Серводин Советский патент 1991 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к цифровым следящим системам с бесконтактными двигателями постоянного тока и может быть использовано для повышения точности и исключения перерегулирований, что особенно важно при их работе в качестве исполнительных следящих систем, например в ма- нипуляционных роботах.

Цель изобретения - повышение точности и качества управления.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого серводина; на фиг. 2 - пример реализации цифрового широтно-импульсного преобразователя; на фиг. 3 - эпюры основных координат предлагаемой

системы и системы-прототипа при обработке скачкообразного входного сигнала.

На чертежах приняты следующие обозначения:

©,,6Ь,0.,АЭо.иД0 - входной, выходной углы и ошибка следящей системы и их цифровые коды соответственно;

(А0) - код модуля сигнала ошибки;

A Un - коды срабатывания пороговых элементов;

Л Uo - код сигнала на выходе первого порогового элемента;

Мн момент нагрузки на валу двигателя;

О

О

VI о

8

Mo - максимальный синхронизирующий момент двигателя в шаговом режиме;

f- частота импульсов на выходе преобразователя код-частота ;

Фр.Зь - поток ротора и статора двигателя соответственно;

Dm - добротность системы по моменту.

Серводин содержит измеритель 1 рассогласования, блок 2 формирования модуля, первый сумматор 3, цифровой широтно-импульсный преобразователь 4, реле 5 реверса, коммутатор 6. бесконтактный двигатель 7 постоянного тока, датчик 8 положения ротора, редуктор 9, преобразователь 10 код-частота, первый умножитель 11, первый и второй пороговые элементы 12 и 13, второй умножитель 14 и второй сумматор 15.

Преобразователь 4 предназначен для преобразования угла поворота ротора в систему трех широтно-модулированных по закону синуса импульсных последовательностей, первые гармоники которых сдвинуты друг относительно друга на 120 эл.град., причем глубина модуляции указанных последовательностей определяется цифровым кодом Д 0 + ДЦ на его первом входе.

Цифровой широтно-импульсный преобразователь 4 содержит блок 16 формирования адреса, постоянное запоминающее устройство 17, первый, второй и третий блоки 18-20 широтно-импульсной модуляции и управляемый делитель 21 частоты.

В системе в качестве датчика 8 положения ротора использован инкрементальный датчик на основе фотосчитывающих чувствительных элементов, подсчет импульсов от которых позволяет получить цифровой код для замыкания главной обратной связи на измеритель 1 рассогласования. Поэтому на фиг. 1 датчик 8 изображен с двумя выходами - импульсным и цифровым и датчик использован как для формирования напряжений на обмотках двигателя 7 (импульсный выход), так и для организации главной обратной связи (цифровой выход).

В статическом режиме Д0 0 пороговый элемент 12 имеет максимальный выходной код, а пороговый элемент 13 - нулевой сигнал на выходе. В результате выход датчика 8 с помощью умножителя 14 отключен от входа преобразователя 4, а к его входу подключен выход преобразователя 10. Поскольку Д0 О, импульсы на выходе последнего отсутствуют, и блоки 18-20 генерируют импульсы, длительности которых постоянны во времени и определяются значениями гармонических функций угла поворота ротора. При

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

этом благодаря действию сигнала Д1)0 с выхода порогового элемента 12 на вход преобразователя 4 эти длительности соответствуют максимальной глубине модуляции импульсов, поле статора двигателя 7 неподвижно, максимально по величине и угол поворота его относительно ротора равен

Мн «н arcslrbrj- . Таким образом, двигатель 7

Мо

в режиме покоя развивает синхронизирующий момент, полностью компенсирующий момент нагрузки на валу двигателя при нулевом рассогласовании, т.е., система относится к классу астатических по отношению к моментным возмущениям.

При подаче на вход системы, например, большого скачкообразного сигнала код модуля сигнала ошибки превышает код срабатывания Д Un, т.е. (Ди0) Д Un срабатывают пороговые элементы 12 и 13, в результате чего обнуляется выход умножителя 11 и выход преобразователя 10 отключается от второго входа преобразователя 4. Одновременно благодаря действию порогового элемента 13 и умножителя 14 к второму входу преобразователя 4 через сумматор 15 подключается выход датчика 8 положения ротора. Код сигнала ошибки Д0 поступает на вход преобразователя 4, выход которого через реле 5 реверса подключен к управляющему входу коммутатора 6 и определяет среднее значение напряжения на обмотках статора двигателя 7. Поле статора двигателя благодаря жесткой связи по угловому положению с ротором через датчик 8 вращается синхронно с ротором, его угол с полем последнего составляет 90 эл.град.. а его величина определяется глубиной модуляции широтно-им- пульсных последовательностей, т.е. пропорциональна рассогласованию Д0. Поэтому двигатель, вращаясь как бесконтактный двигатель постоянного тока аналогично последнему в системе-прототипе, отрабатывает рассогласование. С уменьшением сигнала ошибки в некоторый момент времени t ti на фиг. 2, определяемый величиной кода срабатывания пороговых элементов 12 и 13, последние срабатывают. Это приводит к тому, что обнуляется выход порогового элемента 13 и благодаря действию умножителя 14 разрывается связь между выходом датчика 8 положения ротора и вторым входом преобразователя 4. Одновременно на выходе порогового элемента 12 появляется скачкообразный сигнал, который, поступая на первый вход преобразователя 4 через сумматор 3, приводит к появлению на обмотках двигателя 7 полного питающего напряжения. Кроме того, благодаря умножителю 1 выход преобразователя 10 код-частота через сумматор 15 подключается к второму входу преобразователя 4.

