Устройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага

ОП ИСАНИЕИЗОВРЕтЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ои 964951(5 З) УЙ К. 621.313, .13.133-3 (088 8) по делам изобретенийи открытий Опубликовано 07 10 82 Бюллетень Юе 37 Дата опубликования описания 07 10 82 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ДРОБЛЕНИЕМ ШАГА5 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 двигателемс дроблением шага, содержащее блок задания программ, коммутатор, несколько сум. маторов счетчиков и триггеров, подключенных к фаэным обмоткам шагового двигателя 1.Недостатками этого устройства являются сложность и болыпой объем аппаратуры,Наиболее близким к изобретению по техни. ческой 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 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 элементод И соединена выходами с входами каждого разряла кольцевого регист ра сдвита, первыми входами - с выходами каж дого разряда реверсивного счетчика, а вторыми входами - с выходом одновибратора, связанно.го своим входом со счетным входом реверсив.ного счетчика и с прямым выходом триггера управления 121,Однако у этого устройства низкая надежность, обусловленная возможностью случайного нарушения синхронности (синфазности) потактного функционирования между реверсивным счетчиком, распределителем импульсов и ревер.сивным делителем частоты при воздействии по.мех, что может привести к полному нарушению нормальной работы всего устройства. Кроме того, это устройство имеет ограниченные функци.оиальные возможности, поскольку обеспечивает отработку только дробных шагов шагового двигателя.Цель изобретения - повышение надежностин расширение функциональных воэможностей.Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено элементом контроля состоя.3 , 96495 ния реверсивного счетчика, двухвходовым эле. ментом 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 1 О 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 1 з 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-щ 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. 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 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 функ. циональные 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, й = 8.Устройство (фиг. 1) содержит распределитель импульсов 1, усилители мощности 2, коммутирующие фазы 3 шагового двигателя и связанные вХодами с выходами первой группы двухвходовых 50 логических элементов И 4, двухвходовые логи. ческие 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 - НЕ 11, вторую группу двухвх(новых логи. 1 4ческих элементов И 12. Первые входы злементов И 12 подключены к выходам соответствующих разрядов реверсивного счетчика 7, а вто. рые входы объединены и подключены к выходу одновибратора 13. Вход одновибратора 13 и счетный вход реверсивного счетчика 7 соедине. ны 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 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15. Инверсный выход триггера управления 8 под. ключен 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 б подключены соответственно к тактирующим шинам Т 1 и Т 2.Разрядности реверсивного счетчика и кольцевого регистра сдвига б выбираются в соответствии с заданным коэффициентом дробления шага шагового двигателя й ъ 2.Устройство работает следующим образом.В соответствии с требуемым направлением вращения к шине У (фиг. 1) прикладывается единичный или нулевой потенциалы. Для обес. печения режима отработки основных шагов шагового двигателя к шине У 2 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 У 1 (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 У 2 единичного потенциала (режим отработки дробленных шагов) первоначальное нулевое состояние кольцевого регистра б обеспечивает на нулевом выходе триггера его первого разряда единичный потенциал, а на его единичном выходе - нулевой потенциал. Это состояние не нарущается и пос. ле подачи на шину 12 импульсов высокой частоты. Эти потенциалы первого разряда коль. цевого регистра б, взаимодействуя через элемен.96495 5ты И - НЕ 11 с единичными потенциаламиВых. 1 и Вых, 2, вырабатываемыми распре. делителем 1 (фиг. 2), создают на выходе соответствующего элемента И 4 единичный потенциал. Усилитель мощности 2 данной фазы обес. 3 печивает при этом протекание в ней максималь. ного значения тока (1, з на фиг. 2),При поступлении на шину Т 1 первого тактирующего импульса низкой частоты (фиг. 2) триггер управления 8 переходит в единичное 1 О 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, 15От 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 б. 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 - НЕ 11 и И 4 к усилителям мощности 2, создают токи величиной 7/81 и - в первой фазе и 1/8 1 н - во второй фазе (1, и , на фиг. 2), . где 1 н - 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 Т 1 аналогично описанному первому такту, происходит потактное изменение (и одновременная40 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 (б/8 1 и 5/8 1 и 4/8 1 н", 3/81 Н,2/81 н, 1/8 1 и, О) и его одновременному увеличению во второй фазе (2/8 1 н, 38 1 и4/8 1 н5/8 1 н б/8 н 7/8 1 ы., 1 и) . 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 Т 2 высокочастотных импульсов. Благодаря этому на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15 возникает единичный потенциал.35В последнем четном (в 16-ом из этого полуцикла) такте поступления импульса на шину Т 1 аналогично описанному второму такту, трит. гер 8 переходит в нулевое состояние. Возника. ющий 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 Т 1 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 элект. ромагнитного момента и, соответственно, рото. ра, В результате ротор отрабатывает восемь дробных шагов величинойоОс о СЫфэ М 8 где аос - величина основного шага.