Цифровая следящая система Советский патент 1992 года по МПК G05B11/01 

ч|

со о о

о

Изобретение относится к цифровым следящим системам с бесконтактными двигателями постоянного тока и может быть использовано в манипуляционных работах и других устройствах автоматики в качестве исполнительной следящей системы. Цель изобретения состоит в упрощении системы и повышении ее быстродействия. В цифровую следящую систему входят измеритель 1 рассогласования, блек 2 формирования модуля, первый 3 и второй 4 пороговые элементы, цифровой широтно-импульсный преобразователь 5, реле 6 реверса, коммутатор 7, бесконтактный двигатель 8 постоянного тока, редуктор 9, датчик 10 положения ротора, первый 11 и второй 12 умножители, сумматор 13 и преобразователь 14 код-частота. Изобретение может найти наибольшее применение в манипуляционных роботах, где при изменении нагрузочного момента в широких пределах требуется высокое быстродействие и недопустимо перерегулирование. 2 ил. СО

Фиг,. 1

Изобретение относится к цифровым следящим системам с бесконтактными двигателями постоянного тока и может быть использовано в манипуляционных роботах и других устройствах автоматики в качестве исполнительной следящей системы.

Цель изобретения состоит в упрощении системы и повышении ее быстродействия.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифровой следящей системы; на фиг. 2 - блок- схема цифрового широтно-импульсного преобразователя для трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока,

В цифровую следящую систему (фиг. 1) входят измеритель 1 рассогласования, блок 2 формирования модуля, первый 3 и второй 4 пороговые элементы, цифровой широтно- импульсный преобразователь 5, реле 6 реверса, коммутатор 7, бесконтактный двигатель 8 постоянного тока, редуктор 9, датчик 10 положения ротора, первый 11 и второй 12 умножители, сумматор 13 и преобразователь 14 код-частота.

В цифровой широтно-импульсный преобразователь (фиг. 2) входят блок 15 формирования адреса, блок 16 преобразования адреса, постоянное запоминающее устройство 17, первый 18, второй 19 и третий 20 широтно-импульсные модуляторы, генератор 21.

В тексте приняты следующие сокращения и обозначения:

ЦШИП - цифровой широтно-импульсный преобразователь;

БДПТ - бесконтактный двигатель постоянного тока;

ПКЧ - преобразователь код-частота;

ДПР - датчик положения ротора;

БФА - блок формирования адреса;

БПА - блок преобразования адреса;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ШИМ - широтно-импульсный модулятор;

БФМ - блок формирования модуля; &, , в0 , в, Д#| , , Д0- входной, выходной углы, ошибка следящей системы и их цифровые коды соответственно;

I Д$ I - модуль кода ошибки системы;

ДУп - код срабатывания пороговых элементов;

sign Д$- знаковый разряд кода рассогласования (ошибки) системы;

sign ш - знак направления вращения электродвигателя;

гш - частота импульсов на выходе преобразователя код-частота импульсов;

Мн - момент нагрузки на валу двигателя;

Мо-максимальный синхронизирующий момент двигателя;

Фр , Фс - магнитный поток ротора и статора электродвигателя соответственно; tn момент времени переключения системы из непрерывного в дискретно-шаговый режим.

ЦШИП 5 предназначен для преобразования угла поворота ротора в систему

0 трех широтномодулированных последовательностей. Глубина модуляции указанных последовательностей определяется цифровым кодом Uo. при этом в непрерывном режиме U0 остается постоян5 ной, а в дискретно-шаговом изменяется согласно закону преобразования ПКЧ 14.

ЦШИП 5 содержит последовательно соединенные БФА 15, БПА 16 и ПЗУ 17, в котором записаны коды ширины импульсов

0 трех функций (например, гармонических), сдвинутых на 120°. Эти коды поступают на входы трех ШИМ 18, 19 и 20, где преобразуются в широтно-импульсные последовательности. На управляющие входы задания

5 глубины модуляции ШИМ подключен выход генератора 21. Выходы ШИМ 18, 19 и 20 подключены к реле 6 реверса, которое управляется сигналом sign , и при изменении знака последнего меняются знаки sign

0 1, sign 2, sign 3 сигналов ШИМ 1, ШИМ 2, ШИМ 3, т.е. направления токов в обмотках БДПТ 8, коммутируемых коммутатором 7.

В системе в качестве датчика положения ротора использован инкрементальный

5 датчик на основе фотосчитывающих чувствительных элементов, подсчет импульсов от которого позволяет получить цифровой код Д$0 для замыкания главной обратной связи на измеритель 1 рассогласования. Кроме то0 го, при использовании инкрементального датчика удается получить и направление вращения sign ш.

В статическом режиме Дф Д00 и Д(9 0 первый пороговый элемент 3 имеет

5 максимальный выходной код, а второй пороговый элемент 4 - нулевой сигнал на выходе. В результате выход ДПР 10 с помощью умножителя 12 отключен от входа ЦШИП 5, а к его входу подключен выход ПКЧ 14. По0 скольку Д 0, импульсы на выходе ПКЧ 14 отсутствуют, и ШИМ 18, 19 и 20 генерируют импульсы, длительность которых постоянна во времени. Поле статора БДПТ 8 неподвижно, максимально по величине, и угол по5 ворота его относительно ротора равен

Мн -г а - arcsin -rr-. Таким образом, в режиме

MQ

покоя БДПТ 8 развивает синхронизирующий момент, полностью компенсирующий

момент нагрузки на валу двигателя при нулевом рассогласовании, т.е. система обладает астатизмом по отношению к момен- тным возмущениям.

