Оптикомеханическое прецизионное развертывающее устройство Советский патент 1985 года по МПК G02B26/08 

Изобретение относится к оптико-механическим системам, точнее к оптико-механическим прецизионным развертывающим устройствам.

Известно оптико-механическое развертывающее устройство, предназначенное для построения изображений, содержащее сканирующее зеркало, магнитоэлектрический движитель, усилитель мощности, интерферометрический измеритель уТловых перемещений сканирующего зеркала, программновременное устройство, устройство сравнения с аналоговым выходом сигналов измерителя угловых перемещений и программно-временного устройства. Силовое воздействие на сканирующее зеркало осуществляется магнитоэлектрическим движителем, питающимся от усилителя мощности, по величине рассогласования между сигналами программновременного устройства и измерителя угловых перемещений, полученного от устройства сравнения. Перемена направления движения (реверс) сканирующего зеркала в данном устройстве осуществляется путем смены знака импульсов программно-временного устройства, поступающих на вход устройства сравнения 1.

Устройство имеет следующие недостатки: переходный процесс при реверсе длится в течение нескольких периодов собственных колебаний системы управления движением сканирующего зеркала; процесс реверса начинается только после смены знака направления движения по программе (реверса программы), т.е. реверс сканирующего зеркала несимметричен относительно точки реверса программ. Следовательно, учитывая двустороннее сканирование, потеря времени рабочего хода определяется как сумма времени реверса сканирующего зеркала и симметрично ему относительно точки реверса программы отрезка времени. Результатом такого процесса является сокращение времени рабочего движения, осуществляемого с заданной точностью.

Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому является устройство, которое имеет раздельные цепи управления рабочим ходом и реверсом. Устройство состоит из сканирующего зеркала, подвещенного на одноосной опоре или карданном подвесе, магнитоэлектрического движителя, состоящего из магнитной системы и закрепленной на сканирующем зеркале катушки, помещенной в зазор магнитной системы, измерителя угловых перемещений, соединенного со сканирующим зеркалом, программно-временного устройства, содержащего формирователь импульсов начала реверса и формирователь программы рабочего хода; устройства сравнения, к. выходам которого подключены выходы измерителя угловых перемещений и выход формирователя программ рабочего

хода, а выход которого соединен с входом усилителя мощности в цепи управления рабочим ходом; двух последовательно соединенных вентилей, включенных между полюсами источника питания через соответствующие формирователи импульсов реверсирующего тока, и коммутатора, один вход которого соединен с выходом усилителя мощности, второй - с общей точкой вентилей, а выходы с катущкой магнито-электрического движителя. При управлении в режиме рабочего хода катущка при помощи коммутатора подключается к выходу усилителя мощности, управляемого устройством сравнения по рассогласованию между сигналами программно-временного устройства и измерителя угловых перемещений. Для выполнения реверса катущка переключается к цепи вентилей с формирователями импульсов реверсирующего тока. Реверс начинается по импульсу, поступающему с выхода формирователя импульсов начала реверса программно-временного устройства, в цепи формирователь импульсов реверсирующего тока-вентиль-катушка формируется прямоугольный импульс реверсирующего тока. Длительность и амплитуда импульса определяются параметрами формирователя импульсов реверсирующего тока.

Возможно исполнение развертывающего устройства с раздельными катушками рабоQ чего хода и реверса. При этом катушка реверса непосредственно подключается к общей точке вентиля, а коммутатор может быть выполнен в виде управляемого .ключа, включенного, например, между выходом устройства сравнения и входом усилителя мощности 2.

Недостатком данного развертывающего устройства является невысокая точность выполнения реверса, обусловленная погрешностями формирования импульса реверсирующего момента. Эти погрешности связаны с тем, что формирователь импульса реверсирующего момента формирует импульс тока, не получая информации о фактическом протекании процесса реверса, вследствие чего импульс реверсирующего момента формируется с погрешностями, которые обусловлены: непостоянством импульса (амплитуды и длительности) тока, формируемого формирователем импульсов реверсирующего тока; неравномерностью и нестабильностью магнитного поля в зазоре магнитной

системы магнито-электрического движителя; нестабильностью процесса нарастания и спада ускорения сканирующего зеркала в начале и конце реверса; дрейфом прочих параметров.

5 Цель изобретения - повышение точности управления движением при реверсе.

