Замкнутый шаговый электропривод с самокоммутацией и дроблением шага

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к дискретному электроприводу. Цель изобретения состоит в повышении производительности путем увеличения быстродействия и расширении эксплуатационных возможностей. Электропривод содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор 2, блок 3 обработки сигналов датчика, вырабатывающий код положения, аналоговые сигналы, скорости и ускорения, регулятор 8, вырабатывающий закон регулирования скорости, блок сопряжения 6, выдающий аналоговый сигнал ошибки, умножаемый в цифроаналоговых преобразователях 9 и 10 на синусоидальный и косинусоидальный сигналы, частота которых определяется сигналом положения ротора двигателя 1. Такой же модуляции в блоке 3 подвергается сигнал с выхода вращающегося трансформатора 2 после приведения его к первому квадранту в селекторе квадрантов 18. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (б1) 4 И 02 Р 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4362336/24-07 (22) 13. 01. 88 (46) 30.09.89. Бюл. !!1 36 (72) !О;С. Смирнов (53) 621.313.525(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1015335, кл. H 02 P 8/00, !983.

Авторское свидетельство СССР

Р 1259465, кл. Н 02 Р 8/00, 1986. (54) ЗА!!КИУТЫЙ !ЦАГОВЫЙ ЗЛЕКТРОПРИВОД

С СА1!ОКОИМУТАЦИЕЙ И ДРОБЛЕНИЕ!! И АГА (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к дискретным электроприводам. Цель изобретения состоит в повьш ении производительности путем увеличения быстродействия и расширении эксплуатационных возмож2 ностей. Электропривод содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор 2, блок 3 обработки сигналов датчика, вырабатывающий код положения, аналоговые сигналы скорости и ускорения, регулятор 8, вырабатывающий закон регулирования скорости, блок сопряжения 6, выдающий аналоговый сигнал ошибки, умножаемый в цифроаналоговых преобразователях 9 и 10 на синусоидальный и косинусоидальный сигналы, частота которых определяется сигналом положения ротора двигателя I.

Такой же модуляции в блоке 3 подвергается сигнал с выхода вращающегося трансформатора 2 после приведения его к первому квадранту в селекторе !8 квадрантов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

3 !5!184

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в

БОСД 3 содержит селектор 18 квадранта, аналоговые входы которого сосистемах автоматического управления и роботизированных комплексах для управления шаговыми электродвигателями (ШЭД) с самокоммутацией и электрическим дроблением шага с помощью синусно-косинусного датчика положения, где получение высокой точности позициони- !О ровапия и надежности функционирования связано с использованием малоредукторного и безредукторного шагового электропривода (ШЭП).

На фиг. приведена функциональная !5 схема замкнутого !ЦЭП с дроблением шага и самокоммутацией; на фиг. 2 структурная схема варианта блока сопряжения (БС) для регулятора (РР) на основе цифрового процессора; на фиг.3-20 структурная схема варианта БС для РР на основе цифрового процессора апалоговых сигналов (сигнального процессора).

Замкнутый ШЭП (фиг, 1) содержит

ШЭД 1, вал которого соединен с ротором синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) 2, выходы которого соединены с входом блока обработки сигналов датчика (БОСД) 3, циф- 30 ровой выход Д которого соединен с вторым входом сумматора 4, первый вход которого соединен с.шиной задания перемещения (1!!ЗП) 5, а выход — с цифровым входом БС 6, который цифровым входом соединен с выходом сумматора 4, шиной 7 данных — с РР 8, а аналоговым выходом — с аналоговыми входами первого и второго перемножающих цифроаналоговых преобразовате- 40 лей (ПЦЛП) 9 и 10, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов (lliI1II) 11 и 12, выходы которых соединены с соответствующими 45 управляющими входами усилителя мощности 13, коммутационный вход которого соединен с шиной 14 кода Р квадранта, образованной двумя старшими вевесовыми разрядами цифрового выхода

БОСД 3, (n-2) младших весовых разря50 дов которого соединены непосредствен;по с адресными входами постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 15, выходами соединенного с цифровыми вхо55 дами первого ПЦЛП 9 и через блок 16 инверторов с адресными входами ПЗУ 17, выходами соединенного с цифровыми входами второго ПЦАП 10, единены с выходами СКВТ 2, коммутационныи вход которого соединен с шиной 14 кода У квадранта, а выходы с аналоговыми входами третьего 19 и четвертого 20 ПЦАП, цифровые входы которых соединены с выходами соответственно ПЗУ 15 и 17, а выходы — с соответствующими входами дифференциального усилителя 21, выход которого соединен с информационным входом демодулятора 22, коммутационный вход которого соединен с шиной опорного напряжения (ШОН) 23 и входом СКВТ 2, а выход — с вторым аналоговым входом БС б и входом корректирующего блока ?4, выход которого соединен с первым аналоговым входом БС 6 и входом преобразователя напряжение — частота 25, выход которого соединен с входом реверсивного счетчика 26, выход которого является цифровым выходом

БОСД 3.

