Устройство для управления шаговым электроприводом

 

Изобретение относится к системам программного управления и предназначено для плавно о разгона, торможения и точного останова прецизионного тягового электропривода . Цель изобретения - расширение области применения за счет упрощения устройства для управления шаговым электроприводом . Устройство содержит программируемый таймер, регистр управления , управляемый генератор импульсов, счетчики , блок памяти нелинейных функций, цифровой компаратор, логические коммутаторы , магистраль управления Изобретение позволяет упростить устройство и расширить область его применения. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 05 В 19/18, 19/40

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ВСИ

i " " 7Ящ. - БЛи

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

М (21) 4498597/24 (22) 25.10.88 (46) 07.10.91. Бюл. М 37 (72) О. Н. Мацкевич и Г, M. Лачугин (53) 621.503.55(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1603347, кл. G 05 В 19/40, 1988.

Авторское свидетельство СССР

М 1332264, кл. G 05 В 19/18, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ (57) Изобретение относится к системам программного управления и предназначено для

Изобретение относится к системам программного уп равл ения и предназначено для плавного разгона, торможения и точного останова прецизионного шагового электропривода, Цель изобретения — расширение области применения за счет упрощения. устройства для управления шаговым электроприводом с автономной отработкой момента начала торможения при нелинейном законе разгона и торможения.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для управления шаговым электроприводом; на фиг. 2 — пример выполнения перестраиваемого генератора импульсов; на фиг. 3 и 4 — примеры выполнения первого и второго логических коммутаторов; на фиг.

5 — графики изменения частоты отработки перемещения при экспоненциальном разгоне и торможении; на фиг. 6 — графики функций L=f(N).

Устройство содержит программируемый трехканальный таймер 1, регистр 2 уп5О 1682974 А1 плавного разгона, торможения и точного останова прецизионного тягового электропривода. Цель изобретения — расширение области применения за счет упрощения устройства для управления шаговым электроприводом. Устройство содержит программируемый таймер, регистр управления, управляемый генератор импульсов, счетчики, блок памяти нелинейных функций; цифровой компаратор, логические коммутаторы, магистраль управления. Изобретение позволяет упростить устройство и расширить область его приме.:ения. 6 ил. равления, перестраиваемый генератор 3 импульсов, первый счетчик 4, второй счетчик 5, блок 6 памяти нелинейных функций (ППЗУ), цифровой компаратор 7, второй логический коммутатор 8, первый логический коммутатор 9, магистраль 10 управления.

Выходы коммутатора 9 являются выходами

11 и 12 устройства. Генератор 3 импульсов (Фйг, 2) содержит инверторы 13 — 18, регулирующий транзистор 19, резисторы 20 и 21, конденсаторы 22 и 23, диоды 24 — 26. Сущность изобретения заключается в том, что отработка момента начала торможений производится в соответствии с нелинейной зависимостью пути разгона от заданного пути полного перемещения. Для этого в каналы Б, В таймера, запрограммированные на режим терминального счета, перед началом отработки перемещения записывают число шагов полного перемещения. В ходе отработки перемещения каждый импульс, поступающий на канал В таймера, сопровождается подачей К импульсов на ка1682974 нэл Б. При отсчете каналом Б записанного в него числа формируется сигнал начала торможения. В ходе отработки перемещеHplsI IMcllo К изменяется тBKL1M образом, что обеспечивается реализация нелинейной зависимости L=f(N), где . — число шагов до момента начала перемещения, Перемещение заканчивается при отсчете каналом В числа N, Задание функции K=f(N) производится при помощи второго счетчика и блока памяти. Поскольку число К изменяется в небольших пределах (практически от 15 до 1), для хранения его значений требуешься небольшая память блока памяти и малораэрядный цифровой компаратор.

Приведенный принцип отработки момента начала торможения реализуется при помощи предлагаемым связей между блоками устройства, Через магистраль 10 управления устройство подключается к порту ввода-вывода ЭВМ, например к устройству параллельного обмена И2 ЭВМ "Электроника-60".

