КОНТРОЛЛЕР ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Полезная модель контроллера шагового электропривода предназначена для построения автоматических систем программного управления шаговым электроприводом.
Технический результат заключается в повышении быстродействия, надежности и расширении перечня подключаемых типов датчиков с разными типами сигналов. Контроллер содержит шину обмена; блок стандартного интерфейса; операционно-вычислительный блок, с входящим в него блоком микроЭВМ; блок памяти; три блока формирователей распределителей импульсов; три блока усилителей мощности, имеющие в своем составе блок гальванической развязки; блок сопряжения. Блок сопряжения содержит: блоки гальванической развязки, блок ввода потенциальных сигналов, блок вывода потенциальных сигналов и блок преобразования аналогового сигнала в числовой код. Контроллер изображен на фиг.1 (датчики, внешнее устройство управления, панель индикации и управления, электропривод, источник питания на схеме не показаны).
Предлагаемая полезная модель за счет использования блока микроЭВМ с многоканальными входами, реализует сложные логические функции с многоразрядными данными, что сокращает количество одноразрядных блоков, реализующих элементарные логические функции и количество линий связи между блоками. Реализация трех параллельных независимых выходных каналов контроллера, за счет введения блоков формирователей распределителей импульсов, которые автоматически формируют в каждом выходном канале последовательность сигналов, соответствующую числовой команде управления от операционно-вычислительного блока, повышает быстродействие контроллера. За счет введения блоков гальванической развязки и блока преобразования непрерывного аналогового сигнала в числовой код увеличились возможности контроллера по подключению датчиков с разными типами выходных сигналов, а за счет реализации двунаправленного обмена данными блоком стандартного интерфейса и использования блоков гальванической развязки в цепях внешних входов выходов повысилась надежность контроллера.
Контроллер относится к средствам управления и может применяться в автоматических системах программного управления шагового электропривода.
Известно устройство, аналогичное предлагаемому контроллеру, содержащее входной блок, блок оперативной памяти, коммутационно-вычислительный блок, многоканальный операционный блок с логическими каналами, общую шину данных, программный блок,
выходной блок, электронные ключи, блок синхронизации [Патент 2207612 опубликовано 27.06.2003].
Недостатками данного устройства, не позволяющими достигнуть, указанный выше, технический результат являются:
- входы для подключения датчиков рассчитаны только на сигнал логического уровня;
- отсутствие возможности передачи информации от контроллера к внешнему источнику управления входным блоком;
- поразрядное вычисление элементарных логических функций;
- отсутствие гальванической развязки внутренних цепей от внешних цепей контроллера;
- отсутствие нескольких независимых каналов формирования выходных сигналов для многокоординатного управления;
- быстродействие при формировании состояний выходных сигналов равно частоте выработки управляющих команд для выходного блока.
Целью предлагаемой полезной модели контроллера является:
- обеспечение подключения датчиков потенциальных сигналов (до =27 В), приемников потенциальных сигналов и преобразование сигнала с источников непрерывного сигнала в числовой код;
- защита внутренних логических цепей малой мощности от внешних сигналов силовых цепей;
- обеспечение двунаправленного обмена информацией с внешним источником управления;
- обеспечение независимого многокоординатного (для нескольких электродвигателей) параллельного синхронного формирования многофазной системы выходных сигналов.
