Интегрирующий привод постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК G05B11/40 

Изобретение относится к автоматическому управлению, в частности к интегрирующим приводам с электродвигателями постоянного тока малой мощности, используемым в автоматических счетно-реитющйх: устройствах и для формирования законов управления в системах автоматического регулирования.

Известен интегрирующий привод, содержащий электрический микродвигатель, эффект интегрирования которого основан на том, что угол поворота вала этого двигателя равен интегралу по времени от скорости вала. Скорость должна быть пропорциональна подлежащему интегрированию входному сигналу интегрирующего привода.

Обеспечение точностных характеристик в таком приводе достигается малым моментом сухого трения благодаря применению специальных подшипников и малой электромеханической постоянной времени.

Такой привод характеризуется значительной погрешностью преобразования управляющего напряжения в скорость, составляющей 1 - 2% максимальной скорости, что является недопустимым в современных и перспективных разработках интегрирующих приводов. Причем во многих случаях требуется работа электродвигателя под нагрузкой, когда его вал связан с другими электромеханическими элементами вычислительного устройства, что приводит к дополнительному ухудшению

(X

-N

00

о

точностных характеристик. В связи с этим такие приводы имеют ограниченное применение.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являютсяинтегрирующий при- вод постоянного тока, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, первый вход которого является входом привода,усилительно-преобразующее устройство и электродвигатель постоянного тока, а также тахогенератор, вал которого механически соединен с валом электродвигателя, а выход - с вторым входом измерителя рассогласования.

В таком приводе электродвигатель зам- кнут отрицательной обратной связью по скорости с помощью тахогенератора, являющегося измерителем скорости его выход- .ного вала. Усилительно-преобразующее устройство в прямом канале регулирования представляет собой электронное устройство, содержащее последовательно соединенные усилительно-корректирующее устройство, широтно-импульсный модулятор и усилитель мощности. При этом структура и параметры усилительно-корректирующего устройства выбираются исходя из требований точности, быстродействия, устойчивости. Широтно-импульсный модулятор преобразует скорректированный сигнал ошибки приво- да в импульсный сигнал с регулируемой скважностью управляющих импульсов с частотой опорного напряжения и содержит последовательно соединенные генератор опорного напряжения, сумматор и релейный элемент, причем на второй вход сумматора, поступает сигнал с выхода усилительно-корректирующего устройства. Усилитель мощности выполняется по мостовой схеме, а диагональ моста включены якорные входы электродвигателя.

В данном устройстве по сравнению с предыдущим за счет введения отрицательной обратной связи по скорости электродвигателя статическая и динамическая точность привода выше на 1 - 2 порядка при воспроизведении различных входных воздействий. При этом достигаемая точность определяется значением коэффициента усиления разомкнутого контура привода. Однако применение в качестве измерителя скорости тахогенератора существенно ограничивает возможности увеличения коэффициента усиления разомкнутого контура привода, что обуславливает недоста- точную для перспективных интегрирующих приводов точность в силу следующих обстоятельств.

Тахогенератор является дополнительной инерционной нагрузкой для электродвигателя, что существенно увеличивает значение электромеханической постоянной времени привода, вводя в контур дополнительный отрицательный фазовый сдвиг.

Момент трения на валу тахогенератора увеличивает составляющую ошибки привода от трения, которая приводит к неплавности движения выходного вала двигателя, особенно при малых ползучих скоростях входных воздействий.

Наличие упругих деформаций механического соединения вала двигателя с валом тахогенератора оказывает такое же влияние на динамические характеристики привода, как если бы в приводе с абсолютно жестким механическим соединением двигателя с датчиком угловой скорости в цепь обратной связи по скорости ввели колебательное звено с малой величиной показателя колебательности, что проявляется в ограничении коэффициента усиления разомкнутого контура условиями устойчивости на резонансной частоте этого механического соединения.

Кроме того, тахогенератор существенно увеличивает массогабаритные характеристики привода.

