Устройство для программного управления m-фазным шаговым двигателем

 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления станками, оснащенными шаговыми приводами подач или электрогидравлическими приводами с задающими шаговыми двигателями. Целью изобретения является расширение области применения и повышение точности отработки микрошага двигателя. Цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник питания, блок задания программ, счетчик, блок памяти программ управления, m - силовых ключей, m - фазный шаговый двигатель, элемент ИЛИ, задающий генератор и блок тактирования, вводятся второй счетчик импульсов, блок памяти программ управления положением ротора, второй элемент ИЛИ, элемент задержки, соединенные соответствующим образом. Так как предварительно в блок памяти программ управления заносятся несколько программ, то путем задания соответствующего кода можно оперативно выбрать требуемый шаг (микрошаг) двигателя. Повышение точности отработки микрошагов достигается изменением в программе путем компенсации погрешности между требуемыми значениями токов в фазах двигателя и полученными экспериментально значениями за счет введения большего числа уровней квантования токов в два и более раз, чем это требуется для получения требуемого значения микрошага двигателя. 6 табл. , 5 ил.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления станками, оснащенными шаговыми приводами подач или электрогидравлическими приводами с задающими шаговыми двигателями.

Известны устройства для программного управления m-фазными шаговыми двигателями, содержащие блок задания программ, сумматор, счетчики, инверторы, схемы ИЛИ и И, m мультиплексоров и m информационными входами, m фазных обмоток шагового двигателя, дополнительно мультиплексоры и т. д.

Недостатками данных устройств являются высокая конструктивная сложность, отсутствие возможности построения их на базе серийных БИС, отсутствие возможности корректировки токов и фазах шагового двигателя для повышения точности отработки шагов и плавности хода.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по существу решения технической задачи является серийно выпускаемый блок управления шаговым приводом БУШП1 (9С2. 326. ОООПС), предназначенный для преобразования и усиления сигналов унитарного кода, поступающих из системы ЧПУв сигналы управления токами фазовых обмоток шаговых двигателей типа ЩД-5Д1М. Устройство включает в свой состав источник питания, блок задания пpограмм (УЧПУ), реверсивный двоичный счетчик, запоминающее устройство, m силовых тактируемых ключей с оптронной развязкой по питанию, соединенных с фазными обмотками шагового двигателя, элемент ИЛИ, задающий генератор и схему тактирования, причем выходы тактирования, выходы реверсивного счетчика соединены со входными запоминающего устройства, m выходов запоминающего устройства - с входами силовых ключей, (m + 1) и (m + 2)-й выходы - с первым входом схемы ИЛИ и входом разрешения предварительной записи в реверсивный счетчик необходимого числа, второй вход схемы ИЛИ соединен с выходом "Уст. О" (СБРОС) блока задания программ, выход схемы ИЛИ - с входом "Уст. О" реверсивного счетчика.

Недостатками известных устройств, построенных на базе запоминающих устройств (например, постоянных запоминаю- щих устройств (ПЗУ) : масочных ПЗУ, программируемых на заводе изготовителе, однократно программируемых потребителей ПЗУ пережиганием перемычек, многократно программируемые потребителем ПЗУ со стиранием записанной информации ультрафиолетовым излучением, ПЗУ с электрическим стиранием информации и т. д. ), являются ограниченные функциональные возможности, отсутствие оперативности при переходе с одного закона управления на другой либо на другую величину дробления шага двигателя, отсутствие возможности корректировки токов в фазах шагового двигателя для выполнения точности отработки микрошагов и плавности хода.

Целью изобретения является расширение области применения и повышение точности отработки микрошагов шагового двигателя.

Цель достигается тем, что в устройство введены второй счетчик импульсов, второй блок памяти программ управления положением ротора, элемент ИЛИ, элемент задержки.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 -номограмма результирующих моментов и временные диаграммы изменения токов для шестифазного двигателя при коэффициенте дробления основного шага на восемь и четырех уровнях квантования токов; на фиг. 4 - временная диаграмма изменения токов в фазовых обмотках и возможность их корректировки за счет изменения длительности широтно-импульсного сигнала в зависимости от предварительно записанной в ПЗУ (блок памяти) информации; на фиг. 5 - соотношение положений ротора шагового двигателя при различных законах управления шаговым шестифазным двигателем.

