Устройство для программного управления шаговым двигателем

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gI)g С 05 R 19/40

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П<НТ СССР (21) 4410464/24-?4 (22) 15.04.88 (46) 30,09.90. Г1юп. Р 36 . (72) С.В.Птичников, 1 1,В.11ибайкин и В.R,11ясякин (53) 621.503.55 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1265701, кл. г 05 В 19/40, 1985.

Авторское свидетельство СССР

Р- 1015339, кл. Г 05 В 19/40, 1984, I (54) УСтР0РСтВ0 РЧЯ ПР0ГРА111НОГ0

УПРАВЛЕНИЯ 1 1АГОВИ 1 ЛВИГАТГПЕ1"1 (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для управления тяговым приводом станков и оборудования с числоBhlM программным управлением. Цель изобретения — повышение плавности двиИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике и пред". назначено для управления шаговым приводом станков и оборудованием с числов пм программным управлением.

Целью изобретения является повышение плавности движения шагового двигателя 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.3 — схе-. ма порогового элемента; на фиг,4 временные диаграммы тока обмотки и диаграммы напряжения порогового эле((9) 80 (и) Щ) А 1 жения 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 литания, обомотки управления, Сущ- ° ность изобретения заключается в том, что в обмотках управления Аормируется ток синусно-косинусной формы с регулируемой на нескольких уровнях ам-плитудой.,Ппя этого информация, идущая от блока задания программы в виде последовательности импульсов и кода, я распределителе импульсов иэ ши— ротно-ипульсного сигнала на основе квантования по времени преобразуетс в кодоимпульсную форму, 6 ил.. мента, элементов задержки в режиме б.иксированной стоянки в режиме движения; на Аиг.5 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу циАрового регулятора амплитуды в характерных точ-, ках устройства; на фиг.6 — таблица, иллюстрирующая принцип 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, 1596308 преобразователь 11 кода, цифровой регулятор 12 амплитуды,, и-разрядный сумматор 13, элементы ИЛИ 14-17, элементы 11Е 18, 19, элементы И-HE 20-23, а также блок 24 оптронной развязки, демодулятор 25, г»орогоной элемент 26, элементы ?7, 28 задержки, ключи 29, 30,демпфирующие диоды 31, 32.

Пороговый элемент 26 содержит ком- 10 паратор 33, резисторы 34-36.

Блок оптронной развязки содержит оптрон 37, установочные резисторы 38 и 39, Демодулятор содержит усилитель 40, резистор 41 установки, первый 42 и второй 43 конденсаторы,.резисторы

44-46;

Блок 1 задания программы выполнен, например, на базе микропроцессора

КР 580ВГ .80A или гипа ЭВМ "Электроника 60М", предназначен для задания скорости и величины перемещения шагового двигателя, а также задания амплитуды тока и режимах фиксированной стоянки, 25 движения на низкой или высокой скорости с малой или номинальной нагрузкоч, задания темпа разгона и торможения при состнетстнующел» кратковременном увеличении амплитуды тока выше номи-. нального значения, Блок 1 задания программы выходами соединен с соответствующими входами распределителя 2 импульсов, причем на первый вход поступает последовательность импульсон, на второй вход сигнал о направлении движения и на группу входов — код, задающий амплитуду тока в обмотках,4 управления шаговым двигателем. 40

Распределитель 2 импульсов осуществляет преобразование информации, идущей с выходов блока 1 задания программы, н кодоимульсные модулированные сигналы (К11М) на выходе распредел»»те- 45 ля 2, Эти сигналы поступают на вход соответствующего канала 3 управления, Каналью 3 упранлен»»я предназначены для преобразования Ю1М-сигналон в аналоговый сигнал, в соответствии с кото рым формируется ток синусно-косинусной формы в обмотках 4 шагового двигателя, Каналы управления питаются от источников 6 и 7 питания, выполненных по схеме, имеющей общую шину.

Распределитель 2 импульсов (фиг. 1) состоит из генератора 8 прямоугольных импульсов, »габотающего с частотой f, двоичного счетчика 9, реверсивного счетчика 10, преобразователя 11 кода, выполненного на ПЗУ и цифрового регулятора 12 амплитуды.

Таблица, иллюстрирующая принцип программирования ПЭУ 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 н широтно-импульсныемодулированные (ИИМ) сигналы на обоих выходах преобразователя 11 кода., частота которых определяется частотой генератора 8 и числом разрядов счетчика 9.

1 1ИМ-сигналы с первого и нторогб выходов преобразователя 11 кодов поступают на соответствующие входы цифрового регулятора 12 амплитуды, который осуществляет кодоимпульсную модуляцию

1 1ИМ-сигналов, поступающих с преобразователя 11 кода и зависимости от кода, задающего амплитуду тока в обмотках 4 управления и поступающего с группы выходов блока 1 задания программы.