Программируемый трехканальный таймер 1 предназначен для формирования сигнала начала тормо:кения и сигнала оконча ния обработки заданного перемегцения, Канал А таймера используется для деления частоты генератора 3 импульсов, за счет чего устанавливается требуемая рабочая Частота электропривода. Режим деления и коэффициент деления задаются по магистрали 10. Канал Б используется дпя формирования сигнала начала торможения, а канал В для формирования сигнала конца отработки, перемещения. Режим терминального счета каналов Б, В и величина полного перемещения, заносимая в оба канала, задаются по магистрали 10, Коды режимов и чисел поступают на таймер 1 по шине данных Д, выбор таймера и канала производится по входам ВМ1 АО, А1. В каждый канал таймера может быть занесено 16-разрядное двоичное число, запись проводится побайтно (по 8 разрядов). Запись данных в таймер 1 производится сигналом по входу

Зп, Включение каналов таймера производится сигналом по входам РО...Р2, каждый канал имеет вход для тактовых импульсов и выход, Входы Д, ВМ1, АО, А1 подключают через магистраль 10 к регистру вывода устройства И2 ЭВМ "Электроника-60", вход Зп — к цепи "Вывод" устройства И2. Выход второго канала подключают через магистраль

10 к цепи "Требование А" устройства И2.

Регистр 2 управления предназначен для управления блоками устройства. Шина

Д данных и вход ВМ2 регистра подключены через магисграль 10 к регистру вывода уст50

5

45 ройства И2, Коды управления, поданные на регистр 2, записываются в регистр по сигналу ВМ2, Назначение разрядов регистра 2:

ДΠ— режим обработки перемещения (Π— с разгоном, 1 — без разгона); Д1 — направление вращения или номер злектропривода;

Д2 — управление таймера 1 (Π— выключено, 1 — включена); ДЗ вЂ” управление сброса счетчиков 4, 5 (Π— сброс снят, 1 — сброс подан);

Д4.„Д7 — номер функции в блоке 6, При необходимости число разрядов для задания номера эпектропривода и номера функции в блоке 6 может быть увеличено или уменьшено.

Управляемый (перестрэиваемый) генератор 3 импульсов (фиг. 2) предназначен для формирования тактовых импульсов, подаваемых на таймер 1. Генератор 3 состоит из мультивибраторэ на инверторах 16 — 18, регулирующего полевого транзистора 19 с RCцепью, резистора 20, конденсатора 22 на входе и цепей управления нэ инверторах 13 и 14, 15 и диодах 24 — 26. При уровне "1" на выходе инвертора 15 транзистор 19 закрыт и частота мультивибратора определяется произведением R29 С23 (начальная частота мультивибратора). При уровне "О" на выходе инвертора 15 транзистор 19 открыт и представляет собой малое сопротивление Rr, включенное параллельно резистору й21, В результате частота мультивибратора определяется произведением (RT...R21) С23, где

R C23 — максимальная частота мультивибратора. При переключении уровня напряжения на выходе инвертора 15 с уровня "О" на уровень "1" и обратно напряжение на затворе полевого транзистора 19 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени т =R20 С22. В результате частота мультивибратора при переключении инверторэ 15 изменяется по экспоненциальному закону. Инверторы 13, 14 и диоды 24 — 26 образуют логическую схему И для трех входных сигналов управления (двэ сигнала подаются на инверторы 13 и 14 уровнями "О").

Необходимое время разгона и торможения устанавливают резистором 20, начальную частоту генератора регулируют резистором 21. При необходимости и редусматривают регулировку и максимальной частоты. Настройку генератора 3 производят с учетом динамических характеристик соответствующих электроприводов, Счетчики 4 и 5 импульсов предназначены для счета импульсов с выхода канала A таймера 1 и выдачи текущих значений счета на блоке 6 и компарэторе 7. Частота импульсов на выходе счетчика 4 является рабочей частотой устройства, Счетчики 4 и 5 имеют

1682974 счетные входы СР, входы R сброса, входы С управления, разрядные выходы.

