Цифровой следящий электропривод

 

Изобретение относится к области робототехники и к станкостроению и может найти широкое применение при управлении промьшшенными механизмами, в которых необходимо высокоточное регулирование как по положению, так и по скорости в широком диапазоне, как, например, в станках с программным управлением, роботах и манипуляторах . Целью изобретения является расширение диапазона регулирования по скорости, повышение быстродействия и динамической точности электропривода. Поставленная цель достигается следующим образом. Сигнал задания по положению поступает на вход регулятора положения и сравнивается в нем с текущим положением объекта регулирования. Сигнал рассогласования по положению поступает на вход регулятора скорости, на остальные входы которого поступают сигнал задатчика скорости и сигнал скоростной обратной связи. Сигнал рассогласования по скорости поступает на вход регулятора тока, в котором сравнивается с током исполнительного двигателя и усиливается по мощности . Этот сигнал воздействует на исполнительный двигатель, который поворачивает объект регулирования, Положение объекта фиксируется датчиком положения, на выходе которого формируется код Грея, который преобразуется в двоичный код. Этот код поступает на второй вход регулятора положения и на вход бл:ока скоростной обратной связи. Диапазон изменения сигнала скоростной обратной связи разбит на m поддиапазонов, которые переключаются по мере изменения скоростного сигнала. Скоростной сигнал в любом поддиапазоне изменяется с постоянной точностью. 2 ил. «е (Л со о 00 ) 00 ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК д511 4 С 05 В 11/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3987383/24-24 (22) 11.12.85 (46) 07.05.87. Бюл. Р 17 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) А.И.Игнатченко, А.Н.Пискарев, В.А.Толмачев и В.В.Кротенко (53) 62-50 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 188549, кл, В 23 Н 3/06, 1968.

Авторское свидетельство СССР

N - 75271 2, кл. Н 02 P 5/06, t978.

Авторское свидетельство СССР

У 723505, кл. G 05 В ti/29, 1974. (54) ЦИФРОВОЙ СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (») Изобретение относится к области робототехники и к станкостроению и может найти широкое применение при управлении промышленными механизмами, в которых необходимо высокоточное регулирование как по положению, так и по скорости в широком диапазоне, как, например, в станках с программным управлением, роботах и манипуляторах. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования но скорости, повышение быстродействия и динамической точности электропривода. Поставленная цель

„„SU„„1308982 А1 достигается следующим образом. Сигнал задания по положению поступает на вход регулятора положения и сравнивается в нем с текущим положением объекта регулирования ° Сигнал рассогласования по положению поступает на вход регулятора скорости, на остальные входы которого поступают сигнал задатчика скорости и сигнал скоростной обратной связи. Сигнал рассогласования по скорости поступает на вход регулятора тока, в котором сравнивается с током исполнительного двигателя и усиливается по мощности. Этот сигнал воздействует на исполнительный двигатель, который поворачивает объект регулирования, Положение объекта фиксируется датчиком положения, на выходе которого формируется код Грея, который преобразуется в двоичный код. Этот код поступает на второй вход регулятора положения и на вход бпока скоростной обратной связи. Диапазон изменения сигнала скоростной обратной связи разбит на m поддиапазонов, которые переключаются по мере изменения скоростного сигнала. Скоростной .сигнал в любом поддиапазоне изменяется с постоянной точностью. 2 ил.

1308982

1

Изобретение относит я к области робототехники и к станкостроению и может найти широкое применение при,управлении промышленными механизмами, в которых необходимо высокоточное регулирование как по положению, так и по скорости в широком диапазоне, как, например, в станках с программным управлением, роботах и манипуляторах.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования по скорости, повышение быстродействия и динамической точности электропривода. 15

На фиг. 1 дана функциональная схема электропривода; на фиг. 2 — принципиальная электрическая схема анализатора знака.

