RU2774923C1 - Method for monitoring the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in full-step mode, and a device for its implementation - Google Patents
Method for monitoring the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in full-step mode, and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774923C1 RU2774923C1 RU2021124967A RU2021124967A RU2774923C1 RU 2774923 C1 RU2774923 C1 RU 2774923C1 RU 2021124967 A RU2021124967 A RU 2021124967A RU 2021124967 A RU2021124967 A RU 2021124967A RU 2774923 C1 RU2774923 C1 RU 2774923C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- value
- output
- inputs
- logical
- electric drive
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000001052 transient Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 32
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 26
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims description 19
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 25
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля работы шагового привода, содержащего двухобмоточный шаговый двигатель (ШД), работающий в полношаговом режиме.The present invention relates to electrical engineering and can be used to control the operation of a stepper drive containing a two-winding stepper motor (SM) operating in full-step mode.
Наиболее часто при работе двухобмоточного ШД используется полношаговый режим, как позволяющий развивать максимальный момент. При этом регулирование тока в обмотках обеспечивается импульсным регулятором, который на интервале отключения обмотки от источника тока обеспечивает медленный спад тока для минимизации частоты переключений и уровня пульсаций.Most often, when operating a two-winding stepper motor, a full-step mode is used, as it allows developing the maximum torque. At the same time, the regulation of the current in the windings is provided by a pulse regulator, which, at the interval when the winding is disconnected from the current source, provides a slow current decay to minimize the switching frequency and the level of ripples.
Известны способы контроля работы шагового привода, использующие датчик положения, механически соединенный с ротором шагового двигателя, например [1] или [2]. Такие технические решения требуют введения в конструкцию привода дополнительных конструкционных элементов - самого датчика положения и элементов, обеспечивающих соединение его с ротором ШД, что ведет к увеличению массогабаритных характеристик. Известны также способы бесконтактного контроля, использующие кроме напряжений на обмотках ШД, управляющие сигналы его драйвера, например, как предложено в [3]. Необходимость использования для контроля внутренних управляющих сигналов делает невозможным использование данного технического решение для контроля уже эксплуатирующихся приводов. Известен также способ контроля работы шагового привода [4], содержащего двухфазный шаговый электродвигатель. Этот способ обеспечивает контроль наличия и смены полярности напряжений на выходе драйвера, но не позволяет проверять наличие и целостность подключенных к нему обмоток ШД. Кроме того, при использовании импульсной стабилизации тока в обмотках ШД (как, например, в современных драйверах: А4989 Allegro Microsystems [5] или ТМС262 TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG [6]), выходной сигнал предложенного в [4] устройства будет иметь импульсный характер со случайной частотой, так как регулирование тока в каждой обмотке происходит независимо и, в большинстве драйверов, асинхронно.Known methods for controlling the operation of a stepper drive using a position sensor mechanically connected to the rotor of a stepper motor, for example [1] or [2]. Such technical solutions require the introduction of additional structural elements into the drive design - the position sensor itself and elements that ensure its connection to the stepper motor rotor, which leads to an increase in weight and size characteristics. There are also known non-contact control methods that use, in addition to the voltage on the windings of the stepper motor, the control signals of its driver, for example, as proposed in [3]. The need to use internal control signals for monitoring makes it impossible to use this technical solution for monitoring drives already in operation. There is also a method of controlling the operation of a stepper drive [4], containing a two-phase stepper motor. This method provides control over the presence and reversal of voltage polarity at the output of the driver, but does not allow checking the presence and integrity of the SM windings connected to it. In addition, when using pulsed current stabilization in stepper motor windings (as, for example, in modern drivers: A4989 Allegro Microsystems [5] or ТМС262 TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG [6]), the output signal of the device proposed in [4] will be have a pulsed nature with a random frequency, since the current regulation in each winding occurs independently and, in most drivers, asynchronously.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ контроля работы электропривода на основе двухобмоточного шагового двигателя, работающего в полношаговом режиме, и устройство для его осуществления, описанные в [7]. Применение этого способа позволяет повысить достоверность контроля работы электропривода за счет использования сигналов с датчиков тока в обмотках ШД, что позволяет определять такие отказы как обрыв в какой-либо обмотке ШД. Это техническое решение обеспечивает контроль тока в обмотках, контроль правильности его направления и достаточности величины для совершения шагов в нужном направлении, но оно не позволяет контролировать потерю синхронизации.The closest to the proposed technical solution is a method for controlling the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in a full-step mode, and a device for its implementation, described in [7]. The use of this method makes it possible to increase the reliability of the control of the operation of the electric drive through the use of signals from current sensors in the windings of the stepper motor, which makes it possible to determine such failures as a break in any winding of the stepper motor. This technical solution provides control of the current in the windings, control of the correctness of its direction and the sufficiency of the value for making steps in the desired direction, but it does not allow controlling the loss of synchronization.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение оперативного автоматизированного контроля потери шаговым электроприводом синхронизации.The objective of the invention is to provide operational automated control of the loss of synchronization by a stepper electric drive.
Для решения этой задачи по окончании переходного состояния электропривода на каждом текущем шаге запоминают значения четырех первичных логических сигналов, а их значения на каждом следующем шаге по окончании следующего переходного состояния электропривода сравнивают с их предшествующими значениями и, если эти значения совпадают, формируют логический сигнал, свидетельствующий о потере шаговым приводом синхронизации, и формируют стационарное значение сигнала ступенчатого напряжения, соответствующее потере шаговым приводом синхронизации.To solve this problem, at the end of the transition state of the electric drive at each current step, the values of four primary logical signals are stored, and their values at each next step after the end of the next transition state of the electric drive are compared with their previous values and, if these values match, a logical signal is generated, indicating about the loss of synchronization by the stepper drive, and generate a stationary value of the step voltage signal corresponding to the loss of synchronization by the stepper drive.
Заданные верхнее и нижнее пороговые значения напряжения, характеризующие начало и окончание переходного процесса изменения тока в каждой из обмоток ШД, выбирают в соответствии с соотношениямиThe specified upper and lower threshold voltage values, characterizing the beginning and end of the transient process of current change in each of the motor windings, are selected in accordance with the relations
где Vref1 - заданное верхнее пороговое значение,where Vref1 is the specified upper threshold value,
Vref2 - заданное нижнее пороговое значение,Vref2 - given lower threshold value,
(V+) - напряжение, соответствующее стабилизируемому стационарному положительному значению уровня тока в обмотках ШД,(V+) - voltage corresponding to the stabilized stationary positive value of the current level in the motor windings,
(V-) - напряжение, соответствующее стабилизируемому стационарному отрицательному значению уровня тока в обмотках ШД,(V-) - voltage corresponding to the stabilized stationary negative value of the current level in the motor windings,
k - положительный коэффициент, значение которого выбирается при проведении заводских или лабораторных испытаний электропривода из диапазона 0,01…0,05.k - positive coefficient, the value of which is selected during factory or laboratory tests of the electric drive from the range of 0.01 ... 0.05.
Логический сигнал, свидетельствующий о потере шаговым приводом синхронизации, может быть передан в другую систему, контролирующую работу электропривода.A logical signal indicating the loss of synchronization by the stepper drive can be transferred to another system that controls the operation of the electric drive.
Для решения задачи изобретения в устройство введен блок обнаружения потери синхронизации с пятью входами и двумя выходами, причем первый, второй, третий и четвертый входы блока обнаружения потери синхронизации соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого компараторов, а его пятый вход - с выходом блока формирования ступенчатого напряжения. Первый выход блока обнаружения потери синхронизации является дискретным выходом устройства для контроля работы электропривода, а второй выход - его телеметрическим выходом.To solve the problem of the invention, a synchronization loss detection unit with five inputs and two outputs is introduced into the device, wherein the first, second, third and fourth inputs of the synchronization loss detection unit are connected respectively to the outputs of the first, second, third and fourth comparators, and its fifth input is connected to the output of the step voltage generation unit. The first output of the synchronization loss detection block is a discrete output of the device for controlling the operation of the electric drive, and the second output is its telemetry output.