БС 6 в варианте для РР 8 на основе цифрового процессора (фиг. 2) содержит два устройства выборки-хранения 27 и 28, которые производят выборку и хранение вели-гнн аналоговых сигналов U u U на время, которое

5 задается аналоговым коммутатором 29, обеспечивающим поочередное подключение выходов устройств 27 и 28 к входу аналого-г„|фрового преобразователя (AIIII) 30. Его выход через параллельный интерфейс 31 связан с шиной 7 ! данных, с которой через параллельный интерфейс 31 связан цифровой вход

БС 6. Цифровой выход параллельного интерфейса 31 связан с аналоговым выходом БС 6 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 32.

БС 6 в варианте для PP 8 íà основе сигнального процессора (фиг. 3), помимо ЦАП 32, содержит масштабирующие усилители 33. Простота сопряжения в этом случае обусловлена особенностями выполнения процессора.

В качестве СКВТ 2 можно использовать первичные преобразователи с электрической редукцией типов СКТ-6465 и 6460, ВТ71 и 100, ДУ50, ДУ70 и

ДУ100, ДСПУ-128 и др.

Сумматор 4, реверсивный счетчик 26 и блок 16 инверторов выполняются на

ИИС -серии KI33 соответственно И:3, ИЕ5 и ЛН1, 42

5

15118

PP 8 может быть реализован на основе БИС цифрового процессора типа

КР580НК80А или сигнального процессора типа KN)8)3BE. В зависимости от типа процессора возможны два варианта выполнения БС 6 (фиг. 2 и 3). В качестве устройств 27 и 28 выборки-хранения используются ИС КР1100СК2. Аналоговый коммутатор 29 выполняется на

ИС К590КН. АЦП 30 реализуется на БИС

К572ПВЗ или БИС К572ПВ1, на которой может быть выполнен ЦАП 32. В качестве параллельного интерфейса 31 используется БИС КР580ИК55. В качестве 15

ПЦАП 9, 10, 19 и 20 используется БИС

К572ПВ1 или К427ПА.

ШИ1! )l и 12, селектор 18 квадранта, дифференциальный усилитель 21, масштабирующие усилители 33 и коррек- 20 тирующий блок 24, содержащий типовые корректирующие звенья, необходимые. для получения нужных динамических свойств БОСД 3, выполняются по известным схемам на основе ИИС операциЖйых 25 усилителей серии К140 или К153 анало=

7 говых переключателей К590КН и компараторов К521СА.

В качестве ПЗУ !5 и 17 используется БИС К505РЕЗ с синусной прошивкой 30 в пределах квадранта 0078, 0051 и 0052 или 0068-0071, что позволяет получить информационную емкость выходного кода соответственно от 10 до 12 бит. Демодулятор 22 реализуется на И!!С

К525ПС1 или К525ПС2, а в качестве преобразователя 25 используется БИС К

К)108ПП).

Электропривод работает следующим образом.

В исходном состоянии роторы ШЭД 1 и CKHT 2 неподвижны. БОСД 3 формируется цифровой эквивалент (угла поворота ротора ЩЭД 1 и СКВТ 2, который. при вращении изменяется по пилооб- . 45 разному закону в пределах зоны синх- ронизации. Входное воздействие на

) привод поступает по ШЗП 5 в виде кода Р поступающего на первый вход сумматора 4. Ограничения, налагаемые на величину кода Оц, определяются величиной зоны синхронизации ШЭД 1 и СКВТ 2 с учетом электрической или механической редукции между ними.

Код 98 поступает на второй вход сумматора 4,.на выходе которого формируется код рассогласования)Рр = =Фд - Pg . Он поступает на, цифровой вход БС 6, с выхода которого по шине 7 данных. поступает в PP 8, где программно формируется управляющий сигнал, который по шине данных подается в БС 6. С выхода БС 6 управляющий сигнал в виде напряжения управления U< поступает на аналоговые выходы

ПЦАП 9 и )О, где умножается соответственно на синусную V г и косинусную

Уз составляющие цифрового эквивалента Уу угла Г, который представляет (n-2) младших по весу разряда кода