Схема регулятора 12 (фиг.1) содержит разрядный сумматор 13, элементы

ИЛИ 14 — 17, элементы 11Е 18, 19, элементы И-(1Г 20 — 23 с открьггым коллектором, включенные по схеме составного ИЛИ, Представление информации в кодоимпульсной форме позволяет управлять соответствующим каналом 3 управления

Rc(".о 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 управляющими нходами первого 29 и второго 30 ключей, зашунтированных деь»пфирующими диодами 31, 32 . Второй вход порогового элемента 26 соединен с датчиком 5 тока, Демодулятор представляет собой активный фильтр нижних частот с передаточной функ щей второго порядка.

Пороговьп элел»ент 26 (фиг. 3) содержит компаратор 33 и резисторы 34I

36, обеспечивающие необходимые для. работы данного устройства пороги срабатывания и, следовательно, частоту

96308

40

50

5 15 комму .-119;и ключеи 29,, 30 и Очность воспроизведени ; запа якой формы тока в обмотках шагового двигателя .

Элементы 27 и 28 задержки исключа- ют сквозные токи через ключи 29 и 30 в моменты их переключения (частота переключения ключей 21, 22 — 12-30 кГц).

Демпфирухщие диоды 31 и 32 служат лля рекуперации энергии, обусловленной ЗДС сам< индукции при размыкании ключей 29 и 30.

Каж„ый канал 3 управления осуществляет преобразование кодоимпульсных управляющих сигналов, идущих с выходов распределителя 2 через блок 24 оптронной развязки, с помощью демолулятора 25 (фиг.2) II аналогoBIIH сигнал, который поступает через резистор

R1 (фиг.3) на первый вход (резистор

R1) порогового элемента 26, выходное напряжение которого может принимать либо 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 шагового двигателя к источнику 6 питания ("+V ") либо к источнику 7 питания (" минус 10 ") 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 импульcbI. При этом с выхода счетчика 9 поступают сигналы на входы А — А сумФ матора 13 и адресные входы à-а< преобразователя 11 кода, на выходе которого формируются широтно-импульсные сигналы (ЙИИ1 в зависимости от состояния адресных входов а; а р (см.таблицу программирования ПЗУ на фиг.7) .

После включения питания состояния адресньм входов а — а может быть

1р любым.

Эти сигналы поступают затем на входы логических элементов цифрового регулятора 12 амплитуды, с помощью которого осуществляется квантование во . времени в зависимости от состояния входов В, — B сумматора 13, на кото5

РЫХ Запаетея КОЛ С ГруППЫ ВЫХОЛОВ блока 1 задания программы, определяющий амплитуду гока в обмотке 4 шагового двигателя.

После включения питания этот кол соответствует режиму фиксированной стоянки.

На входы А, — А сумматора 13 поступают сигналы с двоичного счетчика 9 (младшие разряды) . При этом с выхода переполнения сумматора 13 снимаются единичные импульсы с частотой

Г, и шириной, пропорционально" выставленному коду на входе В 1- 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 соответствующие входы каналов 3 управления и далее через оптронную развязку 24 на вход демодулятора 25, который преобразует кодоимпульсный модулированный 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 кодоимпульсный сигнал, соответствующий аналоговому напряжению. U < на выходе демодулятора 25.

Тогда в момент t пороговый элемент 26 по сигналу на его первом вхоле 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 шину питания С датчика 5 тока, на второй вход порогового элемента 26 (резистор 23) снимается напряжение, пропорциональное току.

Как только ток в направлении "23"

di нарастает до значения I+

\ 2 выходное напряжение порогового элемента 26 изменится на значение "минус 1".

При этом ключ 29 выключается, ЭДС самоиндукции подключается через демпфирующий диод 32 к источнику 7 питания (минус U).

159630В сов по закону синуса, что приводит к соответствующему изменению напряжения на выходе демодулятора 25, к измечению режима коммутации ключей 29 и 30 и, следовательно, к изменению значения тока в обмотках 4 шагового двигат еля,.

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

Ток в обмотке 4 начинает спадать.

При включении через элемент задержки ключа 30 подготавливается цель протекания тока по обмотке шагового дви- 5 гателя в другом направлении "34". При

di достижении током значения I — --—

Одна группа выходов (старшие разряды) счетчика 9 соединена с адресными входами а „ — а преобразователя 11 кода, а выходы реверсивного счетчика 10 соединены с другой группой адресных входов à < — - а преобразователя 11 кода, Выходными сигналами преобразовател 11 кода являются 1ПВ1-сигналы, изменяющиеся по закону синуса и косинуса, которые воздейстуют на цифЭ ровой регулятор 12 амплитуды. Второй выход блока 1 задания программы управляет направлением движения шагового двигателя, При поступлении импульсов с первого выхода блока 1 задания программы на счетный вход счетчика 10 происходит изменение управляющего сигнала на первом выходе распределителя 2 импульрассмотренному процессу коммутации элементов и форьмрования 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.

R режиме движения с номинальной нагрузкой амплитуда тока должна быть повышена до номинальной, что достигается соответствующим изменением кода на входах R — В сумматора 13.

