ПРИВОД ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к функциональным элементам системы автоматического управления и может найти применение в устройствах, требующих высокой точности перемещения объекта управления, таких, например, как оптические элементы в следящих оптикоэлектронных системах, или элементы сегментированного главного зеркала телескопов, установленных как на движущихся, так и неподвижных основаниях.

От исполнительных устройств (приводов) такого рода систем требуется субмикронная точность. К примеру, погрешность позиционирования у двигателей в приводах адаптивных оптических систем не должна превышать 10^-7 м, а в ряде случаев и 10^-8 м.

Традиционные способы получения малых перемещений с использованием электромеханических устройств с механическими передачами не всегда дают желаемый результат в силу того, что имеют ряд существенных недостатков (люфты, температурные погрешности, толчкообразный характер малых перемещений, большие габариты и масса, сложность и высокая стоимость устройств управления).

В последние годы получили развитие исполнительные устройства с использованием двигателей, принцип работы которых основан на изменении размеров материала в различных внешних физических полях (магнитном, электрическом, тепловом и др.). В эту группу входят магнитострикционный, электрострикционный, пьезоэлектрический двигатели. С их использованием был разработан ряд устройств, в частности устройства (авт. св. N 1120279, 1166057) [1, 2]
Опыт разработок и эксплуатации показал, что использование указанной элементной базы в ряде случаев обеспечивало удовлетворительный диапазон перемещения, не обеспечивая нужной точности или скорости отработки воздействий, или наоборот, обеспечивая точность и скорость, не обеспечивало нужный диапазон.

Для оптического сочетания всех этих качеств наиболее перспективным представляется использование винтовых передач. Для управления оптическими элементами широкое распространение получили дифференциальные винтовые передачи, обеспечивающие большие передаточные отношения. Аналогичный привод используют в системе управления адаптивным зеркалом для исправления температурных искажений и неточностей, допущенных при изготовлении. Обычные винтовые передачи имеют ряд существенных недостатков, прежде всего низкий КПД, недостаточную жесткость и наличие люфтов, зато имеют высокую плавность и точность перемещения. От недостатков обычных винтовых передач свободны шариковинтовые передачи, КПД которых достигает 98 а осевой люфт устранялся предварительным натяжением между элементами передачи. Некоторые конструкции шариковых передач могут работать в вакууме при очень низких и высоких температурах [3] Т. к. шариковинтовые передачи являются обратным механизмом, для управления ими необходимо использовать двигатель, который может работать в моментном режиме. При этом двигатель развивает момент, компенсирующий момент нагрузки, а скорость вращения равна нулю или невелика.

Основные недостатки обычных двигателей постоянного тока связаны с наличием щеточно-коллекторного узла, который вносит дискретность в работу двигателя и существенно снижает его надежность. Кроме того, расположение обмоток на роторе двигателя значительно ухудшает условия теплоотвода, что приводит к увеличению массогабаритных показателей. Эти недостатки отсутствуют у бесконтактного двигателя постоянного тока, изготовленного на основе синхронного двигателя с непрерывным управлением. Преимуществом таких двигателей является их встроенное исполнение, что позволяет установить ротор двигателя на винт шариковинтовой передачи, исключая соединительные муфты, обеспечивая высокую жесткость конструкции и отсутствие люфтов и кинематической цепи. Для придания двигателю свойств моментного бесконтактного двигателя постоянного тока необходимо сформировать управляющие напряжения, пропорциональным синусу и косинусу угла поворота ротора двигателя. Для этого необходим соответствующий датчик. Сформировать управляющие напряжения можно, используя код углового положения от цифрового датчика угла системы управления и преобразовав его с помощью функциональных ПЗУ, в память которых введены функции синуса и косинуса. Эти величины подаются на цифровые входы перемножающих ЦАП, на аналоговые входы которых поступает напряжение управления двигателем. Выходные напряжения ЦАП подаются на усилители мощности и затем на соответствующие обмотки двигателя. Передаточная функция ПФ двигателя, построенного на такой схеме, аналогична ПФ двигателя постоянного тока.

