Устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах с шаговым электроприводом на базе двигателей с различным числом фаз, работающих в режимах реверсивной поочередной и парной коммутации, стоянки под током и обесточенной стоянки, с автоматическим определением режима штатной работы, одиночных и многократных отказов благодаря аппаратной реализации модифицированного алгоритма Хэмминга. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей путем обеспечения автоматического контроля и индикации отказов в работе шагового электропривода. В устройство для обнаружения отказов введена первая-четвертая схемы свертки, шины пороговых датчиков фазных токов и напряжений, дополнительные разряды постоянного запоминающего устройства, соответствующие контрольным разрядам кода Хэмминга, схема ИЛИ, дешифратор и блок индикации, а также новые функциональные связи, указанные в материалах заявки. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в системах с шаговым электроприводом на базе двигателей с различным числом фаз, работающих в режимах реверсивной поочередной и парной коммутации, стоянки под током, обесточенной стоянки, с автоматическим определением одиночных и многократных отказов благодаря аппаратной реализации модифицированного алгоритма Хэмминга.

Известно устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе [1], содержащее шаговый двигатель, в цепь каждой j фазы которого включены последовательно пороговые датчики тока I_j, a параллельно каждой обмотке включены пороговые датчики напряжения U_j, конъюнкции которых I_j∧U_j подключены к одноименным разрядным входам реверсивного регистра сдвига и первым входам элемента сравнения, вторые входы которого соединены с одноименными выходами реверсивного сдвигового регистра. При этом режим прямого или реверсивного сдвига определяется значением логической переменной на шине реверса, а сдвиг содержимого регистра - импульсами на тактовой шине, исходное содержимое регистра, соответствующее начальной комбинации включения фаз, загружается в регистр по сигналу на шине начальной установки. В рабочем режиме по каждому тактовому импульсу происходит циклический сдвиг начального содержимого регистра и его сравнение с коммутационной комбинацией включения фаз и в случае их несовпадения формируется сигнал «отказ».

К недостаткам устройства следует отнести то, что отказ не будет обнаружен, если исходно все фазы находятся под током или все фазы обесточены, кроме того, при штатном функционировании четырехфазного двигателя в восьмитактном режиме устройство сформирует ложный сигнал «отказ», кроме того, переход на 6-8-12-тактное управление достаточно трудоемко.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для управления шаговым двигателем [2], содержащее первую-третью шины выбора режима коммутации, шины управления, тактовую, реверса, реверсивный счетчик, первый, второй и третий входы которого соединены с шиной управления, тактовой шиной, шиной реверса соответственно, постоянное запоминающее устройство, шину разрешения чтения, при этом первый-четвертый выходы реверсивного счетчика соединены с одноименными входами постоянного запоминающего устройства, пятый-восьмой входы которого соединены с третьей, второй, первой, седьмой шинами выбора режима коммутации и разрешения чтения соответственно, а выходы первый-шестой постоянного запоминающего устройства являются одноименными выходами устройства управления шаговым двигателем.

Это устройство реализует режимы реверсивной коммутации, обесточенной стоянки, стоянки под током для трех, четырех, шестифазных двигателей при поочередной и парной коммутации, при этом режим коммутации задается набором логических переменных на шинах 1-3 управления, а первый-шестой выходы постоянного запоминающего устройства являются одноименными выходами устройства.

Однако данное устройство не обеспечивает автоматический контроль и индикацию отказов в работе шагового электропривода.

Заявляемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства.

