Цифроаналоговая следящая система

.А,Толм 1983.СИСТЕМАавтомаГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 4093204/24-2428.07.8623.06.88, Бил. Р 23Ленинградский институт2 ики и оптикиА.И,Игнатченко, В.В.Крискарев, В.А.Синицын,В.С.Томасов62.50 (088.8)(56) Авторское свидетельство СССР Кф 750434, кл. С 05 В 11/26, 1978.Авторское свидетельство СССР 9 1154652, кл. С 05 В 11/26,(54) ЦИФРОАНАЛОГОВАЯ СЛЕДЯЩАЯ (57) Изобретение относится ктике и предназначено для использования в системах с числовым программным управлением и с электродвигателем постоянного тока беэ тахогенератора. Целью изобретения является повыпгение быстродействия, статическойточности регулирования и устойчивости работы системы. Система содержитэлектродвигатель 1, фазовращатель г,фильтр 3, делитель частоты 4, генератор импульсов 5, гальванически развязывающий датчик тока 6, усилительрегулятор 7, аналоговые устройствасравнения 8,14, фазовый дискриминато9, блок цифрового измерения скорости10, цифроаналоговый преобразователь11, блок динамической коррекции 12,цифровой сдвигающий блок 13, блокпамяти 15. Введением в систему устройства сравнения 14,блока памяти 15и выполнением определенным образомблока динамической коррекции 12 достигается расширение полосы пропускания системы и улучшение ее динамических характеристик, 1 з.п. ф-лы,7 ил.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. 10На фиг.1 показана структурная схема цифроаналоговой системы; на фиг.2 - функциональная схема усилителя; на фиг.З - 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.6 - временные ди= ,аграммы, иллюстрирующие работу блока 20 динамической коррекции;, на Фиг.7 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу цифрового измерителя скорости,.Система содержит электродвига тель 1,постоянного тока, Фазовращатель 2, фильтр 3, делитель 4 частоты, генератор 5 импульсов, гальвани- чески 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 соцержит (фиг.2) пропорциональный регулятор 16, интегральный регулятор 17 первый сумматорвторой сумматор. 19, пропорционально- интегральный регулятор 20 и широтночмпульсный преобразователь 21.Блок 10 цифрового измерителя скорости (фиг,З)имеет три входа и одинвыход. 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 подключен55 к выходу счетчика 22. Выход сумматора является выходом блока 1 О цифрового измерителя скорости. Цифровой сдвигающий блок 13 фиг.4 имеет три входа и два выхода. Он содержит логический элемент И 25, формирователь 26 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 второй 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 накопитель 1 ый конденсатор 42, пер" вый операционный усилитель 43, формирователь 44 импульсов, информационный вход 45 элемента выборки-хранения, вход 46 управления элемента вы" борки-хранения, элемент 47 выборки- хранения, 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 5 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).Система работает следующим образом.На вход задания цифрового сдвигающего блока 13 подается кодовая ком 5 бинация И , соответствующая заданному углу поворота двигател 1 (фиг.1). Комбинация И поступает на входы цифрового компаратора 29 (фиг.4), на другие входы которого подается кодовая ком 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 рого изменяется относительно входного напряжения в функции угла поворота вала Фазовращателя. Выходное напряжение фазовращателя 2 подается на вход цифрового сдвигающего блока 13 и далее - на вход формирователя 26 импульсов (фиг.4), На выходе формирователя 26 Формируются короткие импульсы в моменты времени, соответствующие переходу выходного напряжения Фазовраща.35 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 Б на выходе циФрового45 компаратора 29 появляется короткий импульс, который переводит триггер 27 в другое устойчивое состояние. При этом счетчик 28 обнуляется, а элемент И "закрывается", прекращая 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 черезноль (из минуса в плюс). Фазовыйсдвиг между импульсами, поступающимина входы фазового дискриминатора 9,соответствуют рассогласованию междузаданным положением вала двигателяИ, и его текущим положением. Величина и знак выходного напряжения Фазового дискриминатора 9 соответствуютошибке по углу цифроаналоговой следящей системы,Работа блока 10 цифрового измерения скорости при постоянном ускорении поясняется графиками на Фиг.,где Т - период следования импульсовОформирователя при нулевой скоростивращения вала электродвигателя; Т,период следования импульсов Формирователя при вращении вала электродвигателя; о - вес младшего разрядацифроаналогового преобразователя.Счетчик 22 подсчитывает количество импульсов генератора 5 опорнойчастоты за время, соответствующеепериоду Т следования импульсов формирователя 26. В момент прихода импульса от формирователя 26 происходитзапись информации с выходов счетчиков 22 в блок 23 памяти. Счетчик 22обнуляется по спаду импульса Формирователя 26.В состоянии покоя период Т следования импульсов постоянен и счетчик22 насчитывает постоянное число Бгосопя.Кодовая комбинация И, соответствуетколичеству импульсов, поступающих свыхода генератора 5 на вход блока10, подсчитанных счетчиком 22 блока10 цифрового измерения за время Т,.