Устройство для числового программного управления Советский патент 1987 года по МПК G05B19/18 

11352459

Изобретение относится к автоматиg д

ческому управлению и предназначено для использования в системах числового npdrpaMMHoro управления металло режущими станками.

Цель изобретения - повьшение точности и скорости слежения за перемещением объекта.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для числового программного управления; на фиг. 2 - схема блока синхронизацииJ на фиг. 3-5 - временные диаграммы работы устройства; на фиг. 6 - схема формирователя тактовых импульсов; на фиг. 7 - формирователь опорного сигнала, на фиг. 8 - временные диаграммы работы формирователя опорных сигналов.

Устройство для числового программного управления содержит генератор 1 тактовой частоты, формирователь 2 тактовых импульсов и последовательно соединенные делитель 3 частоты, формирователь 4- опорных сигна-г лов, датчик 5 перемещения, усилитель 6, компаратор 7, блок 8 синхронизации, элементы И .9-10,, двоичный счетчик 11 импульсов, реверсивный счетчик 12 импульсов, элементы И 13-14, реверсивный счетчик 15 импульсов, D-триггер 16, регистр 17..

На фиг. 2 представлены триггеры 18, 19, инвертор 20; на фиг. 6 - двоичный счетчик 21, элементы И 22-23, элемент НЕ 24; ка фиг. 7 - элемент НЕ 25, D-триггеры - 26, 27, буферные усилители 28, .

Устройство работает следующим образом.

Прямоугольные импульсы с генератора 1 тактовой частоты (фиг. 1) по- ступают на формирователь 2 тактовых импульсов.

Формирователь 2 тактовых импульсов вырабатывает две последовательности импульсов Т1, Т2, сдвинутых относительно друг друга на половину периода (фиг. 7).

В исходном состоянии уровни логических сигналов выходов разрядов С1 и С2 находятся в нулевом состоянии.

Установка счетчика 21 в исходное состояние осуществляется по входу Сброс (Р) по сигналу от внешнего блока при вюгючении питания устройства.

Двоичный счетчик 21 по каждому положительному фронту импульса задающего генератора выдает на выхо- g де С1 первого разряда последовательно высокий или низкий логический уровень сигнала. В результате на выходе С1 первого разряда формируется последовательность импульсов со

0 скважностью, равной двум (фиг. 7)-о

По каждому положительному фронту импульсов на выходе С1 первого разряда счетчика 21 импульсов формируется на втором выходе С2 высокий или

5 низкий логический уровень.. При установлении на выходах С1 и С2 счетчика 21 одновременно высоких логических уровней на выходе элемента И 22 появляется также высокий логический

0 уровень сигнала. Если на выходе первого разряда С1 счетчика 21 высокий логический уровень сигнала, а на выходе второго С2 разряда счет-. чика 21 низкий логический уровень,

5 что благодаря элементу НЕ 24 на выходе второго элемента И 23 устанавливается высокий логический уровень. При других комбинациях сигналов на выходах С1 и С2 двоичного счетчи0 ка 21 на выходах элементов И 22, 23 будет низкий уровень. В результате на выходе элемента И 22, соответствующем первому выходу формирователя

2импульсов, будет сформирована последовательность импульсов Т1, На вы- ходе второго элемента И 23, соответствующем выходу формирователя 2 импульсов, будет сформирована последовательность импульсов Т2, Последова0 тельность импульсов Т2 будет сдвинута относительно последовательности импульсов Т1 на полпериода.

Последовательность импульсов ТГ с первого выхода формирователя 2 так5 товых имцульсов поступает (фиг. 1) на вход делителя 3 частоты Делитель

3частоты представляет собой последовательно включенные двоичные счетчики, В исходное состояние, когда

0 на всех выходах установлены низкие логические уровни, счетчики устанавливаются по сигналу Сброс от внешнего блока при включении питания устройства. Количество счетчиков и

5 коэффициент деления каждого счетчика выбраны такими, чтобы суммарный коэффициент деления делителя 3 был равен 50, Но коэффициент деления делителя 3 может быть выбран и другим

5

из расчета, чтобы частота импульсов Т1 была намного вьппе частоты запитки датчика, а именно во столько раз, на сколько дискрет разбивается шаг (полный период изменения фазы) фазового датчика. Частота запитки датчика определяется конструкцией датчика .