В табл. 1-4 приведены в качестве примера программы, обеспечивающие шаг шестифазного двигателя типа ШД5Д1М - 3^о (закон З-З); 1,5^о (закон 3-2-3), микрошаг 22 (закон З-З с дроблением основного шага на восемь уровней квантования токов четыре и восемь с возможностью их корректировки (табл. 4). В табл. 5 приведены программы пересчета положения ротора при смене шага двигателя и при работе в основном режиме. В табл. 6 приведены экспериментальные данные по корректировке токов при дроблении шага двигателя.

Предлагаемое устройство содержат (фиг. 1) источник 1 питания, блок 2 задания программ, первый реверсивный двоичный счетчик 3 импульсов, второй (нереверсивнй) счетчик 4 импульсов, блок 5 памяти программ управления, блок 6 памяти пpограммы управления положением ротора, элементы ИЛИ 7 и 8, генератор 9 импульсов, блок 10 тактирования, m силовых тактируемых ключей 11.1. . . 11. m с оптоэлетронной развязкой по питанию, подключенных к фазным обмоткам 12.1. . . 12. m шагового двигателя, элемент 13 задержки.

Устройство работает следующим образом.

Предваpительно в блок 5 памяти программ управления записываются несколько программ, позволяющих работать с разными величинами шагов (микрошагов) двигателя, а с блока максимальное значение кода для выбранного шага (закона управления) и пpограммы пересчета положения ротора при смене шага питателя. Например, для шестифазного двигателя для шага 3^о, закон З-З шеститактный - максимальное значение кода равно пяти (см. табл. 1); для шага 1,5^о закон 3-2-3 двенадцатитактная схема - 11 (см. табл. 2); для микрошага 22¹ закон 3-3 с дроблением шага на восемь при четырех уровнях квантования токов в фазах - 47 (табл. 3). Выбор требуемого шага двигателя осуществляется путем задания соответствующего кода на l выходах блока 2 задания программ путем задания соответствующих параметров в системе ЧПУ (блоке задания программ). Три величины требуемых шага двигателя можно задать с помощью двух разрядов (l = 2). Например, шаг 3^о - код выбора шага 01, шаг 1,5^о - 10, шаг 22¹ - 11 (см. адресные девятый и десятый разряды блока, табл. 1-4).

При выборе закона 3-3, 3-2-3 ток, протекающий в фазах шагового двигателя имеет фиксированную величину, равную номинальному току I_н. Дробление шага при выборе третьего закона обеспечивается за счет введения четырех уровней квантования токов (0,0251_н, 051_н, 0,751_н, 1,01_н) путем широтно-импульсного управления токами в фазах двигателя. Это достигается за счет того, что импульсы с выхода блока 10 тактирования поступают на вход нереверсивного счетчика 4 импульсов, работающего на суммирование. Разрядность К счетчика 4 выбирается согласно формуле 2^k ≥ N, где N - число уровней квантования токов.

С выхода счетчика 4 импульсов кодовая последовательность поступает на соответствующие входы блока 5 памяти. Для примера, приведенного в табл. 3, что соответствует шестому и седьмому разрядам блока 5, т. е. код на данных входах циклически меняет свое значение с высокой частотой f_B. Если блок 5 памяти предварительно запрограммировать, как приведено в табл. 3, то будет обеспечено дробление основного шага на восемь. При этом токи в фазах двигателя изменяются согласно временным диаграммам, приведенным на фиг. 3.