Поставленная цель дсйгтигается тем, что в известное устройство, содержащее сканирующее зеркало, подвешенное на одноосной опоре, магнитоэлектрический движитель, состоящий из жестко связанных со сканируюЩИ51 зеркалом катушки рабочего хода и катушки реверса, размеш.енных в зазоре между полюсами магнитной системы, усилитель мощности, выходом подключенный к первому выводу катушки рабочего хода, второй вывод которой соединен с общей точкой источника питания, управляемый ключ, выход которого соединен с входом усилителя мощности, измеритель угловых перемещений, связанный со сканирующим зеркалом, программно-временное устройство, содержащее формирователь программ рабочего хода, устройство сравнения с аналоговым выходом, два первых входа которого подключены к выходам измерителя угловых перемещений, два других к выходам, формирователя программы рабочего хода, а выход соединен с входом управляемого ключа, два последовательно соединенных управляемых вентиля, включенных между полюсами источника питания и объединенных общей точкой с выводом катушки реверса, и формирователь импульсов реверсирующего тока, дополнительно введено два накапливающих сумматора, два управляемых устройства временной задержки и формирователь времени реверса, входы которого соединены с выходами разрядов формирователя программы рабочего хода, первый выход соединен с первым управляющим входом управляемого ключа, с управляющим входом первого накапливающего сумматора и входом первого устройства временной задержки, а второй выход соединен с вторым управляющим входом управляемого ключа, с управляющим входом второго накапливающего сумматора и входом второго устройства временной задер ки, причем информационные входы накапливающих сумматоров соединены с выходом устройства сравнения, а выходы соединены со вторыми входами соответствующих устройств временной задержки, выходы которых связаны с входами соответствующих вентилей, при этом формирователь импульсов реверсирующего тока выполнен в виде измерительной катущки, пространственно совмещенной с катушкой реверса и одним выводом соединенной с обшей точкой источника питания, а вторым - с входом усилителя мощности реверсирующего тока, выход которого соединен с выводом катушки реверса.

При этом каждое устройство временной задержки состоит из последовательно соединенных формирователя пилообразного напряжения, вход которого является первым входом устройства временной задержки, компаратора, второй вход которого является, вторым входом устройства временной задержки и формирователя импульсов.

На чертеже приведена, структурная схема устройства.

Оптико-механическое прецизионное развертывающее устройство содержит сканирующее зеркало 1, подвешенное на одноосной опоре или кардановом подвесе; магнитоэлектрический движитель, состоящий из магнитной системы (не показана) и закрепленных на сканирующем зеркале 1 катущки рабочего хода 2 и катущки реверса .3, помещенных в зазоре между полюсами магнитной системы, усилитель мощности 4, изме0ритель угловых перемещений 5, жестко соединенный со сканирующим зеркалом 1; программно-временное устройство 6, содержащее формирователь программ рабочего хода 7 и формирователь времени реверса 8; устройство сравнения 9 с аналоговым выхо5дом, управляемый ключ 10, два последовательно соединенных вентиля 11 и 12, формирователь импульсов реверсирующего тока 13, выполненный в виде измерительной катушки 14 и усилителя мощности реверсирующего тока 15, два накапливающих сум0матора 16 и 17, два устройства временной задержки 18 и 19, каждое из которых состоит из последовательно соединенных формирователя пилообразного напряжения 20 и 21, компаратора 22 и 23 и формирователя

5 импульсов 24 и 25, Усилитель мощности 4 рабочего хода и усилитель мощности 15 реверсирующего тока состоят из последовательно включенных операционного усилителя, например, 140УД 6 и дифференциального транзисторного усилителя.

0

Измеритель угловых перемещений 5 может быть выполнен по типу интерферометрического датчика перемещений 1.

Формирователь программы рабочего хода 7 может состоять из генератора импульсов стабильной частоты, соединенного со

5 счетчиком на микросхемах 133ИЕ 5, 133ИЕ 2. и коммутатора этих импульсов на два выхода, управляемого сигналом последнего разряда счетчика.

Формирователь времени реверса 8 может

0 состоять из двух схем совпадения на микросхемах 134ЛА 2, соединенных с входами R-S-триггера, счетного триггера, например, 134ТВ 14, соединенного с выходом одной из схем совпадения и управляющего коммутатором на два выхода сигнала R-S-триггера.

5

Устройство сравнения 9 с аналоговым выходом может состоять из двух реверсивных счетчиков, выполненных, например, на микросхемах 133ИЕ 6, и комбинационного сумматора - на микросхемах 134ИМ 4.

0 Выходы комбинационного сумматора соединены с входами цифроаналогового преобразователя, обеспечивающего аналоговый выход устройства сравнения 9.

