Цифроаналоговая следящая система

 

Изобретение относится к автоматике и предназначено для использования в системах с числовым программным управлением и с электродвигателем постоянного тока без тахогенератора. Целью изобретения является повьшгение быстродействия, статической точности регулирования и устойчивости работы системы. Система содержит электродвигатель 1, фазовращатель 2, фильтр 3, делитель частоты 4, генератор импульсов 5, гальванически развязывающий датчик тока 6, усилительрегулятор 7, аналоговые устройства сравнения 8,14, фазовый дискриминатор 9,блок цифрового измерения скорости 10,цифроаналоговый преобразователь 11,блок динамической коррекции 12, цифровой сдвигающий блок 13, блок памяти 15. Введением в систему устройства сравнения 14 блока памяти 15 и выполнением определенным образом блока динамической коррекции 12 достигается расширение полосы пропускания системы и улучшение ее динамических характеристик. 1 з.п, ф-лы, 7 ил. (О (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (112 (1),g С 05 В 11/26

® Р;г-.

/ д

В

g=;) .

- -:.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А BTQPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 409 3204/2 4-2 4 (22) 28.07.86 .(46) 23.06.88. Бил. Р 23 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) А.И.Игнатченко, В.В.Кротенко, А.Н.Пискарев, В.А.Синицын, В.А.Толмачев и В.С.Томасов (53) 62.50 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 750434, кл. G 05 В 11/26, 1978.

Авторское свидетельство СССР

1(1154652, кл. G 05 В 11/26, 1983. (54) ЦИФРОАНАЛОГОВАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА (57) Изобретение относится к автоматике и предназначено для использования в системах с числовым программным управлением и с электродвигателем постоянного тока беэ тахогенератора. Целью изобретения является повыпгение быстродействия, статической точности регулирования и устойчивости работы системы. Система содержит электродвигатель 1, фазовращатель 2, фильтр 3, делитель частоты 4, генератор импульсов 5, гальванически развязывающий датчик тока 6, усилительрегулятор 7, аналоговые устройства сравнения 8,14, фазовый дискриминатор

9, блок цифрового измерения скорости

10, цифроаналоговый преобразователь

ll блок динамической коррекции 12, цифровой сдвигающий блок 13, блок памяти 15. Введением в систему устройства сравнения 14,блока памяти 15 и выполнением определенным образом блока динамической коррекции 12 достигается расширение полосы пропускания системы и улучшение ее динамических характеристик, 1 s.è. ф-лы, 7 ил.

1405025

Изобретение относится к автоматике и предназначено для использования в системах с числовым программным управлением и с электродвигателем постоянного тока без тахогенератора, Цель изобретения — повышение быстродействия, статической точности ре" гулирования и устойчивости работы системы. 10

На фиг.1 показана структурная схема цифроаналоговой системы; на фиг.2— функциональная схема усилителя, на фиг.З вЂ” функциональная .схема блока цифрового измерителя скорости, на 15 фиг.4 — Функциональная схема цифрового сдвигающего блока; на фиг.5 — функ= циональная схема блока динамической коррекции, на фиг.б - временные ди=: .аграммы, иллюстрирующие работу блока 20 динамической коррекции:. на фиг.7— временные диаграммы, иллюстрирующие работу цифрового измерителя скорости, Система содержит электродвига- ?5 тель 1,постоянного тока, фазовращатель 2, фильтр 3, делитель 4 часто-ты, генератор 5 импульсов, гальванически развязывающий датчик 6 тока, усилитель-регулятор 7, аналоговое уст 30 ройство 8 сравнения, фазовый дискриминатор 9, блок 10 цифрового измерения скорости, цифроаналоговый пре-образователь 11, блок 12 динамической коррекции, цифровой Сдвигающий блок

13, аналоговое устройство 14 сравне"ния и блок 15 памяти.

Усилитель 7 содержит (фиг.2) пропорциональный регулятор 16, интеграль-. ный регулятор 17, первый сумматор 18, А второй сумматор. 19, пропорционально интегральный регулятор 20 и широтночмпульсный преобразователь 21.

Блок 10 цифрового измерителя скорости (фиг,З)имеет три входа и один выход. Он содержит счетчик 22 импульсов, блок 23 памяти и сумматор 24.

В блоке 10 первый вход подключен к счетному входу счетчика 22, второй вход - к входу обнуления счетчика 22 и входу разрешения записи блока 23 памяти, третий вхоц — к второму вхо- ду сумматора 24, первый вход которого подключен к выходу блока 23 памяти, счетный вход которого подключен

55 к выходу счетчика 22. Выход сумматора является выходом блока 10 цифрового измерителя скорости.

