь 5, последний начинает повышать величину постоянного напряжения на своем выходе до некоторого максимального значения, соответствующего максимальной частоте вращения ротора шагового, двигателя, причем это по- вьшение происходит по линейно-экспоненциальному закону. Данный режим работы линейно-экспоненциального формирователя 5 можно разделить на три участка: участок линейного возрастания напряжения, участок экспоненциального возрастания напряжения и участок невозрастающего максимально- го напряжения. Наклон линейного участка и форма экспоненциального участка выбираются на основе анализа механических характеристик шагового электропривода и исполнительного органа и задаются аппаратным путем, В зависимости от числа N повышение напря25

30

35

40

рЬйства и подаются на вычитающий вход счетчика 1, в котором происходит вычитание из числа N количества импульсов, выданных на выход 11 устройства. Как только содержимое счетчика 1 становится равным нулю, с его выхода переноса на вход сброса триггера 8 подается логическая единица, триггер 8 сбрасьтается в нуль и, соответственно, на первом входе элемента И 7 устанавливается логический нуль. Импульсы с выхода преобразователя 6 напряжение - частота перестают поступать на выход 1 1 устройства . Шаговый электропривод координатного стола, управляемый предлагаемым уст-, ройством, прекращает дальнейшее перемещение . Устройство находится в исходном состоянии и готово к дальней- шей работе.

Реализация устройством линейно- экспоненциального закона изменения частоты следования импульсов от времени имеет ряд преимуществ.

На фиг.З видно, что для известного устройства в точке сопряжения участков разгона и равномерного движения угловое ускорение ротора скачкообразжения может закончиться на любом из этих трех участков.

Как только на линейно-экспоненциальный формирователь 5 подается ло- ,5 гический нуль, напряжение на его выходе начинает понижаться от достигнутого уровня до начального значения, причем снижение напряжения происходит также по линейно-экспоненциальному за-gQ так как силы инерции продолжают дей- закону. Этот режим работы линейно- ствовать на координатный стол и, еле- экспоненциального формирователя 5 можно разделить на два участка: участок линейного падения напряжения и участок экспоненциального падения напряжения. Наклон линейного участка и кривизна экспоненциального участка выбираются также на основе механических характеристик шагового электроно падает до нуля, что нежелательно,

довательно, на передачу винт - гайка. Так как эта передача самотормозящаяся, то трение между ее звеньями повы55

шается и, соответственно, повьш1ается момент сопротивления шагового электропривода в целом. Кроме того, на частотах вращения, близких к максимальной, угловое ускорение должно

привода и исполнительного органа и также задаются аппаратным путем.

После отработки указанных управляющих воздействий на выходе линейно- экспоненциального формирователя 5 снова поддерживается начальная величина Напряжения.

На ВХОД преобразователя 6 напряжение - частота подается изменяющееся по линейно-экспоненциальному закону напряжение и прямо пропорционально подаваемой величине напряжения изменяется частота следования импульсов на выходе преобразователя 6 напряжение - частота. Импульсы с преобразователя 6 подаются на второй вход элемента И 7. Так как на первый вход

подается логическая единица, то

импульсы появляются на выходе 1

эти уст

рЬйства и подаются на вычитающий вход счетчика 1, в котором происходит вычитание из числа N количества импульсов, выданных на выход 11 устройства. Как только содержимое счетчика 1 становится равным нулю, с его выхода переноса на вход сброса триггера 8 подается логическая единица, триггер 8 сбрасьтается в нуль и, соответственно, на первом входе элемента И 7 устанавливается логический нуль. Импульсы с выхода преобразователя 6 напряжение - частота перестают поступать на выход 1 1 устройства . Шаговый электропривод координатного стола, управляемый предлагаемым уст-, ройством, прекращает дальнейшее перемещение . Устройство находится в исходном состоянии и готово к дальней- шей работе.

Реализация устройством линейно- экспоненциального закона изменения частоты следования импульсов от времени имеет ряд преимуществ.

