Устройство для программного управления шаговым двигателем

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН пэБО(1 и Щ С 05 В 19/4 ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ П(НТ СССР ОМИТЕ ОТНРЫТ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИд ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ УСТРОЙСТВО Б 1 Я ПРОГРАММНОГОЛЕНИЯ ИАГОВИч 1 ЛВИГАТГЛЕл 1Из о брет е ние от носится к а втомаи вычислительной технике и пречено для управления тяговым прстанков и оборудования с числрограммным управлением, Цельетения - повышение плавности д(54) УПРА (57) тике назна о вым изо зобретение относится к автоматиялиислительной технике и пред-.назначено для управления шаговым приводом станков и оборудованием с числов пм программным управлением,Целью изобретения является повышение плавности движения шаговогодвигателя и улучшение энергетических показателей устройства,На Аиг,1 приведена функциональнаясхема устройства для программного управления шаговым двигателем; насхема оптронной развязки, соединой с демодулятором; на Аиг.3ма порогового элемента; на фиг,4временные диаграммы тока обмотки и фиг.2нен - схе 1 напряжения порогового эле.90, Г 1 юп, Р 36тичников, 11. В.11 ибайкинкин03,55 (088,8)ское свидетельство СССРкл, с 05 В 19/40, 1985,ое свидетельство СССРкл. Г 05 В 19/40, 1984 жения шагового двигателя и улучшениеэнергетических показателей устройства.Устройство для программного управления тяговым двигателем содержит блокзадания программы, распределительимпульсов, циАровой регулятор амплитуды, каналы управления, источникилитания, обомотки управления, Сущность 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 ш -ротно-ипульсного сигнала на основеквантования по времени преобразуетсв кодоимпульсную форму. 6 ил.,мента, элементов задержки в режимеб.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 1 ройства преобразователя кода,Устройство для программного управления шаговым двигателем содержитблок 1 задания программы, распределитель 2 импульсов, каналы 3 управленияобмотку 4 управления, датчик 5 тока,источники 6 и 7 питания, генератор 8прямоугольных импульсов, двоичныйсчетчик 9, реверсивный счетчик 10, 1596308преобразователь 11 кода, цифровой регулятор 12 амплитуды и-разрядньпсумматор 13, элементы ИЛИ.14-17, элементы НЕ 18, 19, элементы И-НЕ 20-23,а также блок 24 оптронной развязки,демодулятор 25, г 1 ороговой элемент 26,элементы 27, 28 задержки, ключи 29,30,демпфирующие диоды 31, 32.Пороговьп элемент 26 содержит ком Опаратор 33, резисторы 34-36,Блок оптронной развязки содержитоптрон 37, установочные резисторы 38и 39,Демодулятор содержит усилитель 40,резистор 4 1 установки, первый 42 ивторой 43 конденсаторы,.резисторы44-46;Блок 1 задания программы выполнен,например, на базе микропроцессораКР 580 ВГ.80 А или гипа ЭВМ "Электроника 60 М, предназначен для задания скорости и величины перемещения шаговогодвигателя, а также задания амплитудытока в режимах фиксированной стоянки, 25движения на низкой или высокой скорости с малой или номинальной нагрузкоч,задания темпа разгона и торможенияпри состветствующел кратковременномувеличении амплитуды тока выше номи-.нального значения,Блок 1 задания программы выходамисоединен с соответствующими входамираспределителя 2 импульсов, причемна первый вход поступает последовательность импульсов, на второй входсигнал о направлении движения и нагруппу входов - код, задаюияй амплитулу тока в обмотках,4 управления шаговым двигателем, 40Распределитель 2 импульсов осуществляет преобразование информации, идущей с выходов блока 1 задания программы, в кодоимульсные модулированныесигналы (К 11 И) на выходе распределителя 2, Эти сигналы поступают на входсоответствующего канала 3 управления,Каналы 3 управления предназначены дляпреобразования ЮЮ-сигналов в аналоговый сигнал, в соответствии с которым Формируется ток синусно-косинусной Формы в обмотках 4 шагового двигателя,Каналы управления питаются от источников 6 и 7 питания, выполненныхпо схеме, имеющей общую шину,55Распределитель 2 импульсов (Фиг. 1)состоит из генератора 8 прямоугольных импульсов, 1 габотающего с частотой Г , двоичного счетчика 9, реверсивного счетчика 10, преобразователя 11 кода, выполненного на ПЗУ и цифрового регулятора 12 амплитуды.