Pg, формируемого на цифровом выходе

БОСД 3 °

Получение тригонометрических составляющих кода Ф производится посредством ПЗУ 15 и )7. На адресные входы ПЗУ 15 код ф поступает в прямом виде, а на адресные входы ПЗУ 17 . в инверсном, пройдя через блок 16 инверторов, содержащий (n-2) инвертора. Такое включение узлов 15-17 позволяет за счет использования зеркальных свойств синусоиды в пределах квадранта применить однотипные стандартные БИС ПЗУ с синусной прошивкой, обеспечивая в сочетании с введением шины 14 квадранта более эффективное использование объема памяти. На выходах ПЦАП 9 и 10 формируются аналоГовые сигналы Ugy -)) Pgg и IJ gg — U фс поступающие на входы соответветственно ШИИ 11 и 12. Промодулированные сигналы с выходов ШИИ ll и 12 поступают на управляющие входы усилителя мощности 13, на коммутационные входы которого поступает двухзарядный код

Ф квадранта по шине 14 квадранта, образованный двумя старшими по весу разрядами кода цифрового выхода БОСД 3.

Код Фц определяет последовательность коммутации обмоток ШЭД 1 так же, как при пошаговом управлении ШЭД на основном шаге.

Поскольку усилитель 13 мощности по своим характеристикам близок к идеальному источнику тока, то можно считать, что на его выходе формируются токовые сигналы I u I . Они создают: вектор электромагнитного поля ШЭД 1 сдвиг которого относительно текущего положения его ротора определяется величиной U . При этом в П1ЭД l возника1 ет электромагнитный момент, заставляющий ротор переместиться в новое по-. ложение, заданное кодом У„. Управля.ющее воздействие формируется в PP 8 путем оценки расхождения между за)5) )842 программированным алгоритмом перемещения и текущими координатами привода, формируемыми БОСД 3.

На вход БОСД 3 информация о пере5 мещениях ротора поступает в виде аналоговых сигналов Г) — U s1D и

О

)) сов 0, где U — опорное йапряжение ШОН ?3.

В селекторе 18 квадранта напряжения U>g и U приводятся в первый квадрант, где. ы пО)0 u cosg ) О, P -+ 00, К

g, "."Ч. " и "с .(!со хождении значения g ы других квадран— тах на выходах селектора 18 формируют-)5

c$I сигналы Ц и И ., представляющие прямые или инверсные значения текущих величин UsÄ e Uz>. Выходные напряжения селектора 18 поступают на аналоговые входы ПЦАП 19 и 20, где 2р они умножаются на составляющие Рз и) ) . ))a выходе ПЦЛП 20 формирчется сигIIGJI U (= U I((p а Hcl Выходе

ПЦЛП 19 — сигпал )з = Г), 1),,),, которые поступают на входы дифференциаль- 25 ного усилителя 21, на выходе которого формируется аналоговый сигнал Г)

Г),ф . U<)„ф .) = sin()> — ф) ) пропорцио н о нальныи синусу разности между приведенными ы первый октант текущими зна- 30 чениями угла и его цифрового эквивалента Ф . В демодуляторе 21 этот сигнал подвергается синхронному детектированию.

Сигнал Ц4 характеризует ошибку, .электронной следящей системы, в кото рой селектор 18, ПЦЛП 19 и 20 и усилитель 21 представляют электронный аналог трансформаторной дистанционной передачи, работающей в первом квадранте. Для последовательной коррекции ее динамических показателей используется корректирующий блок 24 ° г

В качестве исполнительного элемента в этой следящей системе использу- 45 ются аналого-цифровой интегратор (ЛЦИ), состоящий из последовательно соединенных преобразователя напряжение — частота 25 и реверсивного счетчика 26 и функциональный преобразователь, состоящий из ПЗУ 15 и )7 и блока 16 иныерторов. Отработка рассогласования производится по кратчайшему пути в пределах квадранта и предусматривает сведение к нулю сигналов Г)- и

UI). В момент, когда U> = О,tt 9у °

При наличии в составе корректирующего блока 24 интегратора рассмат-риваемая электронная следящая система становится системой с астатизмом второго порядка. Поскольку на выходе реверсивного счетчика 26 формируется цифровой эквивалент 7g угла 8, то сигнал Г) на входе АЦИ пропорционален его первой производной, т.е °

UÄÄ (д, а сигнал на выходе демодулятора 22 И, — Q . Таким образом.в

БОСД 3 осуществляется формирование

P,u uE.

Г)ри описанном построении БОСД 3 достигается более высокий по сравнению с прототипом уровень информационного обеспечения, предусматривающий формирование сигнала, характеризующего ускорение Я, I

Построение электропривода (фпг. 1) характеризуется сопмещением в едином устройстве функций первичного преобразователя информационных сигналов управления для ШЭД 1 и вторичного преобразователя информационных сигналов для СКВТ 2. Это устройство является преобразователем координат, в котором текущее их значение представлено выходными сигналами СКВТ 2, а желаемое определяется аналоговым сигнаJIOM U . o csoHM I1 EEKUHEEM OEIO адекват1 но дифференциальному СКВТ, управляемому этим аналоговым сигналом. Если коэффициент передачи P 8 обеспечить равным ), то управление осуществляет.

