CC BY
106
СИВКОВ1 Степан Игоревич НОВИКОВ2 Леонид Григорьевич, кандидат технических наук, доцент
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ КОНВЕЙЕРНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ФОРМИРУЕМЫХ ОПЕРАТОРАМИ ЛОГИЧЕСКОЙ СВЕРТКИ
В статье рассмотрены, принципы, построения, конвейерных сетей на операторах логической свертки сигнала на примере управления, шаговым двигателем..
Ключевые слова: оператор логической свертки, синхронный унитарный сигнал, конвейерная сеть, шаговый двигатель.
The article describes the principles of conveyer networks based on signal logical convolution, operators in the case of stepper motor control.
Keywords: logical convolution operator, synchronous unitary signal, conveyer network, stepper motor.
Растущий спрос на устройства, характеризующиеся сокращенным проектно-технологическим циклом, быстрым макетированием и реконфигури-рованием цифровых систем, удобством программирования и низкими затратами, существенно расширяет сферы применения программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). В системах управления различными объектами часто используются устройства, выполненные на основе микроконтроллеров или микропроцессоров. С их помощью можно решать многие задачи измерения, управления и обнаружения. Такие устройства легко программируются, потребляют мало энергии, легко включаются в схему. Однако ПЛИС обладают большим числом выводов, настраиваемой стыковкой входов и выходов с любым стандартом логических уровней и позволяет заменить собой несколько микросхем, включая микроконтроллер, регистры портов, интерфейс и т.п. Учет архитектурных особенностей и, в ряде случа-
ев, преимуществ ПЛИС перед микроконтроллерами позволяет реализовать на ПЛИС конкурентоспособные изделия [1].
Примером обоснованного подхода к выбору элементной базы для реализации проектируемого устройства является разработка устройства управления шаговым двигателем на ПЛИС. При этом была решена реальная задача, связанная с разработкой электропривода маятника укладчика ковра теплоизоляционных изделий. Разработка программы для настройки ПЛИС возможна несколькими путями: создание схемотехнического файла, описание программы с помощью языка ЛИБЬ, УИБЬ и др. В предлагаемой статье описан способ создания схемотехнического файла, в основе которого лежат процедуры логической синхронной свертки сигнала. Предложенный способ позволил построить систему управления модульным способом, с минимальными аппаратными затратами, показал универсальность способа,
в качестве формирования заданной последовательности импульсов, основанной на операторах логической свертки сигнала [2].
Основные положения
Синхронная логическая свертка (СЛС)
— логическая функция, определяющая логическую операцию с входными задержанными и не задержанными Р7-рядами. Общее число СЛС определяется выражением М = 2м, где Мр(Ы2)
— длина ряда. Провести систематизацию такого огромного числа функций невозможно. Из всего многообразия функций выделяют первичные или, как их называют, нормальные формы: дизъюнктивную, конъюнктивную и полиномиальную (сложение по модулю два).
Оператор логической свертки (ОЛС) — устройство, состоящее из логического и задерживающего элементов, реализующее элементарную СЛС. Полный набор операторов логической свертки
' — Технологический институт — филиал ФГАОУВПО «НИЯУ «МИФИ», ст. преподаватель;
2 — Технологический институт — филиал ФГАОУ ВПО «НИЯУ «МИФИ», зав. кафедрой.
V^ [ 5 к ф я ¡л], где 5 — оператор удлинения, к — оператор укорочения, ф — оператор фронта, 8 — оператор среза, ц — оператор фронта и среза. Процедура СЛС — последовательная совокупность действий, выполняемых ОЛС для достижения заданного результата. Конвейер обработки сигналов, основанный на разделении процесса обработки на отдельные процедуры. Каждая процедура реализуется на операторах логической свертки. Логическая сеть обработки сигналов (ЛСОС) — есть совокупность узлов и линий связи для реализации необходимых функций сети.
Линия связи — ветви конвейерной транспортировки и преобразования сигналов между узлами сети, представляющие собой операторы логической свертки.