Предлагаемый электропривод (фиг. 1) 20 содержит цифровой эадатчик 1 положения, регулятор 2 положения, подчиненный ему регулятор 3 скорости, которому подчинен регулятор 4 тока, совмещенный с усилителем мощности, 25 исполнительный двигатель 5, объект

6 регулирования,,механически связанный с ним цифровой датчик 7 положения, преобразователь кода Грея в двоичный код 8, задатчик 9 скорости, генератор 10 импульсов опорной частоты, блок 11 формирования границ частотных поддиапазонов, блок 12 сравнения частот, блок 13 переключения поддиапазонов (разрядов) датчика 7 положения, анализатор 14 знака скорости, формирователь 15 импульсов (удвоитель частоты), формирующий короткие импульсы в моменты времени, соответствующие фронтам и спадам им- 40 пульсов, поступающих на его вход, ключ 16, счетное устройство 17 (измеритель частоты), представляющее собой счетчик импульсов с возможностью обнуления, соединенный с ре- 4> гистром памяти, формирователь 18 периода измерения, представляющий собой управляемый делитель частоты, первый и второй выходы 19 и 20 блока

13 переключения поддиапазонов, информационный и управляющий входы 21 и 22 ключа 16, информационный,чет- вертый и первый управляющие входы

23-25 счетного устройства 17,первый и второй выходы 26 и 27 блока 12 сравнения частот, кодовый выход 28 блока 13 переключения .поддиапазонов, управляющий вход 29 анализатора 14 знака скорости.

Цифровои датчик 7 положения изме ряет положение в коде Грея, позволяющем устранить неоднозначность считывания числа с кодовой шкалы.

Цифровой задатчик 1 положения представляет собой при ручном управлении поворотные или клавишные переключатели (в простейшем случае — набор тумблеров), с помощью которых задается необходимая кодовая комбинация, при автоматическом управлении— считывающее устройство с программоносителя или непосредственно из цифровой вычислительной машины.

Регулятор 2 положения представляет собой цифровой сумматор, выполненный на последовательно соединенных микросхемах К155ИМ3.

Регулятор 3 скорости представляет собой два цифровых сумматора, выполненных на микросхемах К155ИИЗ. На входы первого сумматора подаются сигналы с выхода регулятора 2 положения и сигналы обратной связи с выхода преобразователя 8 кода Грея в двоичный код. На входы второго сумматора подаются сигналы с выхода первого сумматора и сигналы с выхода задатчика 9 скорости. Выходной сигнал второго сумматора подается на вход цифроаналогового преобразователя, выполненного на микросхеме К572ПА1,. а с его, выхода аналоговый сигнал рассогласования по скорости подается на вход ПИ-регулятора скорости, выполненного на микросхеме К153УД6.

С выхода ПИ-регулятора скорости аналоговый сигнал поступает на выход регулятора 3 скорости.

Регулятор 4 тока представляет собой ПИ-регулятор тока, выполненный идентично рассмотренному ПИ-регулятору скорости, и усилитель мощности, представляющий собой широтно-импульсный преобразователь с устройством гальванической развязки для получения сигнала обратной связи по току.

Исполнительный двигатель 5 представляет собой двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

Цифровой датчик 7 положения представляет собой кодовый датчик со шкалой с кодом Грея, например, 12разрядный датчик ПКФ12-1. Задатчик

9 скорости выполнен аналогично описанному цифровому задатчику 1 полокения.

3 13089

Блок 11 формирования границ частотных поддиапазонов представляет собой два делителя частоты, выполненных на счетчиках К155 ИЕ7, коэффициент деления которых меняется в широких пределах путем выбора соответствующего кода, предварительно запи— сываемого в счетчики.