Это достигается тем, что в устройство дополнительно введены первая-четвертая схемы свертки, седьмой-десятый выходы постоянного запоминающего устройства, дешифратор, схема ИЛИ, блок индикации, одиннадцатая-четырнадцатая шины пороговых датчиков фазных токов и напряжений, при этом одиннадцатая шина соединена с объединением одиннадцатых входов первой, второй, третьей, четвертой схем свертки, двенадцатая шина соединена с объединением двенадцатых входов второй, третьей, четвертой схем свертки, тринадцатая шина соединена с объединением тринадцатых входов первой, третьей, четвертой схем свертки, четырнадцатая шина - с четырнадцатыми входами первой, второй, четвертой схем свертки, седьмой, восьмой, девятый, десятый выходы постоянного запоминающего устройства соединены с одноименными входами первой-четвертой схем свертки, выход четвертой схемы свертки соединены со вторым входом дешифратора, первый вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, пятый-седьмой входы которой объединены с одноименными входами блока индикации и подключены к выходам третьей, второй, первой схем свертки соответственно, первый-четвертый выходы дешифратора соединены с одноименными входами блока индикации, выходы которого седьмой-десятый являются вторым групповым выходом заявляемого устройства.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 показано подключение фазных обмоток четырехфазного двигателя к выходам 1-4 устройства, выходов пороговых датчиков фазных токов и напряжений к шинам 11-14, а также циклы четырехтактных поочередной и парной коммутации и соответствующие им диаграммы поля старта.

Устройство содержит шины выбора режима коммутации 1-3, шину управления 4, тактовую шину 5, шину реверса 6, шину разрешения чтения 7, шины датчиков фазных токов и напряжений 11-14, реверсивный 2/12 счетчик 15, постоянное запоминающее устройство 16, первую-четвертую схемы свертки 17-20, дешифратор 21, схему ИЛИ 22, блок индикации 23, выходные шины блока индикации 7-10, выходные шины устройства 1-6. Шины выбора режима коммутации 3, 2, 1 соединены со входами 5, 6, 7 постоянного запоминающего устройства соответственно, шины управления 4, тактовая 5, реверса 6 соединены с первым, вторым, третьим входами реверсивного счетчика 15 соответственно, шина разрешения чтения 7 соединена с восьмым входом постоянного запоминающего устройства 16, выходы 1, 2, 3, 4 реверсивного счетчика соединены с одноименными входами постоянного запоминающего устройства 16, первая группа выходов которого 1-6 является выходами 1-6 заявляемого устройства, вторая группа выходов 7-10 постоянного запоминающего устройства 16 соединена с одноименными входами первой-четвертой схем свертки 20-17, при этом выход четвертой схемы свертки соединен со вторым входом дешифратора 21, первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 22, объединение 5-7 входов которого с одноименными входами блока индикации соединено с соответствующими выходами 5-7 третьей 18, второй 19, первой 20 схем свертки, входы 1-4 блока индикации 23 соединены с одноименными выходами дешифратора 21.

Устройство работает следующим образом.

При начальной установке, например, четырехфазного двигателя выполняется подключение выходов устройства 1-4 через усилители мощности и пороговые датчики тока к фазным обмоткам шагового двигателя и пороговым датчикам напряжения в соответствии с фиг.2, при этом выходы 11-14 датчиков подключаются к одноименным шинам пороговых датчиков, а на шинах выбора режима коммутации 1-3 устанавливают коды 101 или 001, что реализует режим четырехтактной поочередной (код 101) либо четырехтактной парной (код 001) коммутации. Коды режимов задаются старшими разрядами адреса а₅, а₆, a₇ постоянного запоминающего устройства (Фиг.1). Значение младших адресных разрядов которого a₁, а₂, а₃, а₄ представлено кодом состояния реверсивного счетчика на его выходах 1-4. При наличии сигнала разрешения чтения Е=1, код содержимого постоянного запоминающего устройства по адресу a₁-a₇ выводится на первый групповой выход b₁-b₆, обеспечивая заданную коммутацию напряжений на фазовых обмотках ABCD двигателя, а на второй групповой выход - значение эталонных контрольных разрядов x₀-x₄ модифицированного кода Хэмминга в соответствии с таблицей 1. Значение Е=0 устанавливает на выходе устройства переменные b₁-b₆ равными нулю, обеспечивая реализацию режима обесточенной стоянки. Значение $$\overline{V}\wedge E=1$$ обеспечивает реализацию режима стоянки под током.

