Устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага Советский патент 1982 года по МПК H02P8/22 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления с шаговыми дв гателями, и может быть использовано в дискр ных системах автоматического управления. Известно устройство для управления шагов двигателемс дроблением шага, содержащее бл задания программ, коммутатор, несколько сум маторов счетчиков и триггеров, подключенных к фазным обмоткам шагового двигателя 1. Недостатками этого устройства являются сложность и большой объем аппаратуры. Наиболее близким к изобретению по техни ческой сущности является устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, -содержашее распределитель импульсов, связанный выходами со входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, кольцевой регистр сдвига, реверсивный счетчик, триггер управления, шины установки в исходное состояние и реверсирования и две группы двухвходовых элементов И, первая из которых подключена первыми входами к выходам распределителя импульсов, а выходами - к входам усилителей мощности, а вторая группа элементоэ И соединена выходами с входами каждого разряда кольцевого регистра сдвига, первыми входами - с выходами каждого разряда реверсивного счетчика, а вторыми входами - с выходом одновибратора, связанного своим входом со счетным входом реверсивного счетчика и с прямым выходом триггера управления 2. Однако у этого устройства низкая надежность, обусловленная возможностью случайного нарушения синхронности (синфазности) потактного функционирования между реверсивным счетчиком, распределителем импульсов и реверсивным делителем частоты при воздействии помех, что может привести к полному нарушению нормальной работы всего устройства. Кроме того, это устройство имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку обеспечивает отработку только дробных шагов шагового двигателя. Цель изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено элементом контроля состоя3:964ния реверсивного счетчика, двухв ходовым элементом ИЛИ, инвертором, тремя дополнительными двухвходовыми элементами И, двумя двухвходовыми элементами И-НЕ и элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключенным Выходом к одному входу первого дополнительного элемента И, соединенного выходом с тактовым входом распределителя импульсов, а вторым входом - с инверторным выходом, триггера уп равления, входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключены к прямым выходам первого и последнего разрядов реверсивного счетчика, соединенного выходами всех разрядов с входами элемента контроля, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, соединенного вторым входом с шиной установки в исходное состояние, а выходом - с входами установки в исходное состояние кольцевого регистра сдйига, реверсивного счетчика, триггера управления и первыми входами второго и третьего дополни тельных элементов И, связанных вторыми входа ми с шиной реверсирования, один непосредствен но, а другой через инвертор, выходы этих элементов И подключены к входам распределителя импульсов, причем первые входы обоих элемен тов И-НЕ подключены к прямому и инверсно;му выходам одного разряда кольцевого регистра сдвига, а выходы - к вторым входам основных элементов И первой группы, взятых через один. Такое выполнение устройства позволяет, вопервых, повысить надежность путем введения жесткой синхронизации между реверсивным счетчиком с перекрестной связью it распределителем импульсов в период нормального функционирования, а также путем восстановления исходных состояний и нормального режима работы устройства по сигналу контроля работы реверсивного счетчика после воздействия на него помехи, а во-вторых, расширить функциональные возможности путем введения изменения величины единичного щага обработки шагового -двигателя. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, соответствуюшие кратнос;ти дробления шага, N 8. Устройство (фиг. 1) содержит распределитель импульсов 1, усилители мощности 2, коммутирующие фазы 3 шагового двигателя и связанные вх,одами с выходами первой группы двухвходовых логических элементов И 4, двухвходовые логические элементы И 5, первые входы которых объединены и подаслючены к установочным входам кольцевого регистра сдвига 6, реверсивного счетч)1ка 7, триггера управления 8 и к выходу двухвходового логического элемента ИЛИ 9, инвертор 10, двухвходовые логические элементы И-НЕ И, вторую группу двухвхОйовых логических элементов И 12. Первые входы элементов И 12 подключены к выходам соответствующих разрядов реверсивного счетчика 7, а вторые входы объединены и подключены к выходу одновибратора 13. Вход одновибратора 13 и счетный вход реверсивного счетшка 7 соединены с прямым выходом триггера управления 8. Прямые вь1ходы всех разрядов реверсивного счетчика 7 подключены к входам элемента контроля 14. Выход контрольного устройства 14 подключен к одному входу элемента ИЛИ 9, второй вход которого подключен к шине установки всего устройства в исходаое состояние. Прямые же выходы первого и последнего рязрядов счетчика 7 подключены к входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15. Инверсный выход триггера управления 8 подключен к одному из входов логического элемента И 16, другой вход которого подключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15, а выход - к тактовому входу распределителя 1. Счетные входы триггера управления 8 и кольцевого регистра 6 подключены соответственно к тактирующим шинам Т1 и Т2. Разрядности реверсивного счетчика и кольцевого регистра сдвига 6 выбираются в соответствии с заданным коэффициентом дробления шага шагового двигателя N 2. Устройство работает следующим образом. В соответствии с требуемым направлением вращения к шине У1 (фиг. 1) прикладывается единичный или нулевой потенциалы. Для обеспечения режима отработки основных шагов шагового двигателя к шине У2 прикладывается нулевой потенциал, а для обеспечения дробных шагов - единичный потенциал. Подготовка устройства к работе осуществляется путем подачи на шину УЗ сигнала установки в исходное состояние. При этом кольцевой регистр 6, реверсивный счетчик 7 и триггер управления 8 устанавливаются в нулевые исходные состояния. Распределитель 1 в зависимости от заданного по шине У1 (фиг. 1 и 2) направления вращения устанавливается в такое положение, при котором в единичном логическом состоянии находится либо одна, либо другая половина выходов, например для четырехфазного двигателя выходы либо Вых. 1 и Вых. 2, либо Вых. 1 и Вых. 4 (фиг. 2). При наличии на шине У2 единичного потенциала (режим отработки дробленных шагов) первоначальное нулевое состояние кольцевого регистра 6 обеспечивает на нулевом выходе триггера его первого разряда единичный потенциал, а на его единичном выходе - нулевой потенциал. Это состояние не нарушается и после подачи на шину 12 импульсов высокой частоты. Эти потенциалы первого разряда кольцевого регистра 6, взаимодействуя через злементы И-НЕ 11 с единичными потенциалами Вых. 1 и Вых. 2 , вырабатываемыми распределителем 1 (фиг. 2), создают на выходе соот ветствующего элемента И 4 единичный потенциал. Усилитель мощности 2 дагшой фазы обеспечивает при этом протекание в ней максимал ного значения тока ( 11 J 1з на фиг. 2), При поступлении на шину Т1 первого тактирующего импульса низкой частоты (фиг. 2) триггер управления 8 переходит в единичное состояние. От положительного перепада напряжения на его прямом выходе запускается реверсивный счетчик 7 и в его первом разряде записывается единица, т. е. устанавливается код 10000000. От этого же перепада напряжения запуска- ется. однЬвибратор 13 и через определенную задержку, превышающую время переходных процессов триггеров, вырабатывает на своем ; выходе единичный импульс и, тем самым, обеспечивает передачу первого кодового набора счетчика 7 через элементы И 12 в кольцевой регистр 6. Это приводит к созданию в регистре 6 режима высокочастотной (с частотой 12) Ш1ркуляции по разрядам указанного кода и, стало быть, генерации импульсов со скважностью 8 на прямом выходе первого разряда и с со скважностью 8/7 на его инверсном выходе. Эти импульсы, проходя через элементы И-НЕ 11 и И4 к усилителям мощности 2, создают токи величиной 7/8 в первой фазе и 1/8 1ц- во второй фазе (ii и Ь на фиг. 2), где IH - максимальное значение тока в фазе. Во втором такте работы устройства триггер 8 переходит в нулевое состояние. В устройстве сохраняется предыдущее состояние. В последующих нечетных ( с 3-го по 15-ый) тактах поступления импульсов на шину Т1 аналогично описанному первому такту, проис-. ходит потактное изменение (и одновременная передача в кольцевой регистр сдвига 6) кода в счетчике 7; 11000000; 11100000; 11110000; 11111000; 11111100; 11111110; 11111111. Это приводит к потактному уменьшению тока в первой фазе (6/8 IH 5/8 „ 4/8 „; 3/8 IH ; 2/8 IH; 1/8 1„; 0) и его одновременному увеличению во второй фазе (2/8 1 3,8 IH ; 4/8 IH ; 5/8 „; 6/8 „ ; 7/8 |H«; IH)- В течение всего последнего (15-г из этого полуцикла) нечетного такта все триггеры регистра 6 находятся в единичных состоя ниях несмотря на непрерывное поступление на шину Т2 высокочастотных импульсов. Благодаря этому на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15 возникает единичный потенциал.