Цель изобретения - повышение точности привода при снижении его массогаба- ритных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в интегрирующий привод постоянного тока, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, первый вход которого является входом привода, и усилительно-корректирующее устройство, последовательно соединенные генератор опорного напряжения, сумматор, релейный элемент, усилитель мощности и электро- двигательгюстоянноготока, выход которого через-измеритель скорости соединен с вторым входом измерителя рассогласования, введен усилитель-ограничитель, вход которого соединен с выходом усилительно-корректирующего устройства, выход - с вторым входом сумматора, измеритель скорости выполнен в виде последовательно соединенных диференциального усилителя и устройства выборки-хранения и последовательно соединенных нуль-органа и формирователя импульса выборки, выход которого подключен к управляющему входу устройства выборки-хранения, выход которого является выходом измерителя скорости, первым входом которого является вход дифференциального усилителя, вторым входом - вход нуль-органа, который подсоединен к выходу сумматора, а релейный элемент выполнен с зоной нечувствительности.

Формирователь импульса выборки выполнен в виде последовательно соединенных дифференциатора и блока выделения модуля, причем вход дифференциатора является входом формирователя импульса вы- борки, выходом которого является выход блока выделения модуля.

Достижение поставленной цели в предлагаемом устройстве осуществляется за счет исключения из его структуры тахогемера тора и обеспечения обратной связи по скорости посредством выделения сигнала противоЭДС из сигнала на якорной обмотке электродвигателя при введении трехпозиционного управления, реализу- емого релейным элементом с зоной нечувствительности. При трехпозиционном управлении в якорную обмотку поступает последовательность разнополярных импульсов с продолжительностью нулевого уровня сигнала между импульсами положительной и отрицательной полярности, определяемой величиной зоны нечувст-ви- тельности релейного элемента. Как известно, в дифференциальном уравнении, описывающем динамические процессы в якорной обмотке электродвигателя постоянного тока, напряжение на якоре Ua уравновешивается напряжением самоиндукции на индуктивности якоря 1-я, падением напряжения на активном сопротивлении якоря Rs и противоЭДС Ея. возникающей в якоре при вращении и прямопропорцио- нальной скорости вращения ротора двигателя

, оЧя

dt

+ Ня1я + Ея ия.

где 1Я - ток в якорной обмотке.

Подаваемый в якорную обмотку электродвигателя управляющий импульс наиря- жения разгоняет его ротор до значения скорости, определяемой длительностью этого импульса. По окончании действия импульса в электродвигателе происходят затухающие электромагнитные (U .Ј -frO.

Rflifl ) и электромеханические () переходные процессы. При этом быстродействие электромагнитных переходных процессов значительно (практически на 2 порядка) выше электромеханических. Следовательно, после действия управляющего импульса напряжения и окончания электромагнитных переходных процессов в промежутке времени между управляющими импульсами, который значительно меньше времени окончания электромеханических переходных процессов, на якорной обмотке электродвигателя действует только напряжение

0 5 5

0

0

5

0

0 5

противоЭДС, пропорциональное скорости выходного вала электродвигателя. Это напряжение измеряется и запоминается на выходе устройства выборки-хранения до последующего промежутка времени отсутствия управляющего импульса напряжения, обеспечивая обратную связь по скорости.

На фиг. 1 представлена функционально- структурная схема предлагаемого интегрирующего привода постоянного тока; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.

Интегрирующий привод постоянного тока содержит измеритель 1 рассогласования, первый вход которого является входрм привода. Выход измерителя 1 рассогласования соединен с входом усилительно-корректирующего устройства 2, выход которого соединен с входом усилителя-ограничителя 3. Выход усилителя-ограничителя 3 соединен с вторым входом сумматора 4, первый вход которого подключен к выходу генератора 5 опорного напряжения. Выход сумматора 4 одновременно соединен с входами релейного элемента 6 с зоной нечувствительности и нуль-органа 11 .Выход релейно- v то элемента б с зоной нечувствительности соединен с входом усилителя 7 мощности. Выход усилителя 7 мощности соединен с якорной обмоткой электродвигателя 8 постоянного тока. Дифференциальный усилитель 9 подключен входом к якорной обмотке электродвигателя 8, а выходом соединен с входом устройства 10 выборки-хранения. Выход нуль-органа 11 соединен с входом формирователя 12 импульса выборки, которым является вход дифференциатора 13. Выход дифференциатора 13 соединен с входом блока 14 выделения модуля, выход которого является выходом формирователя 12 импульса выборки и соединен с управляющим входом устройства 10 выборки-хранения. Выход устройства 10 выборки-хранения соединен с вторым входом измерителя 1 рассогласования.

