Устройство для программного управления шаговым двигателем
APPARATUS FOR PROGRAMMABLE CONTROL OF A STEPPER MOTOR

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для автоматизации управления механизмами перемещения в установках для выращивания кристаллов, металлорежущими станками и другими устройствами, снабженными шаговыми электроприводами.
Известно устройство управления шаговым электродвигателем [1], содержащее шаговый электродвигатель, индикатор положения шагового электродвигателя, элемент сравнения, источник управляемого сигнала, коммутатор обмоток, регулятор скорости, блок управляемой задержки, сумматор и кодовый преобразователь.
Однако в данном устройстве применен кодовый индикатор положений шагового электродвигателя, что значительно ограничивает применение этого схемного решения из-за дороговизны кодового индикатора положений. Кроме того, для управления шаговым электродвигателем в этом устройстве необходимо изменять два физических параметра: сигнал скорости от задатчика в источнике управляемого сигнала и сигнал управляемой задержки в регуляторе скорости, что усложняет процесс управления шаговым электродвигателем.
Известно также устройство для программного управления шаговым двигателем [2], содержащее блок ввода программы, формирователь импульсов установки, коммутатор фаз, элемент "ИЛИ", датчик перемещений и триггер. В этом устройстве по программе импульс поступает с выхода блока ввода через элемент "ИЛИ" на первый вход коммутатора и вызывает поворот шагового электродвигателя, который жестко механически связан с датчиком перемещения импульсного типа. При нормальной работе, когда не существует ошибок при перемещении на каждый импульс программы с блока ввода, с датчика перемещений должен также поступить импульс.
При отрицательной или положительной ошибке, когда с блока ввода поступают на два импульса меньше или больше, чем с датчика перемещений, R-триггер выполняет функцию схемы сравнения частот и переключает прохождение импульсов от блока ввода на первый, разрешающий вход коммутатора, устраняя тем самым положительную ошибку.
Данное устройство не обеспечивает надежность управления и контроль скорости разгона шагового двигателя. Так, например, если с ввода программы скачкообразно, от нуля, подать максимальную частоту управления шаговым двигателем, то данная схема не сможет отработать заданный сигнал.
Однако, самым главным недостатком обоих перечисленных выше устройств, является возможность остановки шагового привода при увеличении нагрузки на механизме перемещения вследствие нештатной ситуации, например: "затирания" в некоторых узлах установок, например установок для выращивания кристаллов, плохой смазки в редукторе механизма перемещения, и других факторов.
Вращающий момент на валу шаговых двигателей имеет существенную зависимость от скорости вращения вала двигателя. Отношение крутящих моментов на низких скоростях (частота управления двигателем в пределах сотен герц) к крутящим моментам на высоких скоростях (частота управления двигателем в пределах единиц килогерц) составляет 5, 6 и более раз.
Технической задачей изобретения является повышение надежности управления шаговым двигателем и обеспечение заданной рабочей скорости вращения в нештатных ситуациях. Предлагаемое устройство при нештатном увеличении нагрузки на шаговый двигатель, приводящей к его остановке, автоматически переводит устройство управления на низкую частоту управления, тем самым увеличивая в несколько раз крутящий момент шагового электродвигателя. Преодолев нештатное увеличение нагрузки, устройство автоматически разгоняет шаговый электропривод до заданной рабочей скорости вращения (до заданной частоты управления шаговым двигателем).
Техническим результатом является обеспечение нормальной безаварийной работы установки, в которой применяется предлагаемой устройство.