Управляемый ключ 10 выполнен, например, в виде аналогового ключа.

Накапливающие сумматоры 16 и 17 могут состоять из аналогового ключа, вход которого является информационным входом

накапливающего сумматора, формирователя импульсов, отпирающего аналоговый ключ по спаду сигнала на своем входе, являющимся стробирующим входом. Выход аналогового ключа соединен с конденсатором, включенным на вход повторителя напряжения на операционном усилителе с малыми входными токами, например, 544УД 2. Выход усилителя является выходом накапливающего сумматора. В случае применения устройства сравнения 9 с цифровым выходом накапливающий сумматор 16 (17) может состоять из последовательно соединенных комбинационного сумматора на микросхемах 134 ИМ Ч и элементов памяти, например микросхем 134РМ 1. Информационным входом в этом случае будет один из входов комбинационного сумматора, выход элемента памяти соединен со вторым входом комбинационного сумматора и входом цифроаналогового преобразователя. Выход цифроаналогового преобразователя является выходом накапливающего сумматора.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь программ рабочего хода 7 задает программу движения в виде последовательности счетных импульсов на одном либо втором своем выходе в зависимости от требуемого направления движения сканирующего зеркала 1. Эти импульсы поступают на два входа одного реверсивного счетчика устройства сравнения 9. На входы второго реверсивного счетчика устройства сравнения 9 поступают импульсы, сформированные на выходах измерителя угловых перемещений 5 при движении сканирующего зеркала 1. Суммируя эти импульсы с учетом знака, устройство сравнения 9 определяет величину и знак текущего значения рассогласования между реальным и заданным программой положением сканирующего зеркала 1.

Сигнал, пропорциональный величине рассогласования, поступает через управляемый ключ 10 на вход усилителя мощности рабочего хода при осуществлении программы рабочего хода и определяет величину тока в катущке рабочего хода 2, магнито-электрического движителя.

Формирователь времени реверса 8, соединенный входами схем совпадения с выходами разрядов счетчика формирователя программы рабочего хода 7, на двух выходах поочередно формирует импульсы, длительность которых соответствует, времени, отведенному для реверсов. Эти импульсы поступают на управляющие входы управляемого ключа 10 и блокируют ток в катущке рабочего хода 2 магнито-электрического движителя на время реверса.

В момент окончания реверсов, соответствующий спадам сигналов на выходе формирователя времени реверса 8, с выхода устройства сравнения 9 в соответствующий

накапливающий сумматор 16 и 17 поступает величина рассогласования, где суммируется с ранее накопленной. Полученный сигнал поступает на вход компараторов 23 или 22,

соответственно, на вторые входы которых поступают пилообразные сигналы, сформированные формирователем пилообразного напряжения 20 или 21 по импульсам времени реверса, поступивщим от формирователя времени реверса 8. В момент времени, когда сигналы на входах компараторов 22 или 23 достигают сбалансированного состояния, происходит смена уровня сигналов на их выходах, и на выходах формирователя импульсов 24 или 25 формируются импульсы,

отпирающие вентили 11 или 12 соответственно. Отпирание вентиля 11 или 12 приводит в действие формирователь импульсов реверсирующего тока 13. В измерительной катущке 14 возникает напряжение, равное сумме ЭДС движения и ЭДС взаимной индукции.

Полагая, что усилитель мощности реверсирующего тока 15 имеет достаточно больщой коэффициент усиления, можно записать

di

WHKH,-Mnp-g 0

(1)

где WH - число витков измерительной катущки 14;

- коэффициент пропорциональности (Км1 . li -ЭДС движения на один виток измерительной ка0тущки 14;

W - угловая скорость движения сканирующего зеркала 1; МПР- коэффициент взаимоиндукции между катущкой реверса 3 и измерительной катущкой 14; 5i - ток в катушке реверса 3.

Движение сканирующего зеркала 1 под воздействием реверсирующего момента соответствует уравнению

40 i-|r ,

(2)

где I - момент инерции сканирующего зеркала 1;

WP - число витков катущки реверса 3; Км,- коэффициент пропорциональности

(), М - движущий момент на один виток

катущки реверса 3.

Уравнение баланса напряжений в цепи катущки реверса 3

° UK iR Ц-| - ,

(3)

где UH- напряжение на катущке реверса 3; R - сопротивление цепи катущки реверса 3; 55LP - коэффициент самоиндукции катущ

ки реверса 3.