В последнем четном (в 16-ом из этого полуцикла) такте поступления импульса на шину Т1 аналогично описанному второму такту, триг гер 8 переходит в нулевое состояние. Возникающий на его нулевом выходе единичный перепад напряжения передается через элемент И 16 на тактирующий вход распределителя 1 и изменяет его состояние. Начиная с этого момента единичные потенциалы оказываются на Вых. 2 и Вых. .3 распределителя 1 (фиг. 2). Этим завершается первый полуцикл функционирования устройства, при котором за 16 тактов поступления импульсов на шину ,Т1 в . первых двух фазах двигателя осуществляется 8-ми ступенчатое изменение тока (уменьшение впервой фазе и одновременное увеличение во второй фазе). Ступенчатое изменение тока . в смежных фазах двигателя приводит к ступенчатому повороту суммарного вектора электромагнитного момента и, соответственно, ротора. В результате ротор отрабатывает восемь дробных luaroB величиной 1 ОС d/ где «ос величина основного шага. Второй полуцикл функционирования устройства аналогичен рассмотренному первому с той лищь разницей, что происходит обратное потактное изменение числа единиц в счетчике 7; 11111110; 11111100; 11111000; 11110000; 11100000; 11000000; 10000000; 00000000. Это приводит к линейно-ступенчатому уменьшению тока во второй фазе и его линейно-стученчатому увеличению в третьей фазе. Последующие циклы работы предполагаемого устройства происходят аналогично описан tному первому циклу. На фиг. 2 графики li, 13и b , Ц условно иллюстрируют процессы ступенчатого изменения токов в соответствующих фазах (в результате потактного формирования широтно-модулированных сигналов на прямом и инверсном выходах первого разряда кольцевого регистра сдвига 6), которые имели бы место в том случае, если бы на всех выходах (Вых. 1- Вых. 4) распределителя 1 одновременно присутствовали единичные потенциалы. На графике Вых. И показано периодическое формирование единичных импульсов на выходе элемента И16 - синхронно с моментами полного заполнения едшшдамн и нулями всех разрядов счётчика 7. Графики О Т, и 1 Т, на фиг. 2 иллюстрируют изменет1е сигналов соответственно на прямом и инверсном выходах триггера управления 8. Кривые ii14отображают действительный вид, ступенчатого изменения трков в соответствующих фазах двигателя при реальной циклограмме парного переключения выходов распределителя 1. Реверсирование предлагаемого устройства осуществляется путем изменения ранее приложенного на шине У1 логического потенциала , на обратное. Прн этом изменяются на обратные описанные процессы изменения кодов в распределителе 1 и счетчике 7 ( фиг. 2). За весь период нормального функционирования реверсивного счетчика 7 на выходе элемента контроля 14 и, следовательно, на выходе элемента ИЛИ 9 имеется нулевой потенциал На их выходах появляется единичный импульс .только при нарушении нормальной циклограмм работы реверсивного счетчика 7 - в результате воэдействия на него спучгмиык помех. При появлении этого импульса на выходе элемента ИЛИ 9 кольцевой регистр 6, реверсивный, счетчик 7 и триггер управления 8 приводятся в первоначальные исходные состояния, а распределитель 1, в зависимости от заданного на шине У1 потенциала, устанавливается в состояние, при котором логическая единица присутствует на его выходах Вых. 1 и Вых. 2 или ж Вых. 3 и Вых. 4. Таким образом восстанавливается требуемая синфазность (синхронность) функционирования отдельных узлов устройства Элемент контроля для р еверсивного счетчика 7 должен быть настроен на обнаружение любого нарушения нормальной циклограммы его потактного функциони 5ования. Кольцевой регистр сдвига 6 не нуждается в индивидуальном контрольном устройстве, поскольку его случайный сбой не приводит к наруше1гаю синхронности работы между отдель ными узлами устройства, а вь1зывает всего лишь определенного уровня