Цифроаналоговая следящая система Советский патент 1992 года по МПК G05B15/02 H03M1/38 

Предлагаемое изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления объектами по сигналам вычислительных устройств.

Известна цифроаналоговая следящая система, содержащая функциональный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, вторые входы - с выходом системы, а выход- с входом первого усилителя и последовательно соединенные вращающийся трансформатор, второй усилитель и двигатель, вал которого механически связан с ротором вращающегося трансформатора, а также дешифратор и шесть ключей, включенный между первым усилителем и обмотками вращающегося трансформатора

Недостатками данной системы является ее низкие точность, быстродействие и /с- тойчивость.

Известна цифроаналоговая следяи.ая система, содержащая последовательно соединенные источник опорного напряжения, функциональный цифроаналоговый преобразователь, два фильтра, четыре ключа, два усилителя, синусно-косинусный вращающийся трансформатор, синусная и косинусная обмотки которого соединены с выходами усилителей, а выходная обмотка соединена через ключ - прерыватель с выходом электропривода, а также генератор

х1

00 CJ

U

XI

со

несущей частоты, выходы которого соединены с вторыми входами ключей и управляющим входом ключа-прерывателя.

Недостатком данной системы являются ее низкие точность, быстродействие м устойчивость.

Наиболее близкой к предлагаемой является цифроаналоговая система, по которой получено положительное решение , содержащая источник переменного напряжения, электропривод, датчик угла поворота, ротор которого механически соединен с валом электропривода, вал которого кинематически связан с валом нагрузки и валом СКвТ- датчика,синусно-косинусный

цифроаналоговый преобразователь, младшие разряды цифрового входа которого яв- ляются младшими разрядами управляющего входа системы, коммутатор, два фазочувствительных выпрямителя, сое- . диненных информационными входами с соответствующими выходами датчика угла поворота, блок определения знака, первый вход которого соединен с выходом источника переменного напряжения и входом датчика угла поворота, а второй вход подключен к общей шине, три элемента исключающее ИЛИ, при этом первые входы третьего и второго элементов исключающее ИЛИ являются старшими разрядами управляющего входа системы, вторые входы третьего и второго элементов исключающее ИЛИ связаны с выходом блока определения знака, аналоговый вход синусно-косинусного цифроанэлогоаого преобразователя соединен с выходом коммутатора, первый и второй информационные входы которого подсоединены к выходам соответствующих фазочувствительных выпрямителей, выход которого элемента исключающее ИЛИ соединен с управляющим входом второго фазочувствительного выпрямителя, первый - вход первого элемента исключающее ИЛИ связан с первым входом третьего элемента исключающее ИЛИ, низкочастотный фильтр, выход которого соединен со входом электропривода, вторые входы третьего и второго элементов исключающее ИЛИ связаны со старшим разрядом цифрового входа синусно-косинусного циф- роаналогового преобразователя, выходом подключенного ко входу к низкочастотному фильтру, выход третьего элемента исключающее ИЛИ соединен с управляющим входом коммутатора, управляющий вход первого фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом первого элемента исключающее ИЛИ, выход второго элемента Исключающее ИЛИ связан со вторым входом первого элемента Исключающее ИЛИ.

Недостатком данного устройства является низкая его устойчивость, которая обуславливается наличием низкочастотного фильтра с постоянной времени т RC. Данный блок вносит отрицательный фазовый сдвиг - arctg сот и уменьшает запас устойчивости системы по фазе на величину

arctg fttr, гдейА; - частота среза следящей системы. Величина г должна быть равной 5-10 ТН1 где Тн - период опорной частоты. Величину т можно уменьшить, уменьшив величину Тн, однако увеличение опорной частоты приводит к появлению дополнительных погрешностей СКВТ, и, следовательно, следящей системы в целом, поэтому опорные частоты строго определены для каждого СКВТ. Например, для СКВТ 6465 опорная

частота равна 400 Гц Введение в цепь компенсирующего звена, например дифферен- цирующую цепочку, вносящую положительный фазовый сдвиг, приводит к тому, что резко возрастает пульсация на

входе усилителя электропривода. А это приводит к насыщению усилителя, паразитному разогреву обмоток двигателя и снижению точности и быстродействия следящей системы.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности, быстродействия и увеличение1 запаса устойчивости следящей системы.