При подаче на вход системы, например, большого скачкообразного сигнала код модуля сигнала ошибки превышает код срабатывания пороговых элементов, т.е. I AUn, срабатывают пороговые элементы 3 и 4, в результате чего обнуляется выход умножителя 11, и выход ПКЧ 14 отключается от входа ЦШИП 5. Срабатывание порогового элемента 4 приводит к тому, что при помощи умножителя 12 и сумматора 13 к этому входу ЦШИП 5 подключается импульсный выход ДПР 10. Одновременно по сигналу AUn БПА 16 преобразует выходной код БФА 15 таким образом, между магнитными потоками статора Фс и ротора Фр БДПТ 8 составит 90 эл. град. Код сигнала ошибки А (9поступает на вход ЦШИП 5, выход которого через реле 6 реверса подключен к входу коммутатора 7. Поле статора двигателя благодаря жесткой связи по угловому положению с ротором через ДПР 10 вращается синхронно с ротором, его угол с полем последнего составляет 90 эл.град., а его модуль имеет максимальное значение, Поэтому двигатель, вращаясь как бесконтактный двигатель постоянного тока с релейным регулятором, отрабатывает рассогласование. Причем максимальное питающее напряжение на обмотках электродвигателя обеспечивает минимальное время отработки этого рассогласования.

С уменьшением сигнала ошибки в некоторый момент времени t tn, определяемый величиной кода срабатывания, пороговые элементы 3 и 4 срабатывают. Это приводит к тому, что обнуляется выход второго порогового элемента 4 и благодаря действию умножителя 12 разрывается связь между ДПР 10 и ЦШИП 5. Одновременно на выходе первого порогового элемента 3 появляется сигнал высокого уровня. Это приводит к тому, что на вход ЦШИП 5 поступает через сумматор 13 и умножитель 11 сигнал с выхода ПКЧ 14, Кроме того, БПА 16 по высокому уровню сигнала AUn преобразует код с выхода БФА 15 так, что магнитные поля ротора и статора электрической машины совмещаются. Сигнал sign сопри этом служит для выбора правильного направления отсчета.

Указанные коммутации приводят к тому, что начиная с момента времени t tn, двигатель и система в целом начинают работать как дискретно-шаговые. Этот режим характеризуется тем, что магнитное поле

статорных обмоток БДПТ 8 перемещается в пространстве дискретно на один шаг с приходом каждого нового импульса от ПКЧ 14. При этом знак момента на валу электродвигателя определяется взаимной ориентацией магнитных потоков ротора Фр и статора Фс. В момент переключения t tn магнитные потоки ротора и статора электродвигателя совпадают, но уже в следующий

момент времени при t tn + 1 ротор опередит поток статора и двигатель развивает тормозящий момент, причем момент пульсируете приходом каждого импульса от ПКЧ 14 на вход ЦШИП 5. С уменьшением кинетической энергии ротора он начнет отставать от потока статора, и двигатель развивает положительный вращающий момент, уменьшающий рассогласование в системе до нуля.

Таким образом, при больших рассогласованиях (t tn - 1) БДПТ 8 управляется релейным регулятором, что, как известно, обеспечивает максимальное быстродействие.

В момент переключения t tn магнитные потоки статора и ротора совмещаются, что также приводит к увеличению быстродействия системы. Действительно, в системе-прототипе после перевода БДПТ 8 в

шаговый режим (при этом модуль Фс увеличился до максимума), т.е. после момента времени t tn, еще какой-то промежуток времени до момента совмещения Фс и Фр на ротор действует ускоряющий момент, что

приводит к необходимости гасить его в последующие промежутки времени, а следовательно, к увеличению времени переходного процесса системы в дискретно-шаговом режиме,

Сразу после переключения в шаговый режим двигатель развиваеттормозящий момент, а следовательно, переходный процесс системы в дискретно-непрерывном режиме существенно меньше.

Формула изобретения

Цифровая следящая система, содержащая первый и второй умножители, соединенные первыми входами с выходами соответственно первого и второго пороговых элементов, а выходами - с первым и вторым входами сумматора, подключенного выходом к информационному входу цифрового широтно-импульсного преобразователя, выход которого соединен с информационным входом реле реверса, выход которого через последовательно соединен ные коммутатор и бесконтактный двигател1 постоянного тока соединен с входом редук тора, выход которого является выходом си

стемы, и входом датчика положения ротора, импульсный выход которого подключен к второму входу второго умножителя, а цифровой выход - к разностному входу измерителя рассогласования, суммирующий вход которого является входом системы, а выход соединен с знаковым входом реле реверса, с входом преобразователя код-частота, подключенного выходом к второму входу второго умножителя, и с входом блока фор- мирования модуля, выход которого соединен с входами первого и второго пороговых элементов, отличающаяся тем, что, с целью упрощения и повышения быстродействия, в ней цифровой широтно-импульс- ный преобразователь содержит блок формирования адреса, блок преобразования адреса, постоянное запоминающее устройство, генератор и три широтно-импульсных модулятора, выходы

Фиг. 2

которых являются выходом цифрового ши- ротно-импульсного преобразователя, входы задания глубины модуляции подключены к выходу генератора, а информационные входы - к выходам постоянного запоминающего устройства, адресные входы которого соединены с выходом блока преобразования адреса, управляющий вход которого, являющийся управляющим входом цифрового широтно-импульсного преобразователя, соединен с выходом первого порогового элемента, знаковый вход, являющийся знаковым входом цифрового широтно-импульсного преобразователя, - с соответствующим выходом датчика положения ротора, а информационный вход - с выходом блока формирования адреса, вход которого является информационным входом цифрового широтно-импульсного преобразователя.