Узел — содержательная точка сети, осуществляющая преобразование, разветвление, смешение внутренних сигнальных потоков, ввод внешних и вывод внутренних сигналов. В качестве узлов используются логические смесители. Конвейерная сеть — каскадная схема, состоящая из операторов логической свертки. Такая сеть работает по принципу конвейерной обработки сигналов, основанному на разделении процесса обработки на отдельные процедуры. Каждый каскад, выполнив процедуру, по сигналу синхронизации передает результат следующему, одновременно принимает новые данные. В соответствии с этим такую последовательную схему можно рассматривать как конвейер логической свертки (КСОС) [3].
Приоритетный триггер
Эквивалентное преобразование, при котором элементы логической схемы перемещаются относительно некоторой точки, называется трансформацией элементов. Элементы задержки могут быть трансформированы в логической ветви на любое число инверсий. Трансформация инверсии с выхода на вход и с входа на выход осуществляется с помощью преобразования де Моргана:
а
б
в
Рис. 1. Трансформация логических элементов в симметричных RS-триггерах
Set
Res
& 1
&
Рис. 2. Схемы приоритетного триггера на элементах «2И-ИЛИ»
С л В = С V В.
Таким образом, любую схему можно путем трансформирования свести к
конъюнктивному или дизъюнктивному виду.
В качестве примера приведем трансформацию логических элементов в симметричных ЯЯ-триггерах (рис. 1). Сделав замену переменных, получим устройство, представленное на рис. 1. По таблицам и картам истинности получим логическое выражение
О+ = Б + ЯО.
Таким образом, в результате трансформации получен триггер, у которого вход Б установки единичного состояния имеет более высокий приоритет, и поэтому в данном устройстве нет запретных комбинаций. Такой класс автоматов будем называть приоритетный триггер (Р-триггер). На рис. 2 представлен Р-триггер, реализованный на элементах «2И-ИЛИ» и
удовлетворяющий логическому условию C = (R л C) v S триггера с раздельным управлением.
Данная схема может быть использована для различных видов преобразований, в частности, для идентификации отставания сигнала Res относительно сигнала Set, либо как узел обратной связи. Вводя в обратную связь различные процедуры и свертки, можно существенно расширять возможности устройства.
Использование программируемого модуля свертки в контуре P-триггера позволяет реализовывать конвейерные сети логической обработки сигналов с векторным управлением, что существенно расширяет возможности таких устройств. КСОС может работать в двух режимах — с разомкнутым и замкнутым кольцевым циклом. При R = 0 конвейер разомкнут, при R = 1 конвей-
ер переходит в режим автогенерации. Форма рядов определяется длиной конвейера и комбинацией управляющих сигналов. Каждый каскад выполняет заданную вектором управления процедуру свертки, которая может быть изменена в процессе обработки сигналов. Благодаря этому повышается скорость логической обработки сигналов. На основе КСОС с векторным управлением реализуются все векторные процедуры логической обработки сигналов, которые могут быть представлены унитарными рядами. На одноконтурном конвейере можно выполнять выборку комбинаций по шаблону, проводить проверку соответствия заданным условиям, осуществлять кодирование и декодирование Р7-рядов.
Система управления шаговым двигателем
Система разработана для управления шестифазным шаговым двигателем типа ШД5Д. Схема управления представляет конвейер, построенный на операторах логической свертки, результатом работы которого является формирование фазового сдвига управляющих сигналов (рис. 4). Длительность формируемого импульса равна трем периодам синхронизации, фазы формируются с перекрытием, двигатель работает в полушаговом режиме. В статье рассмотрены три варианта схем управления (рис. 3). Первая схема (рис. 3а) представляет собой разомкнутый конвейер с отводами фаз в точках С1... С6, с внешней циклической синхронизацией, выполненной на основе счетчика. Процедура свертки:
{(Л ° 25) = С,
(Q(2*o 28)) = С2
(1)
syn >
«1»
1 СТ 1
2 2
3 4
4 8
1 С
R
-1
+1
&
28
&
2k°2S
2к°25
2к°25
2к°2д
2 к о 23
а
Enable
В, Е, F,
С,
[I]
ЙГ
^ -' '-' '- в2 s -*- S - е2 I- S -- S -1 f2 Ef С3 ZT
- S - Е3 s - - S -1 F3
вб - s Е6 F6 - s -
5Г
б
>— & 1
Hes _
>— &
Г—
Bi
в,
И3
S 6 1 6
u
в6
0 О
Рис. 3. Схемы управления шаговым двигателем ШД5Д
в
(С5(2к°23)) - С6}.
