Устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

»»964951 (61) Дополнительное к авт. синд-ву (22) Заявлено 16.03.81 (21), 3260351/24-07 с присоединением заявки Ж (51)М. КЛ.

Н 02 P 8/00

3ооударетвсииый комитет (23) Приоритет (5З) УЙ К. 621.313. .13. 133-3 (088.8) по делам изобретений ! и открытий

Опубликовано 07.10 82. Бюллетень Юз 37

Дата опубликования описания 07.10.82

1 "| ""(ОВТ г " н

1 ч"р;ггы

ТЕХ|1И"-- -- " (72) Авторы изобретения

В. Ш. Арутюнян, А. 3. Мурадян и М. М. Манук

БИБЛИОТ:"::»-" - (7|) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

С ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА!

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления с шаговыми двигателями, и может быть использовано в дискретных системах автоматического управления.

Известно устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее блок задания программ, коммутатор, несколько сумматоров счетчиков и триггеров, подключенных к фаэным обмоткам шагового двигателя (1).

Недостатками этого устройства являются сложность и большой объем аппаратуры.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержащее распределитель импульсов, связанный выходами со входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, кольцевой регистр сдвига, реверсивный счет\ чик, 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 элементов И соединена выходами с входами каждого разряда кольцевого регистра сдвита, первыми входами — с выходами каж. дого разряда реверсивного счетчика, а вторыми входами — с выходом одновибратора, связанного своим входом со счетным входом реверсивного счетчика и с прямым выходом триггера управления (21, 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.

Ueab изобретения — повышение надежности н расширение функциональных воэможностей.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено элементом контроля состоя3, 96495 ния реверсивного счетчика, двухвходовым элементом ИЛИ, инвертором, тремя дополнительными двухвходовыми элементами И, двумя двухвходовыми элементами И вЂ” 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 управления, входы элемента ИСКЛН)ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 1О подключены к прямым выходам первого и по- следнего разрядов реверсивного счетчика, соединенного выходами всех разрядов с входами элемента контроля, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, соединенного 1s вторым входом с шиной установки в исходное состояние, а выходом — с входами установки в исходное состояние кольцевого регистра сдяига, реверсивного счетчика, триггера управления и первыми входами второго и третьего дополни-2п тельных элементов И, связанных вторыми входами с шиной реверсирования, один непосредственно, а другой через инвертор, выходы этих элементов И подключены к входам распределителя импульсов, причем первые входы обоих элемен-g тов И вЂ” 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 и 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 шага обработки шагового .двигателя.

На фнг. 1 приведена функциональная схема устройства применительно к четырехфазному шаговому двигателю; на фиг. 2 — временные диаграммы сигналов, соответствующие кратнос-! ,ти дробления шага, и = 8.

Устройство (фиг. 1) содержит распределитель импульсов 1, усилители мощности 2, коммутирующие фазы 3 шагового двигателя и связанные входами с выходами первой группы двухвходовых >о логических элементов И 4, двухвходовые логические элементы И 5, первые входы которых объединены и подключены к установочным входам кольцевого регистра сдвига б, реверсивного счетчика 7, триггера управления 8 и к выходу 55 двухвходового логического элемента ИЛИ 9, инвертор 10, двухвходовые логические элементы

И вЂ” НЕ 11, вторую группу двухвхФ(овых логи1 4 ческих элементов И 12. Первые входы злементов 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 счетчика 7 соединены с прямым выходом триггера управления 8.

Прямые выходы 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 исходное состоя- ние. Прямые же выходы первого и последнего рязрядов счетчика 7 подключены к входам логического элемента ИСКЛЮЧАВШЕЕ 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 и ъ 2.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с требуемым направлением вращения к шине У! (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 нарущается и после подачи на шину 12 импульсов высокой частоты. Эти потенциалы первого разряда кольцевого регистра 6, взаимодействуя через элемен96495 где аос — величина основного шага.

Второй полуцикл функционирования устройства аналогичен рассмотренному первому с той лишь разницей, что происходит обратное потактное измене числа единиц в счетчике 7

11111110; 11111100; 11111000; 11110000;

11100000; 11000000; 10000000; 00000000. Это приводит к линейно †ступенчато уменьшению тока во второй фазе и его линейно в стученчатому увеличению в третьей фазе.

Последующие циклы работы предполагаемого устройства происходят аналогично описан !ному первому циклу. На фиг. 2 графики 1!, Iз и I>, 14 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 Иlб — синхронно с моментами полного заполнения единицами и нулями всех разрядов счетчика 7. Графики 0 Т и

1 Т„на фиг. 2 иллюстрируют изменение сигналов соответственно на прямом и инверсном выходах триггера управления 8. Кривые i>—

i4 отображают действительный вид» ступенчатого изменения токов в соответствующих фазах двигателя при реальной циклограмме парного переключения выходов распределителя 1.

Реверсирование предлагаемого устройства осуществляется путем изменения ранее приложенного на шине Уl логического потенциала

5 ты И вЂ” НЕ 11 с единичными потенциалами !