провал в средних значениях токов в фазах, который быстро восстанавливается в следующем цикле работы. В аналогичном устройстве не нуждается так же распределитель 1, в связи с возможностью его реализации на минимальном количестве элементов памяти (на двух триггерах) по структурно-надежной схеме (без логической избыточности состояний). В принципе, в устройстве триггер 8 может быть заменен логическим элементом НЕ, если подаваемые на шину Т1 импульсы имеют скважность-2 (т. е. являются меандрами). Наличие элемента контроля состояний счетчика 7 и соответствующих цепей восстановления, а также жесткой синхронизации между счетчиком 7 и распределителем 1, обеспечиваемой формированием на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15 импульсов переключения распределителя 1 в моменты экстремальных логических состояний счетчика 7 (без как го либо пересчетного устройства или делителя) значительно повышает надежность всего устройстваПереход с режима дробления к режиму отработки основных шагов осуществляется путем подачи на шину У2 нулевого потенциала. При этом на выходе пары элементов И-НЕ 11 И следовательно, на соответствуюи1их входах элементов И 4 устанавливаются постоянные единичные потенциалы. В результате этого широтно-модулированные сигналы от кольцевого регистра 6 не поступают к усилителям 2,и двигатель по сигналам распределителя 1 обрабатывает основные величины единичных шагов. Частота тактирующих импульсов на шиие Т1 устанавливается в 2 раза выше требуемой рабочей частоты, а частота тактирующих импульсов на шине Т2 выбирается исходя из величины электромагнитной постоянной времени данного двигателя, чтобы обеспечить допустимые пульсации тока при осуществляемой широтно-импульсной модуляции фазных напряжений. При структурном выполнении регистра и счетчика с переменным (кодоуправляемым) коэффициентом пересчета (в диапазоне от 2 до N ) можно добиться регулируемого (в том же диапазоне от 2 до N) коэффициента дробления шага. Формула изоб-ретения I , Устройство для управления шаговым двигателем с дробление щага, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами с входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, кольцевой регистр сдвига, реверсивный счетчик, одновибратор, триггер управления, шинь установки в исходное состояние и. реверсирования и две группы двухвходовых элементов И, первая из которых подключена первыми входами к выходам распределителя импульсов, выходами - к входам усилителей мощности, а вторая группа элементов И соединена выходами с входами каждого разряда кольцевого регистра сдвига, первыми входами с выходами каждого разряда реверсивного рчетчика, вторыми входами - с выходами од овибратора, связанного своим входом со счетным входом реверсивного счетчика н с прямым выходом триггера управления, о т личающееся тем, что, с целью повышения надежности и расщирения функциональных возможностей, снабжено элементом контроля состояний реверсивного счегчика,, двухвходовым элементом ИЛИ, инвертором, тремя дополнительными двухвходовыми элементами И, двумя двухвходовыми элементами И-НЕ и элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, подключенш 1м вькодом к одному входу первого дополнительного элемента И, соединенного выходом с тактовым входом распределителя импульсов, а вторым входом - с инверсным выходом триггера управления, входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к

прямым выходам первого и nocneflHf ro разря;

: дев реверсивного счетчика, соединенного выходами всех разрядов с входами элемента контроля, выход которого подключен к первому входу злемента ИЛИ, соединенного вторым входом с

шиной установки в исходное состояние, а выходом - с входами установки в исходное состояние

.кольцевого регистра сдвига, реверсивного Счетчика, триггера управления и первыми входами второго и третьего дополнительных зле ментов И, связанных вторыми входами с шиной реверсирования, один непосредственно, а другой через инвертор, выходы этих злементов

И подключены к входам распределителя импульсов, причем первые входы обоих элементов И-НЕ подключены к прямому и инверсному выходам одного разряда кольцевого регистра сдвига, а выходы - к вторым входам основных элементов И первой фуппы, взятых через один.

Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе

Г/

Q Вык-1

Bbix.z

Вых.З

вьиЛу

ВыЯиН

пО Ту

.ГгЛ

t

//.

г.1