Одно из возможных исполнений блока обнаружения потери синхронизации содержит аналоговый компаратор, третий источник опорного напряжения, формирователь импульсов, регистр хранения, цифровой компаратор, D-триггер и сумматор. Причем первый вход аналогового компаратора соединен с пятым входом блока обнаружения потери синхронизации, а его второй вход с выходом третьего источника опорного напряжения, выход аналогового компаратора соединен с входом формирователя импульсов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с тактовыми входами D-триггера и регистра хранения. Входы данных регистра хранения и входы секции В цифрового компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока обнаружения потери синхронизации. Выходы регистра хранения соединены с соответствующими входами секции А цифрового компаратора, выход которого соединен с входом данных D-триггера, прямой выход которого является дискретным выходом устройства для контроля работы электропривода и соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с пятым входом блока обнаружения потери синхронизации, а его выход является телеметрическим выходом устройства для контроля работы электропривода.One of the possible executions of the synchronization loss detection block contains an analog comparator, a third voltage reference, a pulse shaper, a storage register, a digital comparator, a D flip-flop, and an adder. Moreover, the first input of the analog comparator is connected to the fifth input of the synchronization loss detection unit, and its second input is connected to the output of the third reference voltage source, the output of the analog comparator is connected to the input of the pulse shaper, the first and second outputs of which are connected, respectively, to the clock inputs of the D-flip-flop and the storage register . The data inputs of the storage register and the inputs of section B of the digital comparator are connected to the first, second, third and fourth inputs of the synchronization loss detection unit, respectively. The outputs of the storage register are connected to the corresponding inputs of section A of the digital comparator, the output of which is connected to the data input of the D-flip-flop, the direct output of which is the discrete output of the device for controlling the operation of the electric drive and is connected to the first input of the adder, the second input of which is connected to the fifth input of the loss detection unit synchronization, and its output is a telemetric output of the device for controlling the operation of the electric drive.
Другое возможное исполнение блока обнаружения потери синхронизации содержит два логических элемента 2ИЛИ, логический элемент 2И, формирователь импульсов, регистр хранения, цифровой компаратор, D-триггер и сумматор. Причем входы первого логического элемента 2ИЛИ соединены с первым и вторым входами блока обнаружения потери синхронизации, а входы второго логического элемента 2ИЛИ соединены с третьим и четвертым входами блока обнаружения потери синхронизации. Выходы обоих логических элементов 2ИЛИ соединены с входами логического элемента 2И, выход которого соединен с входом формирователя импульсов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с тактовыми входами D-триггера и регистра хранения. Входы данных регистра хранения и входы секции В цифрового компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока обнаружения потери синхронизации, выходы регистра хранения соединены с соответствующими входами секции А цифрового компаратора, выход которого соединен с входом данных D-триггера, прямой выход которого является дискретным выходом устройства для контроля работы электропривода и соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с пятым входом блока обнаружения потери синхронизации, а его выход является телеметрическим выходом устройства для контроля работы электропривода.Another possible implementation of the synchronization loss detection block contains two 2OR gates, a 2I gate, a pulse shaper, a storage register, a digital comparator, a D flip-flop, and an adder. Moreover, the inputs of the first logic element 2OR are connected to the first and second inputs of the synchronization loss detection block, and the inputs of the second logic element 2OR are connected to the third and fourth inputs of the synchronization loss detection block. The outputs of both logic elements 2OR are connected to the inputs of the logic element 2I, the output of which is connected to the input of the pulse shaper, the first and second outputs of which are connected respectively to the clock inputs of the D-flip-flop and the storage register. The data inputs of the storage register and the inputs of section B of the digital comparator are connected to the first, second, third and fourth inputs of the loss of synchronization detection unit, respectively, the outputs of the storage register are connected to the corresponding inputs of section A of the digital comparator, the output of which is connected to the data input of the D-flip-flop, direct output which is a discrete output of the device for monitoring the operation of the electric drive and is connected to the first input of the adder, the second input of which is connected to the fifth input of the block for detecting the loss of synchronization, and its output is the telemetric output of the device for monitoring the operation of the electric drive.
Формирователь импульсов блока обнаружения потери синхронизации может быть выполнен по схеме трех последовательно соединенных одновибраторов. Причем вход первого одновибратора является входом формирователя импульсов, а его инверсный выход является первым выходом формирователя импульсов и соединен с входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом третьего одновибратора, прямой выход которого является вторым выходом формирователя импульсов.The pulse shaper of the block for detecting the loss of synchronization can be made according to the scheme of three series-connected single vibrators. Moreover, the input of the first one-shot is the input of the pulse shaper, and its inverse output is the first output of the pulse shaper and is connected to the input of the second one-shot, the inverse output of which is connected to the input of the third one-shot, the direct output of which is the second output of the pulse shaper.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings.
Фиг. 1. Схематичная временная диаграмма формирования первичных и вторичных логических сигналов и сигнала ступенчатого напряжения, отражающего состояние ШД после совершения очередного шага.Fig. 1. Schematic time diagram of the formation of primary and secondary logic signals and a step voltage signal, reflecting the state of the stepper motor after the next step.
Фиг. 2. Функциональная схема устройства для контроля работы электропривода на основе двухобмоточного шагового двигателя, работающего в полношаговом режиме.Fig. 2. Functional diagram of a device for controlling the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in a full-step mode.
Фиг. 3. Функциональная схема первого варианта исполнения блока обнаружения потери синхронизации.Fig. 3. Functional diagram of the first version of the block for detecting the loss of synchronization.
Фиг. 4. Функциональная схема второго варианта исполнения блока обнаружения потери синхронизации.Fig. 4. Functional diagram of the second version of the block for detecting the loss of synchronization.
Фиг. 5. Функциональная схема возможного исполнения формирователя импульсов.Fig. 5. Functional diagram of a possible execution of the pulse shaper.
Фиг. 6. Электрическая принципиальная схема возможного варианта исполнения блока формирования ступенчатого напряжения.Fig. Fig. 6. Electrical circuit diagram of a possible version of the step voltage generation unit.
Фиг. 7. Результаты компьютерного моделирования работы устройства для контроля работы электропривода при вторичной обработке первого набора экспериментальных данных.Fig. 7. Results of computer simulation of the operation of the device for controlling the operation of the electric drive during the secondary processing of the first set of experimental data.
Фиг. 8. Результаты компьютерного моделирования работы устройства для контроля работы электропривода при вторичной обработке второго набора экспериментальных данных.Fig. 8. Results of computer simulation of the operation of the device for controlling the operation of the electric drive during the secondary processing of the second set of experimental data.
Фиг. 9. Переходные процессы изменения основных параметров электропривода в увеличенном масштабе на характерном участке компьютерного моделирования, результаты которого приведены на фиг. 8.Fig. 9. Transient processes of changing the main parameters of the electric drive on an enlarged scale in a characteristic area of computer simulation, the results of which are shown in FIG. eight.
Работа электропривода на основе двухобмоточного ШД в полношаговом режиме подробно описана в разных литературных источниках (см., например, [8]). Из тех же источников известно, что при работе такого шагового электропривода в условиях большой статической или динамической нагрузки, а также при подаче управляющих импульсов с частотой, близкой к резонансной, может возникать пропуск шагов или потеря синхронизации. В этом случае действительное значение положения вала электропривода перестает совпадать с его заданным значением, которое формируется управляющими импульсами. Предлагаемое техническое решение позволяет как раз обеспечить оперативный автоматизированный контроль потери шаговым электроприводом синхронизации.The operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor in a full-step mode is described in detail in various literature sources (see, for example, [8]). From the same sources it is known that when such a stepper drive is operated under conditions of a large static or dynamic load, as well as when control pulses are applied at a frequency close to resonant, skipping steps or loss of synchronization may occur. In this case, the actual value of the drive shaft position no longer coincides with its set value, which is formed by control pulses. The proposed technical solution allows just to provide operational automated control of the loss of synchronization by a stepper electric drive.
Схематичная временная диаграмма, поясняющая процессы формирования первичных и вторичных логических сигналов, позволяющих получить сигнал ступенчатого напряжения, отражающий состояние ШД после совершения очередного шага, приведена на фиг. 1. Из приведенных на этом рисунке графиков видно, что напряжения VA и VB, соответствующие величинам токов в обмотках ШД, имеют характерные стационарные и переходные участки.A schematic time diagram explaining the processes of formation of primary and secondary logic signals, which make it possible to obtain a step voltage signal, reflecting the state of the stepper motor after the next step, is shown in Fig. 1. From the graphs shown in this figure, it can be seen that the voltages VA and VB, corresponding to the values of currents in the motor windings, have characteristic stationary and transitional sections.
Стационарный участок V+ соответствует стабилизируемому положительному значению уровня тока в обмотках ШД, а стационарный участок V- соответствует стабилизируемому отрицательному значению уровня тока. При использовании полношагового режима для вращения ротора ШД в одну сторону производится поочередная смена направления тока в фазах А и В, как это показано на фиг. 1 а и b. После последовательного перебора четырех возможных сочетаний направлений токов в двух фазах, эта картина циклически повторяется. Для изменения направления вращения ротора при совершении очередного шага реверс тока осуществляется в той же фазе, в которой он был произведен на предыдущем шаге. Таким образом, четыре возможных сочетания направлений токов в обмотках ШД, полностью характеризуют состояние ШД, что позволяет достоверно контролировать работу электропривода в стационарном режиме.The stationary section V+ corresponds to the stabilized positive value of the current level in the motor windings, and the stationary section V- corresponds to the stabilized negative value of the current level. When using the full-step mode for the rotation of the SM rotor in one direction, the current direction is alternately changed in phases A and B, as shown in Fig. 1 a and b. After sequential enumeration of four possible combinations of current directions in two phases, this pattern repeats itself cyclically. To change the direction of rotation of the rotor during the next step, the current is reversed in the same phase in which it was performed at the previous step. Thus, four possible combinations of current directions in the windings of the stepper motor fully characterize the state of the stepper motor, which allows you to reliably control the operation of the electric drive in a stationary mode.