Один из выходов счетчика 5 (например, последний) соединен со входом CN этого же счетчика. При-появлении уровня "1" на входе CN дальнейший счет счетчиком 5 прекращается. Этим обеспечивается возможность использовать счетчик 5 меньшей разрядности, чем канал таймера 1, и применить блок

6 меньшей емкости. Здесь принято во внимание то, что при прохождении некоторого достаточно большого пути число шагов торможения становится постоянным. Практически достаточно иметь четырехразрядный счетчик 4 и десятиразрядный счетчик 5. Выходы младших разрядов счетчика 5 (до 3-5) могут не использоваться с целью уменьшения емкости блока памяти. Число неиспользованных выходов младших разрядов счетчика 5 задается шаг аппроксимации функции K=f(N), отрабатываемый счетчиком

5 и блоком 6.

Блок 6 предназначен для преобразования кодов с группы выходов счетчика 5 в коды числа К, подаваемые на вторую группу входов цифрового компаратора 7. На вторую группу входов блока 6 подаются с регистра 2 коды номера функции K=f(N), чем обеспечивается возможность выбора требуемой функции L=f(N). Практически достаточно иметь блок памяти емкостью 256х4, у которого четыре входа подключены к счетчику 5 импульсов, а четыре других — к регистру 2. При этом в блоке памяти 6 может бить записано 16 функций К=-f(N) для четырехразрядных чисел К, каждая из которых аппроксимируется на 16 интервалов (для последнего интервала К=1 для всех значений, при которых на входе CN счетчика 5 уровень "1"). Функции К=-f(N), заносимые в блок 6, определяются экспериментальным или расчетным путем применительно к динамическим характеристикам конкретных электроприводов.

Цифровой компаратор 7 предназначен для сравнения двоичных чисел, поступающих íà его входы А и Б со счетчика 4 и блока

6 соответственно. При А<Б на выходы компаратора 7 — уровень "1".

Логический коммутатор 8 (фиг. 3) предназначен для управления входами каналов

Б, В таймера 1. Логический коммутатор 8 реализует следующие логические функции:

Х=Вх1 Вх5-Вх4чВх2 Вх5-Вх4, Y-Bx1 Вх5 Йх4чВх3 Вх5, где Вх1,...Вх5 — сигналы на входах 1 — 5 коммутатора 8 (номера входов по фиг. 1).

В соответствии с приведенными логическими функциями коммутатор 8 пропускает на входы Б, В таймера 1 импульсы с генера50 тора 3 при уровне "0" на входах PA...PB таймера 1. Эти импульсы необходимы для синхронизации таймера 1 при его программировании. При запуске таймера 1 (уровень

5 "1" на входах PA...PB), на вход Б таймера поступают импульсы с выхода канала А при наличии уровня "1" на выходе компаратора

7, а на вход В таймера поступают импульсы с выхода счетчика 4.

10 Логический коммутатор 9 (фиг, 4) предназначен для управления выходами 11 и 12 устройства. Коммутатор 9 реализует следующие логические функции:

Х=-Вх3 Вх2 Bx1;

15 Y=Bx3.Вх2-Вх1, где Bx1,...Âõ3 — сигналы на входах 1...3 (нумерация входов по фиг. 1).

В соответствииc приведеннымилогическими функциями логический коммутатор 9

20 пропускает импульсы с выхода счетчика 4 на выход 11 (12), пока на выходе канала В таймера 1 отсутствует сигнал окончания отработки перемещения. В зависимости от уровня сигнала Вх2 импульсы проходят на

25 выход 11 или 12. Выходы могут быть использованы для реверсивного управления шаговым двигателем или для управления разными шаговыми двигателями, В зависимости от конкретных потребностей логиче30 ская структура коммутатора 9 может быть модифицирована для реверсивного управ° ления несколькими шаговыми двигателями.