С этой целью, в контроллере шагового привода введен блок стандартного интерфейса 2, вход которого подключен к внешнему источнику управления, а выход блока 2 непосредственно подключен к отдельному входу операционно-вычислительного блока 1. В блоке памяти 3, состоящем из микросхем ППЗУ, размещается программа общего алгоритма функционирования контроллера и программы функций управления электроприводом. Блок сопряжения 4 содержит: блок ввода дискретных сигналов логического уровня 13, блок ввода потенциальных сигналов 14, блок преобразования непрерывных аналоговых сигналов в числовой код 15, блок вывода потенциальных сигналов 16. Входы блоков 13, 15, 12.1 и выход блока 12.2 соответственно являются внешними входами и выходом блока 4. Вход блока 14 подключен к входам блока гальванической развязки 12.1, выходы блока 16 подключены к выходам блока
1
n
1
n
1
к
1
n
1
16
1
8
l
6m
1
m
2m+1
3m
4m+1
5m
m+1
2m
3m+l
4m
5m+l
6m
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
гальванической развязки 12.2. Выходы блока 13, 14, 15 и вход блока 16 подключены к блоку мультиплексора 17. Входы установки адреса блока 17, являются входами адреса блока 4. К входам блока 4 подключены: сигналы логического уровня с выходов цифровых датчиков F...F, потенциальные сигналы с выходов аналоговых датчиков F'...F', непрерывные сигналы с выходов аналоговых датчиков U...U, а к выходам F"...F" сигналы внешних аналоговых приемников потенциальных сигналов. Входы-выходы числовых данных t...t и выходы адреса a...a блока 1 по средствам шины обмена 7 подключены к входам-выходам числовых данных и к входам адреса блоков 3, 4, 10. Выходы t'...t' блока 1 подключены по средствам шины обмена 7 к паре многоразрядных входов управления каждого из блоков формирователей распределителей импульсов 5.1, 5.2, 5.3. Входы t'...t', t'...t', t'...t' являются прямыми, t'...t', t'...t', t'...t'являются инверсными входами соответственно блоков 5.1, 5.2, 5.3. Многоканальные выходы V...V, V'...V', V"...V" блоков 5.1, 5.2, 5.3 подключены к управляющим входам соответствующих блоков усилителей 6.1, 6.2, 6.3. Силовой вход Р каждого из блоков 6.1, 6.2, 6.3 подключен к источнику питания, а многоканальные выходы X...X, X'...X', X"...X" блоков к соответствующим фазам трех шаговых электроприводов. Блоки 6.1, 6.2, 6.3 состоят из набора силовых ключей, входы которых параллельно подключены к силовому входу Р, выходы являются выходами блоков, а управляющие входы блока подключены к коммутирующим входам силовых ключей.
1
2
3
4
1
16
1
8
1
8
1
6m
В состав блока 1 входят: микроЭВМ 8, тактовый генератор 11, блок контроля шины обмена 9, блок выходных регистров 10, состоящий из параллельно подключенных регистров, причем выход блока 11 подключен к входу задающей частоты G блока 8. Выходы p, p, р, р блока 9 подключены к входам разрешения связи блоков 4, 3, 10 по шине обмена 7. Блок 8 имеет четыре многоразрядных порта обмена данными. Первый порт является входом-выходом числовых данных t...t блока 1, второй порт является входом блока 1, который непосредственно подключен к выходу блока 2, третий порт s...s подключен к входу блока 9, четвертый порт является выходом адреса a...a блока 1 и подключен к входам блоков 3, 4, 10. Выходы t'...t' блока 10 являются выходами блока 1, подключенными через шину обмена 7 к входам блоков 5.1, 5.2, 5.3.
Блоки 5.1, 5.2, 5.3 имеют в своем составе два парных входа управления прямой и инверсный. Входы управления образуют отдельные цепи внутри блока 5.1, в каждой цепи содержится по одному блоку сдвигающих регистров 18. Входами управления в каждом блоке 5.1, 5.2, 5.3 являются многоразрядные входы блоков 18. В блоках 5.1, 5.2, 5.3 выход блока 18 расположенного в цепи прямого входа подключен к прямому входу
1
8
1
4
сравнивающего блока 19, выход блока 18 расположенного в цепи инверсного входа подключен к инверсному входу блока 19. Выходы c и d блока 19 подключены к входам блока реверсивного счетчика 20, причем выход с подключен к суммирующему входу, а выход d подключен к вычитающему входу. Выходы q...q блока 20 подключены к входам блока селектора фаз 21. Выходы H...Н блока 21 подключены к входу блока гальванической развязки 22. Выходами блоков 5.1, 5.2, 5.2 являются выходы блоков 22 расположенные внутри них. Выход блока генератора импульсов 24 подключен к входу контрольного счетчика 23. Выход К блока 23 подключен к входам разрешения записи блоков 18, а выход Т блока 23 подключен к входу сдвига блоков 18 и входу блока 20.