На временных диаграммах (фиг.2), поясняющих принцип работы устройства, обозначены выходные сигналы Х(т) блоков 3,4,5, 6, 9, 10, .11, 12 с соответствующей индексацией.

Интегрирующий привод постоянного тока работает следующим образом.

Сигнал управления поступает по входному каналу ыа первый вход измерителя 1 рассогласования, где он сравнивается с сигналом обратной связи по скорости электродвигателя 8, поступающего на его второй вход. Сигнал рассогласования (ошибки) с выхода измерителя 1 рассогласования поступает кз. вход усилительнс-корректирующего устройства 2, где производится его усиление и коррекция в соответствии с выбранным, законом управления в прямом канале привода для обеспечения требований точности, быстродействия, устойчивости. Сигнал с выхода усилительно-корректирующего устройства 2 поступает на вход усилителя-ограничителя 3, обеспечивающего надежность работы устройства во всех условиях эксплуатации (разброс элементов по допускам, температурный разброс парамет- ров), заключающуюся в наличии знакопеременного сигнала Х4 (t) на выходе сумматора 4, так как в момент прохождения Хл (t) через ноль формируется импульс выборки Xi2(t) и производится измерение мгновенной скорости двигателя, для чего уровень ограничения выбирается из неравенства: Хз макс. Медленно меняющийся сигнал с выхода усилителя-ограничителя 3 Хз (0 поступает на второй вход сумматора 4, где он суммируется с высокочастотным сигналом треугольной формы Xs (t) генератора 5 опорного напряжения. Сигнал с выхода сумматора 4 Х4 (t) поступает одновременно на входы нуль-органа 11 и релейного элемента 6 с зоной нечувствительности, на котором производится широтно-импульсная модуляция сигнала Xs(t); На выходе релейного элемента 6 с зоной нечувствительности формируется трехпозиционный сигнал управления Хб (t) электродвигателем 8с продолжительностью нулевого уровня, определяемой величиной зону нечувствительности и выбираемой в 2 - 3 раза большей длительности электромагнитных переходных процессов в электродвигателе, так как измерение мгновенного значения противоЭДС производится в середине зоны нечувствительности. При этом соотношение длительностей разнополярных импульсов определяется величиной медленно меняющегося сигнала управления Хз (т.). Сигнал с выхода релейного элемента 6 с зоной нечувствительности поступает на вход усилителя 7 мощности, где осуществляется его усиление по мощности. Сигнал с выхода усилителя 7 мощности поступает в якорную обмотку электродвигателя 8 постоянного тока, который в силу инерционности ротора отрабатывает с высокой точностью медленно меняющийся сигнал управления по скорости, фильтруя высокочастотные колебания ШИМ. Сигнал с якорной обмотки электродвигателя 8 поступает на вход дифференциально го усилителя 9, позволяющего измерить напряжение на якоре. Сигнал с выхода дифференциального усилителя 9 Хд (t), пропорциональный напряжению на якоре электродвигателя 8 и содержащий составляющую противоЭДС, поступает на вход устройства 10 выборки-хранения (УВХ), на управляющий вход которого поступает в соответствующий момент времени

импульс выборки с выхода формирователя 12 импульса выборки.

Импульс выборки- формируется следующим образом. На выходе нуль-органа ,11 из сигнала Х4 (t) в момент прохождения его

0 через ноль формирователя сигнал переключения Хц (t), т.е. нуль-орган 11 переключает свое состояние в моменты времени, соответствующие половине интервала времени действия нулевого уровня сигнала между

5 разнополярными импульсами на выходе релейного элемента 6, когда закончены электромагнитные переходные процессы в якорной обмотке, возникающие в моменты отключения управляющих импульсов Хе (t).