Решение поставленной технической задачи и достижение требуемого результата обеспечиваются тем, что в устройстве для программного управления шаговым двигателем, содержащем блок ввода программы (1), формирователь импульсов установки (2), коммутатор фаз (23), элемент "ИЛИ" (15), датчик перемещений (21) и триггер (16), дополнительно введены два делителя частоты на два (4 и 5), генератор тактовой частоты (3), два формирователя импульса сброса (6, 9), шесть блоков «И» (7, 8, 10, 18, 19, 20), два счетчика импульсов (И, 13), схема сравнения кодов (12), второй элемент «ИЛИ» (12), сдвиговый регистр (14) и второй триггер (17). При этом выход блока ввода программ (1) подключен к первому делителю частоты на два (4), четвертому и пятому элементам «И» (18, 19), формирователь импульсов (2) подключен к первому и второму делителю частоты на два (4, 5), а также к первому элементу «ИЛИ» (15), генератор тактовой частоты (3) подключен к первому и второму элементу «И» (7, 8), первый делитель частоты на два (4) подключен первому элементу «И» (7), третьему элементу «И» (10) и первому формирователю импульса сброса (6), второй делитель частоты на два (5) подключен к второму и третьему элементам «И» (8, 10), а также к второму формирователю импульса сброса (9), первый формирователь импульса сброса (2) подключен к первому счетчику импульсов (11) и сдвиговому регистру (14), первый элементу «И» (7) подключен к счетчику импульсов (11), второй элемент «И» (8) подключен к второму счетчику импульсов (13), второй формирователь импульса сброса (9) подключен к второму счетчику импульсов (13), третий элемент «И» (10) подключен к второму триггеру (17), первый счетчик импульсов (11) подключен к схеме сравнения кодов (12) и первому элементу «ИЛИ» (15), второй счетчик импульсов (13) подключен к схеме сравнения кодов (12), а последняя подключена к второму триггеру (17), сдвиговый регистр (14) подключен к первому триггеру (16) и первому элементу «ИЛИ» (15), первый триггер (16) подключен четвертому элементу «И» (18), пятому элементу «И» (19) и шестому элементу «И» (20), второй триггер (17) подключен к пятому элементу «И» (19) и шестому элементу «И» (20), четвертый элемент «И» (18) подключен к второму элементу «ИЛИ» (22), пятый элемент «И» (19) подключен к второму элементу «ИЛИ» (22), шестой элемент «И» (20) подключен второму элементу «ИЛИ» (22), второй элемент «ИЛИ» (22) подключен коммутатору фаз (23), коммутатор фаз (23) подключен к шаговому электродвигателю (24), который электрически связан с датчиком перемещений (21), который подключен к шестому элементу «И» (20) и второму делителю напряжения на два (5).
В качестве делителя частоты использован 4-разрядный двоичный реверсивный счетчик - микросхема К555ИЕ7, а в качестве генератора использована микросхема КР1006ВИ1. В качестве схемы сравнения применен 4-разрядный цифровой компаратор-микросхема К555СП1. В качестве каждого из триггеров использован Д-триггер, функцию которого выполняет микросхема К555ТМ2.
Существо изобретения поясняется схемой на фигуре, где:
1 - блок ввода программ;
2 - формирователь импульсов;
3 - генератор тактовой частоты;
4 - первый делитель частоты на два;
5 - второй делитель частоты на два;
6 - первый формирователь импульса сброса;
7 - первый элемент «И»;
8 - второй элемент «И»
9 - второй формирователь импульса сброса;
10 - третий элемент «И»;
11 - первый счетчик импульсов;
12 - схема сравнения кодов;
13 - второй счетчик импульсов;
14 сдвиговый регистр;
15 - первый элемент «ИЛИ»;
16 - первый триггер;
17 - второй триггер;
18 - четвертый элемент «И»;
19 - пятый элемент «И»;
20 - шестой элемент «И»;
21 - датчик перемещения;
22 - второй элемент «ИЛИ»;
23 - коммутатор фаз;
24 - шаговый электродвигатель;
fт - тактовая частота;
fпр - частота приемистости шагового электродвигателя;
fз - частота вращения вала двигателя заданная оператором;
fд - реальная частота вращения вала двигателя замеренная датчиком.
Устройство работает следующим образом.
При включении питания формирователь импульса начальной установки 2 вырабатывает одиночный импульс установки, который ставит делители 4, 5 частоты на два, сдвиговый регистр 14 и триггер 16 в исходное состояние, т.е. прямые выходы делителей 4, 5 частоты на два устанавливают в положение "1", сдвиговый регистр 14 устанавливают в положение "0" на инверсном выходе, триггер 16 устанавливают в положение "1" на прямом выходе.
Таким образом, в начальный момент схемы "И" 7, 8 открыты для прохождения через них электрических импульсов с частотой fт с генератора тактовой частоты 3. Элементы "И" 19, 20 закрыты низким потенциалом триггера 16, а элемент "И" 18 открыт и разрешает прохождение сигнала fз через элементы "ИЛИ" 22 на коммутатор фаз 23 и затем на шаговый электродвигатель 24.
Частота fт, идущая с генератора тактовой частоты 3, выбирается таким образом, чтобы при заполнении периода сигнала fз частотой fт в случае 0≤fз≤fпр (где: fпр - частота приемистости шагового электродвигателя), происходило заполнение счетчика импульсов 11 полностью, т.е. со "старшим разрядом" включительно, а при fз>fпр - заполнение счетчика импульсов 11 до срабатывания "старшего разряда".
Формирователь импульсов сброса 6 служит для сброса в "0" счетчика импульсов 11 перед каждым циклом измерения периода частоты fз, а формирователь импульсов сброса 9 - для сброса в "0" счетчика импульсов 13 перед каждым циклом измерения периода частоты fд.
Устройство имеет три режима работы:
- первый режим - при 0≤fз≤fпр
- второй режим - при fпр<fз≤fд
- третий режим - при fз>fд.