Последовательность импульсов с выхода делителя 3 частоты поступает на вход формирователя опорных сигналов.

Формирователь 4 опорных сигналов формирует две последовательности импульсов (Ф1, Ф2), сдвинутые относительно друг друга на четверть периода, имеющие одинаковую амплитуду и частоту (фиго 8). С приходом импуль- .са Сброс по шине сброса от внешнего устройства на выходах триггеров 26 и 27, а следовательно, на выходах буферных усилителей 28 и 29 устанавливается нулевой логической потенциал. На инверсном выходе второго триггера 27 устанавливается сигнал с

II А tl

устанавливается

уровнем 1, Следовательно, на D-BXO дах триггеров 26 и 27 будет также присутствовать сигнал с уровнем 1 По переднему фронту импульса fде положительной полярности, приходящег с выхода делителя 3 частоты, уровень логического сигнала на D-входе первого триггера 26 запомнится триггером и будет передан на его вход. На выходе первого D-триггера 26 установился сигнал с уровнем 1. По окончании действия импульса с выхода делителя состояние логического сигнала на выходе первого D-тригге - ра 26 не изменится.

Благодаря наличию элемента НЕ 25 по положительному фронту инверсных

На статорные обмотки подаются две последовательное : импульсов и Ф2 от формирователя эпорньп: сиг лов , Благодаря первым гармоникам импульсных сигналов Ф1 и Ф2 в рот ных обмотках индицируется ЭДС, им щая тактовую же частоту, как и ча тота опорных сигналов Ф1, Ф2, но сдвинутая по фазе относительно пер вых гармоник опорного напряжения угол, который определяется углом ворота ротора датчика 5. Так как р 40 тор датчика кинематически связан перемещаемым узлом станка, то дат 5 осуществляет измерительные прео разования перемещения в фазовый у синусоидальных колебаний первой г

f импульсов (f дел ) значение единицы логического сигнала на D-входе 45 моники сигнала на выходе датчика. D-триггера 27 запомнится этим триггеНо так как на датчик 5 подаются и пульсные сигналы, то при разложен в ряд Фурье будут также присутств вать кроме первых гармоник и выс нечетные гармоники. В результате этого на выходе датчика 5 будет с нал не синусоидальной, а более сл ной формы из-за присутствия допол тельно в датчике магнитных полей eg образующихся от последующих гармо импульсных сигналов Ф1 и Ф2.

ром, и на его входе появится сигнал с уровнем 1. Одновременно на инверсном выходе D-триггера 27 устано- .вится сигнал с уровнем О По приходу второго импульса с выхода делителя f де состояние сигнала на выходе D-триггера 26 теперь установится с уровнем О.. Значение выхода D-триггера 27 изменится только с приходом второго инверсного сигнала делителя дел с выхода элемента НЕ 25. Далее процесс формирования повторяется. Так как формирователь 4 опорных

сигналов делит частоту на два, что очевидно по фиг. 8, то при выборе коэффициента деления делителя 3 эту особенность следует y4;iTHBaTb. Тогда суммарный коэффициент деления делителя 3 и формирователя опорных импульсов будет равен некотором: числу т,, которое, как показано ниже, следует учитывать при выборе объема двоично го счетчика 11. Так как коэффициент деления делителя 3 был выбран равным 50, то суммарный коэффициент деления делителя 3 и формирователя 4 импульсов будет равен 100 (50-2)« Следовательно, частота импульсов Т1 с выхода формирователя 2 тактовых импульсов в сто раз вьше частоты импульсов последовательностей Ф1 и Ф2 с выхода

формирователя 4 опорных сигналов, которые питают датчик 5 величины перемещений.

Датчик 5 представляет собой синус- но-косинусный вращающийся трансформатор. На статоре и роторе намотаны не менее чем по две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 .