Указанные коммутации приводят к тому, что начиная с момента времени t ц двигатель и система в целом начинают работать У. к дискретно-шаговые. Этот режим характеризуется тем, что магнитное поле статорных обмоток двигателя 7 перемещается в пространстве дискретно на один шаг с приходом каждого нового импульса от преобразователя 10. При эгом знак момента на валу двигателя определяется взаимной ориентацией потоков ротора и статора В начале шагового режима под действием накопленной кинетической энепгии ротора последний, а следовательно, и его поток обгоняют поток статора и двигатель развивает пульсирующий момент, среднее значение которого имеет отрицательный знак, т.е. двигатель развивает тормозящий момент. С уменьшением кинетической энергии ротора он начинает отставать от потока статора и двигатель развивает положительный вращающий момент, уменьшающий сигнал рассогласования системы.

В связи с указанным в предлагаемой системе обеспечиваются монотонные переходные процессы (процессы без перерегулирований) при скачкообразных входных сигналах, что существенно повышает качество процессов управления.

Действительно, в системах,основанных на линейном законе управления, при скачкообразных входных сигналах двигатель развивает тормозящие моменты лишь после согласований осей, когда сигнал ошибки уже мал и возникающие при этом подтормаживающие моменты двигателя обычно невелики. В результате переходные процессы в таких системах имеют, как правило, колебательный характер, показанный

л

на фиг. 3 эпюрой ©о .

Благодаря переводу двигателя (фиг. 1) в дискретно-шаговый режим при t ti тормозящий момент может быть близким к мак- симальному вращающему моменту двигателя, что обеспечивает интенсивное торможение его и последующее движение к установившемуся режиму без перерегули рований. В установившемся режиме покоя сигнал ошибки Д ЦЭстановится равным нулю и частота импульсов на выходе преобразователя 10 также уменьшается до нуля. В результате поток статора двигателя 7 фиксируется в пространстве, так же как и поток ротора, причем между этими потоками в режиме покоя имеет место угол Он --- arcsln Ми/Mo, если принять, что синхронизирующий момент двигателя в режиме покоя определяется выражением Мс MoSin (fyj,lv), где Мн - момент нагрузки по валу двигателя.

Таким образом, в предлагаемой системе удается исключить установившуюся ошибку в режиме покоя, обусловленную активными нагрузочными моментами, т.е. повысить ее точность.

Рассмотрим теперь работу системы

(фиг. 1) при монотонных, например линейно нарастающем входном сигнале 01 at, где а const. Если а достаточно велико, то в системе возникает установившаяся ошибка,

при которой (Л Uo) Дип и система работает как непрерывная при отключенном от второго входа преобразователя 4 преобразователе 10 и подключенном к нему выходом датчика 8 положения ротора.

Если же а мало, то (Л0) Лип и

система работает как дискретно-шаговая. При этом обеспечивается пропорциональное преобразование Л0в частоту f импульсов, причем средняя частота f импульсов

соответствует скорости заводки а. Формула изобретения Серводин, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования и блок формирования модуля, выходом

подключенный к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с входом цифрового широтно-импульсного преобразователя, последовательно соединенные реле реверса, коммутатор и бескон

тактный двигатель постоянного тока, вал которого соединен с редуктором и датчиком положения ротора, цифровым выходом подключенным к разностному входу измерителя рассогласования, знаковый вход реле

реверса соединен с выходом измерителг рассогласования, сигнальный вход реле реверса подключен к выходу цифрового ши- ротно-импульсного преобразователя, отличающийся гем. что, с целью повышения

точности и качества управления, в систему введены два пороговых элемента, два умножителя, второй сумматор и преобразова тель код-частота, вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, а выход-с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом первого порогового элемента и вторым входом первого сумматора, выход блока формирования модуля подключен к входам

первого и второго пороговых элементов, причем выход второго порогового элемента соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого подключен к импульсному выходу датчика положения

ротора, выходы первого и второго умножите- подключенного к управляющему входу лей соединены соответственно с первым и цифрового широтно-импульсного преоб- вторым входами второго сумматора, выходом разователя.

Изобретение относится к цифровым следящим системам с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ) и позволяет повысить их точность и качество управления. Это достигается тем, что с помощью логического устройства управления изменяют режим работы БДПТ с непрерывного (при больших сигналах рассогласования) на дискретно-шаговый (при малых рассогласованиях). Для этого при величине модуля сигнала рассогласования, меньшей некоторого порогового значения, с помощью пороговых элементов и умножителей отключают импульсный выход датчика положения ротора БДПТ от второго входа цифрового широтно-импульсного преобразователя (ЦШИП), а вместо него на этот вход подключают выход преобразователя код-частота, и одновременно с помощью порогового элемента и сумматора на первый вход ЦШИП подают максимальный управляющий сигнал. 3 ил.

A0t

. I

Фиг.1

Фиг. 2

if

(непрерыв-1 ный режим L- дискретно-шаговый режим

Фиг. 3.

м

$M-«V

. . м

QftJifl -ГГ- Мв