Блок 12 сравнения частот состоит из цепи определения превышения час- 10 тоты импульсов с выхода 19 блока 13 переключения поддиапазонов над частотой импульсов, соответствующей верхней границе поддиапазона и цепи определения ухода частоты импульсов 15 с выхода 19 блока 13 переключения поддиапазонов за нижнюю границу поддиапазона. Первая цепь состоит из двоичного счетчика, выполненного на микросхемах К155ИЕ5, на счетный вход 20 которого поступают импульсы с выхода

19, а на вход обнуления через цепь задержки импульса поступают импульсы от выходов блока 11 формирования границ частотных поддиапазонов с частотой, соответствующей верхней границе поддиапазонов. Последний разряд счетчика соединен с одним входом элемента И, на второй вход которого поступают импульсы с частотой, сост- 30 ветствующей верхней границе поддиапазона. Если частота импульсов с выхода 19 превысит верхнюю границу поддиапазона, то к моменту прихода очередного импульса от блока 11 формиро- 35 вания границ частотных поддиапазонов в последнем разряде счетчика появится "1" и на выходе элемента И появится импульс "Больше". Спустя некоторое время, определяемое цепью задержки, 40 счетчик обнулится и процесс измерения начнется сначала.

Вторая цепь отличается от первой тем, что на нее подаются импульсы с частотой, соответствующей нижней границе поддиапазонов, а также тем, что последний разряд счетчика соединен с элементом И через инвертор, Кроме того, для исключения ложных срабатыва- 50 ний предусмотрена блокировка от переполнения, представляющая собой элемент И, входы которого соединены с выходами счетчика, а выход — с одним из входов обнуления счетчика. В случае, если частота сигнала на выходе

19 больше нижней границы поддиапазонов, то импульсы с выходов блока 11 формирования границ частотных под82 4 диапазонов приходят в моменты времени, когда на выходе инвертора, соединенного последовательно с последним разрядом счетчика — "0", и на выходе элемента И импульсы соответствуют.

Если же частота на выходе 19 уменьшится и станет меньше нижней границы поддиапазонов, то на выходе инвертора будет "1" и на выходе элемента И появится импульс "Меньше".

С целью создания гистерезиса в блок

12 сравнения частоты верхняя и нижняя границы поддиапазонов несколько сдвинуты относительно требуемых границ поддиапазонов, Блок 13 переключения поддиапазонов (разрядов) датчика скорости представляет собой реверсивный двоичный счетчик (микросхема К155ИЕ7), на первый (суммирующий) вход которого поступают импульсы "Больше" с выхода 26 блока 12 сравнения частот, а на второй вычитающий вход — импульсы Меньше" с выхода 27 блока 12 Аравнения частот. Выходы счетчика соединены с адресными входами двух селекторов мультиплексоров данных (микросхемы

К155КП5), на информационные входы которых поступают сигналы с выхода преобразователя 8 кода Грея в двоичный код. Причем на информационные входы селектора-мультиплексора, выход которого через инвертар соединен с выходом 19 блока 13 переключения поддиапазона, подаются сигналы с выхода преобразователя 8 кода Грея в двоичный код, начиная с младшего разряда, т.е. на третий вход блока 12 сравнения частот подаются сигналы с младшего разряда преобразователя 8 кода Грея в двоичный код. На информационные входы второго селекторамультиплексора подаются сигналы преобразователя 8 кода Грея в двоичный код, начиная со второго разряда, т.е. на третий вход блока !2 сравнения частот подаются сигналы со второго разряда преобразователя 8 кода Грея в двоичный код. Выход второго селектора-мультиплексора через инвертор соединен с выходом 20 блока 13 переключения поддиапазонов. Таким образом, при одной и той же кодовой комбинации на адресных входах селекторов-мультиплексоров на выход 20 проходят импульсы с соседнего, более старшего разряда относительно выхода 19.

1308982

Формирователь 15 импульсов представляет собой удвоитель частоты.