Вых. 1 и Вых. 2, вырабатываемыми распределителем 1 (фиг. 2), создают на выходе соответствующего элемента И4 единичный потенциал. Усилитель мощности 2 данной фазы обес- s печивает при этом протекание в ней максимального значения тока (1!, 1з на фиг. 2), При поступлении на шину Tl первого тактирующего импульса низкой частоты (фиг. 2) триггер управления 8 переходит в единичное 10 состояние. От положительного перепада напряжения на его прямом выходе запускается реI ! версивный счетчик 7 и в его первом разряде записывается единица, т. е. устанавливается код 10000000. S5

От этого же перепада напряжения запускается. одновибратор 13 и через определенную задержку, превышающую время переходных процессов триггеров, вырабатывает на своем . выходе единичный импульс и, тем самым, 20 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) циркуляции 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 вЂ” НЕ

11 и И4 к усилителям мощности 2, создают токи величиной 7/81и — в первой фазе и

1/8 1н — во второй фазе (i> и i2 на фиг. 2), . где 1н — 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 Tl аналогично.описанному первому такту, происходит потактное изменение (и одновременная

40 передача в кольцевой регистр сдвига 6) кода в счетчике 7: 11000000; 11100000; 11110000;

11111000; 11111100; ill 11110; 11111111.

Это приводит к потактному уменьшению тока в первой фазе (6/8 1и 5/8 1и 4/8 1н", 3/8 l н, 2/8 IH, .1/8 1и, 0) и его одновременному увеличению во второй фазе (2/8 1н, 3,8 1и, 4/8 1н 5/8 I н 6/8 1н

7/8 1и., 1и). В течение всего последнего (15-го из этого полуцикла) нечетного такта все триггеры регистра 6 находятся в единичных состояниях 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

Tl аналогично описанному второму такту, тритгер 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 в первой фазе и одновременное увеличение во второй фазе). Ступенчатое изменение тока, в смежных фазах двигателя приводит к ступенчатому повороту суммарного вектора электромагнитного момента и, соответственно, pompa. В результате ротор отрабатывает восемь дробных шагов величиной

<ос ос

0I.

964951 на обратное. При 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 эле- 5 мента контроля 14 и, следовательно, на выходе элемента ИЛИ 9 имеется нулевой потенциал.

На их выходах появляется единичный импульс только при нарушении нормальной циклограммы работы реверсивного счетчика 7 — в результате воздействия на него случайных 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 же .

Вых. 3 и Вых. 4. Таким образом восстаиавли- 50 вается требуемая синфазность (синхронность) функционирования отдельных узлов Устройства.

Элемент контроля для реверсивного счетчика 7 должен быть настроен на обнаружение любого нарушения нормальной циклограммы 25 его потактного функционирования.

Кольцевой регистр сдвига б не нуждается в индивидуальном контрольном устройстве, поскольку его случайный сбой не приводит к нарушению синхронности работы между отдель- 30 ными узлами устройства, а вызывает всего лишь определенного уровня провал в средних значениях токов в фазах, который быстро восстанавливается в следующем цикле работы.

В аналогичном устройстве не нуждается так- 55 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 какого либо пересчетного устройства или делителя), значительно повышает надежность всего устрой. ства.

Переход с режима дробления к режиму

55 отработки основных шагов осуществляется путем подачи на шину У2 нулевого потенциала.

При этом на выходе пары элементов И вЂ” НЕ 11, и следовательно, на соответствующих 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 обра- батывает основные величины единичных шагов.

Частота тактирующих импульсов на шине

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 И ) можно добиться регулируемого (в том же диапазоне от 2 до N) коэффициента дробления шага, Формула изобретения

Устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержашее распределитель импульсов, связанный выходами с входами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, кольцевой регистр сдвига, реверсивный счетчик, одновибратор, 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, 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 счетчика, вторыми входами — с выходами одновибратора, связанного своим входом со счетным входом реверсивного счетчика и с прямым выходом триггера управления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью nof вышения надежности и расширения функциональных возможностей, снабжено элементом контроля состояний реверсивного счетчика,, двухвходовым элементом ИЛИ, инвертором, тремя дополнительными двухвходовыми элементами И, двумя двухвходовымн элементами

И вЂ” 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 ин. версным выходом триггера управления, входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к

964951

10 прямым выходам первого и последнего раэря дов 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 сдвига, реверсивного счетчика, трипера управления и первыми входами второго и третьего дополнительных эле ментов И, связанных вторыми входами с шиной реверсирования, один непосредственно, а другой через инвертор, выходы этих элементов

И подключены к входам распределителя импульсов, причем первые входы обоих элемен тов И вЂ” НЕ подключены к прямому и инверсному выходам одного разряда кольцевого

S регистра сдвига, а выходы — к вторым входам основных элементов И первой группы, взятых

1 через один.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 11 601666, кл. G 05 В 19/40, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке И 2956970/24 — 07, кл. Н 02 0 8/00, 1980, . 964951

12374 с> а

Фиг. 2.Редактор Т. Парфенова

Подписное

Составитель 3. Горник

Техред Е. Харитончик Корректор Н. яуряк

Заказ 7686!45 Тираж 721

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Ф

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

8