0 Сигнал переключения Хц (t) с выхода нуль- органа 11 поступает на вход формирователя 12 импульсов выборки, которым является вход дифференциатора 13, формирующего в моменты переключения Хц (t} разнополар5 ные импульсы требуемой для срабатывания устройства 10 выборки-хранения длительности. Разнополярные импульсы с выхода дифференциатора 13 поступают на вход блока 14 выделения модуля, реализующего

0 требуемую (одинаковую) полярность и необходимую амплитуду импульсов выборки для запуска УВХ 10. Однополярные импульсы выборки Xi2 (t) с выхода формирователя 12 импульса выборки, которым является выход

5 блока 14 выделения модуля, поступают на управляющий вход УВХ 10, что позволяет в момент прихода импульса выборки выделять из сигнала Xg (t) мгновенное значение противоЭДС с последующим запоминани0 ем его до прихода очередного импульса выборки-.

Следовательно, на выходе УВХ 10 формируется сигнал Хю (t), пропорциональный скорости электродвигателя, являющийся

5 сигналом обратной связи по скорости.

Предлагаемая структура интегрирующего привода постоянного тока позволяет исключить из его состава тахогенератор и механическое соединение его ротора с ро.0 тором двигателя, что обуславливает следующие положительные свойства технического решения.

Уменьшение приведенного к валу электродвигателя момента инерции на величину

5 приведенного момента инерции ротора та- хогенератора в маломощных приводах существенно снижает величину электромеханической постоянной времени привода, исключая дополнительный отрицательный фазовый сдвиг в контуре.

Значительное снижение момента трения, приведенного к валу электродвигателя, позволяет увеличить коэффициент усиления разомкнутого контура привода и повысить точность.

Исключение влияния упругости механического соединения электродвигателя И та- хогенератора на устойчивость привода, дает возможность расширить его полосу пропускания.

Кроме того, существенно уменьшаются массогабаритные характеристики привода.

Формул а изобретени я

1. Интегрирующий привод постоянного тока, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, первый вход которого является входом привода, и усилительно-корректирующее устройство, последовательно соединенные генератор опорного напряжения, сумматор, релейный элемент, усилитель мощности и электродвигатель постоянного тока, выход которого через измеритель скорости соединен с вторым входом измерителя рассогласования, о т л и ч а ю„щ и и с я тем, что, с целью повышения точности привода при

снижении его массогабаритных характеристик, в него введен усилитель-ограничитель, вход которого соединен с выходом усилительно- корректирующего устройства, выход - с вто

рым входом сумматора, измеритель скорости выполнен в виде последовательно соединенных дифференциального усилителя и устройства выборки хранения и последовательно соединенных нудь-органа и

формирователя импульса выборки, выход которого подключен к управляющему входу устройства выборки-хранения, выход KOTG рого является выходом измерителя скорг: сти, первым входом которого является вход

дифференциального усилителя, вторым входом - вход нуль-органа, который подключен к выходу сумматора, а релейный элемент выполнен с зоной нечувствительности. 2. Привод по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я

тем, что формирователь импульса выборки выполнен в виде последовательно соединенных дифференциатора и блока выделения модуля, причем вход дифференциатора является входом формирователя импульса

выборки, выходом которого является выход блока выделения модуля.

Изобретение относится к интегрирующим приводам с электродвигателями постоянного тока малой мощности, используемым в автоматических счетно-решающих устройствах и для формирования законов управления в автоматических системах управления. Целью изобретения является повышение точности привода .при снижении его маесогабаритных характеристик. Цель изобретения достигается за счет снижения величины электромеханической постоянной времени привода путем уменьшения приведенного к валу электродвигателя момента инерции и момента трения. Для этого в приводе измеритель скорости выполнен в виде последовательно соединенных нуль-органа и формирователя импульса выборки, релейный элемент выполнен с зоной нечувствительности и дополнительно введен усилитель-ограничитель, 1 з..п.. ф-лы, 2 ил. СП С

Фиг. 1

Xsft)

JK,ft)

„ „„. --- - N.x««.

n