Второй полуцикл функционирования устройства аналогичен рассмотренному первому с тойлишь разницей, что происходит обратное потактное изменение числа единиц в счетчике 7;11111110; 11111100; 11111000; 11110000;11100000; 11000000; 10000000; 00000000. Этоприводит к линейно в ступенчато уменьшениютока 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 113 и 1, 14 условно иллюстрируют процессыступенчатого изменения токов в соответствующих фазах (в результате потактного формирования широтно - модулированных сигналов напрямом и инверсном выходах первого разрядакольцевого регистра сдвига 6), которые имелибы 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 навыходе элемента И 16 - синхронно с моментами полного заполнения единицами и нулямивсех разрядов счетчика 7. Графики 0 Т и1 Тна фиг. 2 иллюстрируют изменение сигналов соответственно на прямом и инверсномвыходах триггера управления 8. Кривые 1, -14 отображают действительный вид. ступенчатогоизменения токов в соответствующих фазахдвигателя при реальной циклограмме парногопереключения выходов распределителя 1.Реверсирование предлагаемого устройстваосуществляется путем изменения ранее приложенного на шине У 1 логического потенциалана обратное, При этом изменяются на обратные описанные процессы изменения кодов враспределителе 1 и счетчике 7 ( фиг, 2),За весь период нормального функциониро.вания реверсивного счетчика 7 на выходе элемента контроля 14 и, следовательно, на выходе элемента ИЛИ 9 имеется нулевой потенциал.На их выходах появляется единичный импульстолько при нарушении нормальной циклограммыработы реверсивного счетчика 7 - в результате воздействия на него случайных помех. Припоявлении этого импульса на выходе элемен.та ИЛИ 9 кольцевой регистр 6, реверсивныйсчетчик 7 и триггер управления 8 приводятсяв первоначальные исходные состояния, а распределитель 1, в зависимости от заданного нашине У 1 потенциала, устанавливается в состояние, при котором логическая единица присут.ствует на его выходах Вых. 1 и Вых, 2 или же .Вых. 3 и Вых. 4, Таким образом восстаиавли 20вается требуемая синфазность (синхронность)функционирования отдельных узлов Устройства,Элемент контроля для реверсивного счетчика 7 должен быть настроен на обнаружениелюбого нарушения нормальной циклограммы 2 Зего потактного функционирования,Кольцевой регистр сдвига б не нуждается виндивидуальном контрольном устройстве, поскольку его случайный сбой не приводит кнарушению синхронности работы между отдель 30ными узлами устройства, а вызывает всего. лишь определенного уровня провал в среднихзначениях токов в фазах, который быстровосстанавливается в следующем цикле работы.В аналогичном устройстве не нуждается так- З 5же распределитель 1, в связи с возможностьюего реализации на минимальном количествеэлементов памяти (на двух триггерах) поструктурно - надежной схеме (без логическойизбыточности состояний) .40В принципе, в устройстве триггер 8 можетбыть заменен логическим элементом НЕ, еслиподаваемые на шину Т 1 импульсы имеютскважность=2 (т. е. являются меандрами).Наличие элемента контроля состояний счетчика 7 и соответствующих цепей восстановления, а также жесткой синхронизации междусчетчиком 7 и распределителем 1, обеспечи.ваемой 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 устройства.Переход с режима дробления к режимуИотработки основных шагов осуществляется путем подачи на шину У 2 нулевого потенциала,При этом на выходе пары элементов И - НЕ 11,и следовательно, на соответствующих входахэлементов И 4 устанавливаются постоянныеединичные потенциалы. В результате этого ши.ротно - модулированные сигналы от кольцевого регистра 6 не поступают к усилителям 2,идвигатель по сигналам распределителя 1 обрабатывает основные величины единичных шагов.Частота тактирующих импульсов на шинеТ 1 устанавливается в 2 раза выше требуемойрабочей частоты, а частота тактирующих импуль.сов на шине Т 2 выбирается исходя из величины электромагнитной постоянной времениданного двигателя, чтобы обеспечить допусти.мые пульсации тока при осуществляемой ши.ротно - импульсной модуляции фазных напряже.ний,При структурном выполнении регистра исчетчика с переменным (кодоуправляемым)коэффициентом пересчета (в диапазоне от 2до И ) можно добиться регулируемого (в томже диапазоне от 2 до й) коэффициента дробления шага,Формула изобретенияУстройство для управления шаговым двигателем с дроблением шага, содержашее распределитель импульсов, связанный выходами с вхо. дами усилителей мощности, коммутирующих фазы двигателя, кольцевой регистр сдвига, реверсивный счетчик, одновибратор, триггер управления, шины установки в исходное состоя. ние 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 т . л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью по. 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 - 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 кпрямым 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, триггера управления и первыми входами второго и третьего дополнительных элементов И, связанных вторыми входами с шиной реверсирования, один непосредственно, а другой через инвертор, выходы этих элементов И подключены к входам распределителя им.пульсов, причем первые входы обоих элемен.тов И - НЕ подключены к прямому и инверсному выходам одного разряда кольцевого3 регистра сдвига, а выходы - к вторым входамосновных элементов И первой группы, взятыхчерез один.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе16 1, Авторское свидетельство СССР Мф 601666,кл. 6 05 В 19/40, 1978.2. Авторское свидетельство СССР по заяв.ке Иф 2956970/24 - 07, кл. Н 02 0 8/00, 1980,Тираж 721ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Фиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4