На статорные обмотки подаются две последовательное : импульсов Ф1 и Ф2 от формирователя эпорньп: сигналов , Благодаря первым гармоникам импульсных сигналов Ф1 и Ф2 в роторных обмотках индицируется ЭДС, имеющая тактовую же частоту, как и частота опорных сигналов Ф1, Ф2, но сдвинутая по фазе относительно первых гармоник опорного напряжения на угол, который определяется углом по ворота ротора датчика 5. Так как ро- тор датчика кинематически связан с перемещаемым узлом станка, то датчик 5 осуществляет измерительные преобразования перемещения в фазовый угол синусоидальных колебаний первой гар-

моники сигнала на выходе датчика.

45 моники сигнала на выходе датчика.

50

Но так как на датчик 5 подаются импульсные сигналы, то при разложении в ряд Фурье будут также присутствовать кроме первых гармоник и высшие нечетные гармоники. В результате этого на выходе датчика 5 будет сигнал не синусоидальной, а более сложной формы из-за присутствия дополнительно в датчике магнитных полей eg образующихся от последующих гармоник импульсных сигналов Ф1 и Ф2.

Но так как полезным сигналом в данном случае является первая гармоника выходного напряжения с обмоток

5

ротора датчика 5, то для выделения первой гармоники сигнала с выхода датчика необходим активный фильтр, построенный на операционных усилителях 6. Примером построения такого фильтра является фильтр, состоящий из двух последовательно соединенных звеньев, каждое из которых является фильтром нижних частот второго поряка, имеющим передаточную характеристику с парой комплексно сопряженных полюсов .

СОо

Но

S +oiw, +coj

где S Н

- комплексная частота:

тельный импульс. Таким образом, на выходе элемента И 9 будут появляться импульсы с периодом, равным периоду следования импульсов на выходе компаратора, т„е„ с периодом первой гар моники выходного сигнала датчика 5. Выходные импульсы элемента И 9 посту пают на вход эаписк параллельного кода двоичного счетчика 11 и записы- f5 вают в опорный двоичный счетчик тако число, чтобы после прохождения на .него m тактовых импульсов,, поступающих с выхода формирователя 2 на счет ный вход счетчика 11, в нем был бы код числа ноль. Как указывалось выще, делитель 3 частоты и формирова тель 4 опорных импульсов-в сумме делят последовательность тактовых импульсов Т1 на 100. Счетчик 11 также

коэффициент усиленияi йо - собственная круговая частота фильтра-, об - относительный коэффициент 20

затухания.

Для установления оптимальной ширины полосы пропускания сигналов первой гармоники, обеспечивающей неискаженную передачу сигнала первой гармо- 25 должен после подсчета ста импульсов

НИКИ с выхода датчика на компаратор, и подавления ненужньтх, усилитель 6 сигналов (фильтр) состоит из двух звеньев. Первое и второе звено настроены на пропускание частот, близких (одно выше, другое ниже) к частоте опорных импульсов Ф1, Ф2.

Выделенный усилителем 6 (активным фильтром) сигнал первой гармоники с выходного сигнала датчика 5 подается на компаратор 7, который, в зависимости от полярности приложенного напряжения на входе, вьздает на своем выходе сигнал О или высокий логический уровень.

Блок синхронизации работает следующим образом.

В исходное состояние триггеры 18

40 код числа 28, то при прохождении на его счетный вход ста импульсов Т1 с выхода формирователя 2 тактовых импульсов на выходе двоичного счетчика 11 будет код числа ноль. Но такое

и 19 устанавливаются по сигналу

Сброс, поступающему по шине сброса 45 состояние кода на выходе двоичного

от внешнего блока при включении пита- счетчика будет всегда только при не-ния. В результате на выходе D-триггера будет сигнал О

а на инверсном выходе D-триггера 19 - сигнал Г

На выходе D-триггера по переднему фронту положительного импульса с выхода компаратора формируется импульс положительной полярно-сти.