Развитие космического телескопостроения потребовало создания зеркал большого диаметра и малого веса. Такое сочетание может быть достигнуто сегментированием, что потребовало разработки следящей системы, поддерживающий с оптической точностью взаимное расположение сегментов. Суть управления заключается в изменении взаимных положений сегментов относительно друг друга и последующей их установки в нужное положение. Разработан привод [4] способный плавно перемещать сегменты. В этом приводе применяется роликовый винт, вращаемый моментным мотором. Такой привод позволяет преодолеть главную трудность в работе с сегментированным главным зеркалом, заключающуюся в сборе малых зеркал и поддержании их взаимного положения и ориентации так, чтобы образовали поверхность одного крупного зеркала оптического качества.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2. Функциональная схема привода, принятого за прототип, приведена на фиг. 1, где обозначено: концевые выключатели (К, В) 1, винт (В) 2, тормоз (Т) 3, датчик угла (Д.У) 4, моментный двигатель (Дв) 5, усилитель мощности (У.Н) 6, ЦАП 7, микропроцессор (М.П.) 8, сумматор (Σ) 9, U_вx команды управления фигурной зеркала.

Указанный привод имеет величину шага 20 нм в диапазоне 3 мм, причем в интервале 20 нм движения должно быть главным и монотонным.

Этим требованиям удовлетворяет, как уже отмечалось, роликовый винт. В винтах такого типа планетарные ролики используются как роликовые подшипники. Планетарные ролики по очереди возвращаются на один виток за каждый оборот с помощью дифференциалов на конце гайки. Применение роликов вместо шариков дает в этом типе винта втрое большую нагрузочную способность по сравнению с шаровым винтом того же размера. Гайка продвигается на один шаг за каждый оборот винта так, что для винта с шагом 1 мм требуется установить угол 25'', чтобы получить смещение 20 нм. Команды на коррекцию положения сегмента U_вх поступают от управляющей ЭВМ. Коррекция рассчитывается по сигналам датчиков смещения. На основе сигнала коррекции вырабатывается в МП 8 сигнал питания моментного двигателя 5. ДУ 4 измеряет движение винта 2. До поступления очередной команды местная цепь обратной связи М.П. Дв, ДУ поддерживает винт в последнем заданном положении. Винтовая пара преобразует угол поворота двигателя сначала в линейное перемещение h, а затем в угол поворота сегмента зеркала a. Винтовая пара обеспечивает высокую точность и плавность перемещения сегмента. Однако, такая пара обладает значительным моментом сухого трения, что существенно ограничивает быстродействие привода, делая его применение в ряде случаев неприемлемым. Так, например, в системе слежения за звездой, предназначенной для ориентации орбигиального телескопа из-за высоких требований к величине ошибки слежения требуется большое быстродействие для обработки угловых перемещений зеркала оптической системы. Ситуация усугубляется тем, что изменение этой величины может носить синусоидальный характер, обработка которой требует наибольшего быстродействия. Привод, используемый для управления зеркалом (сегментом), таким быстродействием не обладает. В то же время достоинства этого привода в отношении точности и плавности дают основания для поиска путей повышения его быстродействия и тем самым для более широкого функционального использования. Необходимо отметить, что быстродействие системы ограничивается не только наличием момента сухого трения. Дело в том, что для достижения требуемой точности необходимо в качестве ФПУ использовать ПЗС-структуры, сигнал с выхода которых поступает с запаздыванием. Поэтому для повышения быстродействия привода с одной стороны необходимо нейтрализовать влияние нелинейности типа сухое трение, а с другой - ввести в канал привода упреждение.

Изобретение решает задачу повышения быстродействия привода введением в известное устройство, содержащее последовательно соединенные ЦАП, усилитель мощности и двигатель, связанный с датчиком угла, сумматор и последовательно соединенные винт, и концевой выключатель, вычитающего устройств, первый вход которого является входом задания привода перемещения, упредителя и генератора прямоугольных колебаний. Выход датчика угла соединяется со вторым входом вычитающего устройства, выход которого через упредитель подключен к первому входу сумматора, соединенного вторым входом с выходом генератора прямоугольных колебаний, а выходом с входом ЦАП, а концевой выключатель связан со входом двигателя по питанию.

На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Схема содержит концевой выключатель (КВ) 1, винт 2, вычитающее устройство (ВУ) 3, датчик угла (ДУ) 4, двигатель (ДВ) 5, усилитель мощности (УМ) 6, ЦАП 7, сумматор 8, генератор прямоугольных сигналов 9, упредитель (Упр) 10.