В первом режиме работы триггер 16 постоянно сигналом "старший разряд" (поступающего со счетчика 11 и проходящего через элемент "ИЛИ" 15 на R- вход Д-триггера 16) устанавливается в положение "1" на прямом выходе. При этом разрешается прохождение сигнала fз через элемент "И" 18 и запрещается прохождение fз через элемент "И" 19 и сигнала fд через элемент "И" 20.
Сигнал fз, пройдя через элемент "И" 18, элемент "ИЛИ" 22, поступает на коммутатор фаз 23, который приводит во вращение шаговый электродвигатель 24.
Сдвигающий регистр 14 (в первом режиме работы) служит для запрета прохождении импульсов сброса, идущих с формирователя импульсов 6 на триггер 16. Это достигается тем, что сдвигающий регистр 14 является двухразрядным сдвигающим регистром и каждый приходящий импульс с формирователя 6 и поступающий на вход сдвигающего регистра 14 устанавливает первый разряд сдвигающего регистра 14 в состояние "1", а сигнал "старший разряд", вырабатываемый в счетчике импульсов 11, пройдя через элемент "ИЛИ" 15, сбрасывает в "0" сдвигающий регистр, т.е. импульсы сброса с формирователя 6 не могут пройти через сдвигающий регистр 14 и перебросить триггер в другое состояние.
Во втором режиме на счетчик 11 с элемента "И" 7 поступают пачки импульсов частотой fт, длительность пачки равна периоду частоты fз.
Импульсы подсчитываются в счетчике 11, а затем число подсчитанных импульсов преобразуется в параллельный код, поступающий в схему сравнения 12. Аналогично в счетчик 13 поступают пачки импульсов частотой fт, а длительность пачки равна периоду частоты fт. Параллельные коды со счетчиков 11 и 13 сравниваются в схеме сравнения кодов 12 и результат сравнения подается на триггер 17. На прямом выходе триггера 17 устанавливается сигнал "1" и разрешает проходить сигналу fз через элемент "И" 19.
Триггер 16 также разрешает проходить сигналу fз через элемент "И" 19, так как во втором режиме работы сигнал "старший разряд" не срабатывает, а импульсы сброса со схемы формирователей импульсов 6 перебросили триггер 16 в состояние "1" на его инверсном выходе. Сигналы fз, пройдя через элемент "И" 19, элемент "ИЛИ" 22, поступают на коммутатор фаз 23, а последний приводит шаговый электродвигатель 24 в движение.
В третьем режиме работы, так называемом режиме "автогенерации", сигналы, идущие с датчика перемещений 21 проходят через делитель 5 частоты на два и с его прямого выхода поступают на элемент "И" 8, где формируются пачки импульсов частотой fт, а длительность пачки импульсов равна периоду частоты fд.
Эти импульсы подсчитываются в счетчике импульсов 13. В схему сравнения кодов 12 поступают параллельные коды количества подсчитанных импульсов в каждой пачке со счетчиков 11, 13. Результат сравнения со схемы сравнения кодов 12 поступает на первый вход триггера 17. На второй вход триггера 17 и на вход элемента "И" 10 поступают сигналы, разрешающие принимать сигнал сравнения кодов со схемы сравнения 12.
Таким образом, в третьем режиме работы триггер 17 перекидывается в состояние "1" на инверсном выходе и разрешает проходить сигналу через элемент "И" 20, элемент "ИЛИ" 22 и далее на коммутатор фаз 23 и шаговый электродвигатель 24. В этом случае скорость вращения шагового электродвигателя 24 определяется параметрами самого электродвигателя и его нагрузки и под действием положительной обратной связи он разгоняется до значения fз и переходит во второй режим работы или, если f3 очень высока, то до значения максимально возможной скорости вращения данного шагового электродвигателя.
Данная схема управления обладает высокой устойчивостью против срыва управления шаговым электродвигателем, так как при любом скачкообразном изменении частоты fз схема управления переводится в режим автогенерации, а затем из режима автогенерации она автоматически переходит в первый или второй режим работы.
Применение режима автогенерации позволяет свести к минимуму время разгона и торможения шагового электродвигателя, поскольку этот режим обеспечивает оптимальный вариант автоматической настройки в зависимости от изменяющихся внешних условий.
Изобретение было успешно применено в шаговом электроприводе с двигателем "ДТТТИ 200-3" в кристаллизационной установке "Сапфир-2М" в ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН", что свидетельствует о его промышленной применимости.
Источники информации
[1]. Авторское свидетельство СССР №962858, «Устройство управления шаговым двигателем», МПК G05B 19/40, опубл. 30.09.1980 г.
[2]. Авторское свидетельство СССР №1399704, «Устройство для программного управления шаговым приводом», МПК G05B 19/40, опубл. 30.05.1980 г. (прототип).