4В режиме. программного разгона для уменьшения времени разгона следует кратковременно увеличить амплитуду токч выше номинального значения, что также достигается изменением кода на входах  — В сумматора 13, 1 ЧКратковременное 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 амплитудл токов обеспечивает пониженное потребление энергии в режимах фиксированной стоянки и .при движении на низкой скоростн с малой нагрузкой, что улучшает энергетические показатели шагового двигателя. выходное напряжение порогового элемента 26 изменяется на значение "+1", н 10 отключается ключ 29 и ерез элемент

27 задержки включается ключ 29, ток опять будет нарастать. Процесс многократно повторяется с частотой, определяемой параметрами обмотки (индукf5 тивностью 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

?О на включение ключей 29 и 30) .

Среднее значение тока I определяется уровнем сигнала на выходе демодулятора 25, который преобразует кодоимпульсный сигнал управления, идущий

25 от распределителя 2 через оптронную развязку 24 в зависимости от сигнала с выхода старшего разряда счетчика 9 и широтно-имульсного сигнала ОПИИ), поступающего с обеих выходов преобра- 30 зователя 11 кода, В режиме движения (с момента фиг.4) по частотному входу счетчика 10 с первого выхода блока 1 задания программы подается последовательность 35 импульсов,.частота которых определяет скорость вращения двигателя, а заданное число импульсов определяет заданный угол поворота.

1 40

1596303 и режиме разгона устройство позволяет делать программную форсировку тока путем кратковременного увеличения амплитуды тока выше номинального зна5 чения.

Кроме того, применение оптронной развязки увеличивает помехозащищенность устройства.

@ о р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для программного управления шаговым двигателем, содержащее блок задания программь1, управляющий и информационный выходы которого сое- 15 динены с соответствующими входами распределителя импульсов, состоящего из реверсивного счетчика, информационные выходы которого подключены к первой группе адресных входов преобразо- э0 вателя кодов, счетный вход реверсивного счетчика соединен с информационным входом распределителя импульсов, а вход направления счета — с его упранляю 1тим входом,. первый и второй .вы- 25 ходы распределителя импульсов подклю-. чены к входам соответствующих каналов управления, каждый из которых первым, вторым и третьим выходами сое-. динен соответственно с первым и вто- gp рым источниками питания и с началом обмотки управления шагового двигателя и содержит два ключа, пороговый элемент, датчик тока и два элемента задержки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей и повышения плав ности- движения шагового двигателя, в каждый канал управления введены элемент оптронной развязки, два демпфирующих диода, демодулятор, вход ко40 торого через элемент оптронной развязки соединен с входом канала управления, выход — с первым входом порогового элемента, второй вход которого

45 подключен к концу обмотки управления, а выход — к входам первого и второго элементон задержки, выходы которых подключены соответственно к управ.тяз ющим входам первого и второго ключей, параллельно каждому из которых включен соответствующий демпфирующий диод, общий вывод ключей соединен с третьим выходом канала управления, а свободные выводы ключей обра з уют первый и нторой выходы, причем распределитель импульсов дополнительно содержит генератор прямоугольных импульсон, двоичный счетчик, и-разрядный сумматор, четыре элемента ИЛИ, дна элемента HF. четыре элемента И-НЕ, причем счетный вход двоичного счетчика соединен с выходом генератора импульсов, первая группа выходов которого соединена с второй группой адресных, нходон 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 информационных 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 элемента ИЛИ, второй вход которого через второй элемент HF. соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выходом соединенного с первыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и третьего элементов И-НЕ, вторые входы которых объединены и соединены с входом первого элемента НЕ, а выходы первого и второго элементов И-HF..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-HF., второй выход преобразова геля кода соединен с втортн.ти входами четвертого элемента ИЛИ и четвертого элемента И-НЕ, ныход второго элемента ИЛИ "îåäèíåí с первыми входами второго и четвертого элементов

И-HF..

1596308

4Ъе.Ф

Фиг.2

1596 308

U27 28

1596308.

АРИН ааоа оага

Оаба

4 оосо

00ЕО

0!од

12

0140 о

D10O

01с

01еа а огго

0200 агб агаа огАа агсо огсо

0000 агга аб!0

Е F

789А

ВСР

1г

Е F

00 00 00 о!

01

Of оа

or 0!

00 0

ОО 00

0! 0! О!

oi oi ot ! 0! 0!

otor r

0101 101

oi of ot os

ot or

ot at

ot rt я я

НЯ ! (rf

0! 01

01 01

0t О!

0!

Ot о!01 а! а!

Ot !

OO 1!!

0 ta!

0 10

fo! !0 !а

0000 азбо адАа ис

D Е!

77 lO

Фиг.6

Составитель И.йвец

Редактор N.Áàíäóðà Техред К,Хо1цанич Корректор М.Самборская

Заказ 2909 Тираж 673 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r . Ужгород, ул. Гагарина, 101