В устройстве отсутствует тормоз. Это связано с тем, что в отличие от прототипа, где нагрузка измеряется десятками килограмм, в устройстве для слежения за звездой перемещаются элементы, незначительные по весу. Поэтому влиянием инерции двигателя после его отключения от питания по сигналу с КВ 1 можно пренебречь.

Влияние сухого трения компенсируется введением в сигнал управления двигателем периодической последовательности прямоугольных импульсов от генератора 9,

причем К подбирается экспериментально,
U_тр напряжение, при котором происходит трогание двигателя,
Е[. операция взятия целой части числа,

где
С_м коэффициент момента двигателя,
R_ф сопротивление фазы обмотки статора,
М_тр момент трения,
t время работы,
Т период дискретизации (квантования).

Прямоугольные импульсы приводят двигатель в колебательное движение достаточно большей частоты, что способствует линеаризации присущей ему нелинейности сухого трения.

Для компенсации запаздывания сигнала с ФПУ предлагается использовать упредитель, повышающий запас устойчивости по фазе на частоте среза, но снижающий запас по модулю. Влияние упредителей на запасы устойчивости по фазе и по модулю зависит от их порядка и величины упреждения. Для компенсации запаздывания могут быть использованы линейные и квадратичные упредители. Последние обеспечивают больший запас по фазе на частоте среза и в меньшей степени снижают запас по модулю. Уравнение такого упредителя может быть записано следующим образом:

n величина упреждения.

К настоящему времени разработаны и функционируют в виде конструктивов два таких привода.

Конструктив состоит из внутреннего узла, содержащего прецизионную часть привода в составе роликового винта, осевого упорного подшипника, моментного двигателя, концевого выключателя с ограничителем и внутренней диафрагмы, и внешнего кожуха, в котором находятся внутренний узел, пружина предварительной нагрузки, преобразователь и электронная схема управления двигателем.

В таком исполнении привод может производиться серийно и найти применение не только для угловых и линейных перемещений элементами оптических систем в средах с широким температурным диапазоном, но и для перемещений, например, исследуемого образца в поле зрения микроскопов и другие элементы, составляющие привод выпускаются серийно. В качества моментного двигателя используется ДМВ-120, которым управляет преобразователь угол-фаза-код ПУФК-16, состоящий из преобразователя ПФК-16 и ВТ-100. От генератора прямоугольных колебаний и упредителя также не требуется каких-либо особых качеств. Они разработаны на самом обычной элементной базе. Предлагаемый привод, обладая большими функциональными возможностями и доступной элементной базой, может найти применение в различных областях науки и техники.

Использование: в устройствах, требующих высокой точности перемещения объекта управления, таких как, например, оптических элементов в следящих оптико-электронных системах или элементов сегментированного главного зеркала телескопов, установленных на движущихся, так и неподвижных основаниях. Задача изобретения: повышение быстродействия привода. Сущность изобретения: в устройство, содержащее последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь ЦАП, усилитель мощности и двигатель, связанный с датчиком угла, сумматор последовательно соединенные винт и концевой выключатель, введены вычитающее устройство, первый вход которого является входом задания привода перемещения, упредитель и генератор прямоугольных колебаний. Выход датчика угла соединен со вторым входом вычитающего устройства, выход которого через упредитель подключен к первому входу сумматора, соединенного вторым входом с выходом генератора прямоугольных колебаний, а выходом с входом ЦАП, причем концевой выключатель связан со входом двигателя по питанию. 2 ил.

Привод перемещения, содержащий последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности и двигатель, связанный с датчиком угла, сумматор, последовательно соединенные винт и концевой выключатель, отличающийся тем, что в него введены вычитающее устройство, первый вход которого является входом задания привода перемещения, упредитель и генератор прямоугольных колебаний, выход датчика угла соединен с вторым входом вычитающего устройства, выход которого через упредитель подключен к первому входу сумматора, соединенного вторым входом с выходом генератора прямоугольных колебаний, а выходом с входом цифроаналогового преобразователя, причем концевой выключатель связан с входом двигателя по питанию, вал двигателя механически соединен с винтом.