Таблица, иллюстрирующая принциппрограммирования ПЭУ преобразователя11 кода, представлена на Фиг,6,С помощью генератора 8, двоичногосчетчика 9, реверсивного счетчика 10и преобразователя 11 кода осуществляется преобразование поступающей насчетный вход реверсивного счетчика 1 Опоследовательности импульсов в широтно-импульсныемодулированные (ИИМ) сигналы на обоих выходах преобразователя 11 кода, частота которых определяется частотой генератора 8 и числомразрядов счетчика 9.11 ИМ-сигналы с первого и второго выходов преобразователя 11 кодов поступают на соответствующие входы цифрового регулятора 12 амплитуды, которыйосуществляет кодоимпульсную модуляциюИИМ-сигналов, поступающих с преобразователя 11 кода в зависимости от кода, задающего амплитуду тока в обмотках 4 управления и поступающего сгруппы выходов блока 1 задания программы,Схема регулятора 12 (Фиг,1) содержит разрядный сумматор 13, элементыИЛИ 14 - 17, элементы НЕ 18,19, элементы И-НГ 20 - 23 с открьггым коллектором, включенные по схеме составного ИЛИ,Представление информации в кодоимпульсной Форме позволяет управлятьсоответствующим каналом 3 управлениявс ".о линь по одной сигнальной цепи,Каждый канал 3 управления содержит последовательно соединенные блок24 оптронной развязки, демодулятор 25(фиг.2) и пороговый элемент 26 (фиг.3),выход которого через элементы 27, 28задержки соединен соответственно суправляющими входами первого 29 ивторого 30 ключей, зашунтированныхдел 1 пфирующими диодами 31, 32, Второйвход порогового элемента 26 соединенс датчиком 5 тока,Демодулятор представляет собой активный фильтр нижних частот с передаточной Функцией второго порядка,Пороговый элемент 26 (Фиг.3) содержит компаратор 33 и резисторы 3436, обеспечивающие необходимые дляработы данного устройства пороги срабатывания и, следовательно, частоту96308 30 35 40 45 50 5 15комму,ьжи ключеи 29 30 и очностьвоспроизведения заданной формы токав обмотках шагового двигателя,Злс,менты 27 и 28 задержки исключа-ют сквозные токи через ключи 29 и 30в моменты их переключения (частотапереключения ключей 21, 22 - 12-30 кГц).Демпфирующие диоды 31 и 32 служатдля рекуперации энергии, обусловленной ЗДС сам индукции при размыканииключей 29 и 30,Кажый канал 3 управления осуществляет преобразование кодоимпульсныхуправляющих сигналов, идущих с выходов распределителя 2 через блок 24оптронной развязки, с помощью демодулятора 25 (фиг,2) в аналоговый сигнал, который поступает через резисторЕ 1 (фиг,3) на первый вход (резисторК 1) порогового элемента 26, выходноенапряжение которого может приниматьлибо положительное ("+1") либо отрицательное (минус 1) значения и соответственно включать через элементы27 и 28 задержки либо первый ключ 29,либо второй ключ 30, подключая обмотку 4 шагового двигателя к источнику 6питания ("+О ") либок источнику 7 питания ("минус 10 ") с такой частотой,чтобы среднее значение тока в обмотке соответствовало уровню сигнала навыходе 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 импульсы. При этом с выхода счетчика 9 поступают сигналы на входы А - А сумФ матора 13 и адресные входы а-а преобразователя 11 кода, на выходе которого Формируются широтно-импульсные сигналы (ГИЮР в зависимости от состояния адРесных входов а, - ар (см.таблицу программирования ПЗУ на фиг.7).После включения питания состояния адресных входов а - а может бытьелюбым.Эти сигналы поступают затем на входы логических элементов цифрового регулятора 12 амплитуды, с помощью ко" торого осуществляется квантование во . времени в зависимости от состояния входов В, - В сумматора 13, на кото 5 10 15 20 25 рых задается код с группы выхолов блока 1 задания программы, определяющий амплитуду гока в обмотке 4 шагового двигателя.После включения питания этот код 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 - Всумматора 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 и 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 кодо- импульсный сигнал, соответствующий аналоговому напряжению. Бна выходе демодулятора 251 Тогда в момент С пороговый элемент 26 по сигналу на его первом вхо де устанавливается в состояния "+1",При этом через элемент 27 задержки включается ключ 29 и замыкается цепьот источника 6 питания (+ Б ) 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"Л 2.нарастает до значения 1+2 выходное напряжение порогового элемента 26 изменится на значение "минус 1".