Последовательность импульсов с выхода блока 8 синхронизации выдается на входы четвертого 9 и третьего 10 элементов И. В момент, когда на .входах элемента И 9 присутствует им50

55

изменной фазе первой гармоники суммарного сигнала на выходе датчика 5. Если вал датчика начинает вращаться, то, соответственно, и фаза первой гармоники сигнала датчика также будет изменяться (фиг. 3). Поэтому код числа на выходе счетчика будет также отличаться от кода нуля.

Если при изменении фазы на вход двоичного счетчика 11 поступит больше Ста импульсов (больше чем m импульсов) за период следования импульпульс положительной полярности с выхода блока синхронизации 8 и -импульс Т1 тактовой частоты с первого выхода формирователя 2 тактовых импуль- сов, на выходе формируется положи

тельный импульс. Таким образом, на выходе элемента И 9 будут появляться импульсы с периодом, равным периоду следования импульсов на выходе компаратора, т„е„ с периодом первой гармоники выходного сигнала датчика 5. Выходные импульсы элемента И 9 поступают на вход эаписк параллельного кода двоичного счетчика 11 и записы- вают в опорный двоичный счетчик такое число, чтобы после прохождения на него m тактовых импульсов,, поступающих с выхода формирователя 2 на счетный вход счетчика 11, в нем был бы код числа ноль. Как указывалось выще, делитель 3 частоты и формирователь 4 опорных импульсов-в сумме делят последовательность тактовых импульсов Т1 на 100. Счетчик 11 также

должен после подсчета ста импульсов

устанавливать на выходе код числа ноль. В общем случае двоичный счетчик может считать до 64, что ниже числа 100, или до 128, что выше числа 100, двоичный счетчик 11 должен быть выбран с объемом счета до 128i

В исходное состояние двоичный счетчик 11 устанавливается сигналом Сброс от внешнего блока при включеНИИ питания. Поэтому в исходном состоянии в счетчике 11 на выходах код числа ноль..

Если по входу параллельной записи записывать в счетчик 11 постоянно код

од числа 28, то при прохождении на его счетный вход ста импульсов Т1 с выхода формирователя 2 тактовых импульсов на выходе двоичного счетчика 11 будет код числа ноль. Но такое

состояние кода на выходе двоичного

50

55

изменной фазе первой гармоники суммарного сигнала на выходе датчика 5. Если вал датчика начинает вращаться, то, соответственно, и фаза первой гармоники сигнала датчика также будет изменяться (фиг. 3). Поэтому код числа на выходе счетчика будет также отличаться от кода нуля.

Если при изменении фазы на вход двоичного счетчика 11 поступит больше Ста импульсов (больше чем m импульсов) за период следования импульсов с выхода элемента И 9, то на выходе счетчика 11 будет код числа с нулем в старшем разряде (число,.близкое к нулю). Если при изменении фааы на счетный вход счетчика 11 поступит меньше ста импульсов (меньше, чем m импульсов), то на выходе счетчика 11 будет код числа с единицей в старшем разряде (число, близкое к числу 128). Импульс с выхода элемента И 10 перезаписывает сформированный счетчиком 11 код в реверсивный счетчик 12, Кроме того, одновременно импульс с выхода элемента И 10 по входу установки S установит на выходе D-триггера 16 сигнал высокого логического уровня. В исходное состояние счетчик 12 устанавливается по сиг- налу Сброс от внешнего устройства при включении питания. При этом на его выходах будет код числа Ноль,

Если на двоичный счетчик 11 за время между импульсами с выхода элемента И 9 на счетный вход поступило больше ста тактовых импульсов (Т 1), то в реверсивный счетчик 12 запишется отличное от нуля число с нулем в старшем разряде, Если на двоичный счетчик 11 за время между импульсами с выхода элемента И 9 на счетный вход поступило меньше ста импульсов то в реверсивный счетчик 12 запишется отличное от нуля число с единицей в старшем разряде. Выход старшего разряда реверсивного счетчика 12 подключен к входам первого 13 и второго 14 элементов И.

Особенностью элемента И 14 является то, что первый его вход является инверсным. D-триггер 16, установленный на выходе элементом И 10 в состояние 1 будучи подключенным к входам элементов И 13 и 14, разре- шает прохождение сигналов Т1. В исходном состоянии на выходе D-тригге- |ра 16 установлен логический потенциал по входу сброса.