Анализатор 14 знака скорости со— держит (см. фиг. 2) сумматор 30,триггер 31, элементы 32-35 запрета, формирователь 36 и элементы ИЛИ-НЕ 37 и

38, Его принцип действия заключается в постоянном анализе кодовых комбинаций дв„.х соседних разрядов преобразователя 8 кода Грея в двоичный 10 код. На входы В„, В сумматора 30 подается текущая кодовая комбинация с выходов 19 и 20 блока 13 переключения поддиапаэонов, а на входы А„, А — кодовая комбинация, предшест- 15 вующая заданной и запоминаемой Dтриггером 31. На выходе переноса сумматора 30 появляется сигнал логического нуля, если IA II3I, и логической единицы, если I А I>I В I. Для предотвра- 20 щения ложных срабатываний при смене кодовой комбинации иэ "3" в "0" и из

"0" в "3" служат схемы 32-35 запрета. С приходом импульса на тактовый вх д 29 с выхода формирователя 15 импульсов происходит перепись информации о знаке и на выходе Q триггера 31 появляется новая информация о знаке, По спаду импульса, поступившего 30 на вход 29, формирователь 34 формирует импульс, осуществляющий перепись информации с выходов 19 и 20 блока 13 переключения поддиапазонов °

Сумматор 30 выполнен на микросхеме

К155ИМ2, триггер 31 — íà K155TN7, элементы 34 и 35 запрета — на К155ЛАЗ.

Ключ 16 представляет собой элемент

И (К155ЛИ1), а счетное устройство 17— счетчик импульсов (микросхемы К155ИЕ5), 40 выходы которого соединены со входами регистра памяти (микросхемы К155ТМ5).

Импульс, поступающий от формирователя 18 периода изменения на вход

24, приходит непосредственно на вход 45 перезаписи регистра памяти и производит перезапись информации с выходов счетчика в регистр памяти. По спаду импульса, поступающего от формирователя 18 периода измерения,запускается формирователь коротких импульсов. Этот формирователь формирует короткий импульс, поступающий на вход обнуления счетчика и обнуляет последний, Импульсы "Больше" и "Мень- 55 ше" от блока 12 сравнения частот поступают также на вход обнуления счетчика и развязаны от импульсов с выхода формирователя через блок развязки, выполненный на элементах К155ЛА3.

Так как коэффициент деления формирователя 18 периода измерения кратен 2, а код на выходе счетчика блока 13 переключения поддиапазонов может быть не кратен 2, то между выходом 28 и установочными входами счетчика формирователя 18 периода измерения находится буферный регистр памяти, устанавливающий коэффициент деления, кратный двум, в зависимости от кода счетчика, входящего в состав блока

13 переключения поддиапазонов 13.

Буферный регистр памяти выполнен на микросхеме К155РЕЗ.

С приходом импульсов "Больше" или

"Меньше" обнуляется счетчик формирователя 18 периода измерения. По спаду импульсов "Больше" или "Меньше" запускается формирователь коротких импульсов, рассмотренный ранее, выходной импульс которого поступает на вход разрешения записи счетчика блока 18, при этом устанавливается новый коэффициент деления.

Электропривод работает следующим образом.

Задание положения объекта 6 регулирования подается с выхода цифрового задатчика l положения в виде празрядного двоичного кода на первые и входов регулятора 2 положения. Обратная связь по положению заводится на другие п входов регулятора 2 положения с п выходов преобразователя

8 кода Грея в двоичный код, который преобразует код Грея датчика 7 положения в двоичный код. Выходной сигнал регулятора 2 положения, соответствующий рассогласованию по положению, подается в качестве сигнала задания на первый вход регулятора 3 скорости. "Вход" и "Выход" — это либо аналоговые входы и выходы, либо цифровые п-разрядные входы и выходы. !

Выходной сигнал регулятора 2 положения может быть представлен либо в цифровом виде, либо в аналоговом — в зависимости от требований к точности регулирования скорости. На второй вход регулятора 3 скорости подается сигнал задания постоянной составляющей скорости от задатчика 9 скорости.

