Типовые схемы цифровых следящих приводов
15.3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ЦИФРОВЫХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ
Цифроаналоговый следящий привод (ЦАСП). Одна из возможных схем ЦАСП дана на рис. 153, а. Привод построен по структуре подчиненного регулирования параметров, при которой основной контур — цифровой, а внутренний — аналоговый.
Аналоговый контур, образованный с помощью датчика скорости BR выходного вала и пассивного контура K (p), применен для обеспечения заданных динамических показателей.
Ha основании исходной информации или программы управляющая ЭВМ задает угол поворота исполнительному двигателю M в виде параллельного двоичного кода, который поступает на вход многоразрядного сумматора ??. Ha второй вход сумматора поступает параллельный двоичный код, вырабатываемый преобразователем UZVz в цепи OC. Ha входе сумматора формируется сигнал разности в двоичном коде, пропорциональный отклонению выходного вала от заданного ЭВМ угла. Этот сигнал с помощью АЦП Uzv преобразуется в напряжение, которое после предварительного усиления в AU поступает на вход фазосдвигающего устройства, расположенного в тиристорном усилителе мощности AW и управляющего его работой. Напряжение, снимаемое с усилителя, поступает на двигатель M, отрабатывающий рассогласование в приводе. Рассогласование отрабатывается циклически. Синхронизация работы привода осуществляется выходными сигналами с блока управления цифровой ЭВМ.
Ha рис. 157 приведена электрическая принципиальная схема восьмиразрядного ЦАСП, выполненная в соответствии со структурной схемой на рис. 153, а. По сигналу, поступающему с выхода блока управления AZ на синхронизирующие входы C выходного регистра DS1 ЭВМ, и буферного регистра DS2, в регистры заносится выходная информация ЭВМ и преобразователя OC Uvz , а с их выходов сигналы поступают на вход восьмиразрядного комбинационного сумматора SM. Сумматор выполнен на двух четырехразрядных микросхемах DD1 и DD2 (типа К155ИМЗ), соединенных последовательно так, что выход переноса P4 микросхемы DD1 соединен со входом переноса P0 микросхемы DD2. Прямые выходы регистра DS1 подключены к группе входов A1—A4 и микросхем DD1 и DD2, а инверсные выходы регистра DS2 подключены к группе входов B1—B4 этих же микросхем.
Если выходной сигнал УПТ превышает напряжение срабатывания ФСУ, то открывается один из каналов (верхний или нижний), на вход которого поступает отрицательный сигнал. По якорю двигателя M начинает протекать ток определенного направления, и двигатель перемещает нагрузку H и ротор датчика OC — вращающегося трансформатора TC. Напряжение, снимаемое с датчика, и соответствующий ему код, записанный в регистре DS2, изменяется в сторону уменьшения рассогласования по сравнению с кодом ЭВМ.
С приходом с блока управления AZ следующего тактового импульса код, соответствующий новому угловому положению выходного вала, заносится в регистр DS2, а выходная информация ЭВМ — в регистр DS1 и цикл отработки повторяется. В случае совпадения или малого расхождения кодов входного и OC выделяемое на выходе ЦАП напряжение будет меньше напряжения срабатывания ФСУ. Все тиристоры в этом случае будут закрыты, а двигатель обесточен.
В рассматриваемом приводе цифровые устройства обеспечивают высокую точность регулирования и облегчают процесс настройки и работы благодаря точному измерению и индикации угла поворота выходного вала. Аналоговые устройства, являясь выходными на исполнительную часть СП, обеспечивают требуемое качество переходных процессов за счет применения коррекции сигналом OC, пропорциональным второй производной от угла поворота вала нагрузки.
Цифровой СП с ПК—ШИМ. Структурная схема ЦАСП с преобразователем кода во временной интервал приведена на рис. 158, а. Как видно из схемы, код угла ?, задаваемый ЭВМ, и код угла ? сравниваются в вычислителе ??. Полученная разность кодов (код погрешности) преобразуется в широтно-импульсный аналоговый сигнал с помощью ПК—ШИМ Uzv и поступает на устройства непрерывного действия: усилитель A, исполнительный двигатель M, перемещающий с помощью редуктора q нагрузку H. Угол поворота выходного вала ? измеряется с помощью датчика TC и преобразуется в двоичный код ЦАП Uvz.