Поскольку измерительная катущка 14 и катущка реверса 3 пространственно совмещены, т.е. расположены в одном и том же , магнитном поле постоянных магнитов и электромагнитном поле тока катушки реверса 3, то Кк1 Ккг Кк(4) Lp MnpНа основании уравнений (1), (3), (4), (5) можно написать UK iR(6) Таким образом, реверсирующая цепь в описанной системе ведет себя как безреактивная, что помогает избежать высокочастотных автоколебательных процессов в цепи усиления. Решения системы уравнений (1) и (2) W .(5) .L Wnpt i v4ffi-nVi -t (6) где Wb- скорость движения сканирующего зеркала 1 в момент начала реверса. Таким образом, реверсирующий ток i представляет собой полуволну синусоиды, так как в момент времени t-W-«p- -М K WHWpток проходит через нулевое значение, и соответствующий тиристор 11 или 12 запирается. Скорость сканирующего зеркала 1 по окончании реверса при t tp, как видно из выражения (5), Wt -W., где 1 - угловая скорость движения сканирующего зеркала 1 в момент окончания реверса, т.е. обеспечивается реверсирование скорости, адаптивное к изменению параметров (Км, Мир, I). Временной интервал tp меняется при изменении параметров, вследствие чего в момент окончания реверса может возникнуть угловое рассогласование между реальным положением сканирующего зеркала 1 . и заданным программой. Это рассогласование по спаду импульса на выходе формирователя времени реверса 8, возникающему в момент временн, более поздний, чем t tp суммируется в соответствующем накапливающем сумматоре 16 или 17., и полученная новая величина сигнала на выходе накапливаемого сумматора 16 или 17, воздействуя на компараторы 23 или 22 устройства вртменной задержки 19 или 18 соответственно, сдвигает по времени импульс, отпирающий вентили 12 или И при следующем реверсе, на величину, соответствующую зафиксированному рассогласованию. Таким образом, ликвидируется угловое рассогласование, возникающее при реверсе за счет влияния дрейфа параметров реверсирующей цепи. Использование предлагаемого изобретения в сравнении с известными устройствами и прототипом, принятым за базовый объект, позволяет за счет более точного выполнения реверса, которое обеспечивается исполнением развертываю1цего устройства согласно изобретению, повысить точность его работы.

1. ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕЦИЗИОННОЕ РАЗВЕРТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее сканирующее зеркало, подвешенное на одноосной опоре, магнитоэлектрический движитель, состоящий из жестко связанных со сканирующим зеркалом катушки рабочего хода и катушки реверса, размещенных в зазоре между полюсами магнитной системы, усилитель мощности, выходом подключенный к первому выводу катушки рабочего хода, второй вывод которой соединен с общей точкой источника питания, управляемый ключ, выход которого соединен с входом усилителя мощности, измеритель угловых перемещений, связанный со сканирующим зеркалом, программновременное устройство, содержащее формирователь программ рабочего хода, устройства сравнения с аналоговым выходом, два первых входа которого подключены к выходам измерителя угловых перемещений, два других - к выходам формирователя программы рабочего хода, а выход соединен с входом управляемого ключа, два последовательно соединенных управляемых вентиля, включенных между полюсами источника питания и объединенных общей точкой с выводом катущки реверса, и формирователь импульсов реверсирующего тока, отличающееся тем что, с целью повышения точности управления движением при реверсе, оно дополнительно имеет два накапливающих сумматора два управляемых устройства временной задержки и формирователь времени реверса, входы которого соединены с выходами разрядов формирователя программы рабочего хода, первый выход соединен с первым управляющим входом управляемого ключа, с управляющим входом первого накапливающего сумматора и входом первого устройства временной задержки, а второй выход соединен с вторым управляющим входом управляемого ключа, с управляющим входом второго накапливающего сумматора и входом второго устройства временной заS sg держки, причем информационные входы накапливающих сумматоров соединены с выхо(Л дом устройства, сравнения, а выходы соединены с вторыми входами соответствующих устройств временной задержки, выходы которых связаны с входами соответствующих вентилей, при этом формирователь импульсов реверсирующего тока выполнен в виде измерительной катушки, пространственно совмещенной с катушкой реверса и одним О5 выводом соединенной с обшей точкой источ ника питания, а вторым - с входом усилиСП теля мощности реверсирующего тока, выход 05 которого соединен с выводом катушки ресо верса. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждое устройство временной задержкисостоит из последовательно соединенных фор мирователя пилообразного напряжения, вход которого является первым входом устройства временной задержки, компаратора, второй вход которого является вторым входом устройства временной задержки и формирователя импульсов.