При отрицательном перемещении фазы (фиг. 4), когда старший раадяд реверсивного счетчика 12 установлен в l, импульсы Т1 через элемент И 13 поступают на суммирующие входы реверсивных счетчиков 12 и 15. В момент формирования реверсивным счетчиком 12 импульса Р1 положительного переноса на выходе D-триггера 16 запишется по входу С синхронизации

5

0

5

0

5

0

сигнал О, Элементы И 13 и 14 закрываются.

При положительном перемеш,ении фа- ., зы, когда в старшем рдзряде -реверсивного счетчика 12 записан ноль (фиг,5), импульсы Т1 будут проходить через элемент И 14, так как первый вход этого элемента инверсный. Таким образом, импульсы Т1 поступают на вычитающие входы реверсивных счетчиков , 12 и 15 до момента изменения в реверсивном счетчике 12 старшего разряда с состояния О в состояние 1. Появление логической единицы в старшем разряде реверсивного счетчика 12 запретит прохождение импульсов Т1 через элемент И 14.

В то же время 1, пришедшая с выхода старшего разряда реверсивного счетчика 12 на вход элемента И 13, разрешит прохождение импульсов Т1 через этот элемент И, так как на выходе D-триггера 16 остается пока сигнал высокого логического уровня.

Первый прошедший импульс Т1 через элемент И 13 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 12, Так как в этом счетчике при вычитании были установлены в единицу выходные разряды, в том числе и старший, это вызовет появление импульса положительного переноса, который сразу же сбросит D-триггер 16, установив его .выход в состояние О, и тем самым прекратит прохождение импульсов Т1 через элементы И 13 и 14 до тех пор, пока элементы И 10, выход D-триггера 16 не будет обратно установлен в состояние 1, а

5

следовательно, при положительном перемещении фазы на суммирующий вход счетчика 12 успеет пройти всего один импульс Т1. Так как при .работе реверсивного счетчика 12 в режиме вычитания через элемент И 14 проходит импульсов Т1 на один больше, чем фазовое перемещение, пока старший разряд установится в единицу, то прошедший импульс Т1 через элемент И 13 скомпенсирует этот импульс. Б результате в реверсивном счетчике 15 будет находиться код, соответствующий реальному перемещению фазы., При нуле- 5 вом перемещении фазы через каждые из элементов-И 13 и 14 будет проходить по одному импульсу. Выходные импульсы из элементов И 13 и 14j образующие число-импульсный код переме0

91

щения фазы сигнала датчика, подаются на реверсивный счетчик 15, накапли- вающий данные о перемещении. По сигналу управления от внешнего блока значение кода из счетчика 15 переписывается в выходной регистр 1 7. После записи кода Б регистр 1 7 в реверсивный счетчик 15 под управлением от внешнего блока записывается по входам параллель ной записи код нуля и счетчик 15 готов для накопления новых данных о перемещении. Срыв слежения не происходит так как время перезаписи кода из счетчика 15 в регистр очень мало. В исходное состояние реверсивный счетчик 15 и выходной регистр 17 устанавливаются по сигналу Сброс от внешнего блока при включении питания При этом счетчик.15 и выходной регистр 17 обнуляются.

Измеренный угол поворота вала привода в дискретах

utpa ш.п -щг

m

де угол поворота вала привода в градусах ;

m - число дискрет на шаг фазового датчика (на полное изменение фазы)j utfg - сдвиг фазы первой гармоники сигнала датчикаj

п - -коэффициент редукцииj указывающий сколько раз произойдет полное изменение фазы датчика при повороте вала двигателя на 360

N - измеренный угол поворота вала привода в дискретах. Возможность накопления данньгх в виде кода о перемещении за определенные промежутки времени позволяет увеличить допустимые скорости измерения перемещений, уменьшает вероятность срыва слежения. Полученные данные о перемещении в виде двоичного кода позволяет использовать в качестве внешнего блока ЭВМ.

