Следящая система

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ И СТИЧЕ С К ИХРЕСПУБЛИК 315 ц 5 6 05 В 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТО У СВ ЕЛЬСТВ ФЩи О и Ф(71) Казанский авиационный институт им. А.Н.Туполева(56) Беленький Ю.М., Зеленков Г,СМикеров А,Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. Л,; ЛДНТИ, 1987, с. 23.Авторское свидетельство СССР М 1278804, кл, 6 05 В 5/01, 1985,Авторское свидетельство СССР М 840789, кл. 0 05 В 5/01, 1979.(57) Изобретение относится к электромеханике, а именно к прецизионным системам управления постоянного тока с моментными вентильными электродвигателями со слежением по углу поворота, и может быть . применено в приборных системах. Цель изобретения - повышение быстродействия и точности. Поставленная цель достигаетсяГ эа счет того. что в системе реализовано оптимальное управление, полученное из условия минимума среднекеадратической ошибки при ограничении мощности потерь в обмотке якоря электродвигателя, Следящая система содержит моментный вентильный электродвигатель 1 с обмотками 2 и 3 якоря и с ротором-индуктором 4. усилители 5 и 6 мощности, датчики 7 и 8 тока, датчик 9 положения (угла поворота ротора), датчик 10 скорости (частоты вращения ротора), обьект 11 управления, сумматор 12, синусно-косинусный преобразователь 13, умножители 14 и 15, интеграторы 16 и 17, компараторы 18 и 19, ключи 20 и 21, генератор 22 тактовых импульсов, счетчик 23 импульсов, дешифратор 24, формирователь 25 импульсов, регистры 26 - 29, цифроаналоговые преобразователи 30 - ЗЗ, сумматоры 34 и 35, задатчик Зб, аналого-цифровой преобразователь 37. Положительный эффект в системе достигается как за счет схемного решения (ввода новых блоков и связей), так и за счет выбора параметрое ее блоков. 6 ил.Изобретение относится к электромеханике, а именно к прецизионным следящимсистемам постоянного тока с моментнымивентильными электродвигателями со слежением по углу поворота, и может быть применено в приборных системах и в системахавтоматического управления,Цель изобретения - повышение точности и быстродействия системы.На фиг, 1 приведена функциональнаясхема следящей системы; на фиг. 2 - графики сигналов элементов системы; на фиг, 3 и4 - графики входного, промежуточного ивыходного сигналов следящей системы прилинейном и квадратическом входных сигналах; на фиг. 5 - графики входного и промежуточного сигналов при входном сигнале ввиде кубического полинома; на Фиг.б- функциональная схема регулятора с электродвигателем постоянного тока,Следящая система (фиг. 1) содержит моментный вентильный электродвигатель 1 собмотками 2 и 3 якоря и ротором-индуктором 4, первый и второй усилители 5 и 6мощности, первый и второй датчики 7 и 8тока, датчик 9 положения, датчик 10 скорости, объект 11 управления, первый сумматор 12, синусно-косинусныйпреобразователь 13, первый и второй умножители 14 и 15,первый и второй интеграторы 16 и 17, первый и второй компараторы 18и 19, первый и второй ключи 20 и 21, генератор 22 тактовых импульсов, счетчик 23импульсов, дешифратор 24, формирователь25 импульсов, с первого по четвертый регистры 26-29; с первого по четвертый цифроаналоговые преобразователи 30 - ЗЗ,второй и третий сумматоры 34 и 35, задатчик(фиг. 6) содержит предварительный усилитель 38, усилитель 39 мощности, датчик 40тока, электродвигатель 41 постоянного токас якорем 42 и индуктором на статоре 43 ифильтр 44.На фиг. 1 и 6 приняты следующие обозначения: а, - задающее воздействие; а -регулируемая координата; а- скорость вращения; Оо - амплитуда выхоуных сигналовкомпараторов 18 и 19; 2 а, 2 а, 2 а - коэффициенты по первому, четвертому и третьемувходам первого интегратора 16; р - выходной сигнал второго интегратора 17;ф(ь) иЩъ) - выходные сигналы второго и третьегосумматоров 34 и 35; 1/а - коэффициент потретьему входу первого сумматора 12; Ро,Р 1, Р 2, Рз - коэффициенты по первому, второму, третьему и четвертому входам второгосумматора 34; со, ц, с 2 и с 1 з - коэффициенты по первому, второму, третьему и четвертому входам третьего сумматора 35; 1 п/с - .