На фиг.З видно, что для известного устройства в точке сопряжения участков разгона и равномерного движения угловое ускорение ротора скачкообразтак как силы инерции продолжают дей- ствовать на координатный стол и, еле-

так как силы инерции продолжают дей- ствовать на координатный стол и, еле-

но падает до нуля, что нежелательно,

так как силы инерции продолжают дей- ствовать на координатный стол и, еле-

довательно, на передачу винт - гайка. Так как эта передача самотормозящаяся, то трение между ее звеньями повытак как силы инерции продолжают дей- ствовать на координатный стол и, еле-

шается и, соответственно, повьш1ается момент сопротивления шагового электропривода в целом. Кроме того, на частотах вращения, близких к максимальной, угловое ускорение должно

стремиться к нулю по экспоненциальному закону, т.е.. для этих частот ускорения должны быть очень малы. Это требование обусловливает для известного устройства необходимость применения малых величин ускорений и для начальных частот вращения, хотя здесь допустимы и большие значения ускорения. Устройство позволяет на начальных частотах вращения применять большие, а на предельных частотах - меньшие величины ускорений, что в целом повышает быстродействие привода. Предлагаемое устройство позволяет плавно подвести координатный стол к требуемому положению.

По сравнению с известным устройством алгоритм управления приводом значительно упростился. Если для известного устройства требуется задание извне сигналов Разгон, Торможение и Дотяжка, то для предлагаемого устройства достаточно лишь сигнала

Пуск.. Устройство самостоятельно он- 25 преобразователя напряжение - частота, ределяет момент смены режимов (с разгона на торможение, останов), т.е. выполняет дополнительные функции. Это разгрзпкает вычислительные ресурсы управляющей ЭВМ, а также освобождает ее от необходимости непрерьшного контроля устройства в течение цикла отработки заданного числа шагов.

30

входы разрешения записи вычитающего .счетчика и регистра, а также установочный вход триггера подключены к пусковому входу устройства, информационный вход которого соединен с информационным в.ходом вычитающего счетчика.

Формула изобретения

1. Устройство для управления та- говым электроприводом, содержащее счетчик импульсов и элемент И, о т- личающееся тем, что, с целью упрощения алгоритма управления и улучшения динамических характеристик электропривода, в него введены блок |Памяти, вычитающий счетчик импульсов регистр, узел сравнения, линейно- экспоненциальный формирователь, пре - образователь напряжение - частота, триггер и элемент И, выход которого

0

0

соединен с вычитающим входом вычитающего счетчика и является выходом устройства, вход блока памяти соединен с информационным выходом вычитающего счетчика, а выход - с информационным входом регистра, выход которого подключен к первому входу узла сравнения, второй вход которого соединен с информационным выходом вычитающего счетчика, выход переноса которого подключен к входу сброса триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента И, подключенного вторым входом к выходу преобразователя напряжение - частота и к входу разрешения записи узла сравнения, выход которого соединен через линейно-экспоненциальный формирователь с входом преобразователя напряжение - частота и с входом разрешения записи узла сравнения, выход которого соединен через линейно-экспоненциальный формирователь с входом

25 преобразователя напряжение - частота,

30

входы разрешения записи вычитающего .счетчика и регистра, а также установочный вход триггера подключены к пусковому входу устройства, информационный вход которого соединен с информационным в.ходом вычитающего счетчика.

2. Устройство по п.1, о т л и - ч ающе е ся тем, что линейно- экспоненциальный формирователь содержит ключ заряда, ключ разряда, инвертор и конденсатор, причем с входом формирователя соединены управляющий вход ключа .заряда и вход инвертора, подключенного выходом к- управляющему входу ключа разряда, выход которого заземлен, а вход соединен с выходом ключа заряда и является выходом формирователя, который через конденсатор заземлен, вход ключа заряда подключен к положительному полюсу источника питания.

9иг.2

Изобретение относится к системам программного управления и предназначено для плавного разгона, замедления и точного останова прецизионного координатного стола. Цель изобретения - упрощение алгоритма управления и улучшение динамических характеристик привода. При подаче сигнала Пуск устройство автоматически отрабатывает необходимое количество импульсов разгона, равномерного движения и торможения, подаваемых на шаговый электропривод, причем разгон и торможение стола производятся по линейно-экспоненциальному закону изменения частоты следования выходных импульсов. 1 3.п. ф-лы, 4 ил. оо со ю 05 4

Редактор И.Николайчук

Й/г.

Составитель А.Исправникова Техред И,Попович Корректор В.Гирняк

Заказ 3830/42Тираж 863Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4