Формула изобретения

1, Устройство для числового программного управления, содержащее генератор тактовой частоты, делитель частоты, выход которого соединен с информационным входом формирователя опорных сигналов, подключенного выходами к статорным обмоткам датчика

9

10 .

перемещения, и усилитель, а также первый и второй элементы И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого реверсивного счетчика импульсов,- отличающееся тем что, с целью повышения точности и скорости слежения за перемещением объекта, в устройство введены двоичный счетчик импульсов, второй реверсивный счетчик импульсов. D-триггер, регистр

формирователь тактовых импульсов, компаратор, блок синхронизации третий и четвертый элементы И, выход генератора тактовой частоты соединен с входом формирователя тактовых импульсов, первый выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, второй выход - с информационным входом делителя ч&стоты, с суммирующим входом двоичного счетчика, с первым входом блоки синхронизации, с первыми входами четвертого,

первого и второго элементов И, вторые входы первого и второго элементов И подключены к выходу D-триггера, третьи входы - к выходу старшего разряда второго реверсивного счетчика импульсов, и выходы - к суммирующему и вычитающему входам второго реверсивного счетчика импульсов соответственно, информационные входы которого соединены с информационными выходами двоичного счетчика импульсов, L-ВХОД которого соединен с выходом четвертого элемента И, второй вход которого подключен к выходу блока синхронизации и к второму входу третьего элемента И, выход которого соединен с S-входом D-триггера и с L-входом второго реверсивного счетчика импульсов, выход переноса которого соединен с С-входом D-триггера, R-вход которого соединен с установочным входом первого и второго реверсивных счетчиков, регистра, блока синхронизации и с входом сброса устройства для числового программного управления, вход управления которого подключен к управляющим входам первого реверсивного счетчика импульсов и регистра, информационные входы которого соединены с выходами первого реверсивного счетчика импульсов, а выход усилителя соединен с входом компаратора, соединенного выходом с вторым входом блока синхронизации, а выходы регистра являются выходами устройства.

/

111352459

2. Устройство по п. 1, о т л и- вого триггера, R-вход которого- соечающееся тем, что блок синхронизации содержит инвертор, первый и второй триггеры, инверсный выход второго триггера подключен к выходу блока синхронизации и к 5-входу пери

динен с R-входомвторого триггера и с входом сброса блока синхронизацииj подключенного первым врсодом к С-вхо- ду первого триггера, а вторым входом - к входу инвертора.

срае.2

7/

I П iIГ Т1

/7

12

Знан

12

tr

hm Г1

/foffO

/

i

CffO)ffe.

I Stiiffijfrt. n.

CSfloc

10

16

12

/J

7Z3 5678 9 rO

njlLLLUI

12

фи&. 4

J3

-f

I

t

/У-/ /Y M

Изобретение, относится к области автоматического управления и предназначено для использования в системах программного управления металлорежущими станками. Цель изобретения - повышение точности и скорости слежения за перемещением объекта. Устройство для числового программного управления содержит генератор тактовой частоты 1, формирователь тактовых импульсов 2, делитель частоты 3, формирователь опорных сигналов 4, датчик перемещения 5, усилитель 6, компаратор 7, блок синхронизации, элементы И 9, 10, двоичный счетчик импульсов 11, реверсивные счетчики импульсов 12, 15, элементы И 13, 14, D-триггер 16, регистр 17. Возможность накопления данных в виде кода о перемещении за определенные промежутки времени позволяет увеличить допустимые скорости измерения перемещений, уменьшает вероятность срыва слежения о 1 з.п. ф-лы,. 8 ил. S ОО сл ю 4 СП CD

C$pgc

w

12

16

/3

т

1 8 H-1 H H+1

inillM i i

JZ

фие.5

ЗГ

21

Г

71

22

С§.

TZ

Г4

С5 J

3

дел

СЬ

(риг. 6

26

26

Ф1

«С

R

J}

2Q

Ф1

77

фиг7

С5рос

.

4

Sffe.

Ф/

ф2

Т

Редактор М.Циткина

Составитель И.Швец Техред А.Кравчук

Заказ 5565/47

Тираж 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

./

t

фиг.8

Корректор. С.Шекмар