Цифровой сдвигающий блок 13 фиг.4 имеет три входа и два выхода. Он содержит логический элемент И 25, формирователь 2б импульсов, триггер 27, счетчик 28 импульсов, цифровой компаратор 29 и делитель 30 частоты. В блоке 13 первый вход подключен к первому входу логического элемента И 25, второй вход - к входу формирователя

26 импульсов, первый выход которого подключен к первому выходу блока 13.

Второй выход формирователя 26 импульсов подключен к первому входу триггера 27, первый выход которого подключен к второму входу логического элемента И 25, выход которого подключен к счетному входу счетчика 28 импульсов,, вход обнуления которого подключен к второму выходу триггера 27.

Выход счетчика 28 подключен к первому входу цифрового компаратора 29, второй вход которого подключен к третьему входу блока 13. Выход цифрового компаратора 29 подключен к второму входу триггера 27 и к входу делителя 30 частоты, выход которого является вторым выходом блока 13.

Блок 12 динамической коррекции (фиг.5) содержит в-орой вход 31,, пер-вый вход 32, третий вход 33, первый выход 34, второй выход 35, первый масштабный резистор 36, второй масштабный резистор 37, гервый управляемый ключ 38, второй управляемый ключ

39, третий управляемый ключ 40, третий масштабный резистор 41, первый накопит елыр конденсатор 42, первый операционный усилитель 43, формирователь 44 импульсов, информационный вход 45 элемента выборки-хранения, вход 46 управления элемента вы" борки-хранения, элемент 47 выборкихранения, пятый 48, шестой 49, седьмой 50, восьмой 51 масштабные резисторы, второй операционный усилитель

52, второй накопительный конденсатор

53 третий операционный усилитель

54, девятый 55, десятый 56, одиннадцатый 57 масштабные резисторы, четвертый операционный усилитель 58, двенадцатый масштабный резистор 59, четвертый масштабный резистор 60. (Резисторы 48,60,51, усилитель 52 и резисторы 55-57, усилитель 58 представляют собой сумматоры, резисторы

49 и 50, конденсатор 53, усилитель 54 образуют интегро-сумматор).

1405025

Система работает следующим образом.

На вход задания цифрового сдвигающего блока 13 подается кодовая ком5 бинация N, соответствующая заданному углу поворота двигател» 1 (фиг.1).

Комбинация N поступает на входы цифрового компаратора 29 (фиг.4), на другие входы которого подается кодовая ком- 10 бинация с выхода счетчика 28. Тактовые импульсы генератора 5 (фиг.1) поступают на первый вход блока 13 (фиг.4) и на первый вход элемента

И 25. С выхода логического элемента

И 25 тактовые импульсы поступают на счетный вход счетчика 28. Импульсы с третьего выхода генератора 5 (фиг.1) проходит через делитель 4 частоты и с его первого выхода поступают на вход фильтра 3 нижних частот. С выхода фильтра 3 синусоидальное напряжение подается на вход фазовращателя 2, С выхода фазовращателя 2 снимается синусоидальное напряжение, фаза кото- 25 рого изменяется относительно входного напряжения в функции угла поворота вала фазовращателя. Выходное напряжение фазовращателя 2 подается на вход цифрового сдвигающего блока )3 и далее — на вход формирователя 26 импульсов (фиг.4). На выходе формирователя

26 формируются короткие импульсы в моменты времени, соответствующие переходу выходного напряжения фазовраща35 теля через ноль (из минуса в плюс}.

С выхода формирователя 26 импульсы поступают на вход триггера 27. При поступлении импульса от формирователя

26 триггер 27 разрешает" прохождение 40 импульсов от генератора 5 через элемент И 25 на счетчик 28. В момент вре,мени, когда кодовая комбинация счетчика 28 становится равной кодовой комбинации N<, на выходе цифрового 45 компаратора 29 появляется короткий импульс, который переводит триггер

27 в другое устойчивое состояние.

При этом счетчик 28 обнуляется, а элемент И закрывается прекращая 50 поступление импульсов на счетный вход счетчика 28, Импульсы с выхода цифрового компаратора 29 проходят через делитель 30 частоты на выход цифрового сдвигаюнего блока 13 и далеена вход фазового дискриминатора 9.

На вход блока 9 поступают импульсы с делителя 4 частоты в моменты времени соответствующие переходу входного напряжения фазовращателя 2 через ноль (из минуса в плюс). азовый сдвиг между импульсами, поступающими на входы фазового дискриминатора 9, соответствуют рассогласованию между заданным положением вала двигателя

N< и его текущим положением. Величина и знак выходного напряжения Фазового дискриминатора 9 соответствуют ошибке по углу цифроаналоговой следящей системы.