Задание параметров управления электропроводами (начальная и максимальная

35 частота отработки, частота останова, время разгона и торможения) осуществляется применительно к динамическим характеристикам конкретных электропроводов, Определение этих параметров произво40 дится расчетным или экспериментальным путем. Разгон и торможение могут осуществляться в частности по экспоненциальному закону. Для экспоненциального закона разгона и торможения имеют место следующие

45 соотношения (фиг. 5):

f = о+(— fo).(1 — е );

f2=f0+(fl — fo),(е ); = Sp f(t),dt=fmli+fo т -f t г; =5о f(t) dt=fptz+f> t 12 т;

N=L+M unv L=N M=-f(N);

К=- f(N)= -ц-, hN где fo, fm — начальная и максимальная частоты работы электропривода;

f< — частота, при которой происходит переключение электропривода на торможение;

1682974

4 — частота, при хоторОЙ происходит останов электропривода;

t — постоянная Времени разгона (торможение);

tl — интервал времени от пуска до вклю- 5 чения торможения;

l2 интервал Времени QT начала торможения до останова; путь, проЙденный эл ектрОприводом до включения торможения (В шагах); 10

М вЂ” путь, пройденный электроприводом и ри торможении (в ш агах);

N -- полный путь перемещения;

Л 1 — принятый интервал апроксимации; 15

ЛN — приращение на соответствующем интервале апроксимации, Примеры функций ..=-т(п) приведены на фиг. 6, Значения К для этих функций приведены в таблице. 20

Устройство работае следующим образом.

Перед началом отработки перемещения производится программирование регистра

2 управления и каналов таймера 1. Програм- 25 мирование осуществляется по сигналам магистрали 10 управления В следующей последовательности, сброс счетчиков 4, 5 и выключение каналов таймера 1; задание режимов работы каналов таймера 1; ввод дан- 30 ных в каналы таймера 1; задание режима работы блока 6, генератора импульсов 3, выключение сброса счетчиков 4 и 5 импульсов и включение каналов таймера 1.

Распределение информации с магист- 35 рэли 10 между каналами таимера 1 и регистром 2 осуществляется при помощи адресных сигналов АО, А1, ВМ1, ВМ2, поступаемых на соответствующие входы таймера

1 и регистра 2. 40

Для сброса счетчиков 4 и 5 и включения каналов таймера 1 в регистр 2 заносится команда, в которой Д2:=-О и Д3=1. Сигнал

Д2=0 подается на таймер 1 и мультиплексор

8; таймер 1 выключается, мультиплексор В 45 пропускает на таймер 1 импульсы с генератора 3, необходимые при программировании таймера 1.

Затем программируот таймер 1; канал

А — на режим деления ч.=стоты, канал Б,  — 50 на режим терминальнсго с ета. Затем на таймер 1 вводят данны=: в ванал А — коэффициент деления частсты генератора 3, В канал Е,  — - ;исло шагов перемещения.

Для запуска устройс.гва на отработку за- 55 данного перемещения В регистр 2 заносят код, в котором ДО=Э, Д2=1, ДЗ=О (режим отработки перемещени-. с разгоном и торможением, таймер 1 вкл;очен, сброс счетчиков 4 и 5 снят), Сигнал Д2==1 с регистра 2 запрещает прохождение через коммутатор

8 импульсов с генератора 3 и разрешает прохождение импульсов с выхода канала А на вход канала Б и С, выхода счетчика 4 на вход канала В. Сигнал Д2=1 поступает также на генератор.3, включая его на повышение частоты — начинается разгон электропривода, Частота импульсов генератора 3 делится каналом А таймера 1 и счетчиком 4 для получения необходимой рабочей частоты на Выходах 11, 12, Изменяя программно коэффициент деления канала А, можно получить различные значения рабочей частоты нд ВыхОды 11, 12.

TBK как рабочая частота на выходах 11, 12 пропорциональна частоте генератора 3, а частота генератора изменяется плавно, то разгон и торможение электропривода осуществляется плавно, без апроксимации кривых разгона и торможения, Для отработки перемещений беэ разгона (наладочный режим, рабочий режим с медленной подачей и т.д.) в регистр 2 заносят код с ДО=1. Сигнал ДО=1, поступая на генератор 3, запрещает включение повышенной частоты генератора 3.

