Устройство для программного управления шаговым двигателем Советский патент 1990 года по МПК G05B19/40 

Изобретение относится к автоматике и вьпшслительной технике и предназначено для управления шаговым приводом станков и оборудованием с числов-1М программным управлением.

Целью изобретения является повышение плавности движения шаговогод;зигателя и улучшение энергетических показателей устройства.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для программного управления шаговым двигателем; на фиг.2схема оптронной развязки, соединенной с демодулятором; на фиг.З - схе-.. ма порогового элемента; на фиг,4 временные диаграммы тока обмотки и диаграммы напряжения порогового элемента, элементов задержки в режиме фиксированной стоянки в режиме движения; на фиг.5 - временные диаграммы, иллюстрируюпсие работу т1иЛрового регулятора амплитуды в характерных точт ках устройства; на фиг.6 - таблица, иллюстрирующая прин1у1п программирования постоянного запоминающего уст|ройства преобразователя кода. Устройство для программного управления шаговым двигателем содержит блок .1 задания программы, распределитель 2 импульсов, каналы 3 управления обмотку 4 управления, датчик 5 тока, источники 6 и 7 питания, генератор 8 прямоугольных импульсов, двоичный счетчик 9, реверсивный счетчик 10, преобразователь 11 кода, тщЛровой регулятор 12 амплитуды,, п-разрядньй сумматор 13, элементы ИЛИ.и-17, элементы НЕ 18, 19, элементы И-НЕ 20-23, а также блок 24 оптронной развязки, демодулятор 25, Лороговой элемент 26, элементы 27, 28 задержки, ключи 29, 30,демпфирующие диоды 31, 32. Пороговьш элемент 26 содержит компаратор 33,.резисторы 34-36. Блок оптронной развязки содержит оптрон 37, установочные резисторы 38 и 39. Демодулятор содержит усилитель 40,- 5 резистор 41 установки, первый 42 и второй 43 конденсаторы, резисторы 44-46. БЛОК 1 задания программы вьтолнен, например, на базе микропроцессора 20 КР 580ВМ80А или типа ЭВМ Электроника бОМ, предназначен для задания скорости и величины перемещения шагового двигателя, а также задания амплитуды |тока в режимах фиксированной стоянки, движения на ш-1зкой или высокой скорос ти с малой или номинальной нагрузкой, зада.ния темпа разгона и торможения при состветствующем кратковременном увеличении амплитуды тока выше HoMii-. нального значения. Блок 1 задания программы выходами соединен .с соответствую цим11 входами распределителя 2 импульсов, причем на первый вход поступает, последовательность импульсов, на второй вход сигнал о направлении движения и на группу входов - код, задающий амплитуду тока в обмотках.4 управления шаговым двигателем. Распределитель 2 импульсов осуществляет преобразование информащ1и, иду щей с выходов блока 1 задания програм мы, в кодоимульсные модулированные сигналы (КИН) на выходе распределтгге ля 2. Эти сигналы поступают на вход соответствующего каната 3 управления Каналы 3 управлега1я предназначены дл преобразования ЮШ-сигналов в аналоговый сигнал, в соответствии с которым формируется ток синусно-кос.инусной формы в обмотках 4 шагового двигателя. Каналы управления Питаются от источников 6 и 7 питания, выполненных по схеме, имеющей общую тину. Распределитель 2 импульсов (фиг.1 состоит из генератора 8 прямоугольных импульсов, -«аботающего с часто158 . , двоичного счетчика 9, реверсивного счетчика 10, преобразователя 11 кода, выполненного на ПЯУ и иц1фрового регулятора 12 амплитуды. Таблица, иллюстрирующая принцип программирования ПЗУ преобразователя 11 кода, представлена на фиг.6. С помощью генератора 8, двоичного счетчика 9, реверсивного счетчика 10 и преобразователя 11 кода осуществляется преобразование поступающей на счетный вход реверсивного счетчика 10 последовательности импульсов в широтно-импульсныемодулированные (ИПМ) сигналы на обоих выходах преобразователя 11 кода, частота которых определяется частотой генератора 8 и числом разрядов счетчика 9. ПИМ-сигналы с первого и второго выходов преобразователя 11 кодов поступают на соответствующие входы цифрового регулятора 12 амплитуды, который осуществляет кодоимпульсную модуляцию ПТМ-сигналов, поступаю1цих с преобразователя 11 кода в зависимости от кода, задающего амплитуду тока в обмотках 4 управления и поступающего с группы выходов блока 1 задаютя программы. Схема регулятора 12 (фиг.1) содержит разрядный сумматор 13, элементы ИЛИ 14 - 17, элементы НЕ 18,19, элементы И-ПЕ 20 - 23 с открытым коллектором., включенные по схеме составного ИЛИ. Представление информации в кодоимпульсной форме позволяет управлять соответствующем каналом 3 управления вс( го лишь по одной сигнальной цепи. Каждый канал 3 управления содержит последовательно соединенные блок 24 оптронной развязки, демодулятор 25 (фиг.2)и пороговый элемент 26 (фиг.3), выход которого через элементы 27, 28 задержки соединен соответственно с управляюищми входами первого 29 и второго 30 ключей, зашунтированных демпфирующими диодами 31, 32, Второй вход порогового элемента 26 соединен с датчиком 5 тока. Демодулятор представляет собой активньш фильтр нижних частот с передаточной функщшй второго порядка. Пороговый элемент 26 (фиг.З) содержит компаратор 33 и резисторы3436, обеспечивающие необходимые для; работы данного устройства пороги срабатывания и, следовательно, частоту коммутрлщи ключей 29 30 и точность воспроизведения за.пйккой формь тока Б обмотках шагового двигателя, Элс-.менть: 27 и 28 задержки нсключают сквозные токи через ключи 29 и 30 в моменты их переключения (частота переключения ключей 21, 22 - 12-30 кГц). Демпфирукитие диоды 31 и 32 служат для рекуперации энергии, обусловлен ной ЭДС самоиндукции при размыкании ключей 29 и 30, Каж.ый канал 3 управления осущест вляет преобразование кодоимпульсных управляющих сигналов, идущих с выходов распределителя 2 через блок 24 оптронной развязки, с помощью демодулятора 25 (фиг.2) в аналоговый сигнал, который поступает через резистор R1 (фиг.З) на первый вход (резистор R1) порогового элемента 26, выходное напряжение Которого может приниматьлибо положительное (+1) либо отрицательное (минус 1) значения и соответственно включать через элементы 27 и 28 задержки либо первый ключ 29 либо второй ключ 30, подключая обмотку 4 щагового двигателя к источнику 6 питания (+U ) либо к источнику 7 питания (минус и) с такой частотой, чтобы среднее значение тока в обмотке соответствовало уровню сигнала на выходе демодулятора 25. Устройство работает следующим образом. При включении питания выходы счетчика 9 и реверсивного счетчика 10 устанавливаются в одно из состояний, начинает работать генератор 8, с выхода которого на счетный вход счетчика 9 поступают прямоугольные импульсы. При этом с выхода счетчика 9 поступают сигналы на входы сумматора 13 и адресные входы а-а преобразователя 11 кода, на выхода которого формируются широтно-импульсные сигналы (rFHM) в зависимости от состоя ния адресных входов а .- а,, (см.таблицу программирования ПЗУ на фиг,7), После включения питания состояния адресных входов а - а может быть любым. Эти сигналы поступают затем на вхо ды логических элементов цифрового регулятора 12 амплитуды, с помощью которого осуодествляется квантование во времени в зависимости от состояния входов В, - В, сумматора 13, на кото18 рых задается код с группы выходов блока 1 задания програм ть, определя 1ЦИЙ амплитуду тока в обмотке 4 шагового двигателя. После включения гштания этот код соответствует режиму фиксированной стоянки. На входы А сумматора 13 постугают сигналы с двоичного счетчика 9 (млад1иие разряды). При этом с выхода переполнения сумматора 13 снимаются единичные импульсы с частотой f, и шириной, пропорционально выставленному коду на входе В i- В сумматора 13. Этот сигнал поступает на вход элемента 14 и через элемент НЕ 19 - на вход элемента 15. Работа элементов цифрового регулятора 12 иллюстрируется диаграммой, представленной на фиг. 5. Сигналы q и е, являющиеся выходными сигналами распределителя 2 импульсов, поступают на соответствую1цие входы каналов 3 управления и далее через оптронную развязку 24 на вход демодулятора 25,, которьй преобразует кодоимпульсньгй модулированньш сигнал в аналоговый. Допустим, что после включения питания состояние выходов блока 1 задания программы соответствует режиму фиксированной стоянки и с первого выхода распределителя 2 снимается кодоимпульсньгй сигнал, соответствующий аналоговому напряжению. U на выходе демодулятора 25. I Тогда в момент t пороговый элемент 26 по сигналу на его первом входе устанавливается в состояния +1. При этом через элемент 27 задержки включается ключ 29 и замыкается цепь от источника 6 питания (+U ) через ключ 29, обмотку 4 и датчик 5 тока на общую тину питания С датчика 5 тока, на второй вход порогового элемента 26 (резистор 