Работа блока 10 цифрового измерения скорости при постоянном ускорении поясняется графиками на фиг.7, где Т вЂ” период следования импульсов

О формирователя при нулевой скорости вращения вала электродвигателя; Т, период следования импульсов Формирователя при вращении вала электродвигателя; о — вес младшего разряда цифроаналогового преобразователя.

Счетчик 22 подсчитывает количество импульсов генератора 5 опорной частоты за время, соответствующее периоду Т следования импульсов формирователя 26. В момент прихода импульса от формирователя 26 происходит запись информации с выходов счетчиков 22 в блок 23 памяти. Счетчик 22 обнуляется по спаду импульса формирователя 26.

В состоянии покоя период Т следования импульсов постоянен и счетчик

22 насчитывает постоянное число N го

const.

Кодовая комбинация N соответствует количеству импульсов, поступающих с выхода генератора 5 на вход блока

10, подсчитанных счетчиком 22 блока

10 цифрового измерения за время Т.

Период Т следования импульсов форо мирователя 26 соответствует нулевой скорости вращения вала фазовращателя 2.

При вращении вала двигателя число на выходе счетчика Н становится больше или меньше М (в зависимости от направления вращения вала двигателя}, и на выходе цифрового сумматора 24 образуется кодовая комбинация N

= Н вЂ” N являющаяся цифровым эквивалентом скорости вращения вала двигателя. С выходов сумматора 24 число

N поступает на вход 15 памяти. КоЯ довая комбинация N нелинейно зависит от частоты вращения вала двигателя в соответствии с выражением

Т вЂ” То 60

n = — — — --->

Т Т К

1405025 чик 6 тока на электродвигатель !.

Вал двигателя 1 поворачивается на заданный угол, соответствующий N где n — частота вращения вала двига- 5 теля;

К вЂ” коэффициент электрической редукции фазовращателя.

Блок 15 служит для линеаризации сигнала по скорости блока 10 цифро- 1О вого измерения скорости. Блок 15 представляет собой состояние запоминающее (ПЗУ), в котором каждой

, кодовой комбинации N>,,поступающей

: на его входы, соответствует выход- 15

; ная кодовая комбинация N . Причем

l N линейно зависит от частоты вра( щения вала двигателя и. Выходная комбинация блока 15 памяти поступа ет на вход цифроаналогового преобра- 20 ! зователя 11 на выходе которого обt разуется аналоговое напряжение +U соответствующее скорости вращения

; вала двигателя. Напряжение +U> пода . ется на второй вход блока 12 динами- 25

:ческой коррекции и на первый вход аналогового устройства 14 сравнения., Сигнал ошибки по углу подается на, второй вход аналоговых устройств 8 ( и 14 сравнения и является сигналом за-30 дания по скорости для контура регулирования скорости двигателя. На пер: вый вход устройства 8 подается сиг-, наля с выхода 1 блока 12 динамичес, кой коррекции, соответствующий вычис- 35

;ленной скорости двигателя. Сигналы с выходов аналоговых устройств 8 и 14 сравнения подаются соответственно на входы 1 и 3 усилителя 7 и далеена входы интегрального 17 и пропорци- 40 онального 16 регуляторов (фиг.2).

Выходные сигналы регуляторов 16 и

17 суммируются в сумматоре 18, Выходной сигнал сумматора 18, являющийся сигналом задания по току контура ре- 45 гулирования тока, подается на третий вход сумматора 19. На первый вход сумматора 19 подается сигнал i с выхода датчика 6 тока. На второй вход сумматора 19 подается сигнал вычис- 50 ленного статического момента М на валу двигателя l. Сигнал с выхода сумматора 19 Через пропорционально-интегральный регулятор 20 тока подается на вход широтно»импульсного 55 преобразователя 21. Выходной сигнал преобразователя 21 поступает на выход усилителя 7 и далее через датРабота блока 12 динамической коррекции протекает следующим образом, Сигнал, пропорциональный току якоря i< электродвигателя постоянного тока, снимается с информационного выхода датчика 6 тока и подается на первый вход 32 блока динамической коррекции, при этом ключи 38 и 39 находятся в разомкнутом, а ключ 40 в замкнутом состоянии. Вычисление мгнол венного значения р скорости вращения вала ДПТ я (фиг.6) осуществляется интгератором на первом операционном усилителе 43, на основании данных о токе якоря и моменте нагрузки электродвигателя. Вычисление осуществляется на основании известного дифференциального уравнения, характеризующего работу электродвигателя, причем величина постоянной интегратора

Т, определяемая значениями параметров резистора 37 и емкости 42, равна паспортному значению механической постоянной Т,л электродвигателя, Короткий импульс напряжения U<, поступающий с выхода блока 13 на третий вход 33 блока 12, во-первых, подается на вход 46 элемента 47 выборки-хранения и управляет его работой; импульс U "разрешает" запись в элементе 47 вычисленного значения л скорости ы ; во-вторых, импульс U поступает на вход формирователя 44 импульсов, который вырабатывает короткий импульс U по спаду импульса U, .