1
16
1
8
1
2
3
4
1
2
3
4
1
8
1
2n+к
1
2n+к
1
n
2
1
n
Ниже приведено описание функционирования контроллера и его составных частей, изображенных на фиг.1. Блок 2 ведет обмен информацией в двух направлениях между внешним источником управления и блоком 1. От блока 1 числовые данные о состоянии контроллера поступают к внешнему источнику управления, а от него в блок 1 поступают числовые команды управления контроллером. Из блока памяти 3 числовые команды программы общего алгоритма работы контроллера, поступают на входы t...t блока 8. Под управлением числовых команд программы общего алгоритма работы блок 8 выдает по третьему порту s...s в блок 9 числовую команду управления предоставлением шины обмена. По числовой команде управления блок 9 формирует в определенной последовательности сигналы p, р, р, р на входе разрешения соответствующих блоков 3, 4, 10. В любой момент времени может быть сформирован только 1 из сигналов p, р, р, р. Синхронно с сигналом разрешения блок 8 формирует числовой код на выходе адреса a...a блока 1 с адресом размещения данных в блоках 3, 4, 10. При поступлении кода адреса вместе с сигналом разрешения р1 на входы блока 3 выход блока 3 переходит в низкоимпедансное состояние, и на шину обмена поступают числовые данные, которые размещены в ячейке ППЗУ по указанному адресу. При поступлении кода адреса, соответствующего входам t...t блока 17, вместе с сигналом разрешения р2 на входы блока 4, выход блока 4 переходит в низкоимпеданстное состояние и на шину обмена поступают числовые данные, которые поступили по входам t...t блока 17, имеющим указанный адрес. При поступлении кода адреса, соответствующего выходам f"...f"блока 17, вместе с сигналом разрешения p на входы блока 4, выход блока 4 переходит в низкоимпеданстное состояние и на выходы f"...f" блока 17, имеющим указанный адрес, поступают числовые данные с шины обмена. Получаемые блоком 1 числовые команды управления контроллера, от внешнего источника управления выполняются под управлением программы общего алгоритма функционирования. При выполнении, числовой команды управления контроллером, с указанием необходимой функции
1
16
1
6m
1
16
1
16
4
1
6m
управления электропривода, блок 1 получает числовые данные от блока 4 о состоянии сигналов с датчиков и числовые данные от блока 3, содержащие программу функции управления электропривода. Блок 8 на основе всех полученных числовых данных и под руководством управляющих команд, учитывающих производственно-технические условия, формирует систему числовых команд управления блоками 5.1, 5.2, 5.3. Система числовых команд управления содержит данные о состоянии системы фаз выходных сигналов контроллера, подключенной к электроприводам. Функция изменения состояния системы фаз определяет направление и скорость движения электропривода. Части кода числовых команд управления от блока 8 последовательно во времени поступают на входы t...t блока 10. Блок 10, служит для накапливания и выдачи через выходы t'...t' по шине обмена 7 системы числовых команд управления на входы блоков 5.1, 5.2, 5.3. При поступлении кода адреса вместе с сигналом разрешения р3 на входы блока 10 вход t...t блока 10 переходит в низкоимпедансное состояние, в ячейку регистра, соответствующую указанному адресу, записывается часть кода числовой команды управления. Блок 8, последовательно наращивая код адреса и последовательно формируя на выходах t...tчасти кода числовой команды управления, обеспечивает накапливание числовых данных в блоке 10. После записи 6m/16 частей в блок 10, блок 8 формирует сигнал разрешения р, по которому выходы t'...t' блока 10 переходят в низкоимпедансное состояние и по шине обмена код числовой команды управления электроприводами одновременно поступает на парные входы (прямой, инверсный) блоков 5.1, 5.2, 5.3. Числовая команда для каждого из блоков 5.1, 5.2, 5.3 состоит из двух частей. Запись числовых данных в блоки 18 происходит синхронно, в моменты, когда формируется сигнал К разрешения записи от блоком 23. Емкость блока 23, ведущего счет тактовых импульсов поступающих от блока 24 равна m и равна количеству разрядов в блоке 18, что обеспечивает выдачу блоком 23 сигнала разрешения записи К при каждом переполнении счета в блоке 23. Код числовых данных в регистрах блоков 18 сдвигается при формировании блоком 23 очередного сигнал сдвига Т, вследствие чего состояние сигнала на выходе блока 18 и на входах блока 19 меняются в соответствии с кодом. Числовые данные на выходе блока 19 представляют собой результат сравнения состояний двух сигналов на его входе. Если сигнал на прямом входе блока 19 имеет высокий уровень и на инверсном входе низкий уровень, то на выходе формируется сигнал высокого уровня, а на выходе d низкого. Если сигнал на прямом входе блока 19 имеет низкий уровень и на инверсном входе высокий уровень, то на выходе d формируется сигнал высокого уровня, а на выходе с низкого. Если уровень сигнала на прямом входе и на инверсном входе блока 19 одинаков, то на выходах с и d формируется сигнал низкого уровня. Блок 20 ведет подсчет числа
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
l
8
1
8
1
8
1
8
поступающих импульсов Т в зависимости от комбинации сигналов с и d на входе. Формируемый на выходе q...q блока 20 код увеличивается на единицу при приходе импульса Т, если сигнал с имеет высокий уровень, а d низкий. Формируемый на выходе блока 20 код уменьшается на единицу при приходе импульса Т, если сигнал d имеет высокий уровень, а с низкий. Формируемый на выходе блока 20 код остается постоянным, если сигналы с и d оба имеют низкий уровень. Частота обновления числовых данных на выходах блоков 19, 20 равна частоте сигнала Т. Блок 21 дешифрует поступающий на его входы числовой код в соответствующую комбинацию сигналов H...Hнa его выходе. При линейном увеличении текущего числового кода на входе блока 21 до максимума, на выходе блока 21 последовательно будут появляться сигналы, начиная с H и заканчивая H, причем, при появлении сигнала в каждой последующей цепи, в предыдущей цепи сигнал исчезает. Комбинация сигналов H...H с выхода блока 21 поступает на блок 22, где обеспечивается гальваническая развязка с выходными цепями блоков 5.1, 5.2, 5.3, в результате, формируются комбинация сигналов V...V, повторяющая состояния сигналов H..H. Аналогично формируются сигналы V'...V' и V"...V" в блоках 5.2 и 5.3. При поступлении на парные входы блоков 5.1, 5.2, 5.3 числовых команд их числовой код будет определять последовательность изменения состояние системы выходных сигналов этих блоков в течении периода формирования блоком 23 очередного сигнала разрешения записи К. Согласно, сигналам V...V, V'...V', V"...V" на входах блоки 6.1, 6.2, 6.3 управляют силовыми ключами расположенными внутри блоков. В результате коммутации силовых ключей, сигнал от источника питания, присутствующий на силовом входе Р, поступает на соответствующие каналы выходов X...X, X'...X', X"...X".
Например, при поступлении одинаковых кодов числовой команды управления на оба входа блока 5.1 и соответственно на вход блоков 18, находящихся в прямой и инверсной входных цепях, блоки 18 формируют одинаковые последовательности состояний сигналов на выходе. Сигналы на прямом и инверсном входе блока 19, будут одинаковы, и сигналы на выходе блока будут иметь низкий уровень. Код на выходе блока 20 остаются неизменными, как и состояние сигналов на выходе блоков 22, 23, т.о. состояние сигналов в фазах шагового электропривода подключенных к источнику питания через блок 6.1 не изменится. При поступлении различающихся между собой числовых команд на входы блока 5.1, блоки 18 формируют разные последовательности сигналов на их выходе. Числовые данные на выходе блока 19 меняются. Код числовых данных на выходе блока 19 растет, если числовая команда на прямом входе блока 5.1 содержит большее количество единиц, чем команда на инверсном входе. Код числовых данных на выходе блока 19 уменьшается, если числовая команда на инверсном входе блока 5.1 содержит
большее количество единиц, чем команда на прямом входе. Цепь блоков 20, 21, 22 при увеличении кода числовых данных на входе блока 20, на выходе 22 формирует комбинацию сигналов управления блоком 6.1, коммутирующую в прямом порядке источник питания с фазами шагового электропривода, а при уменьшении в обратном. Таким образом, скорость и порядок переключения фаз в трех независимых каналах шагового электропривода зависит от разницы числовых команд на входах соответствующих блоков 5.1, 5.2, 5.3.
Конструктивной особенностью контроллера является то, что он состоит из одного базового модуля и отдельных конструктивных модулей. В базовом модуле размещены блоки 1, 2, 3, 4, 5.1, 5.2, 5.3, блоки 6.1, 6.2, 6.3 выполнены в виде трех отдельных конструктивных модулей. Количество отдельных конструктивных модулей, используемых в контроллере, изменяется от одного до трех и равняется числу подключенных к контроллеру электроприводов. Данная особенность упрощает размещение контроллера в конструкции устройств автоматических систем.
Таким образом, вышеизложенное описание полезной модели контроллера шагового электропривода свидетельствует о выполнении следующих условий:
- контроллер, воплощающий полезную модель, при его осуществлении предназначен для управления шаговым электроприводом в автоматических системах программного управления устройств, технологических объектов, производственных установок.
- для заявленной структуры контроллера в формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
- контроллер, воплощающий заявленную полезную модель при его осуществлении, обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель универсального контроллера соответствует условию "промышленная применимость".