Следящая система

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК П 05 В 11 14 ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1, Авторское свидетельство СССР 9 237228, кл. С, 05 В 11/141968.2 Авторское свидетельство СССР 9 547726, кл. Я 05 В 11/01, 1975.3. Авторское свидетельство СССР В 585474, кл. С 05 В 11/14,.1975 (прототип).(54)(57) СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА, содержащая последовательно соединенные блок задания программы и триггер, последовательно соединенные задатчик, блок сравнения, пороговый блок и первый логический блок, последовательно соединенные коммутатор и шаговый двигатель, механически соединенный выходом с входами датчика шагов и объекта регулирования, выход посдеднего механически соединен с входом датчика регулируемой коорди-наты, соединенного выходом с вторым входом блока сравнения, первый выход,801081622 датчика шагов соединен с входом бло ка задания программы и вторым входом триггера, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и помехоустойчивости системю, в ней дополнительно установлены второй и третий логические блоки,.широтно-импульсный модулятор и блок выделения модуля, входом соединенный с выходом блока сравнения, а выходом через широтно- импульсный модулятор - с первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу порогового блока, а третий и четвертый входы - к выходам соответственно второго и третьего логических блоков, которыеР первыми входами подключены к выходу триггера, вторыми входами - соответственно к первому и второму выходам первого логического блока, а треть- . ими входами - соответствейно к третьему и четвертому выходам датчика ша- Я гов, первый и второй выходы которо- . го соединены соответственнос вторым и третьим входами первого логического блока.1081622 0 Х Фиг.Р НИИПИ Заказ 1550/43 Тираж 842 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. ПроеткнИзобретение относится к системамавтоматического упранления и можетбыть .использовано н автоматическихизмерительных приборах, автоматизированном электроприноде при измерении, контроле и регулировании различных параметров, н станках с программным управлением, робототехнических комплексах и т.д,Известна следящая система, содер.жащая последовательно соединенные 10блок сравнения, усилитель, блок управления и шаговый двигатель, атакже блок управления скоростью,вход которого соединен с выходомусилителя, а выход - с входом блокасравнения 11.Недостатками такой следящей системы являются наличие статическойошибки, потому что шаговый двигатель работает в пошаговом режиме,.ограниченное быстродействие и возможность сбоя шагового двигателяпри резких изменениях задающего воздействия.Известна также следящая система,содержащая измеритель рассогласования, выход которого соединен с входом порогового устройства, триггер,перный и второй элементы И,первыйэлемент ИЛИ, распределитель импульсон, ключ, усилитель мощности, выходкоторого соединен с входом шаговогодвигателя, который через исполнительный механизм соединен с входомизмерителя рассогласования и черездатчик шагов с первым входом дноич- З 5ного счетчика, второй вход которогочерез третий элемент И соединен свыходом генератора импульсов, четвертый элемент И, второй и третийэлементы ИЛИ, первый и второй зле 40менты НЕ н логический блок, входыкоторого соединены соответственнос выходами распределителя импульсов, второго и третьего элементовИЛИ и четвертого элемента И, а выход - с входом усилителя, выходыпорогового устройства соединены ссоответствующими входами первого элемента ИЛИ и триггера, выходы которого соединены с соответствующимивходами распределителя импульсов,первый вход. первого элемента И соединен с первым выходом триггера,а выход - с первым входом третьего элемента ИЛИ, втоРой входкоторого соединен с первым выходом порогового устройства, первый вход второго элемента И соединен с нт-рым входом триггера, а выход - с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого ссре 60динен с вторым выходом пороговогоустройства, вход первого элементаНЕ соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый выход - с вторымивходами первого и второго элементов 65 И и первым нходом четвертого элемента И, второй вход которого соеди.