выходной сигнал первого сумматора 12; с созра и -с з 1 п ра-выходныесигналы 5 синусно-косинусного преобразователя 13;1 д и 1 в - выходные сигналы первого и второго умножителей 14 и 15: 1 д и в - выходные сигналы первого и второго датчиков 7 и 8 тока.10 В качестве датчика 9 положения и датчика 10 скорости в данной системе применяются датчик углового положения и датчик угловой скорости (т,е. частоты вращения).Следящая система работает следую щим образом.Входной сигнал следящей системы ао(т)поступает с выхода задатчика 36 в аналоговой форме на первый вход первого интегратора 16, вырабатывающего сигнал ф (ф - 20 производную от сигнала ф (с), Сигнал ф (1)поступает на первый вход второго интегратора 17, вырабатывающего. сигнал Р (е) - промежуточный сигнал следящей системы, Первый и второй интеграторы 16 и 17 охва чены обратными связями поф и фс коэффициентами 2 а и -2 а, а сигнал ао (1)поступает на первый вход первого интегратора 16 с коэффициентом 2 аг, где а = 1/741; Л - коэффициент веса в минимизируемом функци онаеч= а - а,)2+Л аг) бт,о35тгде Ч = Й(а - ао)г + Л г 1 га= см 1 пйа, Л =Лг 1 lсм;2 2,а - угол поворота ротора-индуктора 4;Т - время работы системы;с - постоянная момента электродвига.- теля 1, связывающая электромагнитный момент М с токами 1 д, 1 в синусной икосинусной фаз обмотки якоря электродвигателя 1;М=см(-1 дзп ра + 1 всозра);р - число пар полюсов электродвигате .1 - амплитуда токов обмотки якоря;3 - суммарный момент инерции ротора-индуктора 4, датчиков положения 9 искорости 10 и объекта 11 управления;г - активное сопротивление одной фазыобмотки 2 (или 3) якоря.Сигналы ао (т) и р(т) связаны уравнением:том, третьем, втором и первом регистрах 29, 28, 27 и 26 записываются в цифровой форме соответственно значения, ао (Ь), ао (Ь), ао(ъ-г), ао(Ь-З), ГДЕЪ=М 1;Ь-" Ь -т;1 - ОЗ; т - 4 тп, ги - период импульсов генератора 22 тактовых импульсов. Эти значения поступают на входы первого, второго, ; ретьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей 30 - 33, переводящие их в аналоговую форму. Сумматоры 34 и 35 выраба 1 ывают сигналы Р (Ь), ф (Ь) согласно формулам:Р - Роао (Ь)+ Р 1 ао (Ь) + Рг ао (Ь)++ цз ао (Ь-з),ГдЕ ПОСтаяННЫЕ КОЭффИцИЕНтЫ Ро, РЗ, Рг Рэ,ао, ц 1, Ф, цз определены из условия конечно-разностной аппроксимации дифференциального уравненияРаф+2 агф =2 агаопри ао (1) ир(1) в виде полиномов третьейстепени,Обратный фронт импульса с четвертоговыхода дешифратора 24 воздействует наформирователь 25 импульсов, вырабатывающий короткий импульс (фиг. 2 ж), Он поступает на управляющие входы первого ивторого ключей 20 и 21 и открывает их, Первый компаратор 18 сравнивает сигналы,о (Ь) и Р, поступающие с выходов второгосумматора 34 и первого интегратора 16, иВЫрабатЫВаЕт СИГНад + Оо,.ГдЕ Оо = СОЛЗ 1,поступающий через первый ключ 20 на второй вход первого интегратора 16. При этомпроисходит быстрое изменение сигнала Рдо значения ф (1 к), Второй компаратор 19сравнивает сигналы р (ь) и р, поступающие с выходов третьего сумматора 35 и второго интегратора 17, и вырабатываетсигнал ф. Оо, поступающий через второйключ 21 на второй вход второго интегратора17. При этом происходит быстрое изменение сигнала Р до значения Р(Ь). Коррекциясигналовр(1) ир(1) происходит с периодом т.На фиг. 2 в - е буквами а, Ь, с, б помечены моменты записи в первый, второй. третий и четвертый регистры 26, 27, 28 и 29одних значений ао.На фИГ. 3 ПрЕдетааЛЕНЫ ГрафИК ао (1)- Ь 1, полученные аналогично. Для произвольного момента времени показано, чтоСИГНаЛ Р (1) СОСтОИт. ИЗ ао И ДВУХ СЛаГаЕМЫХ2 д ао, 2 дг ао, пРопоРциональных пеРвой ивторой производным от входного сигналаао,На фиг. 5 представлен входной сигналао(1) В ВИДЕ ПОЛИНОМа тРЕтЬЕй СТЕПЕНИ И СОответствующий промежуточный сигнал Р(1).Выходной сигнал а(1) в этом случае определяется равенствома (1) = а,(1) + Аези (а 1+ф,где А и у зависят от начальных значений15 а(0)и а (О), При а(0) =ао(0)иа (О) =- ао (О) имеем а(1) =ао(1). Передаточнойфункции (5) соответствуют корни характеристического уравнения33,4 = - а + )а, эО.Коэффициенты Ро, Р 1. Р 2, Рз, (1 о, с 1, од.,рз определяются следующим образом,ПУсть фУнкции ао (1 и,В(1) аппРоксимиРУются на интервале 1 к. Ь) полиномамитретьей степени, т.е,25ао (1) = ао + а 11+ аг 12 + аэ 13; (7)Р (1) = Ьо + Ь 11 + Ь 21 + ЬЗ 1; (8)1=1- Ь. 30 ЕСЛИ ИЗВЕСТНЫ ЗНаЧЕНИя ао (1 К),ао(Ь).ао(Ь-г), ао (Ь-э), Ь = К г, то коэффициенты ао.а 1, а 2, аз могут быть определены из системы; ао =а (Ь)35 а, - а 1 т+аг 12 - а 313 =ао(Ь):а,2 а 1 т + 4 а 2 12 - 8 аэ 13 = ао (Ь -2):(12) Приравнивая в равенстве (11) коэффициенты при одинаковых степенях 1, получаем си стему уравнений;Решая совместно системы уравнений (9) и(12), получаем формулы для коэффициентовЬО,ЬЗ, ЧЕРЕЭ ЗНаЧЕНИЯ ао (Ь)ао (1 К-З):3 т 2 + 11 д т + 12 д 2Ьо - а, (ь) - 53 т 2бдт+10 д 2, 3 дт+8 дао (Ь) + ХХ ао (1 К)2 дт+бд 2ао (1 с) (13) 103 т 2 11 т 2 + 24 д т + 12 д 2Ь 1 зк ао (Ь) -3 т 2+10 дт+бдао (Ь) +Зт 2+1 бдт+12 дао (Ь) -т +бдт+бд ( ); (14)Зтз ь 2 - т+дао (1) 5 т+ 6 д ао(т ) +2 тз(18)45 Формулы (17) и (18) позволяют по известным значениям т и д определить величины Ро, Р 1, Р 2, Рз, цо, ц 1, ц 2, цз, являющиеся входными коэффициентами второго и третьего сумматоров 34 и 35.Следящая система (фиг. 6) с электродвигателем 41 постоянного тока, используемым в качестве исполнительного электродвига теля, содержит помимо первого и второго интеграторов 16 и 17, первого и второго компараторов 18 и 19, первого и второго ключей 20 и 21, генератора 22 тактовых импульсов, счетчика 23 импульсов, дешифратора 24, формирователя 25 импульсов, первого - четвертого регистров 26 - 29, первого - четвертого цифроаналоговых преобразователей 30 - 33, второго и третьего сумматоров 34 и 35, образующих фильтр 44, формирующий промежуточный сигнал р (1), предварительный усилитель 38, усилитель 39 мощности, датчик 40 тока, электродвигатель 41 постоянного тока с якорем 42 и индуктором 43 на статоре.Якорь 42 механически связан с объектом 11 управления и с датчиками положения 9 и скорости 10, выходы которых подключены к второму и третьему входам первого сумматора 12. Его выход подключен к входу предварительного усилителя 38, выход которого подключен к второму входу усилителя 39 мощности. Его выход подключен к обмотке якоря 42 через входы датчика 40 тока, выход которого подключен к первому (инвертирующему) входу усилителя 39 мощности,При таком варианте выполнения следящая система работает следующим образом.По аналоговому входному воздействию ао, поступающему с выхода задатчика 36, и по цифровому воздействию ао с выхода аналого-цифрового преобразователя 37 фильтр 44 вырабатывает промежуточный сигнал ,В(1), поступающий на первый вход первого сумматора 12. На его второй и третий входы поступают сигналы а (1), в(1) с выходов датчиков положения 9 и скорости 10, На выходе первого сумматора 12 формируется сигнал я/с, где 1 я - требуемое значение тока якоря 42 электродвигателя 41 постоянного трка; с =3 к ( ( см Й - постоянный коэф.фициент; см - постоянная момента;связывающая электромагнитный момент М с током якоря 42:М = смяПредварительный усилитель 38 имеет коэффициент усиления с и вырабатывает сигнал ь(1), поступающий на вход усилителя 39 мощности, Он питает обмотку якоря 42 током ь = ь благодаря глубокой отрицательной обратной связи по току, обеспечиваемой датчиком 40 тока. Обьект 11 управления вращается по закону а(1) =ао (т) иэ условия минимума среднеквадратичной ошибки с ограничением мощности потерь в обмотке якоря 42.Если задатчик 36 выполнен в цифровом вире, то его выход подключается к информационному входу первого регистра 26 прямо, а к первому входу первого интегратора 16- через цифроаналоговый преобразователь.Сумматоры, интеграторы, генераторы импульсов; счетчики импульсов, дешифра 1631513 12торы, регистры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, компараторы, полупроводниковые ключи, формирователи импульсов выпускаются серийно в виде интегральных микросхем,В качестве синусно-косинусного функционального преобразователя. с двумя умножителями может быть использован синусно-косинусный вращающийся трансформатор с модулятором и двумя фазочувствительным выпрямителями. Для этих же целей может быть применен преобразователь координат.Таким образом, благодаря введению двух ключей, генератора тактовых импульсов, счетчика импульсов, дешифратора, формирователя импульсов, четырех регистров и четырех цифроаналоговых преобразователей, аналого-цифрового преобразователя, синусно-косинусного преобразователя, двух умножителей, второго датчика тока и второГо усилителя мощности и выбора определенных параметров интеграторов и сумматоров получена следящая система с фильтром-формирователем промежуточного сигнала, обеспечивающая оптимальное слежение за заданным входным) сигналом из условия минимума среднеквадратической ошибки при ограничении мощности потерь в обмотке якоря электродвигателя и при оптимальном быстродействии,Ф о р мул а и зоб ре те н и я Следящая система, содержащая задатчик, первый интегратор, соединенный выходом с первыми входами первого компаратора и второго интегратора, подключенного,выходом к первым входам второго компаратора и первого сумматора, . соединенного вторым и третьим входами с выходами соответственно датчиков положения и скорости, валы которых кинематически связаны с объектом управления и с валом исполнительного электродвигателя, первый и второй выводы которого соединены с первыми выводами соответственно первого усилителя мощности и первого датчика тока, вторые выводы которых обьединены, а выход первого датчика тока подключен к первому входу первого усилителя мощностио т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия системы, в нее дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, дешифратор, формирователь им,пульсов, четыре регистра, четыре цифроаналоговых преобразователя, два сумматора, два ключа, синусно-косинусный преобразователь, второй усилитель мощности, второй датчик тока и первый и второйми к вторым входам соответственно первого и50 второго компараторов, соединенных выходами с информационными входами соответственно первого и второго ключей, подключенных управляющими входами к выходу формирователя импульсов, а выходами - к вторым входам соответственно первого и второго интеграторов, соединенных выходами соответственно с третьим и четвертым входами первого интегратора, вход формирователя импульсов подключен к четвертому выходу дешифратора. 5 10 152025 30 3540 умножители, а в качестве исполнительного электродвигателя использован моментный вентильный электродвигатель, третий и четвертый выводы которого соединены с первыми выводами соответственно второго усилителя мощности и второго датчика тока, вторые выводы которых обьединены, а выход второго датика тока подключен к первому входу второго усилителя мощности, соединенного вторым входом с выходом второго умножителя, подключенного первым входом к выходу первого сумматора и к первому входу первого умножителя, а вторым входом - к косинусному выходу синусно-косинусного и реобразователя, соединенного входом с выходом датчика положения, а синусным выходом - с вторымвходом первого умножителя, подключенного выходом к второму входу первого усилителя мощности, выход генератора тактовых импульсов соединен с синхронизирующим входом дешифратора и с входом счетчика импульсов, подключенного выходом к информационному входу дешифратора, соединенного первым, вторым, третьим и четвертым выходами с синхронизирующими входами соответственно четвертого, третьего, второго и первого регистров, выход задатчика соединен с первым входом первого интегратора и входом аналого-цифрового преобразователя, подключенного выходом к информационному входу первого регистра, соединенного выходом с входом первого цифроаналогового преобразователя и с информационным входом второго регистра, подключенного выходом к входу второго цифроаналогового преобразователя и к информационному входу третьего регистра, соединенного выходом с входом третьего цифроаналогового преобразователя и с информационным входом четвертого регистра, подключенного выходом к входу четвертого цифроаналогового преобразователя, выходы первого, второго, третьего и четвертого цифроаналогового преобразователей соединены соответственно с первыми, вторыми, третьими и четвертыми входами второго и третьего сумматоров, подключенных выхода 16315131631513 Корректор М.Самборская актор М.Петро КНТ СССР ар Пр ст Заказ 545ВНИИП Составитель Г,НефеТехред М,Моргентал Тираж 468 Подписноеенного комитета по изобретениям и открытиям при13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 о-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1