ЧЕТЫРЕХКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ SDC4STEP

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области вычислительной техники, в частности к устройству управления шаговыми двигателями.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее близким аналогом является источник информации RU 152584 U1, опубл. 10.06.2015. В данном решении раскрыто устройство управления шаговыми двигателями через последовательный порт, которое состоит из микроконтроллера, который принимает из управляющего компьютера информацию, обрабатывает ее для формирования сигналов управления в виде бинарного кода, поступающего на транзисторные усилители, отличающееся тем, что в микроконтроллере четыре цифровых выхода выделены для выдачи кодов адресов шаговых двигателей на дешифратор, который квазиодновременно вырабатывает селектирующие сигналы в виде перепадов уровней, разрешающих запись поступающей с выходов микроконтроллера по общей для всех D-триггеров шине данных в соответствующие адресу D-триггеры информации о направлении вращения роторов шаговых двигателей, которые непосредственно управляются через подключенные к D-триггерам цифроаналоговые преобразователи и усилители, что позволяет осуществлять квазиодновременное управление шестнадцатью шаговыми двигателями.
Недостатком вышеуказанного технического решения является сложность в масштабировании, т.е. сложность при увеличении количества каналов управления, а также сложность синхронизации их по времени между собой.
Предлагаемое техническое решение отличается от известного из уровня техники решения тем, что устройство позволяет управлять многокоординатными системами на шаговых двигателях, без применения дополнительных программных средств для синхронизации нескольких модулей одновременно.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка устройства управления шаговыми двигателями.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение арсенала технических средств устройства.
Заявленный технический результат достигается посредством устройства управления шаговыми двигателями, которое содержит связанные между собой и размещенные на единой печатной плате:
преобразователь напряжения DC-DC для питания устройства;
клеммную колодку для подключения питания устройства;
индикатор состояния устройства;
блок интерфейса Ethernet, который в свою очередь состоит из:
микросхемы физического уровня Ethernet с поддержкой работы в режиме неуправляемого коммутатора;
двух разъемов 8P8C(RJ-45);
блок дискретного ввода на 4 сигнала 24 В, который в свою очередь состоит из:
гальванических развязок на базе оптрона;
клеммной колодки для подключения дискретных входных сигналов;
индикаторов статуса каждого входного сигнала;
блок дискретного вывода на 4 сигнала 24 В, который в свою очередь состоит из:
гальванических развязок на базе оптрона;
клеммной колодки для подключения дискретных выходных сигналов;
индикаторов статуса каждого выходного сигнала;
блок дискретных входов для концевого датчика положения для каждого канала управления;
блок энергонезависимой памяти для хранения настроек устройства;
микроконтроллер, который соединен:
с блоком интерфейса Ethernet;
с блоком входных сигналов;
с блоком выходных сигналов;
с блоком дискретных сигналов выборочного назначения;
с блоком энергонезависимой памяти;
с блоком дешифрации сигналов энкодеров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель будет более понятной из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 иллюстрирует общий вид устройства;
фиг.2 иллюстрирует функциональную схему устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В приведенном ниже подробном описании реализации полезной модели приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящей полезной модели. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящую полезную модель, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящей полезной модели.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что полезная модель не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящей полезной модели, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
Настоящее техническое решение обеспечивает расширение количества управляемых осей с низкой себестоимостью, которое можно использовать для широкого спектра задач промышленной автоматизации, робототехники, автоматизации зданий, управляемое вычислительным устройством или промышленным контроллером с интерфейсом Ethernet. Настоящее техническое решение также позволяет управлять многокоординатными системами на шаговых двигателях без применения дополнительных программных средств для синхронизации нескольких модулей одновременно (позволяют варьировать количество осей, и позволяет синхронно работать в единой временной шкале).
Подробное описание устройства управления шаговыми двигателями (УУЩД).
Устройство содержит следующие технические элементы, связанные между собой.
Преобразователь напряжения DC-DC для питания устройства (диапазон входного напряжения 18-36 В, фиксированное выходное напряжение 5 В).
Клеммную колодку для подключения питания устройства.
Индикатор состояния устройства.
Блок интерфейса Ethernet, который в свою очередь состоит из:
микросхемы физического уровня Ethernet с поддержкой работы в режиме неуправляемого коммутатора;
двух разъемов 8P8C(RJ-45).
Блок интерфейса Ethernet служит интерфейсом между вычислительным устройством и устройством управления шаговыми двигателями, а также позволяет расширять количество управляемых шаговых двигателей, путем подключения через него дополнительных устройств управления шаговыми двигателями, за счет чего отпадает необходимость в использовании отдельного сетевого коммутатора. Посредством интерфейса Ethernet, вычислительное устройство имеет возможность направлять команды на вращение шаговым двигателям, получать информацию о состоянии системы, а также позволяет корректировать настройки устройства управления шаговыми двигателями (например, корректировать количество каналов, управляемых системой (но не более четырех для одного устройства), максимальные скорости вращения двигателей, наличие концевых датчиков и др.).