нен с входом второго элемента НЕ ивыходом двоичного счетчика, а выход - с управляющим входом ключа,вход которого соединен е выходом датчика шагов, а выход - с входом распределителя импульсов, выход второго элемента НЕ соединен с третьими входами первого и второго элементов И и втсРым входом третьегоэлемента И 21.Недостатками такой системы являются наличие статической ошибки обусловленной включением порогового устройства с тремя устойчивыми уровнями и с зоной нечувстнительности впрямой канал регулирования системы,низкая помехоустойчивость вследствиеприменения импульсного датчика шагов,низкое быстродействие из-за ограничения максимальной скорости системыскоростью холостого хода шаговогодвигателя при его нейтральной коммутации,Наиболее близкой по техническойсущности является следящая система,содержащая блок сравнения, к первому и второму входам которого подклю.чены соответственно задатчик и датчик регулируемой величины, блок усилителей, выходы которого соединенысоответственно с входами блока определения знака скорости и с обмотка-ми управления шагового двигателя,который механически соединен с датчиком шагов и через объект регулирования с датчиком регулируемой величины, коммутатор, один из входовкоторого подключен соотнетственнок выходам датчика шагов и входам блока усилителей, блок задания программы и логический блок, первые входыкоторых подключены к выходу блокасравнения, первый, второй и третийвыходы блока задания программы соединены соответственно с вторым,третьим и четвертым входами логичес.кого блока, к пятому и шестому входам которого подключены соответственно выходы блока определения знака скорости, первый, второй и третийвыходы логического блока соединенысоответственно с другими входамикоммутатора, четвертый выход логического блока подключен к второмувходу блока задания программы, кдругим входам которого подключенысоответственно выходы датчика шагов,причем логический блок содержит пороговый элемент, вход которого подключен к первому входу логическогоблока, первый и второй выходы порогоного элемента соединены соответственно с первым и вторыми входамипервого элемента ИЛИ и триггера, первый выход соединен с первыми входами четвертого, пятого и шестого элементов И, второй вход логическогоблока соединен с вторыми входамитретьего и пятого элементов И, третий вход - с вторыми входами второгси шестого элементов И, четвертыйвход - с первым входом седьмого элемента И, пятый вход - с вторым входом четвертого и с третьими входами второго и третьего элементов И,и шестой вход - с вторым входом первого и с третьими входами пятого и Ошестого элементов И, выход первогоэлемента ИЛИ соединен с четвертымвыходом логического блока и черезпервый элемент НЕ с вторым входомседьмого элемента И, выход которого 15подключен к третьему выходу логического блока и через второй элемент.НЕ к третьим входам первогои четвертого и к четвертым входамвторого, третьего, пятого и шестого элементов И, выходы первого,второго и пятого элементов И через,второй элемент ИЛИ подключены к первому выходу логического блока, квторому выходу которого через третийэлемент ИЛИ подключены выходы третьего, четвертого и шестого элементовИ, а блок задания программы содержит нуль-орган, первый вход которого через. усилитель соединен с первым входом блока задания. программы,второй вход которого через дифференцирующую цепь подключен к первомувходу первого элемента И, выход которого соединен с первыми входамипервого и второго элементов ИЛИ, к35второму входу первого из которыхчерез элемент задержки подкЛючен выход третьего элемента ИЛИ, выходпервого элемента ИЛИ соединен с первым входом счетчика и через первый 40генератор развертки с входами первого и второго пороговых элементов,первый и второй выходы первого порогового элемента подключены соответственно к первым входам второго и 45третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно с вторым входом второго элемента ИЛИ ис первым входом триггера, к второму входу которого подключен выходвторого элемента ИЛИ, выход нуль-органа соединен с выходом формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу. счетчика ичерез второй генератор разверткик второму входу нуль-органа, выходсчетчика через преобразователь коданалог соединен с вторым входом пЕрвого порогового элемента, другие вхсды блока задания программы подключены соответственнок входам третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторыми и третьими входамивторого и третьего элементов И, апервые и вторые выходы триггера ивторого порогового элемента соедине 65 ны соответственно с первым, вторым,третьим выходами блока заданияпрограммы и с вторым входом первогоэлемента И 31.