Период Т следования импульсов форомирователя 26 соответствует нулевойскорости вращения вала фазовращателя 2. При вращении вала двигателя число на выходе счетчика В становится больше или меньше М (в зависимости от направления вращения вала двигателя), и на выходе цифрового сумматора 24 образуется кодовая комбинация М = Б - Б, являющаяся цифровым эквивалентом скорости вращения вала двигателя, С выходов сумматора 24 число Б поступает на вход 15 памяти. КоЯдовая комбинация И нелинейно зависит от частоты вращения вала двигателя в соответствии с выражениемТ -Т. 60и=- ---Т Т К 1405025чик б тока на электродвигатель 1.Вал двигателя 1 поворачивается на заданный угол, соответствующий Нгде и - частота вращения вала двигателя;К - коэффициент электрическойредукции фазовращателя.Блок 15 служит для линеаризации сигнала по скорости блока 1 О цифро Ового измерения скорости. Блок 15 представляет собой состояние запоминающее (ПЗУ), в котором каждой , кодовой комбинации И ,.поступающей : на его входы, соответствует выход , ная кодовая комбинация Н . Причем , Б линейно зависит от частоты вра щения вала двигателя и. Выходнаякомбинация блока 15 памяти поступа-ет на вход цифроаналогового преобразователя 11 на выходе которого обФразуется аналоговое напряжение +соответствующее скорости вращения ; вала двигателя. Напряжение +0 пода ется на второй вход блока 12 динами :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 ;ленной скорости двигателя. Сигналы свыходов аналоговых устройств 8 и 14сравнения подаются соответственно на входы 1 и 3 усилителя 7 и далеена входы интегрального 17 и пропорци онального 1 б регуляторов (фиг.2).Выходные сигналы регуляторов 16 и 17 суммируются в сумматоре 18, Выходной сигнал сумматора 18, являющийся сигналом задания по току контура ре гулирования тока, подается на третий вход сумматора 19. На первый вход сумматора 19 подается сигнал 1 с выхода датчика 6 тока. На второй вход сумматора 19 подается сигнал вычис ленного статического момента Мна валу двигателя 1. 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 якоряэлектродвигателя 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 мгнолвенного значения р скорости вращения вала ДПТ и (Фиг.б) 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 значениямипараметров резистора 37 и емкости 42, равна паспортному значению механической постоянной Т,л электродвигателя,Короткий импульс напряжения П, 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 1 "разрешает" запись в элементе 47 вычисленного значения скорости ы ; во-вторых, импульс 1 поступает на вход формирователя 44 импульсов, который вырабатывает короткий импульс 11 по спаду импульса 1, . Импульс П в свою очередь управляет работой ключей 38-40. В течение времени существования импульса Я ключи 38-40 под действием импульса Б переводятся соответственно в замкнутое и разомкнутое состояния, таким образом, в блоке 12 динамической коррекции образуется цепь (второй вход 31, резистор 36, зам путие ключи 38 и 39, резистор 41, г 11., чкатор 42 и операционный усили- :ль 43) для коррекции вычисленноголзначения И 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 значенияЧ , полученного в блоке 10 цифрового измерения скорости. Значение вычисляемой мгновенной скорости й корректируется до величины Ч в течение5 существования импульса П . Постоянная времени Г, с которой протекает коррекция, определяется параметрами резистора 41 и конденсатора 42.В момент окончания импульса П 10 ключи 38-40 возвращаются в исходное состояние - соответственно разомкнутое и замкнутое, и блок 12 переходит в режим вычисления мгновенной ско,лрости а на основании данных о токе якоря и с учетом введенных данных об измеренном в цифровом измерителе значения скорости. Следующий импульс П осуществляет очередную коррекциюл вычисляемого значения скорости ц до 20 величины истинного значения Ч и 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 Тлл.Учет статического момента сопротив"30 ления Мс на валу электродвигателя (Фиг,б), вызывающего изменение в ускорении, осуществляется при вычислелнии мгновенного значения я путем выАчисления величины М неизмеряемого момента сопротивления Мсна валу элект родвигателя. Вычисление М происходитсв блоке вычисления статического момента, построенного на элементе 47 выборки-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 Ч,д, через резистор 50 - измерен 4 йое с помощью элемента 47 выборки-хранения (являющегося моделью цифрового измерителя скорости) значение 1,д выл числяемого сигнала скорости И .Измерение вычисляемого значения мгновенной скорости элементом 47 осуществляется под действием импульсов 11 поступающих на третий вход ЗЗ блока 12 и далее на вход 46 элемента 47 выборки-хранения из блока 13 и предшествующих по времени импульсам П (фиг.б).Разность между значениями Чл и Чо в начальный момент вычисления пропорциональна статическому моменту сопротивления, она убывает по мере того,как значение вычисленного момента соплротивления М на выходе второго инстегратора и подаваемого на вход операционного усилителя 43 через резистор 591 стремится к величине, пропорциональной истинному значению моментасопротивления М , при этом вычисляесфлмое значение мгновенной скорости ыстремится к истинному значению мгновенной скорости (Фиг.