За переходный участок, когда происходит смена стационарных режимов, принимается участок изменения тока в любой фазе ШД, на котором значение тока в этой фазе меньше заданного верхнего порогового значения Vref1 и больше заданного нижнего порогового значения Vref2. Если на каком-то участке работы электропривода значение тока в любой из фаз ШД или больше заданного верхнего порогового значения Vref1, или меньше заданного нижнего порогового значения Vref2, то этот участок работы считается стационарным. Заданные верхнее и нижнее пороговые значения выбираются в соответствии с соотношениями (1). Значение положительного коэффициента k обычно выбирают при лабораторных или заводских испытаниях в диапазоне от 0,01 до 0,05 из условия обеспечения помехозащищенности. При таком значении коэффициента k достигается отклонение заданного верхнего порогового значения Vref1 и заданного нижнего порогового значения Vref2 от величины стабилизируемого значения модуля тока в обмотках 2…10%.For the transitional section, when there is a change of stationary modes, the section of current change in any phase of the stepper motor is taken, in which the current value in this phase is less than the specified upper threshold value Vref1 and greater than the specified lower threshold value Vref2. If in some section of the drive operation the current value in any of the phases of the stepper motor is either greater than the specified upper threshold value Vref1, or less than the specified lower threshold value Vref2, then this section of operation is considered stationary. The specified upper and lower threshold values are selected in accordance with relations (1). The value of the positive coefficient k is usually chosen in laboratory or factory tests in the range from 0.01 to 0.05 from the condition of ensuring noise immunity. With this value of the coefficient k, the deviation of the specified upper threshold value Vref1 and the specified lower threshold value Vref2 from the value of the stabilized value of the current module in the windings is 2 ... 10%.
Во время работы ШД непрерывно измеряют токи в каждой обмотке и формируют два сигнала напряжения VA и VB, соответствующие току в каждой обмотке, сравнивают их с заданными верхним и нижним пороговыми значениями Vref1 и Vref2 и формируют четыре первичных логических сигнала S1, S2, S3 и S4 (см. фиг. 1 c, d, e и f) так, что первый из них S1 принимает значение логической «1», если сигнал напряжения VA, соответствующий току в обмотке А, превосходит заданное верхнее пороговое значение Vref1, и значение логического «0» в противном случае. Второй из них S2 принимает значение логической «1», если сигнал напряжения VB, соответствующий току в обмотке В, превосходит заданное верхнее пороговое значение Vref1, и значение логического «0» в противном случае. Третий из них S3 принимает значение логической «1», если сигнал напряжения VA, соответствующий току в обмотке А, имеет значение ниже заданного нижнего порогового значения Vref2, и значение логического «0» в противном случае. Четвертый из них S4 принимает значение логической «1», если сигнал напряжения VB, соответствующий току в обмотке В, имеет значение ниже заданного нижнего порогового значения Vref2, и значение логического «0» в противном случае. В зависимости от полученных значений первичных логических сигналов формируют четыре вторичных логических сигнала U1, U2, U3 и U4 таким образом, что (см. фиг. 1 g, h, i и j) первый из них U1 принимает значение логической «1», если первый и второй первичные логические сигналы S1 и S2 имеют значение логической «1», и значение логического «0» в противном случае. Второй из них U2 принимает значение логической «1», если первый и четвертый первичные логические сигналы S1 и S4 имеют значение логической «1», и значение логического «0» в противном случае. Третий из них U3 принимает значение логической «1», если третий и четвертый первичные логические сигналы S3 и S4 имеют значение логической «1», и значение логического «0» в противном случае. Четвертый из них U4 принимает значение логической «1», если второй и третий первичные логические сигналы S2 и S3 имеют значение логической «1» и значение логического «0» в противном случае. В зависимости от полученных значений вторичных логических сигналов формируют сигнал ступенчатого напряжения Vst (см. фиг. 1k), каждое стационарное значение которого соответствует одному из четырех возможных состояний установившихся значений токов в обмотках шагового двигателя. А, если значения всех четырех вторичных логических сигналов U1, U2, U3 и U4 одновременно имеют значение логического «0», формируют стационарное значение сигнала ступенчатого напряжения, соответствующее этому переходному состоянию электропривода (на фиг. 1k это стационарное значение сигнала ступенчатого напряжения равно нулю). На фиг. 1l показан логический сигнал S0, который принимает значение логического «0», когда значение сигнала ступенчатого напряжения Vst соответствует переходному состоянию электропривода, и значение логической «1» в противном случае.During operation, stepper motors continuously measure currents in each winding and form two voltage signals VA and VB corresponding to the current in each winding, compare them with the specified upper and lower threshold values Vref1 and Vref2 and form four primary logic signals S1, S2, S3 and S4 (see Fig. 1 c, d, e and f) so that the first of them S1 takes the value of logic "1" if the voltage signal VA corresponding to the current in winding A exceeds the specified upper threshold value Vref1, and the value of the logic " 0" otherwise. The second of them, S2, becomes logic "1" if the voltage signal VB corresponding to the current in winding B exceeds the predetermined upper threshold value Vref1, and the value of logic "0" otherwise. The third one S3 is logic "1" if the voltage signal VA corresponding to the current in winding A is below the predetermined lower threshold value Vref2, and logic "0" otherwise. The fourth of them S4 becomes logic "1" if the voltage signal VB corresponding to the current in the winding B is below the predetermined lower threshold value Vref2, and the value of logic "0" otherwise. Depending on the obtained values of the primary logical signals, four secondary logical signals U1, U2, U3 and U4 are formed in such a way that (see Fig. 1 g, h, i and j) the first of them U1 takes the value of the logical "1" if the first and second primary logic signals S1 and S2 have a logic value of "1" and a logic value of "0" otherwise. The second of them, U2, is logic "1" if the first and fourth primary logic signals S1 and S4 are logic "1" and logic "0" otherwise. The third of them, U3, is logic "1" if the third and fourth primary logic signals S3 and S4 are logic "1" and logic "0" otherwise. The fourth of them, U4, is logic "1" if the second and third primary logic signals S2 and S3 are logic "1" and logic "0" otherwise. Depending on the obtained values of the secondary logic signals, a step voltage signal Vst is formed (see Fig. 1k), each stationary value of which corresponds to one of the four possible states of the steady values of the currents in the windings of the stepper motor. And, if the values of all four secondary logical signals U1, U2, U3 and U4 simultaneously have the value of logical "0", they form a stationary value of the step voltage signal corresponding to this transient state of the electric drive (in Fig. 1k, this stationary value of the step voltage signal is zero) . In FIG. 1l shows the logic signal S0, which takes the value of logic "0" when the value of the step voltage signal Vst corresponds to the transient state of the drive, and the value of logic "1" otherwise.
Одним из возможных решений по формированию сигнала ступенчатого напряжения является такое [7]. Значение сигнала ступенчатого напряжения (см. фиг. 1k) формируют равным 1/2 максимально возможного уровня ступенчатого напряжения, если значение первого вторичного логического сигнала равно логической «1». Максимально возможным уровнем ступенчатого напряжения можно считать напряжение питания схемы формирования сигнала ступенчатого напряжения Uпит. Значение сигнала ступенчатого напряжения на данном шаге формируют равным 1/4 максимально возможного уровня ступенчатого напряжения, если значение второго вторичного логического сигнала равно логической «1». Значение сигнала ступенчатого напряжения на данном шаге формируют равным 1/8 максимально возможного уровня ступенчатого напряжения, если значение третьего вторичного логического сигнала равно логической «1». Значение сигнала ступенчатого напряжения на данном шаге формируют равным 1/16 максимально возможного уровня ступенчатого напряжения, если значение четвертого вторичного логического сигнала равно логической «1».One of the possible solutions for the formation of a step voltage signal is [7]. The value of the step voltage signal (see Fig. 1k) is formed equal to 1/2 of the maximum possible step voltage level if the value of the first secondary logic signal is equal to the logical "1". The maximum possible step voltage level can be considered as the supply voltage of the step voltage signal generation circuit Upit. The value of the step voltage signal at this step is formed equal to 1/4 of the maximum possible level of step voltage, if the value of the second secondary logical signal is equal to logical "1". The value of the step voltage signal at this step is formed equal to 1/8 of the maximum possible level of step voltage, if the value of the third secondary logic signal is equal to logical "1". The value of the step voltage signal at this step is formed equal to 1/16 of the maximum possible step voltage level, if the value of the fourth secondary logical signal is equal to logical "1".
