Устройство для программного управления четырехфазным шаговым двигателем Советский патент 1991 года по МПК G05B19/40 

- { ff г/

(Л

с

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для управления станками, оснащенными шаговыми двигателями с ненасыщенными магнитными системами. Целью изобретения является упрощение схемы и уменьшение потребляемой энергии. Устройство содержит четыре мультиплексора 4 на 1 1.171.4, фазные обмотки 2.1-2.4 шагового двигателя, мультиплексоры Зп на 1, 3.1, 3.2, реверсивный двоичный счетчик 4, группу элементов И, дешифратор 6, нереверсивный счетчик 7. 6 ил.

2.3

ОЭ 4ь СО СП

со

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для управления станками, оснащенными шаговыми двигателями с насыщенными магнитными системами.

Цель изобретения - упрощение устройства и уменьшение потребляемой энергии.

На фиг. 1 представлена функцио- нальная схема предлагаемого устройств для общего случая, когда коэффициент дробления шага равен , где п 2,4,6,,.., - четное число; на Фиг, 2 - то же, когда п 1,3,5,.,, - нечетное число; на фиг. 3 и 4 - то же для конкретных случаев выполнения схем, когда соответственно Кдр 6() И (); на фиг. 5 и 6 временные диаграммы формируемых фаз- ных токов и номограммы результирующих моментов для случаев соответственно () и ().

Предлагаемое устройство содержит с первого 1.1 по четвертый 1.4 муль- типлексоры 4 на 1, выходы которых подключены соответственно (непосредственно или через ключевые усилители мощности) к фазным обмоткам 2.1-2.4 шагового двигателяf первый 3.1 и вто- рой 3,2 мультиплексоры Згс на 1, реверсивный двоичный счетчик 4, группа

|элементов И 5.1-5. (4п-3) при четных , п и И 5.1-5.(4п-2) при нечетных п, дешифратор 6 и двоичный счетчик 7.

В общем случае число элементов И при четном п равно 4п-3, а при нечетном - 4п-2, Число выходов дешифратора б выбирается равным 4п, Коэффициент пересчета счетчика 7 равен 4n, а число его выходных разрядов (и число входов управления дешифратора 6) определяется выражением 1 Коэффициент пересчета младших разрядов счетчика 4 равен Зп, число этих разрядов определяется выражением , Число информационных входов каждого из мультиплексоров 3,1 и 3.2 также равно Зп, а число их адресных входов определяется выражением , Коэффициент дробления шага выражается формулой , где 2,3,,... 1

Предлагаемое устройство работает следующим образом. . высокочастотная тактовая последовательность непрерывно поступает на вход нереверсивного двоичного счетчика 7. В результате этого на выходах

дешифратора 6 периодически формируются кодовые комбинации с одним нулем и 4п-1 единицами, а на выходах элементов И 5 - прямоугольные высокочастотные сигналы со скважностью

4n-2, 4п-3,.,,, 3

-±А ., г -- „ при чет- 4п 4п чп 4п

4п-2, 4п-3,

ных п и со скважностью --. т

4п 4п

при нечетных п.

...,

т

1

-Т

т

Эти сигналы, а также сигналы с первого выхода дешифратора 6 со скважность

4п-1

;- поступают к соответствующим информационным входам мультиплексоров 3.1 и 3,2.

Исходным является состояние, при котором реверсивный двоичный счетчик 4 находится в нулевом состоянии. На все управляющие входы мультиплексоров 3.1, 3.2 и 1.1-1.4 со всех выходов старших и младших разрядов реверсивного счетчика 4 поступают нулевые потенциалы и выбираются их первые информационные входы. Присутствующий на первом информационном входе мультиплексора 3.1 высокочастотный сигнал со

скважностью т- при четных п и --,- 4п4п

при нечетных и через выход мультиплексора 3,1 поступает к первому входу мультиплексора 1,3 и далее через его выход к третьей фазе 2.3 шагового двигателя. В результате интегрирования высокочастотных сигналов в индуктивности через третью фазу 2.3 двигателя проте2 1И

кает ток величиной

4п

при четных

п и

4П

при нечётных п, где 1ц номинальный (максимальный) ток в фазе. Одновременно с этим единичный логический потенциал через первый информационный вход и выход мультиплексора 3.2 поступает к первому информационному входу мультиплексора 1.2, Далее этот потенциал через выход мультиплексора 1,2 прикладывается кЈ второй фазе 2,2 двиг ателя, что приводит к установлению в ней тока номинальной величины 1. При этом через первые входы и выходы мультиплексоров 1,1 и 1.4 к фазам 2.1 и 2.4 прикладываются нулевые потенциалы, в результате чего токи в них отсутствуют. Этому исходному состоянию соответствует точка 0 на фиг, 56 и 66,

С поступлением первых Зп-1 низкочастотных тактирующих импульсов в счетчике 4 поочередно записываются,i. цифры 1f2,.,.,Зп-1. В результате этого поочередно выбираются с вторых по

Частота импульсов, подаваемых на

Зп-е информационные входы мультиплек- JQ шину Ј„, выбирается исходя из велисоров 3.1 и 3.2 и коммутируются соответствующие потенциалы и ЫИМ-сигналы. При этом в мультиплексорах 1.1-1.4 остаются выбранными первые информационные входы. Благодаря этому к фазам 2.2 и 2.3 двигателя поочередно поступают последующие ШИМ-сигналы, приводящие к протеканию через них соответствующих токов. Этим состояниям соответствуют точки 1-Зп-1 на фиг.56 и 66.

Последующий Зп-й низкочастотный тактирующий импульс устанавливает в нулевые состояния младшие разряды

чины электромагнитной постоянной времени данного двигателя так, чтобы при интегрировании индуктивностью обмоток высокочастотных ЫИМ-сигналов

15 пульсация тока не превышала допустимо го значения. А частота импульсов Јц выбирается в соответствии с требуемой скоростью вращения ротора двигателя. Как видно из фиг. 56 и 66,-распре20 деление вектора электромагнитного момента по полю достаточно близко к кру говому, что позволяет при управлении двигателем с ненасыщенной магнитной системой обеспечит равномерность отсчётчика 4 и формирует импульс перено-25 работки дробных шагов.

са для записи в старших разрядах этого счетчика единицы. Благодаря этому выбираются вторые информационные входы мультиплексоров 1.1-1,4 и первые информационные входы мультиплексоров 3.1 и 3,2. При этом фазы 2.1 и 2.2 находятся в обесточенном состоянии, через фазу 2,3 протекает номинальный ток Iu, а через фазу 2.4 - ток

Из фиг. 5а и 6а видно, что в каждом такте функционирования устройства под током находятся всего две фазы двигателя, что позволяет значительно 30 экономить потребяемую мощность от источника питания двигателя.

Формула изобретения

LH

У Ц при четных п и т-Ј чпчп

п. Этому положению двигателя соответствуют точки Зп на фиг. 56 и 66.

Этим завершается первая четверть цикла управления четырехфазным шаговым двигателем, в результате чего ротор отрабатывает дробных шагов величиной

Л - -°-С- °ЧР Зп

где 0(ос - основной (конструктивный) шаг двигателя,

Три последующие четверть-циклы работы устройства аналогичны первому четверть-циклу. Отличия заключаются только в том, что по старшим разрядам счетчика 4 поочередно выбираются последующие информационные входы мультиплексоров 1.1-1.4.

После завершения полного цикла функционирования устройства счетчик 4 полностью обнуляется и вся система

,с Устройство для программного управ- при нечетных ления четырехфазным шаговым двигателем, содержащее первый, второй, третий и четвертый мультиплексоры 4 на 1, выходы которых подключены к со40 ответствующим фазным обмоткам шагового двигателя, реверсивный двоичный счетчик импульсов, выходы двух старших разрядов которого подключены соответственно к управляющим входам муль45 типлексоров 4 на 1, а входы тактиро- и реверса соответственно явля-

ются входами низкочастотных импульсов ..

тактирования и реверса устройства,первый и второй мультиплексоры Зп на 1,

50 где п 1,2,3,..., - управляющие входы которых соединены соответственно с выходами младших разрядов реверсивного двоичного счетчика импульсов, двоичный счетчик импульсов, тактовый

55 вход которого является входом высокочастотных импульсов тактирования устройства, дешифратор, входы которого подключены соответственно к выходам двоичного счетчика импульсов, группу

устанавливается в нулевое исходное состояние,

Для обеспечения обратного направления вращения двигателя (реверсирования) меняется на обратный логический потенциал на входе Рев. счетчика 4.

Частота импульсов, подаваемых на

шину Ј„, выбирается исходя из величины электромагнитной постоянной времени данного двигателя так, чтобы при интегрировании индуктивностью обмоток высокочастотных ЫИМ-сигналов

пульсация тока не превышала допустимого значения. А частота импульсов Јц выбирается в соответствии с требуемой скоростью вращения ротора двигателя. Как видно из фиг. 56 и 66,-распределение вектора электромагнитного момента по полю достаточно близко к круговому, что позволяет при управлении двигателем с ненасыщенной магнитной системой обеспечит равномерность отИз фиг. 5а и 6а видно, что в каждом такте функционирования устройства под током находятся всего две фазы двигателя, что позволяет значительно 30 экономить потребяемую мощность от источника питания двигателя.

Формула изобретения

лем, содержащее первый, второй, третий и четвертый мультиплексоры 4 на 1, выходы которых подключены к соответствующим фазным обмоткам шагового двигателя, реверсивный двоичный счетчик импульсов, выходы двух старших разрядов которого подключены соответственно к управляющим входам мультиплексоров 4 на 1, а входы тактиро- и реверса соответственно явля-

ются входами низкочастотных импульсов - .. 1

тактирования и реверса устройства,первый и второй мультиплексоры Зп на 1,

где п 1,2,3,..., - управляющие входы которых соединены соответственно с выходами младших разрядов реверсивного двоичного счетчика импульсов, двоичный счетчик импульсов, тактовый

вход которого является входом высокочастотных импульсов тактирования устройства, дешифратор, входы которого подключены соответственно к выходам двоичного счетчика импульсов, группу

8

1649513

типлексора Зп на 1, выходы (п-Н)-го, , (п+2)-г о,..., (4п-5)-го, (4п-3)-го элементов И при четном п соединены соЗп-2. /Зп-4,

, -j-v-м,...,

вторым, первым информационными входами первого ..мультиплексора Зп на 1

-)-м, ()-м,..., (Зп-2)-м,

элементов И, первый вход первого из которых соединен с первым выходом дешифратора, первый вход каждого последующего элемента И соединен с выхо- 5 ответственно с ( дом предыдущего элемента И,вторые входы с первого по последний элементов И соединены соответственно с выходами дешифратора, начиная со второго, отличающеес я .тем, что, Ю и с (™ с целью упрощения устройства и умень- шения потребляемой энергии, первый вы-. п.м информационными входами вто- ход дешифратора при четном п соеди- ; рого .,3п на & вы

ходы (п+и-то, (п+2)-го,...,(4п-4)-го, 15 (4п-2)-го элементов И при нечетном п

с (у )-м информационным входом второго/

мультиплексора Зп на 1, а при нечет5п-1

. нен с ()-M информационным входом

первого мультиплексора Зп на 1 и с ,п+2

| соединены соответственно

Зп-К /Зп-1.

-J-)-м, )-м,,.., вторым, перJQ вым информационными входами первого мультиплексора Зп на 1 и с

,3п+3ч ,3n+5N... ч

(-л)-м, (-я-)-м,..., (Зп-1)-м, Зп-м

25 информационными входами второго мультиплексора Зп на 1, при четном п с

/5пч

(-J/то по

Зп-й информационные вхоном п соединен с ()-м информационным входом первого мультиплексора

Зп на 1 и с (-тр)-м информационным

входом второго мультиплексора Зп на

1, выходы первого, второго,,..,(п- -2)-го, (n-l)-ro элементов И при четном п соединены соответственно с ,5п-4ч /5п-6ч ,Зп+2 , (-2)м (-2 м-2- М

(2|)-м информационными входами перво- 35 информационные входы первого мультип- го мультиплексора Зп на 1 и с лексора Зп на 1 и с первого по

(-я-)-й информационные входы второго

мультиплексора Зп на 1 соединены с 40 шиной единичного логического уровня, Зп-и информационный вход второго мультиплексора Зп на 1 при четном п соединен с шиной нулевого логического

ды первого мультиплексора Зп на 1 30 и с первого по Сп/2)-й информационные входы второго мультиплексора Зп на 1,

Су, . Л,

а при нечетном п с (-я-)-го по Зп-й

лн-4 ч /п+6ч ,Зп-2 (2-)-м (-2)-м,...,(

/Зп

(т-)-м информационными входами второго мультиплексора Зп на.1, а при

уровня, выход первого мультиплексора

нечетном п соединены соответственно Зп на 1 соединен с третьим, четверО -н. (5),....(2S«). ,

/Зп+КР°в 4 на 1, выход второго мультиплек(-j-)-м информационными входами пер- 50 сора н3п на соединен с четвертЫМ(

вого мультиплексора Зп на 1 и с первым, вторым, третьим информационны„ « ми входами соответственно первого,

(ЈЈ-)- , ( ,,,.,()- , ( 2- )-м второго, третьего, четвертого мультиплексоров 4 на 1, остальные информаинформационными входами второго муль- 55 ционные входы которых соединены с шиI ной нулевого логического уровня.

8

вторым, первым информационными входами первого ..мультиплексора Зп на 1

-)-м, ()-м,..., (Зп-2)-м,

ответственно с ( и с (™ п.м информационными входами вто- рого .,3п на & вы

с

соответственно

/Зп-1.

)-м,,.., вторым, перJQ вым информационными входами первого мультиплексора Зп на 1 и с

,3п+3ч ,3n+5N... ч

(-л)-м, (-я-)-м,..., (Зп-1)-м, Зп-м

25 информационными входами второго мультиплексора Зп на 1, при четном п с

/5пч

(-J/то по

Зп-й информационные входы первого мультиплексора Зп на 1 и с первого по Сп/2)-й информационные входы второго мультиплексора Зп на 1,

Су, . Л,

а при нечетном п с (-я-)-го по Зп-й

уровня, выход первого мультиплексора

Зп на 1 соединен с третьим, четвертым, первым и вторым информационными входами соответственно первого, второго, третьего, четвертого мультиплексо4

;.;

4%/&2

п-печатный

J/,

0 Ъ

ft

0

Ъ

о

t

ЖФ

Фиг. 5

-f

фае.д