б.),Таким образом, в установившемсярежиме, характеризуемом постоянствомстатического момента сопротивленияна валу электродвигателя 1, так какМс = сопяТ, блок 12 динамическойкоррекции на основании данных о мгновенных значениях тока якоря ДПТ идискретно вычисленных в цифровомизмерителе значениях скорости Чформирует сигнал, пропорциональныймгновенному значению скорости вращения вала электродвигателя 1.Блок 12 динамической коррекцииявляется по своей структуре замкнутойдискретной системой, устойчивостькоторой, а также время переходныхпроцессов (время вычисления неизмеряемого статического момента М ) обеспечивается соответствующим выборомпараметров резисторов 48 - 51 и емкости конденсатора 53. Эквивалентнаяструктурная схема блока 12 соответствует дискретной системе второгопорядка и, следовательно, времяпереходных процессов (время вычисления неилзмеряемого статического момента Мс) при соответствующем выборепараметров вышеуказанных элементовможет быть равно двум циклам измерения скорости цифровым измерителем иявляется минимально возможным дляданной 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, обеспе 1405025 10г 1 ивается уменьшение времени реверса системе,Формула изобретения51. Цифроаналоговая следящая сисема, содержаЩая усилитель-регулятор, лок динамической коррекции, цийроналоговый преобразователь, электровигатель, на выходном валу которого становлен йазовращатель, 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 цийрового сдвигающего блока, торой вход которого подключен к ыходу фазовращателя, второй вьгход ифрового сдвигающего блока подлючен к второму входу фазового 25 искриминатора, а первый выход - к актовому входу блока цийрового изерения скорости, счетный вход кото= ого подключен к третьему выходу геератора импульсов, первый выход лока динамической коррекции подклю-. ен к первому входу первого аналогового устройства сравнения, второйход которого подключен к выходу газового дискриминатора, а выход - первому входу усилителя-регулятора,35 ыход которого подключен к входу альванически развязывающего датчиа тока, первый силовой вьгход которо" го подключен к входу электроцвигате 1 я, а второй инйормационный выход - к г 1 ервому входу блока динамической коррекции и второму входу усилителя- регулятора, выход цифроаналоговогопреобразователя подключен к второму входу блока динамической коррекции, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с, целью повышения быстродействия, статической точности регулирования и устойчивости работы системы, в вее введены второе аналоговое устрой 50 ство сравнения и блок памяти, вход которого подключен к выходу блока пифрового измерения скорости, а выход - к входу цийроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу второго аналогового устройства сравнения, второй в 1 од которого подключен к выходу фазового дискриминатора, а выход - ктретьему входу усилителя-регулятора,четвертый вход которого подключенк второму выходу блока,цинамическойкоррекции, третий вход которого подключен к первому выходу цифровогосцвигающего блока. 2. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что блок динамической коррекции содержит четыре операционных усилителя, элемент выборки-хранения, формирователь импульсов три управляемых ключа, т двенадцать масштабных резисторов, два накопительных конденсатора, причем первый вход блока ДИНаМИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИтЯ тгЕРЕЗ ВТОРОЙ ггастгабпыйт резистор соеттитеи с входом тратт.его управл 5 емого ключа, подклгоченного выходом к входу первого ОгераПт 101111010 тСгтлтгтЕЛ 5. т ВТОтРОП ВХОД ОЛОКа ДИНОМИЧЕСКОй КОРРЕКПИИ .-ТЕРЕЗ 110 СЛЕЦОВа тетьно соеди:.енные первый масштабный РЕЗИСТОт) и ГтЕРВЬ:й УГтттагэл 51 Егтзй КЛЮЧ ГготтКЛЮЧЕгт К ВХОДУ ПЕРВОГО ОПЕРаЦИОННОГО ттСИЛИТЕ 51 Я ЧЕРЕЗ ЧЕГВЕРГЫй масштабный резистор - к входу вто-:. рСГО ОггзрапиОннОГО усилителя через четвергыт:; масштабныт:. резис=оэ ВХ ОДУ В Т 0 П 0 Г 0 0 П Е Гт аЦИ 0 Б 110 Г О т Свтлгг Т Еля и через шестой масштабный резис- тОР - К ВХОДУ тРЕтЬЕГО ОПЕРаггиоигтОГО УСИЛИТЕЛЯ ТРЕТИЙ ВХОД ОЛОКЯ ДИ намической коррекции подгтл:очен к входу управления элемента выборки- хранения и через йормирователь импульсов - к управляющим входам первоГо, второго и третьего управляемых ключей, первый выход блока дьгнагттгческой коррекции подключен к выходу первого операционного усилителя,. подключенного через первый накопительный конденсатор и последовательно соединеннъге третий масштабный резистор и второй управляемый кгюч к входу первого операционного усилителя, а непосредственно - к информационному входу элемента выборки-хранения, выход которого через пятый масштабньй 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 усилиоперационноготеля, 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 операционногоусилителя, выход которого через одиннадцатый масштабный резистор подключен к входу четвертого операционногоусилителя и через двенадцатый масштабный резистор - к входу третьегоуправляемого ключа..Бутяга оррект 04/52 Тираж 866 Подп ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5ясное аказтаттата тает еаеааеаПроектная Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгброд