Устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе

Устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе

Реферат

 

Использование: в системах управления шаговым двигателем с любым числом фаз в дискретных схемах автоматизированного электропривода. Сущность: устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе содержит блок синхронизации 4, элемент И5, триггер 6, кольцевой сдвигающий регистр 7, одновибратор 8, элемент сравнения кодов 9, элемент И 10, элемент ИЛИ-НЕ 11, элемент ИЛИ-НЕ 12 со стробированием, триггер 13, инвертор 14 и датчик положения ротора 15,ю что позволяет дополнительно выявлять отказ шагового электропривода. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления шаговым двигателем с любым числом фаз в дискретных системах автоматизированного электропривода.

Известно устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, содержащее блок синхронизации, шины: реверса, установки начального состояния, тактовых импульсов, логическое устройство, включающее в себя реверсивный кольцевой сдвигающий регистр, элемент сравнения кодов, входы которого соединены с разрядными входами записи и выходами регистра, вход реверса которого соединен с шиной реверса, вход записи - с шиной установки начального состояния, вход сдвига - с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого подключен к входу разрешения сравнения элемента сравнения кодов, вход - с шиной тактовых импульсов, пороговые датчики тока, включенные в цепь каждой фазы и первым входом элементов И, датчики напряжения, подключенные параллельно фазам двигателя, выходы которых соединены к вторым входам элементов И, выходы которых подключены к разрядным входам записи регистра, а выходом устройства является выход элемента сравнения кодов [1].

Известно устройство для обнаружения отказов в системе управления шаговым двигателем с коммутаторов фаз, содержащее преобразователь код-аналог, элементы И, подключенные прямыми входами к фазам двигателя, а выходом через преобразователь код-аналог к регистрирующему прибору [2].

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техничес- кому решению является устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, содержащее формирователь управляющих импульсов, коммутатор фаз, шаговый двигатель, шины: тактовых импульcов, реверса, включения двигателя, блок синхронизации, включающий в себя два одновибратора и линию задержки, элементы И, ИЛИ, триггер, элемент ИЛИ-НЕ, ИЛИ-НЕ со стробированием, кольцевой реверсивный сдвигающий регистр, элемент сравнения кодов, входы сравнения которого подключены к разрядным входам записи и выходами регистра, вход реверса, разрядные входы записи, вход сдвига которого соединены с шиной реверса, выходом коммутатора фаз и первым выходом блока синхронизации, входы которого соединены с шинами тактовых импульсов и с шиной включения двигателя, которая соединена с входом одновибратора, выход которого подключен к входу разрешения записи регистра, выход элемента ИЛИ подключен к одному из установочных входов триггера, другой установочный вход связан с вторым выходом блока синхронизации, выход триггера соединен с входом стробирования элемента ИЛИ-НЕ, входы которого связаны с выходами элементов И, ИЛИ, элемента сравнения кодов, а выход подключен к выходу устройства [3].

Недостатками данного устройства является отсутствие контроля движения шагового двигателя и выявление отказов типа не отработка шаговым двигателем управляющих импульсов.

Из-за недостаточного момента на валу, двигатель может не отработать управляющего импульса. Т. е. при увеличении нагрузки на валу двигателя (заклинивание самого вала шагового двигателя, внешнее механическое воздействие, намного превышающее максимально допустимую нагрузку на валу), шаговый двигатель не отработает управляющего импульса. Прототип подобный вид отказа не обнаруживает, а регистрирует отказ "пропуск шага" только по неравенству кодов на входах элемента сравнения кодов и не контролирует реальный пропуск шага валом двигателя. Управляющие импульсы поступают на шаговый двигатель, но вал двигателя может не вращаться, а регистрация отказа (типа пропуск шага) валом двигателя отсутствует.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей путем регистрации большего числа видов отказов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе, выполненном с формирователем управляющих импульсов, коммутатором и шаговым двигателем, снабженное шинами тактовых импульсов реверса, включения двигателя, содержащее одновибратор, кольцевой реверсивный сдвигающий регистр, блок синхронизации, триггер, два элемента И, элемент ИЛИ-НЕ, ИЛИ-НЕ со стробированием, элементы сравнения кодов, первые информационные входы которого подключены к выходам кольцевого реверсивного сдвигающего регистра, вход реверса которого соединен с шиной реверса и снабжен клеммой для подключения к первому входу формирователя управляющих импульсов электропривода, входы блока синхронизации соединены с входами первого элемента И, шинами тактовых импульсов и включения двигателя соответственно и снабжены клеммами для подключения второго и третьего входа формирователя импульсов электропривода, вторые информационные входы элемента сравнения кодов объединены с входами элементов ИЛИ-НЕ, второго элемента И, разрядными входами записи кольцевого сдвигающего регистра и снабжены клеммами для подключения к фазам электропривода, шина включения двигателя соединена со входом одновибратора, выход которого подключен к входу разрешения записи кольцевого сдвигающего регистра, вход сдвига которого подключен к первому выходу блока синхронизации, выход первого элемента И и второй выход блока синхронизации соединены соответственно с первым и вторым установочными входами триггера, выход которого подключен к входу стробирования элемента ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с выходами элемента сравнения кодов, второго элемента И, элемента ИЛИ-НЕ, а выход является выходом устройства, введены импульсный датчик положения вала шагового двигателя, инвертор, допол- нительный вход элемента ИЛИ-НЕ со стробированием, D-триггер, вход D которого подключен к шине включения двигателя, выход элемента ИЛИ через инвертор соединен с тактовым входом триггера, вход установки в ноль которого подключен к выходу импульсного датчика положения вала, а прямой выход триггера соединен с дополнительным входом элемента ИЛИ-НЕ со стробированием.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа наличием импульсного датчика положения вала шагового двигателя, инвертора, D-триггера, дополнительного входа элемента ИЛИ-НЕ со стробированием и новых связей согласно формуле изобретения. Введение импульсного датчика положения вала, инвертора, D-триггера, дополнительного входа элемента ИЛИ-НЕ и новых связей позволяет расширить эксплуатационные возможности устройства за счет контроля отработки валом двигателя импульсов управления и сигнализации отказа при отсутствии движения вала при действии управляющих сигналов. Анализ вновь введенных элементов показал, что датчик положения вала, D-триггер, инвертор, широко известны и описаны в технической литературе. Анализ схемных решений аналогов и прототипа показал, что в известных технических решениях указанные элементы с целью расширения эксплуатационных возможностей не исполь- зовались, что обеспечивает данному техническому решению соответствие критерию изобретения "Новизна".

Расширение эксплуатационных возможностей с помощью известных элементов и новых связей, которые в аналогах отсутствуют, позволяет сделать вывод, что данное техническое решение соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Оно может применяться в станках с числовым программным управлением, в периферийных устройствах вычислительных машин.

На чертеже представлена схема устройства обнаружения отказов в шаговом электроприводе.

Устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе снабженном шинами: тактовых импульсов ("Такт"), включение двигателя ("Вкл.ШД") и реверса, подключенными к входам формирователя управляющих импульсов 1, выходы которого через коммутатор 2 связаны с соответствующими обмотками шагового двигателя 3, содержит блок синхронизации 4 и элемент И 5, входы которых объединены попарно и подключены соответственно к шине тактовых импульсов и шине включения двигателя, выход элемента И 5 и второй выход блока синхронизации 4 подключены к установочным входам триггера 6, а первый выход блока синхронизации 4 подключен к входу С сдвига кольцевого сдвигающего регистра 7, вход разрешения записи которого через одновибратор 8 соединен с шиной включения двигателя, вход реверса кольцевого сдвигающего регистра 7 соединен с шиной реверса, разрядные входы записи Д которого подключены соответственно к фазам шагового двигателя 3, к входам сравнения А элемента сравнения кодов 9, к входам элемента И 10, к входам элемента ИЛИ-НЕ 11, выходы регистра 7 соединены с входами сравнения В элемента 9 сравнения кодов, выходы элементов 9, 10, 11 подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ 12 со стробированием, вход стробирования которого подключен к выходу триггера 6, дополнительный вход элемента ИЛИ-НЕ 12 подключен к прямому выходу триггера 13, вход Д которого подключен к шине включения двигателя, вход С через инвертор 14 соединен к выходу элемента И 5, вход установки в "0" - к выходу датчика 15 положения вала двигателя.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства на шине включения двигателя - низкий уровень, на шине тактовых импульсов - высокий. Низкий уровень на шине включения двигателя, блокирует формирователь импульсов 1, обуславливая отключение коммутатора 2 и обесточивание обмоток шагового двигателя 3. Сигнал низкого уровня с выхода элемента И 5 поступает на вход R триггера и устанавливает его в нулевое состояние, а через инвертор 14 поступает на вход С триггера 13. Низкий потенциал с выхода триггера 6 поступает на вход стробирования элемента ИЛИ-НЕ 12, блокирует его, обуславливая сигнал высокого уровня на его выходе и препятствует при этом прохождению через этот элемент сигнала высокого уровня с выхода элемента ИЛИ-НЕ 11, обусловленного наличием сигналов низкого уровня на всех его входах, благодаря обесточенному состоянию шагового двигателя 3.

При подаче на шину включение двигателя высокого уровня снимается блокировка с формирователя управляющих импульсов, который при этом устанавливается в исходное состояние, обеспечивая срабатывание коммутатора 2 и запитывание двух определенных фаз шагового двигателя, запускается одновибратор 8 и блок синхронизации 4, который может быть выполнен, например, на двух последовательно соединенных одновибраторах и элементе задержки. Одновибратор 8 вырабатывает при этом отрицательный импульс, являющимся сигналом разрешения параллельной записи, поступающий на вход разрешения записи информации кольцевого реверсивного сдвигающего регистра 7. Во время действия этого сигнала с первого выхода блока 4 синхронизации на вход сдвига регистра 7 поступает отрицательный импульс, длительность которого определяется временем, необходимым для завершения переходных процессов в формирователе 1, коммутаторе 2 и обмотках шагового двигателя 3. По окончании этого импульса т.е. по переходу из "0" в "1", информация, присутствующая на разрядных входах записи регистра 7, записывается в регистр и поступает с его выходов на входы сравнения В элемента 9 сравнения кодов на входах сравнения А, которого присутствует та же кодовая комбинация. На выходе элемента 9 появляется сигнал низкого уровня, подтверждающий равенство кодов и поступающий на первый вход элемента ИЛИ-НЕ со стробированием. На втором, третьем и четвертом входах этого элемента также присутствуют сигналы низкого уровня, подтверждающие штатный режим работы шагового двигателя, но элемент ИЛИ-НЕ 12 при этом заблокирован сигналом низкого уровня, поступающим на его вход стробирования с выхода триггера 6. Снятие строба происходит при установке триггера 6 в единичное состояние по отрицательному импульсу, поступающему на S-вход триггера 6 с второго выхода блока 4 синхронизации, который формирует данный импульс с некоторой временной задержкой необходимой для завершения переходных процессов в регистре 7, триггере 13 и в элементе 9 сравнения кодов. Наличие сигналов низкого уровня на всех входах элемента ИЛИ-НЕ 12 после снятия строба обуславливает сохранение сигнала высокого уровня на выходе устройства и подтверждает отсутствие отказа в работе шагового двигателя после его первоначальной установки вплоть до подачи тактового импульса. Высокий потенциал с шины включения двигателя поступает также на вход D-триггера 13, подготавливая его к прохождению тактовых импульсов через счетный вход. Если при запитывании обмоток шагового двигателя положение вала двигателя меняется при появлении высокого потенциала на шине Д Включения двигателя, то с выхода датчика 14 положения вала на вход установки в "0" триггера 13 поступает сигнал, который переводит триггер 13 в исходное состояние, если он не был в исходном состоянии на прямом выходе триггера 13 устанавливается низкий потенциал, который поступает на вход элемента ИЛИ-НЕ 12 со стробированием. Снятие строба при наличии на всех его входах "0" подтверждает отсутствие отказа в шаговом двигателе.

При переходе спада импульса тактового он проходит через элемент И 5 на вход установки в исходное триггера 6, сигнал с выхода которого блокирует элемент ИЛИ-НЕ 12 со стробированием, одновременно тактовый импульс поступает с выхода И 5 через инвертор 14 на счетный вход триггера 13 переводя его в единичное состояние, сигнал с выхода которого поступает на вход элемента ИЛИ-НЕ 12. По окончанию тактового импульса т.е. по его переднему фронту на выходе формирователя 1 появляется кодовая комбинация, сдвинутая на один шаг вправо или влево (в зависимости от уровня потенциального сигнала на шине реверса). Поступая на коммутатор 2, эта комбинация обуславливает соответствующее изменение его состояния и переключение обмоток шагового двигателя 3, отрабатывающего при этом шаг в ту или иную сторону, в то время как на выходе элемента 9 появляется сигнал высокого уровня, т.е. сигнал неравенства. Отработка вала шагового двигателя 3 управляющего импульса приводит к появлению на выходе датчика положения вала 14 импульса, который поступает на вход установки в "0" триггера 13, на выходе которого появляется низкий потенциал, подтверждающий отработку шага двигателя 3.

По переходу тактового импульса из "0" в "1" запускается блок синхронизации 4 и отрицательный импульс, поступающий с его первого выхода на вход сдвига регистра 7, обуславливает сдвиг записанной в регистр 7 кодовой комбинации в направлении, определяемом уровнем сигнала на шине реверса. Кодовые комбинации на входах сравнения А и В элемента 9 при этом становятся равными, и на выходах элемента 9 восстанавливается сигнал низкого уровня, подтверждающий отработку шага приводом. Блокировка с выхода элемента ИЛИ-НЕ 12 снимается отрицательным импульсом, поступающим со второго выхода блока синхронизации 4 на вход установки триггера 6 в единичное состояние и при наличии на всех входах низкого уровня на его выходе сохраняется сигнал высокого уровня, т.е. сигнал отсутствия отказа в работе шагового двигателя после отработки шага. При поступлении нового тактового им- пульса описанный цикл работы повторится.

При отсутствии тактовых импульсов, т.е. работы шагового двигателя в режиме стоянки с включенными обмотками, возникновение неисправности в любом из элементов шагового электропривода, например, обрыв или короткое замыкание не включенной обмотки на шину питания, а также любое изменение кодовой комбинации на входе А элемента 9 сравнения кодов, приводит к появлению сигналов высокого уровня на первом входе элемента ИЛИ-НЕ 12 и, следовательно, сигнала низкого уровня, т.е. сигнала отказа, на выходе устройства сигнала, который может быть использован для аварийной сигнализации, отключения электропривода, снятие тактовой частоты и т.д. При возникновении любой из указанных неисправностей в процессе отработки шага, обусловливающей неравенство кодовых комбинаций на входах сравнения А и В элемента 9 сравнения кодов, после снятия строба появляется сигнал отказа. Если после снятия строба происходит замыкание всех выходов коммутатора 2, т.е. всех обмоток шагового двигателя 3 на шину питания, либо сбой в формирователе 1, также обуславливая комбинацию IIII на выходе элемента И 10, появляется высокий потенциал, который поступает на вход элемента ИЛИ-НЕ 12 со стробированием, на выходе которого появляется аварийный сигнал низкого уровня.

Введение датчика положения 15 вала, инвертора 14, триггера 13 и новых связей позволяет контролировать отказ шагового двигателя типа пропуск шага. Если по какой-либо причине при появлении управляющих импульсов шаговый двигатель не отрабатывает шага, то тогда по тактовому импульсу триггер 13 переводится в "1" состояние. При отсутствии движения шагового двигателя отсутствует сигнал с выхода датчика 15 положения вала следовательно, триггеру 13 остается в "1" состоянии, на всех входах элемента ИЛИ-НЕ 12 за исключением входа, связанного с выходом триггера 13 низкие сигналы. При снятие блокировки с элемента ИЛИ-НЕ 12 на его выходе появляется аварийный сигнал связанный с пропуском шага, информация о котором поступает с выхода триггера 13. Если появляется отказ типа обрыв всех обмоток шагового двигателя, то информация об этом отказе поступает с выхода элемента ИЛИ-НЕ 11. После снятия блокировки с элемента ИЛИ-НЕ 12 со стробированием появляется на выходе устройства. При замыкании всех выводов коммутатора 2, т.е. всех обмоток шагового двигателя 3 на шину питания, при включении электропривода, на выходе элемента 9 сравнения кодов постоянно поддерживается сигнал низкого уровня, а аварийное состояние электропривода фиксируется благодаря появлению сигнала высокого уровня на выходе элемента И 10 обуславливающего после снятия строба появление сигнала отказа на выходе устройства. Аналогичным образом устройство фиксирует отказ электропривода вследствие обрыва шины питания шагового двигателя, либо такой сбойной ситуации в формирователе 1, когда при сигнале высокого уровня на шине включения двигателя на выходах формирователя появляется кодовая комбинация 0000. Пусть, например, после включения устройства и шагового электропривода и сигнала включения двигателя в исходное состояние все фазы двигателя остались обесточенными, что подтверждается сохранением сигнала высокого уровня на выходе элемента ИЛИ-НЕ 1. После снятия строба на выходе устройства появляется сигнал отказа.

Таким образом, предлагаемое устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе обладает более широкими возможностями, обеспечивая обнаружение неисправностей в электроприводе в режиме движения, непосредственно после отработки шага и вплоть до поступления следующего тактового импульса, что особенно важно в режиме отработки единичных шагов, в режиме стоянки шагового двигателя с включенными обмотками, а также фиксируя нештатное обесточивание обмоток шагового двигателя вследствие их обрыва, закорачивания, исчезновения силового питания двигателя, либо сбоя в формирователе управляющих импульсов.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в расширении эксплуатационных возможностей путем регистрации большего числа видов отказов. Экономический эффект в рублях может быть подсчитан после внедрения по плановой тематике СФТИ. Для каждой темы он будет различным. Предлагаемое устройство для обнаружения отказов в шаговом электроприводе может использоваться в качестве устройства для обнаружения отказов в системах сканирования, где используется шаговые двигатели и где нужна высокая точность отработки движения сканирующей системы по управляющим сигналам от ЭВМ.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТКАЗОВ В ШАГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ, выполненном с формирователем управляющих импульсов, коммутатором и шаговым двигателем, снабженное шинами тактовых импульсов, реверса, включения двигателя, содержащее одновибратор, кольцевой реверсивный сдвигающий регистр, блок синхронизации, триггер, два элемента И, элементы ИЛИ - НЕ, ИЛИ -НЕ со стробированием, элемент сравнения кодов, первые информационные входы которого подключены к выходам кольцевого реверсивного сдвигающего регистра, вход реверса которого соединен с шиной реверса и снабжен клеммой для подключения к первому входу формирователя управляющих импульсов электропривода, входы блока синхронизации соединены с входами первого элемента И, шинами тактовых импульсов и включения двигателя соответственно и снабжены клеммами для подключения второго и третьего входов формирователя импульсов электропривода, вторые информационные входы элемента сравнения кодов объединены с входами элементов ИЛИ - НЕ, второго элемента И, разрядными входами записи кольцевого сдвигающего регистра и снабжены клеммами для подключения к фазам электропривода, шина включения двигателя соединена с входом одновибратора, выход которого подключен к входу разрешения записи кольцевого реверсивного сдвигающего регистра, вход сдвига которого подключен к первому выходу блока синхронизации, выход первого элемента И и второй выход блока синхронизации соединены соответственно с первым и вторым установочными входами триггера, выход которого подключен к входу стробирования элемента ИЛИ - НЕ со стробированием, входы которого соединены с выходами элемента сравнения кодов, второго элемента И, элемента ИЛИ - НЕ, а выход является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены импульсный датчик положения вала шагового двигателя, инвертор, элемент ИЛИ - НЕ со стробированием снабжен дополнительным входом, D-триггер, D-вход которого подключен к шине включения двигателя, выход первого элемента И через инвертор соединен с тактовым входом D-триггера, вход установки в "0" которого подключен к выходу импульсного датчика положения вала, а прямой выход триггера соединен с дополнительным входом элемента ИЛИ - НЕ со стробированием.

РИСУНКИ

Рисунок 1