Если значения всех четырех вторичных логических сигналов одновременно имеют значение логического «0», формируют значение сигнала ступенчатого напряжения, равное минимально возможному уровню ступенчатого напряжения, которое фактически соответствует нулю.If the values of all four secondary logical signals simultaneously have the value of logical "0", a step voltage signal value is generated equal to the minimum possible step voltage level, which actually corresponds to zero.
Таким образом, формирование уровней сигнала ступенчатого напряжения Vst можно производить в зависимости от удобства последующего анализа этого сигнала и простоты реализации операции его формирования. На фиг. 1k показан пример формирования сигнала ступенчатого напряжения, в котором формируемые четыре уровня сигнала Vst будут принимать значения 1/2Uпит, 1/4Uпит, 1/8Uпит, 1/16Uпит и 0.Thus, the formation of the signal levels of the step voltage Vst can be performed depending on the convenience of the subsequent analysis of this signal and the ease of implementation of the operation of its formation. In FIG. 1k shows an example of the formation of a step voltage signal, in which the four levels of the signal Vst formed will take on the
Анализ сформированного сигнала ступенчатого напряжения позволяет определить количество выполненных шагов ШД, направление вращения выходного вала электропривода, частоту шагов (а значит, среднюю скорость вращения) и изменение угла поворота выходного вала во время работы электропривода, т.е. обеспечить контроль его работы.Analysis of the generated step voltage signal allows determining the number of steps performed by the stepper motor, the direction of rotation of the output shaft of the electric drive, the frequency of steps (and hence the average speed of rotation) and the change in the angle of rotation of the output shaft during the operation of the electric drive, i.e. ensure control over its work.
Когда же (под действием возрастающей статической или динамической нагрузки или при приближении частоты следования управляющих импульсов к резонансной) возникает ситуация, которая называется потерей синхронизации электропривода (см., например [8]), начинается вращение ротора ШД со скоростью, значительно превосходящей заданную допустимую скорость вращения, и, обычно, в направлении, противоположном заданному направлению вращения. Задачей предполагаемого изобретения является как раз обеспечение оперативного автоматизированного контроля потери шаговым электроприводом синхронизации.When (under the action of an increasing static or dynamic load or when the control pulse repetition rate approaches the resonant one) a situation arises, which is called the loss of synchronization of the electric drive (see, for example, [8]), the rotation of the rotor of the stepper motor begins at a speed that significantly exceeds the specified allowable speed rotation, and usually in the direction opposite to the specified direction of rotation. The objective of the proposed invention is precisely to provide operational automated control of the loss of synchronization by a stepper electric drive.
Для решения этой задачи каждый раз по окончании переходного состояния электропривода, которому соответствует значение Vst=0 и значение логического нуля сигнала S0, на каждом текущем шаге i запоминают значения четырех первичных логических сигналов S1i, S2i, S3i и S4i. Их значения на каждом следующем шаге (i+1) по окончании следующего переходного состояния электропривода S1i+1, S2i+1, S3i+1 и S4i+1 сравнивают с их предшествующими значениями S1i, S2i, S3i и S4i. Если эти значения совпадают, формируют логический сигнал LS (lost sync), свидетельствующий о потере шаговым приводом синхронизации, и одновременно формируют стационарное значение сигнала ступенчатого напряжения Vst=Uпит, соответствующее потере шаговым приводом синхронизации.To solve this problem, each time after the end of the transient state of the drive, which corresponds to the value Vst=0 and the value of the logical zero of the signal S0, at each current step i remember the values of the four primary logical signals S1 i , S2 i , S3 i and S4 i . Their values at each next step (i+1) at the end of the next transition state of the drive S1 i+1 , S2 i+1 , S3 i+1 and S4 i+1 are compared with their previous values S1 i , S2 i , S3 i and S4 i . If these values match, a logical signal LS (lost sync) is generated, indicating the loss of synchronization by the stepper drive, and at the same time a stationary value of the step voltage signal Vst=Upit is formed, corresponding to the loss of synchronization by the stepper drive.
Состояние, когда одновременно S1i+1=S1i, S2i+1=S2i, S3i+1=S3i и S4i+1=S4i, возникает только в том случае, если значение тока в любой из обмоток либо после уменьшения ниже заданного верхнего порогового значения Vref1 не достигает заданного нижнего порогового значения Vref2, а опять становится выше заданного верхнего порогового значения Vref1, либо после превышения заданного нижнего порогового значения Vref2 не достигает заданного верхнего порогового значения Vref1, а опять становится ниже заданного нижнего порогового значения Vref2. Именно такое состояние однозначно свидетельствует о потере шаговым приводом синхронизации, поскольку нарушается логика его работы.The state when simultaneously S1 i+1 =S1 i , S2 i+1 =S2 i , S3 i+1 =S3 i and S4 i+1 =S4 i occurs only if the current value in any of the windings either after decreasing below the specified upper threshold, Vref1 does not reach the specified lower threshold Vref2, but again becomes higher than the specified upper threshold Vref1, or after exceeding the specified lower threshold, Vref2 does not reach the specified upper threshold Vref1, but again becomes lower than the specified lower threshold vref2. It is this state that clearly indicates the loss of synchronization by the stepper drive, since the logic of its operation is violated.
Для реализации предлагаемого способа было разработано устройство для контроля работы электропривода на основе двухобмоточного шагового двигателя, работающего в полношаговом режиме. Функциональная схема устройства приведена на фиг. 2. Устройство содержит (см. фиг. 2) блок формирования ступенчатого напряжения 1, имеющий выход 2, два датчика тока 3 и 4, два источника опорного напряжения 5 и 6 и четыре компаратора 7, 8, 9 и 10, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами 11, 12, 13 и 14 блока формирования ступенчатого напряжения, и блок обнаружения потери синхронизации 15 с пятью входами и двумя выходами. Первые входы первого и третьего компараторов 7 и 9 соединены с выходом датчика тока 3 в обмотке А. Первые входы второго и четвертого компараторов 8 и 10 соединены с выходом датчика тока 4 в обмотке В. Вторые входы первого и второго компараторов 7 и 8 соединены с выходом первого источника опорного напряжения 5, а вторые входы третьего и четвертого компараторов 9 и 10 соединены с выходом второго источника опорного напряжения 6. Первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 входы блока обнаружения потери синхронизации 15 соединены соответственно с выходами первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого компараторов 10, а его пятый вход 20 - с выходом 2 блока формирования ступенчатого напряжения 1. Первый выход 21 блока обнаружения потери синхронизации 15 является дискретным выходом устройства для контроля работы электропривода, а второй выход 22 - его телеметрическим выходом.To implement the proposed method, a device was developed for controlling the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in a full-step mode. The functional diagram of the device is shown in Fig. 2. The device contains (see Fig. 2) a step
Функциональная схема первого варианта исполнения блока обнаружения потери синхронизации приведена на фиг. 3. Блок обнаружения потери синхронизации в этом исполнении (см. фиг. 3) содержит аналоговый компаратор 23, третий источник опорного напряжения 24, формирователь импульсов 25, регистр хранения 26, цифровой компаратор 27, D-триггер 28 и сумматор 29. Первый вход аналогового компаратора 23 соединен с пятым входом блока обнаружения потери синхронизации 20, а его второй вход с выходом третьего источника опорного напряжения 24. Выход аналогового компаратора 23 соединен с входом формирователя импульсов 25, первый и второй выходы которого соединены соответственно с тактовыми входами D-триггера 28 и регистра хранения 26. Входы данных регистра хранения 26 и входы секции В цифрового компаратора 27 соединены соответственно с первым 16, вторым 17, третьим 18 и четвертым 19 входами блока обнаружения потери синхронизации. Выходы регистра хранения 26 соединены с соответствующими входами секции А цифрового компаратора 27, выход которого соединен с входом данных D-триггера 28, прямой выход которого является дискретным выходом устройства для контроля работы электропривода 21 и соединен с первым входом сумматора 29, второй вход которого соединен с пятым входом блока обнаружения потери синхронизации 20. Выход сумматора 29 является телеметрическим выходом 22 устройства для контроля работы электропривода.The functional diagram of the first version of the block for detecting the loss of synchronization is shown in Fig. 3. The block for detecting the loss of synchronization in this design (see Fig. 3) contains an
Функциональная схема второго варианта исполнения блока обнаружения потери синхронизации приведена на фиг. 4. Блок обнаружения потери синхронизации в этом исполнении (см. фиг. 4) содержит два логических элемента 2ИЛИ 30 и 31, логический элемент 2И 32, формирователь импульсов 25, регистр хранения 26, цифровой компаратор 27, D-триггер 28 и сумматор 29. Входы первого логического элемента 2ИЛИ 30 соединены с первым 16 и вторым 17 входами блока обнаружения потери синхронизации. Входы второго логического элемента 2ИЛИ 31 соединены с третьим 18 и четвертым 19 входами блока обнаружения потери синхронизации. Выходы обоих логических элементов 2ИЛИ 30 и 31 соединены с входами логического элемента 2И 32, выход которого соединен с входом формирователя импульсов 25. Первый и второй выходы формирователя импульсов 25 соединены соответственно с тактовыми входами D-триггера 28 и регистра хранения 26. Входы данных регистра хранения 26 и входы секции В цифрового компаратора 27 соединены соответственно с первым 16, вторым 17, третьим 18 и четвертым 19 входами блока обнаружения потери синхронизации. Выходы регистра хранения 26 соединены с соответствующими входами секции А цифрового компаратора 27, выход которого соединен с входом данных D-триггера 28, прямой выход которого является дискретным выходом 21 устройства для контроля работы электропривода и соединен с первым входом сумматора 29. Второй вход сумматора 29 соединен с пятым входом 20 блока обнаружения потери синхронизации, а его выход является телеметрическим выходом 22 устройства для контроля работы электропривода.The functional diagram of the second version of the block for detecting the loss of synchronization is shown in Fig. 4. The block for detecting the loss of synchronization in this version (see Fig. 4) contains two logic elements 2OR 30 and 31, a
Функциональная схема возможного исполнения формирователя импульсов для обоих предложенных вариантов исполнения блока обнаружения потери синхронизации приведена на фиг. 5. Формирователь импульсов (см. фиг. 5) выполнен по схеме трех последовательно соединенных одновибраторов. Вход S0 первого одновибратора 33 является входом формирователя импульсов, а его инверсный выход Т1 является первым выходом формирователя импульсов и соединен с входом второго одновибратора 34, инверсный выход которого соединен с входом третьего одновибратора 35. Прямой выход Т2 третьего одновибратора 35 является вторым выходом формирователя импульсов. В нижней части фиг. 5 приведена временная диаграмма работы формирователя импульсов. Формирование импульсов начинается каждый раз после поступления на вход формирователя импульсов переднего фронта логического сигнала S0. Каждый одновибратор может быть построен, например, по схеме, приведенной на странице 58 рис. 1 в [9].A functional diagram of a possible execution of the pulse shaper for both proposed versions of the block for detecting the loss of synchronization is shown in Fig. 5. The pulse shaper (see Fig. 5) is made according to the scheme of three series-connected single vibrators. The input S0 of the first one-shot 33 is the input of the pulse shaper, and its inverse output T1 is the first output of the pulse shaper and is connected to the input of the second one-shot 34, the inverted output of which is connected to the input of the third one-shot 35. The direct output T2 of the third one-shot 35 is the second output of the pulse shaper. At the bottom of Fig. 5 shows the timing diagram of the pulse shaper. The formation of pulses begins every time after the input of the pulse shaper of the leading edge of the logic signal S0. Each single vibrator can be built, for example, according to the diagram shown on page 58 of fig. 1 in [9].
На фиг. 6 показана электрическая принципиальная схема возможного варианта исполнения блока формирования ступенчатого напряжения [7]. Блок формирования ступенчатого напряжения содержит (см. фиг. 6) четыре логических элемента 2И DD1.1-DD1.4, операционный усилитель DA7.1, четвертый источник опорного напряжения Vref4 (на схеме не показан), четыре полевых транзистора VT1-VT4 и четыре резистивных делителя напряжения на элементах R1-R5, каждый из которых образован резистором R1…R4, соединенным со стоком соответствующего полевого транзистора VT1…VT4, и резистором обратной связи R5. Первые входы первого и второго логических элементов 2И DD1.1 и DD1.2 соединены с первым входом блока формирования ступенчатого напряжения 11. Первые входы третьего и четвертого логических элементов 2И DD1.3 и DD1.4 соединены с третьим входом блока формирования ступенчатого напряжения 13. Вторые входы первого и четвертого логических элементов 2И DD1.1 и DD1.4 соединены со вторым входом блока формирования ступенчатого напряжения 12. Вторые входы второго и третьего логических элементов 2И DD1.2 и DD1.3 соединены с четвертым входом блока формирования ступенчатого напряжения 14. Выходы всех логических элементов 2И DD1.1-DD1.4 соединены соответственно с затворами первого, второго, третьего и четвертого полевых транзисторов VT1-VT4, истоки которых соединены между собой, а стоки соединены соответственно с первыми выводами первого, второго, третьего и четвертого резисторов R1, R2, R3 и R4. Вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого резисторов R1, R2, R3 и R4 соединены между собой, а также с инвертирующим входом операционного усилителя DA7.1 и с первым выводом резистора обратной связи R5, второй вывод которого соединен с выходом операционного усилителя, являющегося выходом блока формирования ступенчатого напряжения 2. Неинвертирующий вход операционного усилителя DA7.1 соединен с выходом четвертого источника опорного напряжения, величина которого Vref4 выбирается равной 1/32 максимально возможного уровня ступенчатого напряжения. Такая величина опорного напряжения определяется исходя из того, что максимальный коэффициент усиления усилителя с параметрами, показанными на Figure 2-35 (страница 2.33 в [10]) при замыкании одного ключа (что соответствует нормальной работе драйвера), не превышает 16. Для обеспечения диагностики аварийных состояний при замыкании четырех ключей коэффициент усиления усилителя будет равен 30, что при выбранном значении опорного напряжения не позволит переходить усилителю в режим насыщения.In FIG. 6 shows the electrical circuit diagram of a possible version of the step voltage generation unit [7]. The step voltage generation unit contains (see Fig. 6) four logic elements 2I DD1.1-DD1.4, an operational amplifier DA7.1, a fourth reference voltage source Vref4 (not shown in the diagram), four field-effect transistors VT1-VT4 and four resistive voltage divider on the elements R1-R5, each of which is formed by a resistor R1 ... R4 connected to the drain of the corresponding field effect transistor VT1 ... VT4, and a feedback resistor R5. The first inputs of the first and second logic elements 2I DD1.1 and DD1.2 are connected to the first input of the step
В схеме, приведенной на фиг. 6, формирование сигнала ступенчатого напряжения выполняется с использованием усилителя с программируемым коэффициентом усиления, выполненного, например, как показано на Figure 2-35 (страница 2.33 в [10]). Для обеспечения необходимой точности в качестве ключей необходимо использовать NMOSFET транзисторы VT1-VT4 IRLML0060TRPbF [11] с малым сопротивлением RDS(on), не превышающим 116 мОм, при напряжении затвора 4,5 В. При указанных параметрах ключа (RDS(on) max) вносимая им относительная погрешность даже для минимального значения сопротивления 625 Ом, приведенного в [10], составит ΔR/R=0.116/625=0.000186. Источник опорного напряжения, формирующий напряжение Vref4, может быть выполнен на резистивном делителе.In the diagram shown in Fig. 6, step voltage signal shaping is performed using a programmable gain amplifier configured as shown in Figure 2-35 (page 2.33 in [10]), for example. To ensure the required accuracy, it is necessary to use NMOSFET transistors VT1-VT4 IRLML0060TRPbF [11] as keys with a low resistance RDS(on) not exceeding 116 mΩ, at a gate voltage of 4.5 V. With the specified key parameters (RDS(on) max) the relative error introduced by it, even for the minimum resistance value of 625 Ohm given in [10], will be ΔR/R=0.116/625=0.000186. The reference voltage source that generates the voltage Vref4 can be made on a resistive divider.
Функционирует предлагаемое устройство для контроля работы электропривода на основе двухобмоточного шагового двигателя, работающего в полношаговом режиме, следующим образом.The proposed device for controlling the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in full-step mode operates as follows.
Измерение тока в обмотках ШД осуществляется датчиками тока 3 и 4. Учитывая тенденцию современной техники к миниатюризации, снижению стоимости и расширению универсальности применения, наиболее эффективным решением является применение датчиков тока на основе микросхем с интегрированными элементами Холла. Для двигателя с номинальным током обмоток 5А, в качестве такого датчика может быть применена микросхема ACS724LLCTR-10AB [12]. Напряжение на выходе микросхемы будет определяться выражениемThe measurement of current in the windings of the stepper motor is carried out by
где I - ток через датчик;where I is the current through the sensor;
К=0,2 В/А - коэффициент преобразования;K=0.2 V/A - conversion factor;
Uп=5 В - напряжение питания датчика.Up=5 V - sensor supply voltage.
При использовании данного датчика сопротивление, вносимое в цепь измерения тока в обмотке, составляет не более 1.2 мОм. Полностью исключить влияние датчика на цепь измерения тока в обмотке можно, применив бесконтактный датчик тока MLX91206 [13], позволяющий получить выходное напряжение в соответствии с выражением (2), при К=35 мВ/А.When using this sensor, the resistance introduced into the circuit for measuring the current in the winding is no more than 1.2 mOhm. It is possible to completely eliminate the influence of the sensor on the circuit for measuring the current in the winding by using a non-contact current sensor MLX91206 [13], which makes it possible to obtain the output voltage in accordance with expression (2), at K=35 mV/A.
Выходные сигналы датчиков тока 3 и 4 в обмотках VA и VB поступают на входы компараторов 7-10, где сравниваются с опорными напряжениями Vref1 и Vref2, формируемыми первым 5 и вторым 6 источниками опорного напряжения.The output signals of the
Таким образом, первый 7 и второй 8 компараторы формируют на выходе логическую «1» в случае превышения выходным сигналом датчика тока 3 и 4 соответственно в обмотке А и В ШД верхнего порогового значения Vref1, третий и четвертый компараторы - при величине выходного сигнала соответствующего датчика тока меньше нижнего порогового значения Vref2. В качестве компаратора может быть использована микросхема MIC7211BM5 [14].Thus, the first 7 and second 8 comparators form a logical "1" at the output if the output signal of the
Выходные сигналы компараторов S1-S4 поступают на соответствующие входы блока формирования ступенчатого напряжения 1 и блока обнаружения потери синхронизации 15.The output signals of the comparators S1-S4 are fed to the corresponding inputs of the step
В блоке формирования ступенчатого напряжения первичные логические сигналы S1-S4, поступающие на его входы (см. фиг. 6), преобразуются с помощью четырех логических элементов 2И DD1.1-DD1.4 во вторичные логические сигналы U1-U4 в соответствии с временной диаграммой, показанной на фиг. 1 g-j. Вторичные логические сигналы U1-U4 поступают на затворы полевых транзисторов VT1-VT4, стоки которых через соответствующие резисторы соединены с инвертирующим входом операционного усилителя DA7.1, на выходе которого в результате формируется сигнал ступенчатого напряжения Vst, поступающий на пятый вход блока обнаружения потери синхронизации.In the step voltage generation unit, the primary logic signals S1-S4 entering its inputs (see Fig. 6) are converted using four logic elements 2I DD1.1-DD1.4 into secondary logic signals U1-U4 in accordance with the timing diagram shown in FIG. 1g-j. Secondary logical signals U1-U4 are fed to the gates of field-effect transistors VT1-VT4, the drains of which are connected through the appropriate resistors to the inverting input of the operational amplifier DA7.1, at the output of which a step voltage signal Vst is generated, which is fed to the fifth input of the synchronization loss detection unit.
Блок обнаружения потери синхронизации в обоих исполнениях работает аналогично. В первом исполнении (см. фиг. 3) для формирования логического сигнала S0 используется аналоговый компаратор 23, на вход которого подается сигнал ступенчатого напряжения Vst, поступающий на пятый вход 20 блока обнаружения потери синхронизации. На второй вход аналогового компаратора 23 подается опорное напряжение Vref3 с выхода третьего источника опорного напряжения 24. Сигнал S0 на выходе аналогового компаратора 23 имеет значение логический «0» в момент времени, когда сигнал ступенчатого напряжения Vst соответствует нулевому уровню. Это обеспечивается сравнением ступенчатого напряжения с опорным напряжением Vref3, величина которого выбирается для обеспечения максимальной помехозащищенности из условия:The block for detecting the loss of synchronization in both versions works similarly. In the first version (see Fig. 3), an
где Vst_min - минимальное значение ступенчатого напряжения Vst, соответствующее 1/16Uпит на фиг. 1k,where Vst_min is the minimum step voltage value Vst corresponding to 1/16Upit in FIG. 1k,
Vst0 - значение ступенчатого напряжения, когда сигнал ступенчатого напряжения Vst соответствует нулевому уровню.Vst0 is the step voltage value when the step voltage signal Vst is zero.
Сигнал S0 на выходе аналогового компаратора принимает значение логическая «1», когда Vst>Vref3.The signal S0 at the output of the analog comparator becomes logical "1" when Vst>Vref3.
Во втором исполнении блока обнаружения потери синхронизации (см. фиг. 4) для формирования логического сигнала S0 используются входные первичные логические сигналы S1-S4, которые преобразуются с помощью двух логических элементов 2ИЛИ 30 и 31 и логического элемента 2И 32. В результате на выходе логического элемента 2И 32 формируется логический сигнал S0, который принимает значение логический «0», когда два из любой пары первичных логических сигналов S1 и S2 или S3 и S4 имеют значение логический «0», и значение логическая «1» в противном случае. То есть логический сигнал S0 принимает значение логический «0», когда сигнал ступенчатого напряжения Vst соответствует нулевому уровню (см. временную диаграмму фиг. 1k и l). Или иначе, сигнал S0 получается в результате выполнения логического выражения:In the second version of the synchronization loss detection block (see Fig. 4), the input primary logic signals S1-S4 are used to generate the logic signal S0, which are converted using two logic elements 2OR 30 and 31 and a
Логический сигнал S0 для любого из двух предложенных вариантов исполнения поступает на вход формирователя импульсов 25. По переднему фронту этого сигнала формирователь импульсов 25 формирует два последовательных импульса, разделенных защитным интервалом, на выходах Т1 и Т2 в соответствии с временной диаграммой, приведенной в нижней части фиг. 5.The logical signal S0 for any of the two proposed versions is fed to the input of the pulse shaper 25. On the leading edge of this signal, the pulse shaper 25 generates two successive pulses separated by a guard interval at the outputs T1 and T2 in accordance with the timing diagram shown at the bottom of Fig. . 5.
Первичные логические сигналы S1…S4 одновременно поступают на информационные входы четырехразрядного регистра хранения 26 и входы секции В цифрового компаратора 27. На входы секции А цифрового компаратора 27 поступают аналогичные сигналы S1i…S4i с выходов регистра хранения 26, которые соответствуют предшествовавшим значениям первичных логических сигналов S1…S4 на предыдущем интервале между двумя состояниями логический «0» сигнала S0. Фиксация сигналов S1i…S4i на выходе регистра хранения 26 происходит при поступлении на его тактовый вход отрицательного фронта сигнала Т2 от формирователя импульсов 25. Логическая «1» на выходе цифрового компаратора 27 устанавливается при одновременном выполнении четырех условий: S1i=S1i+1; S2i=S2i+1; S3i=S3i+1 и; S4i=S4i+1.The primary logical signals S1...S4 simultaneously arrive at the information inputs of the four-
Сигнал с выхода цифрового компаратора 27 поступает на информационный вход D D-триггера 28 и передается на его прямой выход, когда на тактовом входе С D-триггера 28 появляется передний фронт импульса сигнала Т1, поступающего от формирователя импульсов 25. По окончании защитного интервала по отрицательному фронту сигнала Т2 состояние сигналов S1…S4 на текущем шаге ШД фиксируется на выходе регистра хранения 26 до появления следующего переднего фронта сигнала Т2. Работа формирователя импульсов 25 соответствует временной диаграмме, приведенной в нижней части фиг. 5.The signal from the output of the
Сигнал с прямого выхода D-триггера 28 поступает на первый вход сумматора 29, на второй вход которого подается сигнал ступенчатого напряжения Vst. Параметры сумматора 29 выбираются так, чтобы при логической «1» на его первом входе обеспечить напряжение V_OUT на его выходе, близкое к напряжению питания, что значительно превышает величину ступенчатого напряжения при нормальной работе ШД (без потери синхронизации).The signal from the direct output of the D-flip-flop 28 is fed to the first input of the adder 29, the second input of which is supplied with a step voltage signal Vst. The parameters of the adder 29 are selected so that, with a logical "1" at its first input, provide a voltage V_OUT at its output close to the supply voltage, which significantly exceeds the step voltage during normal operation of the stepper motor (without loss of synchronization).
Прямой выход D-триггера 28 является прямым выходом предлагаемого устройства. Когда сигнал на выходе D-триггера 28 имеет значение логическая «1», это свидетельствует о потере электроприводом синхронизации. Выход сумматора 29 является аналоговым выходом устройства и представляет собой ступенчатое напряжение, каждый стационарный уровень которого соответствует определенному стационарному состоянию электропривода.The direct output of the D-flip-flop 28 is a direct output of the proposed device. When the signal at the output of the D-flip-flop 28 is logical "1", this indicates a loss of synchronization by the drive. The output of the adder 29 is an analog output of the device and represents a step voltage, each stationary level of which corresponds to a certain stationary state of the drive.
В качестве цифрового компаратора может быть использована, например, микросхема 555СП1 [15] или ее аналог SN7485 (page 7-57 в [16]). Регистр хранения может быть выполнен, например, на микросхеме КМ155ТМ5, объединяющей в себе четыре D-триггера, или на ее аналоге SN54L77 (page 7-35 в [16]). В качестве элемента 2ИЛИ может быть применена микросхема 1594ЛЛ1Т [17], а в качестве элемента 2И - микросхема 1594ЛИ1Т [18]. Возможная схема сумматора и расчет его параметров описаны в [19] на с. 77. Подобный сумматор также можно построить с использованием операционного усилителя MCP6V02-E/SN/ [20].As a digital comparator, for example, a 555SP1 microcircuit [15] or its analogue SN7485 (pages 7-57 in [16]) can be used. The storage register can be implemented, for example, on a KM155TM5 microcircuit, which combines four D-flip-flops, or on its analogue SN54L77 (page 7-35 in [16]). The 1594LL1T chip [17] can be used as the 2OR element, and the 1594LI1T chip as the 2I element [18]. A possible scheme of the adder and the calculation of its parameters are described in [19] on p. 77. A similar adder can also be built using the MCP6V02-E/SN/ operational amplifier [20].
Наиболее перспективным решением может быть реализация всего предлагаемого устройства, кроме датчиков тока, на одной полузаказной микросхеме серии 5503 [21].The most promising solution may be the implementation of the entire proposed device, except for current sensors, on one semi-custom microcircuit of the 5503 series [21].
Для подтверждения работоспособности и эффективности заявляемого технического решения было проведено компьютерное моделирование работы электрической принципиальной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, построенной на основании его функциональной схемы, приведенной на фиг. 2. При этом использовался программный пакет Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) для компьютерного моделирования аналоговых и цифровых электронных устройств [22, 23]. Компьютерное моделирование работы электрической принципиальной схемы устройства проводилось путем подачи на ее входы экспериментальных значений выходных сигналов датчиков тока в обмотках А и В ШД, которые обозначены на схеме фиг. 2 VA и VB соответственно.To confirm the operability and effectiveness of the proposed technical solution, computer simulation of the operation of the electrical circuit diagram of the device that implements the proposed method, built on the basis of its functional diagram shown in Fig. 2. In this case, the Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) software package was used for computer simulation of analog and digital electronic devices [22, 23]. Computer simulation of the operation of the electrical circuit diagram of the device was carried out by applying to its inputs the experimental values of the output signals of the current sensors in the windings A and B of the stepper motor, which are indicated in the diagram of Fig. 2 VA and VB respectively.
На фиг. 7 приведены результаты компьютерного моделирования функционирования устройства для контроля работы электропривода при вторичной обработке первого набора экспериментальных данных. На фиг. 8 приведены результаты компьютерного моделирования функционирования устройства для контроля работы электропривода при вторичной обработке второго набора экспериментальных данных. А на фиг. 9 показаны переходные процессы изменения основных параметров электропривода в увеличенном масштабе на характерном участке компьютерного моделирования, результаты которого приведены на фиг. 8.In FIG. 7 shows the results of computer simulation of the operation of the device for controlling the operation of the electric drive during the secondary processing of the first set of experimental data. In FIG. 8 shows the results of computer simulation of the operation of the device for controlling the operation of the electric drive during the secondary processing of the second set of experimental data. And in Fig. 9 shows the transient processes of changing the main parameters of the electric drive on an enlarged scale in a characteristic area of computer simulation, the results of which are shown in FIG. eight.
На графиках показаны процессы изменения выходных сигналов датчиков токов в обмотках ШД VA и VB, сигнала ступенчатого напряжения Vst, аналогового выходного сигнала устройства V_OUT, сигналов заданного положения θ3 и измеренного с помощью энкодера действительного положения θ выходного вала электропривода, а также дискретных сигналов: первичных логических сигналов S1, S2, S3 и S4, логического сигнала S0 и дискретного выходного сигнала устройства LS. На график также нанесены верхнее Vref1 и нижнее Vref2 пороговые значения токов в обмотках. По оси абсцисс нанесено время в миллисекундах. Все напряжения показаны в вольтах, а положения выходного вала электропривода в шагах ШД.The graphs show the processes of changing the output signals of the current sensors in the motor windings VA and VB, the step voltage signal Vst, the analog output signal of the device V_OUT, the set position signals θ 3 and the actual position measured using the encoder θ of the output shaft of the electric drive, as well as discrete signals: primary logic signals S1, S2, S3 and S4, logic signal S0 and discrete output signal of the device LS. The graph also plots the upper Vref1 and lower Vref2 threshold currents in the windings. The abscissa shows the time in milliseconds. All voltages are shown in volts, and the position of the output shaft of the electric drive in stepper motor steps.
Усеченная, но укрупненная фиг. 9 позволяет подробнее и точнее проиллюстрировать процессы формирования ступенчатого напряжения Vst и аналогового выходного сигнала устройства V_OUT. Здесь хорошо видно, что на переходных участках изменения токов фаз (отрезки [t5, t6], [t7, t8], [t9, t10], [t11, t12] и [t13, t14]), когда значение напряжения, характеризующего изменение тока в одной из фаз, находится в интервале между нижним Vref2 и верхним Vref1 заданными пороговыми значениями, формируется значение ступенчатого напряжения Vst, соответствующее нулевому уровню. Хорошо видно также, что, после того как напряжение, соответствующее току в одной из обмоток ШД (в данном случае в обмотке В - VB), пересекает дважды подряд одно заданное пороговое значение (в данном случае заданное нижнее пороговое значение Vref2), происходит формирование сигнала V_OUT (и LS), информирующего о потере электроприводом синхронизации.Truncated but enlarged Fig. 9 allows you to more and more accurately illustrate the processes of forming the step voltage Vst and the analog output signal of the device V_OUT. It is clearly seen here that in the transitional sections of the change in phase currents (segments [t 5 , t 6 ], [t 7 , t 8 ], [t 9 , t 10 ], [t 11 , t 12 ] and [t 13 , t 14 ]), when the voltage value characterizing the change in current in one of the phases is in the interval between the lower Vref2 and upper Vref1 specified threshold values, the value of the step voltage Vst corresponding to the zero level is formed. It is also clearly seen that, after the voltage corresponding to the current in one of the windings of the stepper motor (in this case, in the winding B - VB), crosses one specified threshold value twice in a row (in this case, the specified lower threshold value Vref2), a signal is generated V_OUT (and LS), informing about the loss of synchronization by the drive.
Приведенные на фиг. 7-9 результаты компьютерного моделирования работы предлагаемого устройства, реализующего заявляемый способ, подтверждают работоспособность и эффективность предложенного технического решения, а также то, что поставленная задача по обеспечению оперативного автоматизированного контроля потери шаговым электроприводом синхронизации решена. При работе в реальном времени формируемый предлагаемым устройством дискретный выходной сигнал LS, свидетельствующий о потере электроприводом синхронизации, может быть передан в систему управления приводом или систему верхнего уровня, которая формирует командные сигналы для электропривода, для оперативной реакции на возникшую ситуацию.Shown in FIG. 7-9, the results of computer simulation of the operation of the proposed device that implements the claimed method confirm the operability and effectiveness of the proposed technical solution, as well as the fact that the task of providing operational automated control of the loss of synchronization by a stepper electric drive has been solved. When working in real time, the discrete output signal LS generated by the proposed device, indicating a loss of synchronization by the electric drive, can be transferred to the drive control system or an upper-level system that generates command signals for the electric drive, for a prompt response to the situation that has arisen.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. RU 2273944 С2. Система контроля работы бесщеточных двигателей 10.04.2006, бюл. №10.1. RU 2273944 C2. System for monitoring the operation of brushless motors 10.04.2006, bul. No. 10.
2. ЕР 1356583 A1. SYSTEME DE CONTROLE DE MOTEURS SANS BALAIS, 13.10.2010. Bulletin 2010/41.2. EP 1356583 A1. SYSTEME DE CONTROLE DE MOTEURS SANS BALAIS, 10/13/2010. Bulletin 2010/41.
3. RU 2475933 С2. 20.03.2012. Бюл. №8. Четырехтактный реверсивный распределитель импульсов для управления шаговым двигателем с автоматической коррекцией одиночных ошибок.3. RU 2475933 C2. 03/20/2012. Bull. No. 8. Four-stroke reversible pulse distributor for stepper motor control with automatic correction of single errors.
4. RU 2638522 С2. 14.12.2017. Бюл. №35. ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД.4. RU 2638522 C2. 12/14/2017. Bull. No. 35. STEP ELECTRIC DRIVE.
5. A4989-Datasheet.pdf, Inc. www.allegromicro.com, 2020.5. A4989-Datasheet.pdf, Inc. www.allegromicro.com, 2020.
6. ТМС262 DATASHEET (Rev. 2.14/2016-JUL-14). www.trinamic.com, 2020.6. TMC262 DATASHEET (Rev. 2.14/2016-JUL-14). www.trinamic.com, 2020.