Обратная связь по скорости перемещения объекта 6 регулирования подается на третий вход регулятора 3 скорости с выхода счетного устройства 17 (из мерителя частоты) в таком же виде, 8982 8

25

На выход 19 блока 13 переключения поддиапазонов в зависимости от поддиапазона угловой скорости проходят импульсы от одного из разрядов преобразователя 8 кода Грея в двоичный код, На выход 20 проходят импульсы от соседнего, более старшего разряда преобразователя 8 кода Грея в двоичный код. С выхода 19 блока 13 переключения поддиапазонов импульсы поступают на вход формирователя 15 импульсов, выполняющего удвоение часто,ты. С выхода формирователя 15 импульсы поступают на информационный вход

2 1 ключа 16, управляемого формирователем 18 периода измерения по запрещающему входу 22. Импульсы с выхода ключа 16 поступают на вход 23 счетного устройства 17 в течение периода измерения. По окончании периода из50

7 130 что и сигналы от регулятора 2 поло- жения и задатчика 9 скорости. Выходной сигнал регулятора 3 скорости, соответствующий рассогласованию по скорости, является заданием для регулятора 4 тока, на второй вход которого подается обратная связь по току исполнительного двигателя 5, Таким образом, в исполнительном двигателе 5 поддерживается ток, необходимый для отработки рассогласования в электроприводе по скорости и по положению.

Сигнал по скорости на выходе счетного устройства 17 образуется следующим образом.

Генератор 10 импульсов опорной частоты тактирует работу скоростного канала. Блок 11 формирования границ частотных поддиапазонов, представляющий собой делитель частоты, формирует две последовательности импульсов с частотами, соответствующими верхней и нижней границам поддиапазонов скоростного канала. Различным поддиапазонам, на которые разбит весь диапазон рабочих угловых скоростей электропривода, соответствует один и тот же диапазон частот импульсов, снимаемых с блока переключения поддиапазонов (разрядов) кода Грея в двоичный код преобразователя 8. При вращении вала датчика

7 положения импульсы с выхода преобразователя 8 кода Грея в двоичный код поступают на вход блока 13 пе— реключения поддиапазонов (разрядов) кода датчика положения. мерения на выходе формирователя 18 периода измерения формируется короткий импульс, запрещающий прохождение импульсов через ключ 16 на вход 23 счетного устройства 17. По фронту запрещающего импульса, поступающего также на вход 24 обнуления и перезаписи счетного устройства 17, происходит перезапись информации с выхода счетчика в регистр памяти,входящий в состав счетного устройства

17. По спаду запрещающего импульса происходит обнуление счетчика счетного устройства 17, после чего процесс измерения повторяется. Двоичный код на выходе преобразователя 8 кода Грея в двоичный код соответствует измеряемой угловой скорости.

С выходов 19 и 20 блока 13 переключения поддиапазонов импульсы поступают на входы анализатора 14 знака скорости, который по чередующимся кодовым комбинациям на двух соседних разрядах определяет знак скорости.

Сигналы, соответствующие знаку скорости, с выхода анализатора 14 зна- ка скорости поступают на вход 25 счетного устройства 17, Кодовая комбинация, соответствующая скорости вращения исполнительного двигателя 5 (с учетом знака) подается с выхода счетного устройства 17 на вход регулятора 3 скорости. Импульсы с выхода 19 блока 13 переключения поддиапазонов поступают также на вход блока 12 сравнения частот. Если частота импульсов, поступающих на вход блока

12 сравнения частот, превысит верхнюю частоту диапазона, то на первом

26 выходе блока 12 сравнения частот формируется одиночный импульс "Больше". При поступлении импульса "Больше" на вход блока 13 переключения поддиапазонов последний производит переключение на соседний поддиапазон, и на выход 19 блока 13 переключения поддиапазонов проходят импульсы от более старшего разряда преобразователя 8 кода Грея в двоичный код (соответственно с дорожки датчика 7 положения, имеющей меньшее количество градаций).

На выход 20 проходят импульсы с соседнего, более старшего разряда.

Аналогично на втором 27 выходе блока 12 сравнения частот формируются одиночные импульсы "Меньше . При поступлении на вход блока 13 пере82

10 датчика.