Недостатками известной системыявляются ее низкие точность, помехоустойчивость и быстродействие.Целью изобретения является повышение точности, помехоустойчивостии быстродействия следящей системы.Поставленная цель достигаетсятем, что в следящей системе, содержащей последовательно соединенныеблок задания программы и триггер,последоватЕльно соединенные задатчик, блок сравнения, пороговый блоки первый логический блок, последовательно соединенные коммутатор и шаговый двигатель, механически .соединенный выходом с входами датчика шагов и объекта регулирования, выходпоследнего механически соединен свходом датчика регулируемой координаты, соединенного выходом с вторымвходом блока сравнения, первый выход датчика шагов соединен с входомблока задания программы и вторым входом триггера, дополнительно установлены второй и третий логические блоки, широтно-импульсный модулятор иблок выделения модуля, входом соединенный с выходом блока сравнения,а выходом через широтно-импульсныймодулятор - с первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу порогового блока,а третий и четвертый входы - к выходам соответственно второго и третьего логических блоков, которые первыми входами подключены к выходутриггера, вторыми входами - соответ.ственно к первому и второму выходампервого логического блока, а третьими входами - еоответственно к третьему и четвертому выходам датчика шагов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми третьим входами первого логического блока.На фиг. 1 представлена функциональная схема системы; на фиг2принципиальная электрическая схемашагового двигателя с датчиком шагов; на фиг, 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу бесконтактного привода постоянного тока; нафиг. 5 и б - механические и регулировочные характеристики бесконтактного привода постоянного тока; нафиг. 7 - временная диаграмма, поясняющая работу следяющей системыв целом,Система включает блок 1 сравнения, блок 2 выделения модуля, широтно-импульсный модулятор 3, пороговый блок 4, бесконтактный привод 5постоянного тока, логический элемент б, первый и второй элементын 7 и 8, первый, второй, третий иетвертый элементы И 9-12, усилитель 13 мощности, шаговый двигатель 14 с ротором 15 и обмотками 16управления, датчик 17 шагов с кодовым диском 18 и чувствительными эле 5ментами 19-22, объект 23 регулировавания, датчик 24 регулируемой координаты, первый, второй и третий логические блоки 25-27, блок 28 задания программы, высокочастотный генератор 29 импульсов, элемент ЗАПРЕТ30, двоичный счетчик 31, триггер 32,задатчик 33, коммутатор 34,На фиг. 2-7 обозначено задающеевоздействие Озд, угол 6 поворота 15ротора 15, регулируемая координатаЯ на выходе объекта 23 регулировьхвания, скорость Я и вращающий момент М шагового двигателя 14 в абсолютных единицах, угол У коммутациискорость ш и вращающий момент о.шагового двигателя 14, в относительныхединицах, сигнал О". на 1-м выходе1-го Функционального блока, текущеевремя 6, коэффициент б заполненияпри широтно-импульсной модуляции,Блок 1 сравнения определяет разность между задающим воздействиемО с, и значением регулируемой коордййаты й ц, измеряемым датчиком 24регулируемой координаты, и формирует зту разность в виде напряженияпостоянного тока. Блок 2 выделениямодуля имеет характеристикуи,приит,О,Ог = -О, при О( О,35т,е, и -- О ,Блок 28 задания программы имеетрелейную характеристику Широтно-импульсный модулятор 3преобразует сигнал в последовательность положительных прямоугольных умпульсов, коэффициент заполнения Екоторой прямой пропорционален величине напряжения 02 . Пороговый блок 4имеет два устойчивых состояния иформирует логический сигнал в соответствии с выражением:О 1, при О 1 т, О,4 0, при О с О,Бесконтактный привод постоянноготока 5 содержит в своемсоставе ком-,мутатор 34, шаговый двигатель 14,датчик 17 шагов, первый, второй,третий логические блоки 25-27 итриггер 32, В свою очередь коммута-тор 34 состоит из логического элеЪмента б, элементов НЕ 7 и 8 и элементов И 9-12 и усилителя 13 мощности, Причем логический элемент б ком.