Принципиальная электрическая схема рассматриваемого привода приведена на рис. 158, б.
Выходные цепи блока AZ развязаны по постоянному току с элементами силового моста оптронными парами DS2—DS5. Алгоритм управления выбран таким, что при отсутствии сигнала с ПК—ШИМ (O) и наличии любого знака кода (0 или 1) насыщены транзисторы VT2, VT4 нижней половины моста, которые вместе с диодами VD2—VD4 закорачивают якорь двигателя, обеспечивая ему электродинамическое торможение. Транзисторы VT1, VT3 верхней половины моста закрыты.
Рис. 158. ЦАСП с ПК—ШИМ
При наличии указанных на рис. 158, б кодовых знаков и поступлении ШИМ - сигнала начинают коммутироваться транзисторы левой половины: схемы VT2 запирается, VT1 открывается на время длительности импульса. Состояние транзисторов правой половины схемы остается неизменным. Якорь двигателя периодически подключается к источнику питания Uп через транзисторы VT1 и VT4 и набирает среднюю за период частоту вращения, пропорциональную сигналу рассогласования, уменьшая последнюю.
При смене кодовых знаков коммутируются транзисторы VT3, VT4 правой половины моста, что приводит к изменению направления тока в якорной цепи и реверсу двигателя. С помощью редуктора q двигатель поворачивает на угол ? нагрузку и ротор датчика TC, входящего в состав ЦАП Uvz. Выходное напряжение датчика преобразуется в двоичный код и по цепи OC поступает на вход сумматора.
Основной трудностью при реализации мостового выходного каскада является защита транзисторов от сквозных токов в момент переключения. Благодаря несимметричному закону коммутации сквозные токи возможны только в одной половине моста. Полного устранения их можно добиться включением в цепь якоря сериесного резистора, напряжение e которого в виде сигнала отрицательной OC следует подать через пороговое устройство на блок логики, несколько усложнив его.
Использование ПК—ШИМ и блока логики в рассматриваемом приводе позволяет обеспечить высокую надежность, точность, быстродействие и простоту согласования с управляющей цифровой ЭВМ. Компактность отдельных устройств и всего привода в целом отвечает современным требованиям микро миниатюризации производства.
Импульсные цифровые следящие приводы (ИЦСП). Как отмечалось ранее, ИЦСП, построенные на основе ШД, являются последовательно дискретными приводами, начиная от программы и до перемещения нагрузки. Эта особенность дает такие преимущества перед ЦАСП, как повышенную помехозащищенность; структурную простоту ввиду отсутствия необходимости во внутренних цепях OC; высокие динамические свойства благодаря созданию ШД с высокой частотой приемистости и отсутствию перерегулирования при возмущениях; простоту сопряжения с цифровой ЭВМ.
Рис. 159. Импульсный ЦСП
Разомкнутая цепь регулирования ШД (рис. 159, а) состоит из программоносителя (управляющей ЭВМ), блока управления DZ, включающего коммутатор SZ и усилитель мощности AW, и шагового двигателя M, связанного с нагрузкой H посредством механического или электрического редуктора q. Штриховой линией на рис. 159, а обозначен еще один элемент Uzc — преобразователь код — импульс, предусматриваемый в цепи управления в случае задания программы в двоичном коде. При числовом задании программы необходимость в нем отпадает, и сигнал управления в виде суммы импульсов, определяющей общее перемещение нагрузки, поступает на блок управления DZ.
Блок управления служит для преобразования полученной последовательности импульсов в m-фазную комбинацию (по числу фаз ШД), определяемую способом управления ШД. Импульсы, усиленные по мощности каскадом AW, поступают на обмотки ШД. Ha каждый импульс программы ШД перемещает нагрузку на строго определенный шаг. Таким образом, в разомкнутом приводе ШД совмещает функции измерительного и исполнительного устройств.