Для отработки момента начала торможения по соответствующей кривой L=f(N) в разряды Д4,...,Д7 регистра 2 заносят код номера этой кривой, Установленный код номера группы поступает на вторую группу входов блока 6 для задания соответствующей зоны памяти блока 6, где записана соответствующая кривая K=f(N). Коды соответствующих чисел К, изменяющиеся при "àïîëíåíèè счетчика 5,,поступают с блока 6 на входы Б цифрового компаратора 7, Отработка момента начала торможения

Осуществляется следующим образом.

Перед началом отсчета заданного перемещения счетчики 4 и 5 находятся в нулевом состоянии„а в каналы Б, В таймера 1 записано число N -- число шагов полного перемещения. Со счетчика 4 на входы А компаратора 7 поступает код нуля. Нулевому состоянию счетчика 5 соответствует код числа К О на выходе блока 6, который подается на Входы Б компаратора 7. При этом компаратор 7 Выдает сигнал А<Б, разрешающий прохождения импульсов с выхода канала А таймера 1 через коммутатор 8 на ВХОД канала Б, fIQ сигналу Д2=1 с регистра 2 на-. чинается работа устройства: импульсы с

Возрастающей частотой с генератора 3 поступают через канал А таймера 1 на счетчик

4 и на вход канала Б, Как только счетчик 4 отсчитает K импульсов, на выходе компаратора 7 исчезнет сигнал А<Б и поступление импульсов в канал Б прервется, а на счетчик

1682974

4 импульсы продолжают поступать. Импульсы с одного из выходов счетчика 4 поступают через логический коммутатор 8 на вход канала В для отсчета перемещения. В результате за один цикл работы счетчика 4 на канал Б поступит К импульсов, а на канал  — один импульс, Следовательно, заполнение канала Б происходит быстрее канала В.

Импульсы с одного из выходов счетчика 4 поступают на счетчик 5.

Содержимое P счетчика 5 выводится на блок 6, которое преобразует код числа P в код числа К. Числа К, записанные в блоке 6, hN определяются из соотношения К=

Значения ЛN, A L находят по кривым L«=f(N) (см. фиг. 6). Интервал апроксимации А1 определяют исходя из выбранного числа интервалов апроксимации (практически достаточно 16...32 интервалов) и длины нелинейной части кривой =-,(N). Величину

hL задают путем подключения входа счетчиков 5 к соответствующему разряду счетчика 4.

При изменении числа Р, подаваемого на блок 6, изменяется число К, подаваемое на компаратор 7. В результате па мере заполнения счетчика 5 число импульсов, поступающих на канал Б таймера 1 в каждом цикле работы счетчика-4 с компаратарам 7, изменяется и достигает через ряд циклов одного импульса на цикл работы, При К=1 число шагов на торможение остается постоянным.

При увеличении задаваемого числа N увеличивается заполнение счетчика 5, Однако при больших N заполнение счетчика 5 прекращается за счет его блокировки по входу CN сигналом с одного из выходов этого же счетчика. В результате число K остается равным единице, т.е. при больших значениях число шагов на торможение (M) не изменяется и остается таким, каким было отработано при разгоне до максимальной частоты, При малых значениях N частота отработки не достигает максимального значения и число шагов на разгон и торможе- ние оказываются в функциональной зависимости от заданной величины перемещения.

Так как в каналы Б, В таймера 1 перед началом отработки перемещения было записано одно и то же число N, а заполнение канала Б происходило быстрее канала В, то к моменту поступления на канал Б N импульсов канал В отсчитает L импульсов. При отсчете числа N канал Б выдает сигнал на генератор 3, который переключается на понижение частоты — начнется торможение электропривода. Работа злектропривода в режиме торможения продолжается до тех пар, пака канал В не Отс итает заданные N шз. Ов, при этом на вы -аде канала В появится;.. гнал, блокирующий коммутатор 9. Оста.—;О: ЗЛЕккраПрИВада ОСущЕСТВЛ Е.Ся На

5 частоте, близкой к На 1альг ай час1ате разгона, -:Tà обеспечивает плавный и прецизионный (без вы бега) останов шагового дв и:. а тел я.