Частота импульсов, подаваемая на вход счетчика 4 импульсов с блока 10 тактирования, выбирается такой, чтобы максимальная частота f_B, поступающая с младшего разряда счетчика 4 импульсов на вход блока, была кратной, равной или меньше частоты тактовых импульсов f_т, поступающей на тактовые входы m силовых ключей 11.1. . . 11. m, и была бы в несколько раз больше частоты приемистости шагового двигателя. Частота тактирования f_т выбирается исходя из величины электромагнитной постоянной времени данного двигателя.

Частота импульсов, подаваемых на вход "+" (вперед) или "-" (назад- реверсивного счетчика 3 с блока 2 задания программ, выбирается в соответствии с требуемой скоростью вращения ротора шагового двигателя. При поступлении импульсов на вход "+" реверсивного счетчика 3 код на его выходе, поступающий на адресное входы блока 5 памяти, постоянно увеличивается до максимального значения, характерного для выбранного значения шага двигателя (закона управления) (см. табл. 1,2,3), после чего на выходе m + 1("сброс") блока 5 памяти появляется сигнал, поступающий на один из входов элемента ИЛИ 8, по которому счетчик 3 обнуляется и цикл его работы повторяется. При поступлении импульсов на вход "-" реверсивного двоичного счетчика 3 импульсов, если последний первоначально находился в исходном состоянии, то при поступлении первого импульса на вход "-" п-разрядный код на его выходе имеет максимальное значение. Предварительно по этому адресу в блок 5 памяти на выходе "+2" (т. е. седьмом, см, табл. 3) пpограммируется "Лог. О", который поступает на вход схемы ИЛИ 7 и далее на вход "Разрешение записи" счетчика 3. По данному сигналу происходит загрузка данных в счетчик блока памяти три из шести. Так как предварительно на адресном входе блока 6 памяти установлен код выбора шага, то по этому адресу в блок 6 памяти был записан n-разрядный код, соответствующий последнему значению максимального кода счетчика 3 для выбранного шага двигателя (т. е. 5 или 11, или 47). При поступлении последующих импульсов на вход "-" cчетчика 3 код на его выходах уменьшается до нуля, после чего вышеописанный цикл повторяется.

Разрядность n реверсивного счетчика 3 при дроблении основного шага выбирается согласно формулы 2ⁿ ≥ L: L = 2m ˙ N, где L - число микрошагов в цикле; m - число фаз двигателя.

Например, если m = 6, N = 4, то L = 48, n ≥ 5; если m = 6, N = 8, то L = 96, n ≥ 6.

Данное устройство позволяет оперативно в процессе работы менять шаг (микрошаг) двигателя. Для этого в блок 6 памяти предварительно заносится программа (см. например, табл. 5 и фиг. 5) для того, чтобы правильно перейти к новому значению кода положения ротора двигателя при смене шага с учетом направления смены шага. Так, например, если в динамике необходимо с шага 3^о перейти на шаг 1,5^о (с закона 3-3 на закон 3-2-3 для шестифазного двигателя мод. ШД5Д1М), то с блока 2 управления задается код нового значения шага (было 01, стало 10) на выходе "+" появляется импульсный сигнал длительности несколько микросекунд, например 10 мкс, по сигналу которого происходит запись информации с задержкой 1 мкс из блока 6 памяти в счетчик 3 импульса, кода нового значения текущего положения ротора двигателя для выбранного закона управления.

При поступлении последующих импульсов на вход "+" или "-" ревесивного счетчика 3 схема работает аналогично вышеописанному.

Длительность (см. адресные входы 8 и 7 табл. 5) импульса "+" или "-" с блока 2 при смене шага выбирается значительно меньшей времени цикла, соответствующего максимальной частоте следования импульсов на входах реверсивного счетчика 3. Это позволяет в динамике изменять шаг двигателя с целью обеспечения высокого быстродействия, как это требуется в цифровых следящих электрогидравлических приводах с пропорциональными гидрораспределителями с задающими шаговыми двигателями.