мутатора 34 преобразует выходныесигналы второго и третьего логических блоков 26 и 27 в зависимости от 60значения выходного сигнала О порогового блока 4 по следующим переклю,чательным функциямО:О О ч О О 26 6 4 гт 4 гт 65 Полученные на выходе логического элемента 6 сигналы О и 0 спомощью элементов НЕ 7 и 8 и элементов И 9-12 преобразуются в широтно-импульсно-модулированные сигналыуправления, который после усиленияих усилителем мощности 13 переключают обмотки 16 управления шаговогодвигателя 14. Для простоты изложения в качестве примера рассматривается шаговый двигатель 14, имеющийна роторе 15 ону пару полюсов и настаторе четыре обмотки 16 управления. Если шаговый двигатель 14 имеет ротор 15 с несколькими парамиполюсов, то изменяется соответствующим образом конфигурация кодовогодиска 18, причем количество выступов на нем делается равным числу парполюсов ротора 15. Датчик 17 шаговсостоит из подвижного кодового диска 18, жестко связанного с ротором15, и неподвижных чувствительных элементов 19-22, например, фотоэлектрического типа.Если. кодовый диск 18 перекрываетсветовой поток данного чувствительного элемента 19 (или 20, или 21или 22 ), то его выходной сигнал Оравен нулю, в противном случаеединице,Расположение чувствительных элементов 19-22 относительно обмоток 16управления и кодового диска 18 относительно ротора 15 должно быть та-фким, как показано на Фиг, 3, При таком расположении сигналы От, О 1чувствительных элементов 19 и 20 можно непосредственно использовать дляуправления шаговым двигателем, 14 врежиме нейтральной коммутации, Длясоздания сигналов управления в режимеопережающей коммутации сигналы Оп,3О чувствительных элементов 21 и 22нуждаются в предварительном преобразовании. При этом в первом логическом блоке 25 они преобразуются всоответствии с переключательнымифункциями 4 ОМт ч О 1 т25 ФО 1 т 4 тВ зависимости от выходного сигнала О триггера 32 второй и третий логические элементы 26 и 27 подключают к входам логического элемента 6 коммутатора 34 либо выходные сигналы чувствительных элементов 19 и 20, ли бо выходные сигналы первого логического элемента 25 в соответствии с переключающими функциями 0- ч 0 и",О =О ОгчО О 26 32 1 т 32 25 гт Зг л Зг 210 15 р=Е (о,Я 2 65 1, при ) Я ( - Я23 0, при )Я 1 т 2,где Я - некоторое пороговое значение скорости шагового двигателя 14,построен на основе принципа заполнения временного интервала импульсами высокой частоты и по своемуконструктивному составу он аналогичен блоку измерения скорости известной следящей системы.Триггер 32 преобразует импульс- .ный выходной сигнал блока 28 задания программы в потенциальный.Следящая система работает сле. дующим образом.Вначале рассмотрим работу бескон.тактного привода постоянного тока 5при отсутствии широтно-импульсной .модуляции, т,е. при (03 -- 12,Работа бесконтактного привода 5постоянного тока в режиме нейтральной коммутации (т.е. при М =02 и врежиме опережающей коммутации (т,е,при-. М =45 ф 2 поясняется временнымидиаграммами, приведенными на фиг,3и 4 соответственно, Угол коммутацииоср" 90 ф где у - угол поворота вектора поля статора; Вр -среднее эа период коммутации значение угла поворота ротора 15. Пусковой момент шагового двигателя 14 пропорционален 51 п( у Как видно из диаграмм (фиг, 3и 42 среднее значение пускового момента при ч=0 больше, чем при1=45 , но по мере увеличения скорости шагового двигателя 14 это соотношение изменяется на противоположное за счет постоянной времени обмоток 16 управления шагового двигателя 14. Это подтверждается уравнением механической характеристикишагового двигателя 14 в режиме бесконтактного двигателя постоянного.тока, которое в относительных единицах может быть записано в виде с 091+ш(х(Ч ) 54 пУ-и с =М 2 2где- внутреннее демпфирование шагового двигателя 14;В - безразмерная постоянная времени обмоток 16 управления;2,ц - безразмерный коэффициент;Ю - угол коммутации;ш - скорость шагового двигателя14 в относительных единицах.