Поставленная цель достигается тем, что

в цифроаналоговую следящую систему, содержащую цифровой задатчик, выходы (п+1)-го и (п+2)-го разрядов которого соединены с первыми входами, соответственно первого и второго элементов исключающее

ИЛИ, а выход каждого i-ro разряда соединен с i-ым информационным входом, где .. п цифрового синусно-косинусного преобразователя, подключенного выходом к цифровому входу цифроаналогового преобразователя, аналоговым входом подключен- ного к выходу коммутатора, а выходом через низкочастотный фильтр - ко входу электропривода, вал которого кинематически связан с валом нагрузки и валом СКВТ датчика, соединенного входом питания с выходом источника переменного напряжения и входом блока определения знака, а синусным и косинусным выводами - с информационными входами, соответственно

первого и второго фазочувствительных выпрямителей, подключенных управляющими входами к выходам соответственно, первого и второго элементов исключающее ИЛИ, а выходами соответственно к первому и ко второму информационным входам коммутатора, соединенного управляющим входом с выходом третьего элемента исключающее- ИЛИ, подключенного первым входом к выходу(п+1)-го разряда цифрового задатчика, выход блока определения знака соединен со вторым входом второго элемента исключающее ИЛИ подключенного выходом ко второму входу первого элемента исключающее ИЛИ согласно изобретению, введены генератор импульсов и D-триггер , соединенный тактовым входом с выходом генератора импульсов, инверсным выходом со своим D-входом, а прямым выходом - с входом управления функцией преобразования цифрового синусно-косинусного преобразователя и со вторым входом третьего элемента исключающее ИЛИ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана блок-схема цифроаналоговой следящей системы, на фиг. 2 - таблица значений функций, на фиг. 3 - эпюры, поясняющие работы системы.

Цифроаналоговая следящая система (фиг. 1) содержит СКВТ- датчик 1 угла поворота, выполненный в виде косинусно-синус- ного преобразователя (в качестве которого используется синусно-косинусный вращающийся трансформатор СКВТ) соответственно с входом 2 питания, а также синусным 3 и косинусным 4 выходами, источник 5 переменного напряжения, блок 6 определения знака, первый 7 и второй 8 фазочувствитель- ные выпрямители (ФЧВ), коммутатора 9, цифровой синусно-косинусный преобразователь 10, выполненный в виде блока 11 памяти и цифроаналогового преобразователя 12, низкочастотный фильтр 13, электропривод 14, пе рвый 15, второй 16 и третий 17 элементы исключающее ИЛИ1;, цифровой задатчик 18, генератор 19 импульсов Д- триггер 20, общую шину 21, конденсатор 22, резистор 23, нагрузку 24, при этом выход источника 5 переменного напряжения соединен с входом 2 питания и входом блока б определения знака, общая шина 21 соединена с входом 2 питания и синусным 3 и косинусным 4 выходами СКВТ - датчика 1, информационные входы первого 7 и второго 8 ФЧВ соединены соответственно с синусным 3 и косинусным 4 выходами СКВТ - датчика 1, а выходы - с информационными входами коммутатора 9, соединенного управляющим входом с выходом третьего 17 элемента исключающее ИЛИ, управляющие входы первого 7 и второго 8 фазочувст- вительных выпрямителей подключены к выходам, соответственно, первого 15 и второго 16 элементов исключающее ИЛИ выход коммутатора 9 подключен к аналогово- му входу цифроаналогового преобразователя 12, выход которого через низкочастотный фильтр 13, содержащий резистор 23 и кон- денсатор 22, соединенный с общей шиной 21, соединен с электроприводом 14, вал которого кинематически связан с валом нагрузки 24 и валом СКВТ-датчика 1, (п+1) разряд цифрового задатчика 18 соединен с

первыми входами первого 15 и третьего 17 элементов исключающее ИЛИ, (п+2) разряд цифрового задатчика 18 соединен с пер- вым входом второго 16 элемента исключающее ИЛ И, второй вход которого

соединен с выходом блока 6 определения знака, а выход - со вторым входом первого 15 элемента исключающее выход ге- , нератора 19 импульсов соединен с тактовым входом D-триггера 20, инверсный

выход которого соединен с его Д-входом, а прямой выход - со вторым входом третьего 17 элемента исключающее ИЛИ и с входом управления функцией преобразователя цифрового синусно-косинусного преобразователя 10 (блока памяти 11), выход каждого i-ro разряда цифрового задатчика 18 соединен с l-м информационным входом, где n-цифрового синусно-косинусного преобразователя (блока памяти И подключенного выходом к цифровому входу цифро- аналогового преобразователя 12.

Работает следящая система следующим образом. Источник 5 переменного напряжения формирует напряжение U5 U0sin ал, ко- /

торое подается на вход 2 питания СКВТ - датчик 1, блок 6 определения знака выдает 1, когда и О когда Us-0 (см. фиг. 3). На выходах 3, 4 СКВТ - датчика 1 формируются напряжения, пропорциональные синусу и косинусу угла а поворота вала Уз Uo К sina sin аи; U4 .Uo К cos а cos ал, где К - коэффициент трансформации СКВТ - датчика 1. Для простоты положим U0 .