Как показали проведенные исследования, при дроблении шага двигателя не всегда по ряду причин (неидентичности ключей, обмоток фаз двигателя и т. д. ) обеспечиваются требуемые значения токов в фазах двигателя. Предлагаемое устройство обеспечивает возможность коррекции токов в фазах двигателя, во-первых, за счет того, что вводится большее число уровней квантования токов в два и более раз, чем это требуется для получения требуемого значения микрошага двигателя, во-вторых, за счет изменения значений времени включения токов в фазах в пpограмме путем компенсации погрешности между требуемыми и полученными экспериментально значениями токов в фазах двигателя.

К примеру, после программирования блока 5 памяти согласно табл. 3 и замера токов в фазах двигателя при работе устройства были получены следующие экспериментальные данные, приведенные в табл. 6, которые иллюстрируются временными диаграммами на фиг. 4.

Для хранения программ, приведенных в табл. 1-3, требуется запоминающее устройство относительно небольшой емкости с организацией 2х (6 + 12+ 48х4) х8 бит = 410 х 8 бит, при этом выбирается ближайшее стандартное значение (512 х 8) бит.

При восьми уровнях квантования токов требуется блок 5 памяти с организацией 2х (6 + 12 + 48х8) бит = (804х8) бит, т. е. выбирается ближайшее стандартное значение (1024х8) бит. При этом в неиспользуемые адреса ПЗУ обычно заносится информация возврата в нулевой адрес. (56) Авторское свидетельство СССР N 1191886, кл. G 05 B 19/40, 1985.

Блок управления шаговым двигателем БУШП1 (9С2. 326. ОООПС).

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ M-ФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ , содеpжащее блок задания пpогpамм, блок памяти пpогpамм упpавления, пеpвая гpуппа адpесных входов котоpого соединена с гpуппой выходов пеpвого счетчика импульсов, m-силовых ключей, выходы котоpых соединены с соответствующими фазными обмотками шагового двигателя, пеpвый элемент ИЛИ, задающий генеpатоp импульсов, выход котоpого соединен с входом блока тактиpования, пеpвый и втоpой упpавляющие выходы блока задания пpогpаммы подключены соответственно к пеpвому и втоpому входам упpавления напpавлением счета пеpвого счетчика импульсов, m-выходов блока памяти пpогpамм упpавления соединены с инфоpмационными входами m-силовых ключей, упpавляющими входами подключенных к пеpвому выходу блока тактиpования, (m + 1)-й выход блока памяти соединен с пеpвым входом пеpвого элемента ИЛИ, втоpой вход котоpого подключен к выходу "сбpос" блока задания пpогpаммы, а выход пеpвого элемента ИЛИ соединен с входом установки нуля пеpвого счетчика импульсов, отличающееся тем, что, с целью pасшиpения области пpименения и повышения точности отpаботки микpошагов двигателя, введены втоpой счетчик импульсов, блок памяти пpогpамм упpавления положением pотоpа, втоpой элемент ИЛИ и элемент задеpжки, вход котоpого соединен с выходом втоpого элемента ИЛИ, а выход - с V-входом пеpвого счетчика импульсов, счетный вход втоpого счетчика импульсов подключен к втоpому выходу блока тактиpования, гpуппа выходов втоpого счетчика импульсов подключена к втоpой гpуппе адpесных входов блока памяти пpогpамм упpавления, тpетья гpуппа адpесных входов котоpого соединена с гpуппой выходов задания кода шага блока задания пpогpамм и с пеpвой гpуппой адpесных входов блока памяти пpогpаммы упpавления положением pотоpа, гpуппа выходов котоpого подключена к гpуппе инфоpмационных входов пеpвого счетчика импульсов, гpуппа выходов котоpого подключена к втоpой гpуппе адpесных входов блока памяти закона положения pотоpа, пеpвый и втоpой входы напpавления смены шага блока задания пpогpаммы соединены соответственно с пеpвым и втоpым входами втоpого элемента ИЛИ и с соответствующими входами упpавления блока памяти пpогpаммы упpавления положением pотоpа, тpетий вход втоpого элемента ИЛИ соединен с (m + 2)-м выходом блока памяти пpогpамм упpавления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15