Пользуясь этим уравнением, можно построить механические характеристики бесконтактного привода постоянного тока 5 при угле коммутации М=О и Ч =45 (фиг.5 ). Таким образом, если в укаэанном приводе осуществлять переключение угла коммутации при достижении относительной скорости Ф, то результирующая механически характеристика будет иметь значение пускового момента, соответствующее нейтральной коммутации, а значение скорости холостого хода ,опережающей. Величина ш легко находится иэ приведенного выше уравнения и составляет Если же О представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения 8, то механическая характерис .тика шагового двигателя 14 имеет вид Регулировочные характеристикисистемы в этом случае имеют вид,указанный на фиг,бПоскольку в данной системе подключение выходных сигналов логических элементов 25-27 к входам коммутатора 34 определяется программой,заданной в блоке 28 задания программы, то рассмотрим более подробноработу этого блока. На вход блока 28.задания программы поступает сигнал 30 с выхода чувствительного элемента 22датчика 17 шагов в виде последовательности прямоугольных импульсов.При поступлении очередного импульса двоичный счетчик 31 устанавлива ется в нулевое положение, Впауземежду импульсами сигнал установкидвоичного счетчика 31 снят и производится счет импульсов генератора29, поступающий на счетный вход дво ичного счетчика 31 через элементЗАПРЕТ 30. Счет импульсов происходит до тех пор, пока на выходе двоичного счетчика 31 не возникнеТ, сигналпереноса и не запретит дальнейшее 45 прохождение импульсов через элементЗАПРЕТ 30.либо до прихода следующе.го импульса на вход блока 28 задания программы. В первом случае передним фронтом этого импульса в триггер32 запишется потенциал логическойединицы, свидетельствующий о том,что пауза между импульсами велика,т.е. )Я 2 4 йп, во втором случае запишется потенциал логического нуля.Работа следящей системы при синусоидальном и скачкообразном задающих воздействиях О д поясняетсявременной диаграммой, приведеннойна фиг.7. Система при скачкообразномзадающем воздействии работает сле дующим образом. В первом временноминтервале 11- С блок 1 сравнениявырабатывает большой положительныйсигнал рассогласования 01 , который через блок 2 выделения модуля посту.пает на вход широтно-импульсного мо.(Ц =1 ). Пороговый блок 4 определяет.требуемое направление перемещения,и бесконтактный привод 5 постоянноготока начинает разгоняться при нейтральной коммутации, В момент времени 1 скорость привода Я достигаетзначения Я, и триггер 32 вырабаты.вает сигнал перехода на опережающуюкоммутацию М 1 =О ). Дальнейший разгон шагового двигателя 14 происходит на опережающей коммутации. Приподходе к согласованному положениюширотно-импульсный модулятор 3 переходит из эоны насыщения в линейную зону, сигнал 03 становится последовательностью импульсов, пропорционально скважности которой уменьшается вращающий .момент шаговогодвигателя 14 и в системе начинается процесс торможения. В момент времени 1 сигнал рассогласованияО на выходе блока 1 сравнения изменяет знак, сигнал 04 на выходепорогового блока 4 становится равным нулю, и бесконтактный привод постоянного тока 5 переходит в режим торможения противоключением. Начиная с момента временибесконтактный привод постоянного тока 5 переходит в режим нейтральной коммутации, и дальнейший 5 процесс отработки происходит наэтой коммутации. Процесс отработки синусоидального сигнала происходит аналогичным образом фиг. 7 и в дополнительных пояснениях не 10 нуждается.Указанные отличительные особенности предлагаемой следящей системы позволяют более полно использовать энергетические воэможности шагово го двигателя за счет переключенияугла коммутации:и тем самым увеличить быстродействие системы в 2-5 раз, в .зависимости от типа применя.емого шагового двигателя, повысить не менее, чем в два раза ее статическую точность и.примерно в восемь раз повысить помехоустойчивость по сравнению с известной системой; Все зто, в конечном счете, ведет к повышению производительности оборудования и улучшению качества продукции.