По данным x₀, x₁, x₂, x₄ и x₃, x₅, x₆, x₇ первая-четвертая схемы свертки 20-17 и схема ИЛИ 22 формируют Р, S₁, S₂, S₄, M в соответствии с соотношениями 1.1.

$$\{\begin{array}{l}P=x_0\oplus x_1\oplus x_2\oplus x_3\oplus x_4\oplus x_5\oplus x_6\oplus x_7,\\ S_1=x_1\oplus x_3\oplus x_5\oplus x_7,\\ S_2=x_2\oplus x_3\oplus x_6\oplus x_7,(1.1)\\ S_4=x_4\oplus x_5\oplus x_6\oplus x_7,\\ M=S_1\vee S_2\vee S_4.\end{array}$$

В таблице 2 показано функционирование заявляемого устройства в штатном режиме, при одиночном отказе x₃≡1, x₃≡0, при отказе фаз А, В (х₃=x₅≡0), либо С, D (х₆=x₇≡1), а также в ситуации, когда все четыре фазы обесточены или постоянно находятся под током.

При штатной работе устройства дешифратор 21 формирует сигнал $$\alpha =\overline{Р}\wedge \overline{М}$$ , а блок индикации отображает ситуацию и выдает сигнал во внешние цепи по шине 7 «штатная работа», при одиночном отказе блок индикации высвечивает номер 8 отказавшего канала и формирует сигнал β=Р∧М об одиночном отказе на выходной шине 10. В случае отказа большей кратности ситуация отображается в блоке индикации и формируются сигналы $$\overline{М}Р$$ , $$М\overline{Р}$$ на шинах 8, 9, при этом М⊕Р=γ.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1415401, кл. Н02Р 8/00, опубликованное от 07.08.88. Бюл. №29.

2. Патент RU 2417512, Н02Р 8/00, Н02Р 8/20, опубликован 27.04.2011. Бюл. №34.

3. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под редакцией М.Г.Чиликинаю М.: Энергия, 1971.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2007.

Таблица 1
Число фаз	4	4
Код режима Код счетчика	а5а6а7=001 4-тактный парный	а5а6а7=101 4-тактный поочередный
	Выходы постоянного запоминающего устройства 1-10
		x7	x6	x5	x3			x7	x6	x5	x3
		D	С	В	А	x4x2x1x0		D	C	B	A	x4x2x1x0
b6b5	b4	b3	b2	b1		b6b5	b4	b3	b2	b1
0000		0	0	1	1	1100		0	0	0	1	0010
1000		0	1	1	0	0110		0	0	1	0	1011
0100		1	1	0	0	0011		0	1	0	0	1101
1100		1	0	0	1	1001		1	0	0	0	1110
0010		0	0	1	1	1100		0	0	0	1	0010
1010		0	1	1	0	0110		0	0	1	0	1011
0001		1	1	0	0	0011		0	1	0	0	1101
1001		1	0	0	1	1001		1	0	0	0	1110
0101		0	0	1	1	1100		0	0	0	1	0010
1101		0	1	1	0	0110		0	0	1	0	1011
0011		1	1	0	0	0011		0	1	0	0	1101
1011		1	0	0	1	1001		1	0	0	0	1110

Устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе

Таблица 2
Р=x1⊕x2⊕⊕x3⊕x4⊕⊕x5⊕x6⊕⊕x7⊕x0
	S=1·S1+2·S2+4·S4	S4=x4⊕x5⊕⊕x6⊕x7	S2=x2⊕x3⊕⊕x6⊕x7	S1=x1⊕x3⊕⊕x5⊕x7	x4	x2	x1	x0	x7	x6	x5	x3
				4	2	1		D	C	B	A
Штатное функционирование
α	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	1	1
α	0	0	0	0	0	0	1	1	0	0	1	1	0
α	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
α	0	0	0	0	0	1	0	0	1	1	0	0	1
Фаза А постоянно под током х3=1
α	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	1	1
β	1	3	0	1	1	0	1	1	0	0	1	1	1
β	1	3	0	1	1	0	0	1	1	1	1	0	1
α	0	0	0	0	0	1	0	0	1	1	0	0	1
Фаза А постоянно обесточена х3=0
β	1	3	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	0
α	0	0	0	0	0	0	1	1	0	0	1	1	0
α	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
β	1	3	0	1	1	1	0	0	1	1	0	0	0
Фазы А, В постоянно обесточены х3=x5=0
γ	0	6	1	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0
β	1	5	1	0	1	0	1	1	0	0	1	0	0
α	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
β	1	3	0	1	1	1	0	0	1	1	0	0	0
Фазы С, D постоянно под током x6=x7=1
γ	0	1	0	0	1	1	1	0	0	1	1	1	1
β	1	7	1	1	1	0	1	1	0	1	1	1	0
α	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
β	1	6	1	1	0	1	0	0	1	1	1	0	1

Продолжение таблицы 2
Р=x1⊕x2⊕⊕x3⊕x4⊕⊕x5⊕x6⊕⊕x7⊕x0
	S=1·S1+2·S2+4·S4	S4=x4⊕x5⊕⊕x6⊕x7	S2=x2⊕x3⊕⊕x6⊕x7	S1=x1⊕x3⊕⊕x5⊕x7	x4	x2	x1	x0	x7	x6	x5	x3
				4	2	1		D	C	B	A
Все фазы обесточены x3=x5=x6=x7≡0
γ	0	6	1	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0
γ	0	3	0	1	1	0	1	1	0	0	0	0	0
γ	0	1	0	0	1	0	0	1	1	0	0	0	0
γ	0	4	1	0	0	1	0	0	1	0	0	0	0
Все фазы под током x3=x5=x6=x7≡1
γ	0	1	0	0	1	1	1	0	0	1	1	1	1
γ	0	4	1	0	0	0	1	1	0	1	1	1	1
γ	0	6	1	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1
γ	0	3	0	1	1	1	0	0	1	1	1	1	1

Устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, содержащее первую-третью шины выбора режима коммутации, шины управления, тактовую, реверса, реверсивный счетчик, первый, второй, третий входы которого соединены с шиной управления, тактовой шиной, шиной реверса соответственно, постоянное запоминающее устройство, шину разрешения чтения, при этом первый-четвертый выходы реверсивного счетчика соединены с одноименными входами постоянного запоминающего устройства, пятый-восьмой входы которого соединены с третьей, второй, первой, седьмой шинами выбора режима коммутации и разрешения чтения соответственно, а выходы первый-шестой постоянного запоминающего устройства являются одноименными выходами устройства управления шаговым двигателем, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены первая-четвертая схемы свертки, седьмой-десятый выходы постоянного запоминающего устройства, дешифратор, схема ИЛИ, блок индикации, одиннадцатая-четырнадцатая шины пороговых датчиков фазных токов и напряжений, при этом одиннадцатая шина соединена с объединением одиннадцатых входов первой, второй, третьей, четвертой схем свертки, двенадцатая шина соединена с объединением двенадцатых входов второй, третьей, четвертой схем свертки, тринадцатая шина соединена с объединением тринадцатых входов первой, третьей, четвертой схем свертки, четырнадцатая шина - с четырнадцатыми входами первой, второй, четвертой схем свертки, седьмой, восьмой, девятый, десятый выходы постоянного запоминающего устройства соединены с одноименными входами первой-четвертой схем свертки, выход четвертой схемы свертки соединен со вторым входом дешифратора, первый вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, пятый-седьмой входы которой объединены с одноименными входами блока индикации и подключены к выходам третьей, второй, первой схем свертки соответственно, первый-четвертый выходы дешифратора соединены с одноименными входами блока индикации, выходы которого седьмой-десятый являются выходами заявляемого устройства.