Ф„.

Такое выполнение позволяет освободить. PP 8 от формирования информационного обеспечения процесса коммутации ШЭД 1 и облегчает реализацию запрограммированного алгоритма управления перемещением. Это создает определенные преимущества по сравнению с вариантом единого информационного обеспечения самим регулятором.

За счет экономии вычислительного времени удается в РР 8 реализовать алгоритмы не только пропорционального, но и пропорционально-интегральНого, пропорционально-интегральнодифференциального, квазиоптимального или адаптивного управления с большей частотой обновления информации и большей информационной емкостью. Это ведет к повышению быстродействия и точности электропривода, расширяет область era применения, Повышению точности способствует и повышение информационной емкости формирования управляющего сигнала

ШЭД и цифрового эквивалента пере42

9 15118 мещения Pg 3d счет введения шины 14 квадранта в сочетании с функциональным преобразователем, работающим в пределах первого квадранта. Так, при использовании стандартных БИС серии

К505РЕ3. достигается повышение при одинаковом объеме ПЗУ информационной емкости в 4 раза. Введение блока 16 инверторов позволяет использовать однотипные ПЗУ и обеспечивает формирование требуемых функциональных зависимостей как при возрастании 6у так и при его уменьшении. Благодаря этому отработка перемещений произво- 15 дится в пределах зоны синхронизации по кратчайшему пути, что повышает быстродействие.

На больших перемещениях быстродействие увеличивается в 3-5 раз. 20

Суммарный, эффект от повышения точности и быстродействия определяет рост производительности !!!ЭП, которая при использовании элементов широкого применения возрастает на порядок.

Повышается и динамическая точность в системе с переменными параметрами нагрузки а вапу. Это достигается за счет использования компенсационного метода регулирования, обеспечивающего 30 понижение чувствительности ШЭД к дестабилизирующим факторам и лучшее парирование внешних и внутренних возмущений.

Ф о р м ул а и з о б р е т е н и я

1. Замкнутый шаговый электропривод с самокоммутацией и дроблением шага, содержащий шаговый электродвигатель 40 с,датчиком положения в виде синуснокосинусного вращающегося трансформатора, выходы которого соединены с аналоговыми входами и-разрядного блока обработки сигналов датчика, цифровой 45 выход которого соединен с вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с шиной задания перемещения, регулятор, первое и второе постоянные запоминающие устройства, выходы которых соединены с цифровыми входами соответственно первого и второго перемножающих цифроаналоговых преобразователей, аналоговые входы которых объединены, и усилитель мощности, выходы которого соединены с соответствующими входами шагового электродвига теля, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности путем увеличения быстродействия и точности, расширения эксплуатационных возможностей, дополнител|-но введены блок сопряжения, двусторонняя шина данных и блок инверторов, выходы которого соединены с адресными входами второго постоянного запоминающего устройства, входы — с адресными входами первого постоянного запоминающего устройства и с (n-2) младшими по весу разрядами кода цифрового выхода блока обработки сигналов датчика, два старших по весу разряца которого соединены с коммутационным входом усилителя мощности, а блок сопряжения соединен с регулятором двусторонней шиной данных.

2. Электропривод по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что блок обработки сигналов датчика содержит реверсивный счетчик, преобразователь напряжение — частота, корректирующий блок, демодулятор, дифференциальный усилитель, третий и четвертый перемножающие цифроаналоговые преобразователи и селектор квадрантов, аналоговые входы которого соединены с соответствующими выходами синусно-касинусного вращающегося -,рансформатора, коммутационный вход которого соединен с коммутационным входом усилителя мощности, а выход — с аналоговыми входами соответственно третьего и четвертого перемножающих цифроаналоговых преобразователей, цифровые входы которых соединены с выходами соответственно первого H второго постоянных запоминающих устройств, а выходы— с соответствующими входами дифференцис ального усилителя, выход которого соединен с информационным .входом демодулятора, коммутационный вход которого соединен с шиной опорного напряжения и входом синусно-косинусного вращающегося трансформатора, а выход соединен с входом ускорения блока сопряжения и входом корректирующего блока, выход которого соединен с входом скорости блока сопряжения и входом преобразователя напряжение — частота, выход которого соединен с входом,реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом сумматора, входом селектора квадрантов и коммутационным входом усилителя мощности.

1511842

Составитель В. Алфимов

Техред М. Дидык Корректор О. Ципле

Редактор А. Огар.Заказ 5910/56 Тираж 551 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина, 101