При этом ключ 29 выключается, ЗДС самоиндукции подключается через демпфирующий диод 32 к источнику 7 питания (минус Б).1596308 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 гателя в другом направлении "34". ПриЛ достижении током значения 1 --2 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 а- апреобразователя 11 кода, Выходными сигналами преобразовател 11 кода являются 1 ПВ-сигналы, изменяющиеся по закону синуса и косинуса, которые воздейстуют на циФровой 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 импуль" рассмотренному процессу коммутации элементов и Форьмрования тока в обмотке 4, с той разницей, что этот каналподключен к второму выходу распределителя 2, на котором Формируется кодоимпульсный сигнал по закону косинуса,Блок 1 задания программы, группавыходов которого соединена с группойвходов сумматора 13 задает, как отмечалось ранее, код амплитуды тока в обмотках 4 шагового двигателя.По этим входам программируетсяуровень токов в обмотках 4 в режимеФиксированной стоянки, в режиме движения на низкой скорости с малым моментом нагрузки. В этих случаях двигатель потребляет пониженную мощность,В режимедвижения с номинальнойнагрузкой амплитуда тока должна бьггьповышена до номинальной, что достигается соответствующим изменением кода на входах В - В сумматора 13.В режиме, программного разгона дляуменьшения времени разгона следуеткратковременно увеличить амплитудутокч выше номинального значения, чтотакже достигается изменением кода навходах В - В сумматора 13,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 10отключается ключ 29 и ерез элемент27 задержки включается ключ 29, токопять будет нарастать. Процесс многократно повторяется с частотой, определяемой параметрами обмотки (индук 15тивностью Ь и активным сопротивлениемЙ, а также величиной напряжения источников 6 и,7 питания, сопротивлением резисторов К 1, й 2, К 3 порогового элемента 26 и временем задержек)0на включение ключей 29 и 30).Среднее значение тока 1 определяется уровнем сигнала на выходе демодулятора 25, который преобразует кодьимпульсный сигнал управления, идущий25от распределителя 2 через оптроннуюразвязку 24 в зависимости от сигналас выхода старшего разряда счетчика 9и широтно-имульсного сигнала 0 ЦИМ),поступающего с обеих выходов преобразователя 11 кода,В режиме движения (с моментаФиг,4) по частотному входу счетчика 10с первого выхода блока 1 задания программы подается последовательность 35импульсов,.частота которых определяетскорость вращения двигателя, а заданное число импульсов определяет заданный угол поворота,1 40В режиме разгона устройство позволяет делать программную Аорсировку тока путем кратковременного увеличения амплитуды тока выше номинального зна 5 чения.Кроме того, применение оптронной развязки увеличивает помехозащищенность устройства.й о р м у л а и з о б р е т е н и я 10 Устройство для программного управления щаговым двигателем, содержащее блок задания программь 1, управляющий и информационный выходы которого сое динены с соответствующими входами распределителя импульсов, состоящего из реверсивного счетчика, информационные выходы которого подключены к первой группе адресных входов преобразо вателя кодов, счетный вход реверсивного счетчика соединен с информационным входом распределителя импульсов, а вход направления счета - с его упранляючим входом,. первый и второй .вы 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- З 0 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 плавности движения шагового двигателя, в каждый канал управления введены элемент оптронной развязки, два демпфирующих диода, демодулятор, вход ко 40 торого через элемент оптронной развязки соединен с входом канала управления, выход - с первым входом порогового элемента, второй вход которого45 подключен к концу обмотки управления, а выход - к входам первого и второго элементон задержки, выходы которых подключены соответственно к управ,лЪющим 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 образуют первый и нторой выходы, причем распределитель импульсов дополнительно содержит генератор прямоугольных импульсон, двоичный счетчик, и-разрядный сумматор, четыре элемента ИЛИ, дна элемента НЕ, четыре элемента И-НЕ, причем счетный вход двоичного счетчйка 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 НЕ 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-НЕ .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-НЕ, второй выход преобразователя кода соединен с вторыми входами четвертого элемента ИП 1 и четвертого элемента И-НЕ, ныход второго элемента ИЛИ соединен с первыми входами второго и четвертого элементов И-НЕ.1596308 ппгн оо оо оо О аа а о о а а ао а а о о 4 о а а очаг ог о 7 ог оа о 4 оза Фиг.о Составитель И.йвец-35, Раушская наб д. 4/5 и осуда мит скв Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж ул. Гагарина, 10 Заказ НИИПИ оосо оооо ио венного113035, а а а о о а а а а БИ я я о и