СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1997 года по МПК G05D3/00 

Изобретение относится к системам автоматического управления, в более конкретно к приводам и может быть использовано для перемещения объектов в большом диапазоне с высокими точностью и быстродействием в приборостроении, станкостроении и др.

Известен следящий электропривод /1/, содержащий измеритель положения направляющей, компаратор для вычисления сигнала рассогласования между заданным положением объекта и показаниями измерителя, формирователь управляющего воздействия двигателя в соответствии с выходным сигналом компаратора, шаговый двигатель, кинематически связанную с двигателем направляющую, базовые и прижимные упоры направляющей.

Недостатком такого электропривода являются низкая точность перемещения, ограниченная чувствительностью его к величинам шага, момента трогания и силы сухого трения в направляющей, а также не высокое быстродействие, ограниченное максимальным числом шагов в единицу времени.

Известен также следящий электропривод /1/, содержащий измеритель положения направляющей, компаратор для вычисления сигнала рассогласования между заданным положением объекта и показаниями измерителя, формирователь управляющего воздействия двигателя в соответствии с выходным сигналом компаратора, двигатель, кинематически связанную с двигателем направляющую, базовые и прижимные упоры направляющей.

Недостатками данного электропривода являются низкие точности перемещения и быстродействие, ограниченные чувствительностью его к величинам момента трогания и силы сухого трения в направляющей.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является следящий электропривод /2/, принятый в качестве прототипа. Электропривод содержит измеритель положения направляющей, компаратор для вычисления сигнала рассогласования между заданным положением объекта и показаниями измерителя, формирователь управляющего воздействия двигателя в соответствии с выходным сигналом компаратора, нелинейное устройство для формирования минимального движущего момента, двигатель, кинематически связанную с двигателем направляющую, базовые и прижимные упоры направляющей.

Недостатками данного электропривода являются: низкая точность перемещения, ограниченная чувствительностью его к величине разности между минимальным усилием двигателя и силой сухого трения в направляющей, а также не высокое быстродействие, ограниченное величиной силы сухого трения в направляющей.

Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки прототипа и позволяет повысить точность и быстродействие перемещения.

Указанная задача решается за счет того, что в следящий электропривод, содержащий измеритель положения, компаратор для вычисления сигнала рассогласования между заданным положением объекта и показаниями измерителя, формирователь управляющего воздействия, двигатель, направляющую с базовыми и прижимными упорами включены нелинейное устройство для задания минимального движущего усилия, величина которого больше разности модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше их суммы, а также устройство, служащее для обеспечения разнонаправленного периодического движения базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей в соответствии с сигналом рассогласования компаратора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием нелинейного устройства для задания минимального движущего усилия, величина которого больше разности модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше их суммы, а также устройство, служащее для обеспечения разнонаправленного периодического движения базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей в соответствии с сигналом рассогласования компаратора.

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями в данной и смежной областях в объеме проведенного поиска показывает, что каждый элемент следящего электропривода в отдельности известен, однако, в той взаимосвязи элементов, как это предложено в заявляемом устройстве, а также выполнение отдельных элементов, в частности, нелинейного устройства для задания минимального движущего усилия, величина которого больше разности модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше их суммы, позволило повысить точность и быстродействие перемещения.

Суть предлагаемого технического решения проиллюстрирована на чертеже, где показана блок-схема описываемого электропривода.

Электропривод содержит измеритель положения 1, компаратор 2 для вычисления сигнала рассогласования между заданным положением объекта и показаниями измерителя, формирователь 3 управляющего воздействия, двигатель 4, кинематически связанную с двигателем направляющую 5, базовыми упорами 6 и прижимными упорами 7 направляющей 5, нелинейное устройство 8 для задания минимального движущего усилия, величина которого больше разности модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше их суммы, а также устройство 9, служащее для обеспечения разнонаправленного периодического движения базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей в соответствии с сигналом рассогласования компаратора.

Следящий электропривод работает следующим образом. Компаратор 2 вычисляет сигнал рассогласования между заданным положением объекта U₃ и показателями измерителя U_n и передает результат вычисления на устройство 9 и формирователь 3, который вычисляет управляющее воздействие в соответствии с сигналом рассогласования компаратора. Нелинейное устройство 8 сравнивает управляющее воздействие формирователя 3 с равным по модулю и противоположным по знаку пороговыми величинами, модули которых соответствуют усилению двигателя, находящего в диапазоне больше разностей модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше их суммы, и в случае, когда модуль управляющего усилия превышает по модулю пороговое значение, передает на двигатель управляющее воздействие, в противном случае передает пороговое воздействие. Двигатель 4 перемещает направляющую 5 в заданное положение. Измеритель перемещения 1 определяет положение направляющей и передает его на компаратор 2. Устройство 9 обеспечивает разнонаправленное периодическое движение базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей в соответствии с сигналом рассогласования компаратора.