23) снимается напряжение, пропори ональное току. Как только ток в направлении 23 /di нарастает до значения 1+ --выходное напряжение порогового элемента 26 изменится на значение минус I, При этом ключ 29 выключается, ЭДС самоиндукции подключается через демпфирукиций диод 32 к источнику 7 пита- ния (минус и). Ток в обмотке 4 начинает спадать. При включении через элемент задержки ключа 30 подготавливается цель протекания тока по обмотке шагового двигателя в другом направлении 34, При достижении током значения I - --iвыходное напряжение порогового элемента 26 изменяется на значение +1, отключается ключ 29 и ерез элемент 27 задержки включается ключ 29, ток опять будет нарастать.Процесс многократно повторяется с частотой, определяемой параметрами обмотки (индуктивностью L и активным сопротивлением R, а также величиной напряжения источников 6 и ,7 питания, сопротивлением резисторов R 1, R 2, R 3 порогового элемента 26 и временем задержек на включение ключей 29 и 30), Среднее значение тока I определяет ся уровнем сигнала на выходе демодулятора 25, который преобразует кодЬимпульсный сигнал управления, идуп(ий от распределителя 2 через оптронную развязку 24 в зависимости от сигнала с выхода старшего разряда счетчика 9 и широтно-имульсного сигнала (МИМ), поступающего с обеих выходов преобразователя 11 кода. В режиме движения (с момента t, фиг.4) по частотному входу счетчика 1 с первого выхода блока 1 задания программы подается последовательность импульсов,- частота которых определяет скорость вращения двигателя, а заданное число импульсов определяет заданньй угол поворота. I Одна группа выходов (старшие разряды) счетчика 9 соединена с адресны ми входами а,, - я, преобразователя 11 кода, а выходы реверсивного счетчика 10 соединены с другой группой адпреобразоватересных входов а jля 11 кода. Выходными сигналами прео разовател 11 кода являются ШТМ-сигна лЫр изменяюиц еся по закону синуса и косинуса, которые воздейстуют на циф ровой регулятор 12 амплитуды. Второй выход блока 1 задания программы упра ляет направлением движения шагового двигателя. При поступлении импульсов с перво го выхода блока 1 задания программы на счетный вход счетчика 10 происходит изменение управпягощего сигнала н первом выходе распределителя 2 импул сов по закону синусар что приводит к соответствующему изменению напряжения на вьЕходе демодулятора 25, к изменению режима коммутации ключей 29 и 30 и, следовательно, к изменению значения тока в обмотках 4 шагового двигателя .. Процесс изменения состояния порогового элемента 26 ключей 29, 30 и тока в -обмотке 4 шагового двигателя иллюстрируется диаграммой, представленной на фиг.4. Работа другого канала 3 аналогична рассмотренному процессу коммутации элементов и формирования тока в обмотке 4 , с той разницей, что этот канал подключен к второму выходу распределителя 2, на котором формируется кодоимпульсный сигнал по закону косинуса. Блок 1 задания программы, группа выходов которого соединена с группой входов сумматора 13 задает, как отмечалось ранее, код амплитуды тока в обмотках 4 шагового двигателя, По этим входам программируется уровень токов в обмотках 4 в режиме фиксированной стоянки, в режиме движения на низкой скорости с малым моментом нагрузки. В этих случаях двигатель потребляет пониженную мощность. В режимедвижения с номинальной нагрузкой амплитуда тока должна быть повьаиена до номинальной, что доститается соответствую1цим изменением кода на входах В - В сумматора 13. В режиме, программного разгона для уменьшения времени разгона следует кратковременно увеличить амплитуду токя выше номинального значения, что также достигается изменением кода на входах В - В сумматора 13. Кратковременное увеличение амплитуды тока не вызовет перегрузки двигателя . Таким образом, использование устройства за счет формирования токов в обмотках управления по синусно-косинусному закону позволяет повысить плавность движения и динамическую устойчивость шагового двигателя, Регулирование амплитуды токов обеспечивает пониженное потребление энергни в режимах фиксированной стоянки и /три движении на низкой скорости с малой нагрузкойS что улучшает энергетическ1-1е показатели шагового двигателя. R режиме разгона устройство позволяет делать программную форсировку то ка путем кратковременного увеличения амплитуды тока выше номинального знаг чения. Кроме того, применение