Блок дискретного ввода на 4 сигнала 24 В, который в свою очередь состоит из:
гальванических развязок на базе оптрона;
клеммной колодки для подключения дискретных входных сигналов;
индикаторов статуса каждого входного сигнала.
Блок дискретного ввода на 4 сигнала 24 В служит для подключения дополнительных дискретных датчиков (например, датчик экстренной остановки), а также может быть использован для подачи внешних дискретных команд без участия вычислительного устройства.
Блок дискретного вывода на 4 сигнала 24 В, который в свою очередь состоит из:
гальванических развязок на базе оптрона;
клеммной колодки для подключения дискретных выходных сигналов;
индикаторов статуса каждого выходного сигнала.
Блок дискретного вывода на 4 сигнала 24 В служит для выдачи управляющих сигналов дополнительным исполнительным устройствам (например, пневмоклапан или пневмоцилиндр), либо для управления дополнительного внешнего светового или звукового оповещения.
Блок дискретных входов для концевого датчика положения для каждого канала управления служит для экстренной остановки двигателей при достижении крайней точки, а также используется для калибровки системы.
Блок энергонезависимой памяти для хранения настроек устройства.
Микроконтроллер, который связан:
с блоком интерфейса Ethernet;
с блоком входных сигналов;
с блоком выходных сигналов;
с блоком дискретных сигналов выборочного назначения;
с блоком энергонезависимой памяти;
с блоком дешифрации сигналов энкодеров.
Микроконтроллер осуществляет дешифрацию команд от управляющего вычислительного устройства, формирует статусы системы для оповещения управляющего вычислительного устройства, вычисляет полиномы разгона, равномерного движения и торможения для последующего формирования сигналов управления шаговыми двигателями. Микроконтроллер опрашивает состояние цифровых входов, входов концевых датчиков, положения роторов шаговых двигателей по сигналам от энкодеров.
Устройство управления шаговыми двигателями может включать дополнительный набор команд управления сигналами.
Синхронное начало вращения шаговых двигателей для всех осей, находящихся под управлением данной устройства, а также для всех таких устройств, включенных в единую сеть Ethernet.
Индивидуальное задание траектории разгона, движения и торможения для каждого канала устройства.
Контроль текущей позиции для каждого канала управления.
Сохранение в энергонезависимую память текущих значений положения для каждого канала управления после завершения движения.
Возможность выбора способа калибровки из трех доступных: калибровка по Z-метки энкодера двигателя, калибровка об упор, калибровка по концевому датчику.
Пример работы устройства.
Посредством вычислительного устройства (ЭВМ) существует возможность регулировать параметры устройства, такие как число подключенных двигателей, максимальная частота вращения двигателей, наличие концевых датчиков и др. Вычислительное устройство отправляет по интерфейсу Ethernet команды УУШД, содержащие траекторию движения для каждого двигателя в виде полиномов. ЭВМ периодически опрашивает статус выполнения ранее отправленной команды, а также статусы состояния системы. Микроконтроллер, входящий в состав, УУШД вычисляет полученные от ЭВМ полиномы. По результатам вычисления полиномов микроконтроллер выдает управляющие сигналы вращения двигателем. Параллельно микроконтроллер контролирует положения роторов шаговых двигателей по сигналам от энкодеров, а также состояние цифровых входов. Если положение ротора хотя бы одного из шаговых двигателей отличается от расчетных значений, то микроконтроллер вычисляет траекторию для экстренной остановки и выполняет экстренную остановку всех двигателей. Если сработал один из концевых выключателей, подключенных к УУШД, то микроконтроллер также вычисляет траекторию для экстренной остановки и выполняет экстренную остановку всех двигателей. Если к одному из цифровых входов подключен сигнал безопасности, отвечающий за экстренную остановку, то при его срабатывании микроконтроллер также вычислит траекторию для экстренной остановки и выполняет экстренную остановку всех двигателей. В каждом приведенном выше случае, микроконтроллер зафиксирует статус системы. В дальнейшем этот статус будет передан по запросу ЭВМ. Также ЭВМ имеет возможность отправлять команды УУШД для включения или выключения цифрового выхода.
Количество управляемых двигателей можно увеличить путем подключения нескольких УУШД к ЭВМ по сети Ethernet. При этом при настройке одно из подключенных к ЭВМ УУШД назначается ведущим, а остальные ведомыми. Это необходимо для точной синхронизации внутреннего времени между всеми УУШД, подключенных к ЭВМ. УУШД, назначенное ведущим, самостоятельно передает в сеть Ethernet команды, с помощью которых осуществляется точная синхронизация внутреннего времени всех УУШД, находящихся в сети. Точная синхронизация времени между УУШД необходима для того, чтобы все УУШД работали в единой временной сетке.
Все элементы устройства соединены между собой, располагаются на одной печатной плате и находятся в конструктивном единстве.
В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.