9 13089

fl ключе ния поддиапазо нов импульса Мен ьше" íà его выход 19 проходят импульсы с более младшего разряда преобра— зователя 8 кода Грея в двоичный код (соответственно с дорожки датчика 7 положения, имеющей большее количество градаций). На выход 20 блока 13 переключения поддиапазонов проходят импульсы с соседнего, более старшего разряда. В соответствии с номером 1Р используемого разряда (дорожки) датчика 7 положения, на кодовом выходе

28 блока 13 переключения поддиапазонов формируется сигнал, определяющий коэффициент деления управляемого де- 15 лителя формирователя 18 периода измерения. По фронту импульсов "Больше" или "Меньше" происходит обнуление формирователя 18 периода измерения, а также счетчика в счетном устройст- 20 ве 17, По спаду импульсов "Больше" или нМеньшеп происходит установка нового коэффициента деления в формирователе 18 периода измерения. Для сохранения точности измерения угло- вой скорости, соответствующей измерению с помощью дорожки датчика 7 положения с наибольшим количеством градаций (младший разряд), при переходе к измерению с помощью дорожек с мень- 30 шим количеством градаций (более старшие разряды) пропорционально увеличивается период измерения. Период измерения нри использовании разряда с номером m равен Т„„= Т 2, где Т— период измерения при работе с младшим разрядом.

Макетный образец электропривода выполнен на элементах серий 155, 153, 4О

249 и 572, Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известным обладает более широким диапазоном регулирования скорости, большим быст- 4> родействием и, как следствие, большей динамической точностью воспроиз-. ведения сигнала задания по положению.

Перечисленные преимущества достигаются за счет возможности своевременного, по достижении определенной скорости вращения, перехода на соседний разряд (дорожку) датчика. При этом точность измерения скорости сохраняется на уровне точности, полученной от младшего разряда, во всем диапазоне регулирования скорости. В известном устройстве приходится искусственно снижать скорость отработки входного задания, так как при работе только с младшим разрядом по достижении определенной скорости вращения импульсы с младшего разряда преобразователя могут исчезнуть вследствие трапециедальной формы импульсов с датчика и конечной полосы пропускания разрядных формирователей

Формула изобретения

Цифровой следящий электропривод, содержащий формирователь импульсов, анализатор знака скорости, подключенный выходом к первому управляющему входу счетного устройства, последовательно соединенные задатчик положения, регулятор положения, регулятор скорости, регулятор тока, исполнительный двигатель, объект регулирования, цифровой датчик положения и преобразователь кода Грея в двоичный код, подключенный выходом к второму входу регулятора положения, и задатчик скорости, соединенный выходом с вторым входом регулятора скорости, подключенного третьим входом к выходу счетного устройства, второй вход регулятора тока соединен с вторым выходом исполнительного двигателя, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования по скорости, повышения быстродействия и динамической точности электропривода, в нем дополнительно установлен блок формирования границ частотных поддиапазонов, блок сравнения частот, блок переключения поддиапазонов, ключ, формирователь периода измерения и генератор импульсов, соединенный выходом с первым управляющим входом формирователя периода измерения и с входом блока формирования границ частотных поддиапазонов, подключенного первым и вторым выходами соответственно к первому и второму входам блока сравнения частот, соединенного третьим входом с первым выходом блока переключения диапазонов,. первым входом анализатора знака скорости и входом формирователя импульсов, а первым и вторым выходами - соответственно с вторым и третьим управляющими входами формирователя периода измерения и счетного устройства, а также с первым и вторым управляющими входами блока переключения поддиапазо11

130898 нов, подключенного кодовым входом к выходу преобразователя кода Грея в двоичный код, кодовым выходом — к кодовому входу формирователя периода измерения, а вторым выходом — к второму входу анализатора знака, соединенного управляющим входом с выходом

2 12 формирователя импульсов и с информационным входом ключа, подключенного управляющим входом к выходу формиро вателя периода измерения и к четвертому управляющему входу счетного устройства, а выходом — к информационному входу счетного устройства, 1 308982 сйы. / дрока t3

fp

2Р

L Д гх.20

&ока /

Составитель Ю, Гладков

Редактор Н.Егорова Техред А.Кравчук Корректор Л.Патай

Заказ 1797/39 Тираж 864 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4