Младшие разряда управляющего сигнала N от цифрового задатчика 18, поступают на вход блока 11 памяти, преобразователя 10, в котором записаны функции sinN и cosN. На выходах блока 11 памяти будет функция

slnN, если на его старшем (условно) входе присутствует О и cosN, если присутствует 1,

Генератор 19 импульсов формирует последовательность 1лмпульсов частота «л которых значительно больше частоты а и которая поступает на тактовый вход D-триггера 20. С приходом каждого импульса D- триггер 20 изменяет свое состояние на противоположное. С выхода D-триггера импульсы имеющие форму меандра и частоту Oh/2 поступают на старший адресный вход блока 11 памяти.

Следовательно, на выходах блока 11 памяти поочередно появляются функции slnN и cosN.

Напряжения Кз и U4 поступают на информационные входы первого 7 и второго 8 - ФЧВ, которые работают следующим образом: если на управляющем входе ФЧВ при- сутствует О, то напряжение на его выходе равно напряжению на его входе UBx UBbix, если на управляющем входе ФЧВ присутствует 1, то напряжение на его выходе равно по абсолютной величине напряжению на его входе, но противоположно по знаку

UBblX -UBX.

В первом 7 и втором 8 ФЧВ происходит фазочувствительное выпрямление напряжений 1)з и U4, которые затем поочередно с частотой коммутации (Оп/2 подаются посредством коммутатора 9 на аналоговый вход ЦАП 12.

Причем при галых углах рассогласования между N и а обеспечивается условие, при котором на входах ФЧВ 7 и 8 напряжения Uv и Us имеют разные знаки. Для чего в первом квадранте (фиг. 2) сигналы 1Нб и Уш на выходах схем 16, 15, исключающее ИЛИ изменяются синфазно. Функции си- нуса и косинуса в диапазоне от О до 90° имеют положительные знаки, но поскольку синусный 3 и косинусный 4 выходы (обмотки) С КВТ-датчика 1 включены в противофа- зе, то напряжения U и Us будут противоположны по знаку (U - отрицательно. Us - положительно). Во втором квадранте сигналы Uie и Uis изменяются в противофазе (U - положительно. Us - отрицательно); В третьем квадранте , в четвертом , (см. фиг. 2 и 3).

В первом квадранте значения напряжений U и Us равны UT sin a; cc, a значения разрядов и . В те моменты времени, когда и соответст- венно U на выход коммутатора 9 будет подаваться функция cos а. В это же время на выходе блока 11 памяти преобразователя 10 присутствует функция sinN. ЦАП 12 перемножает сигналы присутствующие на его цифровых и аналоговых входах, поэтому на выходе ЦАП 12 будет функция sinN cos а

При появлении 1 на выходе D-тригге- ра 20 и на выходе элемента 17 исключающее ИЛИ коммутатор 9 подключит к своему выходу функцию sin а, а на выходе блока 11 памяти появится функция cosN, следовательно, сигнал на выходе ЦАП 12 будет - cosN sin а. Так как сигнал на выходе

Д-триггера 20 непрерывно изменяется с частотой сап/2, то после усреднения на низкочастотном фильтре 13, напряжение на выходе последнего будет равно.

Ui3 0,5(cos« sinN-sina cosN)0,5 sln(N-a),

Для малых значений (N-a) ,5(N- а Напряжение Ui3 подается на электропривод 14, который отрабатывает ошибку, устремляя ее к нулю.

При поступлении команды перехода во второй квадрант , на (п+1) разряде кода N появится 1. Это приведет к изменению сигнала на выходе элемента 15 исключающее ИЛИ на противоположный, и соответственно к изменению знака напряжения U. Оно станет положительным, также как и напряжение Us последовательно, напряжение Й13 будет заведомо положительным и электропривод 14 будет двигаться в сторону второго квадранта. Когда угол достигнет второго квадранта, сменится знак напряжения Us за счет смены знака функции cos а, при переходе а через угол 90°. Напряжения U и Us вновь будут иметь противоположные знаки, электропривод остановится при заданном угле.

При поступлении команды перехода в третий квадрант 180° а 270°, значения разрядов ( ). При этом фаза сигналов И17 не изменится, а фаза сигнала И16 изменится на 180°, это приведет к изменению напряжения полярности сигнала И8 и вновь оба напряжения И7 и И8 будут положительны и электропривод будет вращаться в сторону третьего квадранта. При переходе через угол напряженней сменит знак и напряжения U и Us вновь будут разнополярными. Электропривод остановится в третьем квадранте при заданном угле.