7. RU 2738348, бюл. №35, 11.12.2020. Способ контроля работы электропривода на основе двухобмоточного шагового двигателя, работающего в полношаговом режиме, и устройство для его осуществления.7. RU 2738348, bul. No. 35, 12/11/2020. A method for controlling the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in a full-step mode, and a device for its implementation.
8. Емельянов А.В., Шилин А.Н. Шаговые двигатели: учебное пособие. ВолгГТУ. Волгоград, 2005. - 48 с.8. Emelyanov A.V., Shilin A.N. Stepper motors: a tutorial. VolgGTU. Volgograd, 2005. - 48 p.
9. Одновибратор на D-триггерах, РАДИО 1984, №7.9. Single vibrator on D-flip-flops, RADIO 1984, No. 7.
10. https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Op-Amp-Applications/Section2.pdf, 2020.10. https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Op-Amp-Applications/Section2.pdf, 2020.
11. https://www.infineom.com/cms/en/product/power/mosfet/20v-100v-n-chanel-smal-power-mosfet/irlml0060/, 2020.11. https://www.infineom.com/cms/en/product/power/mosfet/20v-100v-n-chanel-smal-power-mosfet/irlml0060/, 2020.
12. https://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS724-Datasheet.ashx, 2020.12. https://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS724-Datasheet.ashx, 2020.
13. https://www.melexis.com/-/media/files/documents/datasheets/mlx91206-datasheet-melexis.pdf, 2020.13. https://www.melexis.com/-/media/files/documents/datasheets/mlx91206-datasheet-melexis.pdf, 2020.
14. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/mic7211.pdf, 2020.14. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/mic7211.pdf, 2020.
15. Технические условия бК0.347.443-03ТУ.15. Specifications bK0.347.443-03TU.
16. The Engineering Staff of TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED Semiconductor Group The TTL Data Book for Design Engineers. Second Edition TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 1981 Printed in U.S.A Third Printing LCC4112 74062-116-AI.16. The Engineering Staff of TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED Semiconductor Group The TTL Data Book for Design Engineers. Second Edition TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 1981 Printed in U.S.A Third Printing LCC4112 74062-116-AI.
17. Технические условия АЕЯР.431200.208-07ТУ.17. Specifications AEYAR.431200.208-07TU.
18. Технические условия АЕЯР.431200.208-08ТУ.18. Specifications AEYAR.431200.208-08TU.
19. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.19. Aleksenko A.G., Kolombet E.A., Starodub G.I. Application of precision analog ICs. - M.: Radio and communication, 1981. - 224 p.
20. MCP6V01/2/3 300 μA, Auto-Zeroed Op Amps 22058c.pdf www.microchip.com/product/en/MCP5V02, 2020.20. MCP6V01/2/3 300 μA, Auto-Zeroed Op Amps 22058c.pdf www.microchip.com/product/en/MCP5V02, 2020.
21. А.Н. Денисов, Ю.П. Фомин, В.В. Коняхин, Р.А. Федоров / Под общ. ред. А.Н. Саурова / Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных микросхем серий 5503 и 5507 Москва: Техносфера, 2012. - 304 с., ISBN 978'5'94836'332'5.21. A.N. Denisov, Yu.P. Fomin, V.V. Konyakhin, R.A. Fedorov / Under the general. ed. A.N. Saurova / Library of functional cells for the design of semi-custom microcircuits of the 5503 and 5507 series Moscow: Technosfera, 2012. - 304 p., ISBN 978'5'94836'332'5.
22. www.spectrum-soft.com, 2020.22. www.spectrum-soft.com, 2020.
23. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. - Смоленск, Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2013. - 618 с., ил.23. Amelina M.A., Amelin S.A. Micro-Cap circuit simulation program.
* При использовании ссылок на интернет-ресурсы указывается год обращения.* When using links to Internet resources, the year of circulation is indicated.
Claims (14)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2774923C1 true RU2774923C1 (en) | 2022-06-24 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1319227A1 (en) * | 1985-06-11 | 1987-06-23 | Предприятие П/Я В-2969 | Device for detecting failures in electric stepping drive |
| SU1415401A1 (en) * | 1987-01-26 | 1988-08-07 | Предприятие П/Я В-2969 | Arrangement for detecting failures in stepping electric drive |
| SU1511843A1 (en) * | 1988-02-01 | 1989-09-30 | Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством при Белорусском государственном университете им.В.И.Ленина | Device for detecting failures in stepping electric drive |
| EP0458159B1 (en) * | 1990-05-25 | 1998-02-18 | Motorola, Inc. | Improvements in or relating to stepper motor controllers |
| RU2738348C1 (en) * | 2020-06-15 | 2020-12-11 | Акционерное общество "Корпорация "Московский институт теплотехники" (АО "Корпорация "МИТ") | Method of controlling operation of an electric drive based on a double-winding step motor operating in a full-step mode, and a device for realizing said method |
| WO2021112125A1 (en) * | 2019-12-05 | 2021-06-10 | ローム株式会社 | Circuit for driving stepper motor, method for driving said stepper motor, and electronic device in which said circuit is used |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1319227A1 (en) * | 1985-06-11 | 1987-06-23 | Предприятие П/Я В-2969 | Device for detecting failures in electric stepping drive |
| SU1415401A1 (en) * | 1987-01-26 | 1988-08-07 | Предприятие П/Я В-2969 | Arrangement for detecting failures in stepping electric drive |
| SU1511843A1 (en) * | 1988-02-01 | 1989-09-30 | Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством при Белорусском государственном университете им.В.И.Ленина | Device for detecting failures in stepping electric drive |
| EP0458159B1 (en) * | 1990-05-25 | 1998-02-18 | Motorola, Inc. | Improvements in or relating to stepper motor controllers |
| WO2021112125A1 (en) * | 2019-12-05 | 2021-06-10 | ローム株式会社 | Circuit for driving stepper motor, method for driving said stepper motor, and electronic device in which said circuit is used |
| RU2738348C1 (en) * | 2020-06-15 | 2020-12-11 | Акционерное общество "Корпорация "Московский институт теплотехники" (АО "Корпорация "МИТ") | Method of controlling operation of an electric drive based on a double-winding step motor operating in a full-step mode, and a device for realizing said method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4243547B2 (en) | Method and apparatus for testing function of analog-digital converter, and analog-digital converter | |
| CN108432141B (en) | Microcontroller with digital delay line analog-to-digital converter and digital comparator | |
| US7705555B2 (en) | Method and controller for detecting a stall condition in a stepping motor during micro-stepping | |
| RU2774923C1 (en) | Method for monitoring the operation of an electric drive based on a two-winding stepper motor operating in full-step mode, and a device for its implementation | |
| US8618789B2 (en) | Method and apparatus of offset error compensation for current measurement in phase lines of a multiphase current network | |
| RU2738348C1 (en) | Method of controlling operation of an electric drive based on a double-winding step motor operating in a full-step mode, and a device for realizing said method | |
| RU2708073C1 (en) | Method for stabilization of current level in winding of two-phase bipolar stepper motor in full-step mode and driver for its implementation | |
| DE102009030884A1 (en) | Method and device for compensating load influences in permanent-magnet motors | |
| KR20040081176A (en) | Load failure diagnosis method and apparatus and load failure processing method and apparatus | |
| US6011500A (en) | Integrated circuit with a built-in D/A converter | |
| RU2737662C1 (en) | Method of stabilizing current level in winding of two-winding step motor operating in full-step mode, and driver for its implementation | |
| CN100430738C (en) | Method and circuit arrangement for the self-testing of a reference voltage in electronic components | |
| Gupta | Embedded microcontroller interfacing: designing integrated projects | |
| RU2713224C1 (en) | Method of determining the moment of reaching mechanical stop by electric drive with bipolar step motor and device for implementation thereof | |
| JP4415748B2 (en) | Sample hold circuit | |
| Hashimoto et al. | Development of intelligent switching power supply based on advanced digital control | |
| EP3647742B1 (en) | Power supply circuit and motor control device | |
| RU2773298C1 (en) | Method for regulating the response time of an electromagnet and a device for its implementation | |
| KR102462269B1 (en) | Apparatus and method for diagnosing over current of peak and hold injector driver | |
| Klimkowski | Compensation methods of current and speed sensor faults for a vector controlled induction motor drive system | |
| Moloney | Power Supply Management–Principles, Problems, and Parts | |
| JP2694835B2 (en) | Parallel A / D converter | |
| JP2021149140A (en) | Electronic device | |
| MORAR | Intelligent Microstepping System for Stepper Motor Control | |
| Mateos et al. | The application of TMS320F240 for voltage/frequency fuzzy control of a synchronous generator |