Си нал с выхода канала В таймера 1

10 пода:. тся на магистраль 10 в качестве сигнапа запроса прерывания, информирую цего

ЭВМ аб окончании отработки заданного пер:--:,ения. Отработка нового перемещеНИЯ ОСУЩЕСтВЛЯЕтСЯ СОГЛаСНа ОПИСаННОМУ

15 ал "(ieь":тму.

:асрмула изобретения устройства для управления шаговым злек раприводам, содержащее программируем-.:й трехканальный таймер, входы запи20 си, данных и адресные входы которого над:.. юче-::., - ерез магистраль управления к саатветс1в>ющиь входа«;, устройства, к адрес нь!;, входам и входам дачных которого падкл а:.ейь саат>«етств Hío адресные вхо25 ды и вх:. .„ -. дан - -эх регистра управления, а таКжЕ гЕР.: —,:.и И В; ОРай СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ, блок памят;.. —;е::,и-ейны-. функций, цифровой t!o, 1;ара1ар, 3 т л м ". а ю щ е е с я тем, что с це .ь:- упраще,-ч,я и pап;ирения абла30 сти при: ;енения, в устройства введены управляв. ы:. генег =, ар импульсов, первый и

ВТОРГй:ОГ !Е".i;"1Е ОММчТаТОPЫ, ПРИ ЭТОМ адрес- ы-...«",О;,; l ;i,ai(a памя, и нелинеиных фу :к ..1::. :годкл а ены к выходам старших

35 ра -p l ña рег стра управления. выход nepaeãe р;.::-,Ряда кат;рого соедине", с первым

axon!: управляема а генератора импульсс- -;:.!Од зтарага разряда соединен с упРае;.Я:ОЩ..:.:". ВХОДОМ flE PÍÎÃÎ ЛОГИЧЕСКОГО

40 камк:утатара, выход третьего разряда соединен с входам включения программируемого трехканального таймера, первым управляющим входом второго логического коммутатора и вторым входом управляемо45 го генератора импульсов, выход четвертого разряда ре истра управления подключен к входам сороса первого и второго счетчиков импульсов, счетный вход первого счетчика импульсов подключен к выходу первого ка50 нала программируемого трехканального тай.";ара и первому информационному входу второго логического коммутатора, второй информационный вход которого соединен с выхода,". управляемого .генератора импуль55 сов ": входам первого канала программируемаг-., трехканального таймера, вход

BTQpoi-o канала которого соединен с первым выходам второго логического коммутатора, вход третьего канала — с вторым выходом второго логического коммутатора, выход второго канала соединен с 1регьим входом управляемого генератора импульсов, а выход ретьего канал программируемо о трехканального таймера подключен к первому информационному входу первого логического коммутатора и через магистраль управления соединен с соответствующим внешним выходом запроса, прерывания и выходом устройства, информационные выходы первого счетчика импульсов,соединены с первой группой входов компаратора, вторая группа входов которого подключена к группе выходов блока памяти нелинейных функций, информационные входы которо о

2

1

1

1 i

4

?8

>О

32

)4

>6

38 (2

) 2, 84

16

48

12 соединены с информационными выходами второго счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом последнего разряда первого счетчика импульсов, выход

5 последнего разряда второго счетчика импульсов — с CN-входом того же счетчика, выход четвертого разряда первого счетчика импульсов — с вторым информационным входом первого логического коммутатора и

10 с третьим информационным входом второго логического коммутатора, второй управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, а выходы первого логического коммутатора — к выходам устройства для

15 управления шаговым электроприводом., 16/2974 к56 %

Фиг. 4. оооо

woo юо о st гооо

l Фиг, 6

Составитель И.Швец

Редактор С.Патрушева Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Мус«а

Заказ 3412 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101