Импульс U в свою очередь управляет работой ключей 38-40.

В течение времени существования импульса N ключи 38-40 под действием импульса Я перевод> тся соответственно в замкнутое и разомкнутое состояния, таким образом, в блоке 12 динамической коррекции образуется цепь (второй вход 31, резистор 36, з. » нутие ключи 38 и 39, резистор 41, г 11,>.сатор 42 и операционный усили"-е.1b 43) для коррекции вычисленного л значения мгновенной скорости до точного ее значения, подаваемого на второй вход 31 блока 12 с выхода блока 11. Таким образом, значение вычисленной мгновенной скорости корректируется до величины точного ее значения

1405025

V, полученного в блоке 10 цифрового измерения скорости. Значение вычисляемой мгновенной скорости + корректируется до величины 7 в течение

5 существования импульса U . .Постоянная времени Г, с которой протекает коррекция, определяется параметрами резистора 41 и конденсатора 42.

В момент окончания импульса U 10 ключи 38-40 возвращаются в исходное состояние — соответственно разомкнутое и замкнутое, и блок 12 переходит в режим вычисления мгновенной ско,л рости а на основании данных о токе якоря и с учетом введенных данных об измеренном в цифровом измерителе значения скорости. Следующий импульс

U осуществляет очередную коррекцию л вычисляемо го значения скорости у до величины истинного значения V u т.д.

Такая коррекция вычисляемого значения мгновенной скорости позволяет существенно снизить динамические 25 ошибки блока 12, обусловленные отличием заложенного значения в блок 12 постоянной Т, электродвигателя от ее истинного значения Т .

Учет статического момента сопротив-30 ления Мс на валу электродвигателя (фиг.6), вызывающего изменение в ускорении, осуществляется при вычислел нии мгновенного значения я путем выA числения величины М неизмеряемого момента сопротивления Мс„на валу элект. родвигателя. Вычисление М происходит с в блоке вычисления статического момента, построенного на элементе 47 выбор ки-хранения и интеграторе, выполненном,0 на третьем операционном усилителе 54 и конденсаторе 53. На вход интегратора через резистор 49 подается измеренное на предыдущем цикле измерения значение V, через резистор 50 - измерен-5

4 йое с помощью элемента 47 выборки-хранения (являющегося моделью цифрового измерителя скорости) значение V выл числяемого сигнала скорости (й .

Измерение вычисляемого значения мгновенной скорости элементом 47 осуществляется под действием импульсов

U поступающих на третий вход 33 блока 12 и далее на вход 46 элемента 47 выборки-хранения из блока 13 и предшествующих по времени импульсам U (фиг.6).

Разность между значениями Vy и Чо в начальный момент вычисления пропорциональна статическому моменту сопротивления, она убывает по мере того, как значение вычисленного момента сопл ротивления М на выходе второго инс тегратора и подаваемого на вход операционного усилителя 43 через резистор 591 стремится к величине, пропорциональной истинному значению момента сопротивления M, при этом вычисляес л мое значение мгновенной скорости ы стремится к истинному значению мгновенной скорости (фиг.6.).

Таким образом, в установившемся режиме, характеризуемом постоянством статического момента сопротивления на валу электродвигателя 1, так как

Mo = const, блок 12 динамической коррекции на основании данных о мгновенных значениях тока якоря ДПТ и дискретно вычисленных в цифровом измерителе значениях скорости > формирует сигнал, пропорциональный мгновенному значению скорости вращения вала электродвигателя 1.

Блок 12 динамической коррекции является по своей структуре замкнутой дискретной системой, устойчивость которой, а также время переходных процессов (время вычисления неизмерял емого статического момента М ) обеспечивается соответствующим выбором параметров резисторов 48 — 51 и емкости конденсатора 53. Эквивалентная структурная схема блока 12 соответствует дискретной системе второго порядка и, следовательно, время переходных процессов (время вычисления неизмеряемого статического момента Мс) при соответствующем выборе параметров вышеуказанных элементов может быть равно двум циклам измерения скорости цифровым измерителем и является минимально возможным для данной структуры блока 12.