И, наконец, при поступлении команды перехода в четвертый квадрант ( ) фаза сигнала Uie сменится на 180° и напряжение И7 станет положительным как и напряжение И8. Следовательно, и напряжение И13 будет также положительным и электропривод будет вращаться в положительном направлении в сторону четвертого квадранта, где напряжения U и Ua вновь станут разнополярными. Если придет команда для перехода в квадрант с меньшим номером, например из третьего во второй или из второго в первый, то в первый момэнт времени напряжения Uy и Us, а следовательно, и напряжение Uis и электропривод 14 будет вращаться в обратную сторону,пока не достигнет заданного квадранта. Если приходит команда для перехода из первого

в третий или из второго в четвертый, или наоборот, то знак напряжения 1Мз не определен. Если величина рассогласования меньше 180°, то напряжение Ui3 будет иметь одну полярность, если N- , то противоположную. То есть электропривод 14 будет вращаться в требуемое положение, то по наиболее короткому пути.

Д-триггер 20 используется в режиме делителя частоты на два, он необходим для того, чтобы скважность тактовой частоты была строго равна двум. В противном случае, в работе системы появится ошибка так как при N а напряжение Uia не будет равно нулю.

В отличие от прототипа коммутатор 9 и блок 11 памяти коммутируют функции не с частотой возбуждения СКВТ, а со значительно большей, что позволяет в десятки и даже сотни раз уменьшить постоянную времени низкочастотного фильтра 13. Уменьшениепостояннойвременинизкочастотного фильтра приводит к уменьшению вносимого им отрицательного фазового сдвига р, который равен на частоте среза (р -arctg cocp tM,rfle Уср - частота среза системы.

А именно величина фазового сдвига на частоте среза определяет устойчивость следящей системы. С другой стороны, увеличение запаса устойчивости позволяет, сохранив прежний запас устойчивости, увеличить коэффициент усиления системы, поскольку они взаимосвязаны, что приведет к увеличению точности позиционирования. Следовательно, повышается и точность системы, И, наконец, снижение постоянной времени одного из звеньев системы позволяет повысить быстродействие всей системы в целом.

Формула изобретения

Цифроаналоговая следящая система, содержащая цифровой зэдатчик, выходы (п+1)-го и (п+2)-го разрядов которого соеди,-:

нены с первыми входами соответственно первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ , а выход каждого 1-го разряда соединен с 1-м информационным входом,

где ...п. цифрового синусно-косинусного преобразователя, подключенного к цифровому входу цифроаналогового преобразователя, аналоговым входом подключенного к выходу коммутатора, а выходом через низкочастотный фильтр - к входу электропривода, вал которого кинематически связан с валом нагрузки и валом СКВТ-датчика, соединенного входом питания с выходом источника -переменного напряжения и входом

блока определения знака, а синусным и косинусным выходами - с информационными входами соответственно первого и второго фазочувствительных выпрямителей, подключенных управляющими входами к выходам соответственно первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ , а выходами соответственно - к первому и к второму информационным входам коммутатора, соединенного управляющим

входом с выходом третьего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛ1/Г , подключенного первым входом к выходу (п+1)-го разряда цифрового задатчика, выход блока определения знака соединен с вторым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ч, подключенного выходом к второму входу первого элемента- ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ | отличающаяся тем, что, с целью

повышения точности и быстродействия и

увеличение запаса устойчивости системы, она содержит генератор импульсов и Д- триггер, соединенный тактовым входом с выходом генератора импульсов, инверсным выходом - со своим Д-входом, а прямым

выходом - с входом управления функцией преобразования цифрового синусно-косинусного преобразователя и с вторым входом третьего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ .

Фиг. 2

Ц

Л Л ,л

Iff

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления объектами по сигналам от вычислительных устройств. В цифроаналоговую следящую систему, содержащую СКВТ-датчик 1 угла поворота, соответственно с входом 2 питания, а также с синусным 3 и косинусным 4 выходами, источник 5 переменного напряжения, блок б определения знака, первый 7 и второй 8 фазочувствительные выпрямители, коммутатор 9, преобразователь 10, состоящий из блока памяти 11 и цифроэналогового преобразователя 12, низкочастотный фильтр 13. электропривод 14, первый 15, второй 16, третий 17 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, цифровой задат- чик 18, с целью повышения точности, быстродействия и увеличения запаса устойчивости системы, введены генератор 19 импульсов и D-триггер 20 Поставленная цель достигается за счет того, что скважность импульсов на выходе D-триггера 20 строго равна двум, а на его входе может быть любой, в противном случае в работу системы будет внесена ошибка 3 ил СП С

и о

U

«J

О

U

9

и

о U

Л/У

Чп+г

и

(/8

Л7