Статическая ошибка прототипа привода U₃, вызванная действием сухого трения в направляющих, лежит в диапазоне
[-(F_тс-F_нmin)/K₃+(F_тс-F_нmin)/K]
где F_тс сила сухого трения в направляющей; F_нmin - минимальное усилие двигателя; K коэффициент передачи, характеризующий жесткость системы. U₃ является случайной ошибкой, среднее значение которой равно нулю, а предельное значение пропорционально F_тс. Для минимизации U₃ значение F_нmin необходимо подбирать как можно ближе к F_тс. Изменение разности F_тс и F_нmin, вызванное, например, изменением сил трения, в процессе работы приводит к увеличению U₃.

Уменьшение U₃ в заявляемом решении достигается путем разнонаправленного периодического движения базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей. При таком движении
F_тс=-F_тс1•sign(V_н-V_п)-F_тс2•sign(V_н+V_б),
где F_тс1, F_тс2 силы сухого трения в узлах направляющая - базовые упоры и направляющая прижимные упоры соответственно; V_н, V_б, V_п скорость направляющей, базовых и прижимных упоров соответственно.

При перемещении базового и прижимного упоров со скоростями V_б=V_п, сила

т. е. смещение упоров со скоростью /V_п/ >/V_н/ приводит к уменьшению F_тс, а при F_тс1=F_тс2 действие сил сухого трения на направляющую равно нулю.

Величина F_min задается пороговыми уровнями нелинейного устройства следующим образом:

Во время действия на направляющую F_нmin (например, во время подхода в заданное положение), при направляющей испытывает действие суммарного сухого трения и замедляет движение до полной остановки или до момента, когда /V_н/ становится меньше , в последнем случае сила сухого трения резко уменьшается до величины и направляющая начинает увеличивать скорость до установившегося значения или до момента времени, когда опять превысить и опять начнется процесс торможения. При условии, что скорость упоров меньше максимальной скорости движения направляющей, последняя начинает отслеживать движение упоров в направлении действия движущей силы. При периодическом изменении, включающем моменты времени, когда V_п=0, V_н также будет равной нулю. Такое смещение упоров задает режим пошагового движения направляющей. Величина шага пропорциональна интегралу от V_п на интервале между соседними промежутками времени, когда V_п=0.

Величина шага, определяемая амплитудой V_п, изменяется в зависимости от величины сигнала рассогласования U₃. При попадании в заданную зону V_п и V_б устанавливаются равными нулю, смещение упоров прекращается и направляющая фиксируется трением.

Если сила F_тс1 не равна F_тс2, то при на направляющую будет действовать суммарное сухое трение (F_тс1+F_тс2), при и положительной разности скоростей (V_н-V_п) трение равно (F_тс1-F_тс2), при отрицательной разности скоростей (V_н-V_п) сила трения составляет (F_тс2-F_тс1).

В момент времени, когда (например на участке разгона) за счет взаимной компенсации сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющая перемещается с более высоким ускорением по сравнению с направляющей прототипа, что приводит к повышению быстродействия привода.

Устройство для разнонаправленного периодического движения базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей может быть выполнено на базе пьезокерамики, электромагнитов, механических кулачков и других средств.

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в повышении точности перемещения за счет нечувствительности его к величине разности между минимальным усилием двигателя и силой сухого трения в направляющей, а также в повышении быстродействия за счет компенсации силы сухого трения в направляющей.

Техническое решение относится к системам автоматического управления, а более конкретно - к приводам и может быть использовано для перемещения объектов в большом диапазоне с высокими точностью и быстродействием в приборостроении и др. Изобретением решается задача повышения точности перемещения и быстродействия. Сущность изобретения: электропривод содержит измеритель 1 положения, компаратор 2 для вычисления сигнала рассогласования между заданным положением объекта и показаниями измерителя, формирователь 2 управляющего воздействия, двигатель 4, кинематически связанную с двигателем направляющую 5, базовыми упорами 6 и прижимными упорами 7 направляющей 5, нелинейный блок 8 для задания минимального движущего усилия, величина которого больше разности модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше их суммы, а также блок 9, служащий для обеспечения разнонаправленного периодического движения базовых и прижимных упоров вдоль хода направляющей в соответствии с сигналом рассогласования компаратора. 1 ил.

Следящий электропривод, содержащий измеритель положения, компаратор, соответствующими входами соединенный с клеммой сигнала заданного положения объекта и выходом измерителя положения, а выходом через формирователь управляющего воздействия и нелинейный блок с электродвигателем, кинематически связанным с направляющей, сопряженной с базовыми и прижимными упорами, отличающийся тем, что введен приводной блок, входом соединенный с выходом компаратора и кинематически связанный с базовыми и прижимными упорами с возможностью разнонаправленного периодического перемещения этих упоров вдоль хода направляющей, а нелинейный блок выполнен с возможностью задания минимального движущего усилия, величина которого больше разности модулей сил сухого трения в базовых и прижимных упорах направляющей и меньше суммы этих модулей.