Наличие информации о статическом моменте в блоке 12 позволяет существенно улучшить динамические характеристики электропривода в режиме реверса на нижней границе диапазона регулирования скоростей. Это достигается тем, что сигнал, пропорциональный статическому моменту сопротивления, снимаемый с второго выхода 35 блока 12, подается на вход контура тока (четвертый вход блока 7), суммируется с выходным сигналом регулятора скорости и, тем самым, обеспе1405025

10 тгивается уменьшение времени реверса системе.

Фо р мул а и э о б р е т ения

1. Цифроаналоговая следящая сисема, содержагцая усилитель-регулятор, лок динамической коррекции, цифроналоговый преобразователь, электровигатель, на выходном валу которого становлен фазовращатель, информацинный электрический вход которого оединен с выходом фильтра подключеного входом к первому выходу делитея частоты, второй выход которого одключен к первому входу фазового искриминатора, а вход — к первому

ыходу генератора импульсов, второй

ыход которого подключен к первому ходу цифрового сдвигающего блока, торой вход которого подключен к

ыходу фазовращателя, второй выход ифрового сдвигающего блока подлючен к второму входу фазового 25 искриминатора, а первый выход — к актовому входу блока цифрового изерения скорости, счетный вход кото=

oro подключен к третьему выходу ге-. ератора импульсов, первьгй выход лока динамической коррекции подклю-ен к первому входу первого аналогов ого устройства сравнения, второй ход которого подключен к выходу т азового дискриминатора, а выход— первому входу усилителя-регулятора,.

ыход которого подключен к входу альванически развязывающего датчиа тока, первый силовой выход которо.го подключен к входу электроцвигате 1 я, а второй информационный выход — к

11ервому входу блока динамической корр екции и второму входу усилителярегулятора, выход цифроаналогового г реобразователя подключен к второму в ходу блока динамической коррекции, 0 т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с, целью повышения быстродействия, с татической точности регулирования и устойчивости работы системы, в в ее введены второе аналоговое устрой50 ство сравнения и блок памяти, вход которого подключен к выходу блока п ифрового измерения скорости, а выход — к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу второго аналогового устройства сравнения, второй в 1од которого подключен к выходу фазового дискриминатора, а выход — к третьему входу усилителя-регулятора, четвертыи вход которого подключен к второму выходу блока,цинамической коррекции, третий вход которого подключен к первому выходу цифрового сцвигающего блока.

2. Система по п.1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что блок динамической коррекции содержит четыре операционных усилителя, элемент выборки-хранения, формирователь импульсов,, три управляемых ключа, двенадцать масштабных резисторов, два накопительных конденсатора, причем первый вход блока динамической коррек:1игг тгереs второй масштабный резистор соеди тен с входом I регг.eI 0 yïpIÁ.IÿeûÎÃÎ к;1:Оча, пОдключенного выходом к входу первого Огерапионного усилителя, второй вход блока

Д;.Н1ОI.ILIñIee;

ВХОтт J .ТОРОГО ОПЕPаЦИОБНОГО !C: тпггтЕ" ля и через шестой масштабный резистор -- к входу третьего опсраг,ионного усилителя, -..ретий Lõîä блока динамической коррекции подкл:очен к входу управления элемента выборкихранения и через формирователь импульсов — к управляющим входам перво"о, второго и третьего управляемых ключей, первый выход блока динамической коррекции подключен к выходу первого операционного усилителя,. подключенного через первый накопительный конденсатор и последовательно соединенные третий масштабный резистор и второй управляемый ключ к входу первого операционного усилителя, а непосредственно — к информационному входу элемента выборки-хранения, выход которого через пятый масштабньпг резистор подключен к входу второго операционного усилителя, а через седьмой масштабный резистор — к входу третьего операционного усилителя, второй выход блока динамической коррекции подключен к выходу третьего операционного усилителя, поцключенного через десятый масштабный резистор к входу четвертого операционного усили12

1405025

Фие. Я теля, а через второй накопительный конденсатор — к входу третьего опе- . . рационного усилителя, выход второго операционного усилителя через восьмой масштабный резистор подключен к входу второго операционного усилителя, через девятый масштабный резистор— к входу четвертого операционного усилителя, выход которого через одиннадцатый масштабный резистор подключен к входу четвертого операционного усилителя и через двенадцатый масштабный резистор - к входу третьего управляемого ключа.

1405025 дих. Я

8м . 1

3 Ригх

JIII и г /т

1405025

Составитель Е. Власов

Редактор В.Бугренкова Техред А.Кравчук

Корректор В.Бутяга

Заказ 3104/52 Тираж 866

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

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