оптронной развязки увеличивает помехозащищенность устройства. Формула изобретения Устройство для программного управ ления шаговым двигателем, содержащее блок задания программы, управляющий и информатщонный выходы которого сое динены с соответствуюгакми входами рас пределителя импульсов, состоящего из реверсивного счетчика, информационные выходы которого подключены к первой группе адресных входов преобразователя кодов, счетньй вход реверсивного счетчика соединен с информационным входом распределителя импульсов, а вход направления счета - с его управляюсим ВХОДОМ;, первый и второй выходы распределителя импульсов подключены к входам соответствующих каналов управления, каждый из которых пер вым, вторым и третьим выходами соединен соответственно с первым и вторым источниками питания и с началом обмотки управления шагового двигателя и содержит два ключа, пороговый элемент, датчик тока и два элемента задержки, отл ича юще е ся тем, что, с целью улучшения энергети ческих показателей и повьшения плавности- движения шагового двигателя, в каждый канал управления введены элемент оптронной развязки, два демпфирующих диода, демодулятор, вход которого через элемент оптронной развя ки соединен с входом канала управления, выход - с первым входом порогового элемента, второй вход которого гподключен к концу обмотки управления а выход - к входам первого и второго элементов задержки, выходы которых . подключены соответственно к управ /яЮ1ЧИМ входам первого и второго ключей параллельно каждому из которых включен соответствующий демпфирующий диод, обгаий вывод, ключей соед1тнен с третьим выходом канала управления, а свободные выводы ключей образуют первый и второй выходы, причем распределитель импульсов дополнительно содержит генератор прямоугольных импульсов двоичный счетчик, п-разрядный сумматор, четыре элемента И.ПИ, два элемента НЕ, четыре элемента И-НЕ, причем счетный вход двоичного счетчика соединен с выходом генератора импульсон, первая группа выходов которого соединена с второй группой адресных, входов преобразователя кода, первая группа входов сумматора соединена с группой входов распределителя импульсов, с которой соединена группа соответствующих информационных выходов блока задания программ, вторая группа входов сумматора соединена с второй группой информа1у онньгх выходов двоичного счетчика, выход переполнения сумматора соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого через первый элемент НЕ соединен с первым входом второго эло 1ента ИЛИ, второй вход которого через второй элемент НЕ соединен с первым входом первого элемента ИШ, выходом соединенного с первыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с перв.ыми входами первого v(. третьего элементов И-НЕ, вторые входы которых объединены и соединены с входом первого элемента НЕ, а выходы первого и второго элементов И-НЕ .соединены соответственно с первым и вторым выходами распределителя ипульсов, при этом второй вход второго элемента ИЛИ соединен с выходом старшего разряда двоичного счетчика, первый выход преобразователя кода соединен с вторыми входами третьего элемента ИЛИ и второго элемента И-НЕ, второй выход преобразователя кода соединен с вторьп-м входами четвертого элемента ШШ и четвертого злемента И-НЕ, выход второго элемента ИЛИ соединен с первыми входами второго и четвертого элементов И-НЕ.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для управления тяговым приводом станков и оборудования с числовым программным управлением. Цель изобретения - повышение плавности движения шагового двигателя и улучшение энергетических показателей устройства. Устройство для программного управления тяговым двигателем содержит блок задания программы, распределитель импульсов, цифровой регулятор амплитуды, каналы управления, источники питания, обмотки управления. Сущность изобретения заключается в том, что в обмотках управления формируется ток синусно-косинусной формы с регулируемой на нескольких уровнях амплитудой. Для этого информация, идущая от блока задания программы в виде последовательности импульсов и кода, в распределителе импульсов из широтно-импульсного сигнала на основе квантования по времени преобразуется в кодоимпульсную форму. 6 ил.

25

Z4

VI 4

57

J Л.Т VV .

(ZH-d}

5

R2

JT

bt

Uy . |7 R4 ±,

КК15л.

IS

46

I

1

Фиг. 5

35- Rl

5л.21,28

36RS К5л.5

Ш„

LEJl