Схема на рис. 3бпредставляет простейшую одноконтурную конвейерную сеть с шестью узлами ответвления для формирования фазовых сигналов. Фазовые сигналы С1 ... С6 формируются логическим объединением «3-ИЛИ» сигналов с операторов среза. Устройство реализовано на 18-ти операторах свертки и 6-ти схем» 3-ИЛИ». Запуск конвейера осуществляется по фронту внешнего сигнала операто-
ром {ф}. Результатом формирования управляющих сигналов будет процедура свертки:
(5, = =
= ^ В] +£[ + ^ = С[
(Е1°*) = В1
(В2 о 2) = Ег (2)
(Е1°ъ) = Рг В1+Е1+Рг=С1
(£5°в) = Я6 ... -(Я6°з) = Я6
Схема на рис. 3в аналогична предыдущей, но большая часть операторов среза заменена операторами удлинения, что привело к оптимизации схемы путем отказа от применения объединяющей логики.
Работа конвейера на рис. 3в описывается процедурами свертки:
(До 5) = С, (Д о5о8) = В2
(В2 о 22) = С2 (3)
\-(В5оЯоЗ) = Вв
СВ6о5) = С6},
где С — процедура свертки; А — входная последовательность СУС; Е, В, Р — переменные; 5 — оператор синхронной дизъюнктивной свертки; к — оператор синхронной конъюнктивной свертки; ф — оператор синхронной конъюнктивной свертки с инверсной задержанной входной переменной; в — оператор синхронной конъюнктивной свертки с инверсной входной переменной.
С, С2 С3 С4 С5 С6 Syn
Рис. 4. Временные диаграммы работы ШД5Д.
Результатом процедуры {А ° ¡6} является удлинение Р-ряда на I элементов; результатом процедуры {А ° ]к}будет формирование Р-ряда длиной N — ]; результатом процедуры {А ° Пф} будет формирование единичного Р-строба по окончанию Р-ряда входного сигнала; результатом процедуры {А ° Ы} будет формирование единичного Р-строба по окончанию Р-ряда входного сигнала, где ¡, ], 1, П — количество последовательно включенных операторов свертки.
Особенностью работы схем является то, что частота вращения ротора находится в прямой зависимости от
частоты синхронизации, подаваемой на вход схемы и операторов свертки.
Заключение
Представленные способы управления шаговым двигателем основаны на конвейерах, построенных на операторах логической свертки сигнала. Апробация представленных схем на ПЛИС показала их состоятельность, простоту реализации и гибкость разработанного авторами способа синтезирования схем логической обработки сигналов. Реализация разнообразных устройств
по принципам конвейерной логической обработки сигналов операторами свертки, представляет новое, альтернативное цифровой обработке сигналов, научное направление логической обработки сигналов на основе программируемой логики.
Применение логической обработки сигналов на основе синхронного унитарного сигнала и программируемой логики, где программирование используется только на стадии проектирования, позволяет ускорить обработку сигналов, реализовывать различные структуры по единым технологиям на однотипных элементах
Литература
1. Вычужанин В. Шаговый двигатель, управляемый устройством, на ПЛИС./ Современная, электроника, 2007. — № 9. — С. 22 — 25.
2. Новиков Л.Г. Синхронная логическая свертка./ Сборник научных трудов. — М.: МИФИ, 2005. — Т. 12. — С. 60.
3. Новиков Л.Г. Операторы,, процедуры, и алгоритмы, обработки синхронных последовательностей сигналов./ Сборник научных трудов. — М.: МИФИ, 2005. — Т. 12. — С. 57 — 59.
4. Новиков Л.Г., Скрылев А.А. Моделирование процедур логической свертки./ Сборник научных трудов. — М.: МИФИ, 2007. — Т. 12. — С. 61.
5. Новиков Л.Г. Универсальный модуль логической свертки./ Сборник научных трудов. — М.: МИФИ, 2005. — Т. 1. — С. 75 — 76.
6. Гилман Л., Роуз А. Курс АПЛ: диалоговый подход./ Под ред. В.М. Курочкина. — М.: Мир, 1979. — С. 189 — 195.