ИЦСП, выполненные с применением ШД в виде разомкнутых систем передачи информации, находят широкое применение в периферийных устройствах ЭВМ, графопостроителях, системах числового программного управления станков. Ha рис. 159, б приведено устройство цифрового графопостроителя, с помощью которого осуществляется вывод результирующей графической информации из системы на базе ЭВМ CM-3. Система графопостроителя [1] состоит из двух разомкнутых дискретных приводов, устройство которых аналогично устройству привода, показанного на рис. 159, а.
Привод с ШД Mx кинематически связан с траверсой 4 и осуществляет перемещение ее по координате x. Привод с ШД My перемещает каретку 1 с пишущим устройством 2 относительно траверсы 3 по координате у. В результате совместного действия двух приводов на планшете графопостроителя вычерчивается контур 4, соответствующий выходным данным ЭВМ. В качестве шаговых применены двигатели типа ДШИ-368-8, работающие в режиме с полным и дробным шагом.
Точность разомкнутых систем зависит от точности отработки отдельных шагов и точности редуктора. Быстродействие привода определяется частотой приемистости ШД, а также параметрами блока управления и, в первую очередь, электронного коммутатора.
Коммутатор. Одним из основных элементов блока управления является коммутатор, который служит для распределения на обмотки управления ШД управляющих импульсов, обеспечивающих дискретное изменение состояния электромагнитного поля в воздушном зазоре машины. К коммутатору предъявляют требования простоты, надежности, экономичности и помехоустойчивости при условии обеспечения заданного закона распределения импульсов. Применение стандартных логических элементов позволяет создать простые и надежные схемы коммутаторов.
Блок управления четырехфазным ШД (рис. 160, а) реализован на логических элементах серии 155. Коммутатор SZ состоит из блока логики AZ, собранного на четырех элементах 2И—HE (D3—D6), и управляющих триггеров DS2, DS3, дешифратора A, четырехразрядного регистра DS1 и двух элементов И (D1 и D2). Для управления ШД применена четырехтактная система коммутации с парным возбуждением обмоток, работающая согласно временной диаграмме на рис. 160, б.
Сигналы с выходов I - IV триггеров DS2, DS3 через усилитель мощности AW поступают на обмотки управления ШД. Последовательность распределения их определяется сочетанием сигналов OC, формируемых на выходных шинах дешифратора Д, управляющих сигналов «Вперед», «Назад» с выхода ЭВМ и работой блока логики AZ. Блок логики формирует команды на включение следующего состояния управляющих триггеров DS2, DS3 по известному текущему состоянию.
Пусть нулевому состоянию обоих триггеров (напряжения Ui и Uii на выходах I, II равны нулю) согласно таблице истинности, приведенной на рис. 160, в, соответствует единичное состояние шины «0» дешифратора. Токи управления через открытые транзисторы VT1, VT3 протекают по обмоткам 4 и 1 ШД (см. диаграмму на рис. 160, б). C подачей управляющей команды «Вперед» триггер DS2 должен перейти к состояние «1», а триггер DS3 остаться без изменения, чтобы обеспечить прямое направление вращения ШД. Для этого по переднему фронту импульса с генератора G фиксируется состояние выходов дешифратора в регистре DS1, Одновременно через открытые элементы D1, D3 этот импульс устанавливает триггер DS2 в состояние «1». Сигналы низкого уровня, открывающие транзисторы VT2, VT3, снимаются с выходов II, III и токи будут протекать по обмоткам 1 и 2 ШД.
Рис. 160. Блок управления ШД
Новой комбинации состояний триггеров согласно таблице истинности соответствует единичное состояние шины 1. Следующий при прямом ходе импульс управления пройдет через открытые элементы Dl, D5 на установку триггера DS3 в состояние «1», сигналы низкого уровня будут сниматься с выходов III - IV, а токи потекут по обмоткам 2 и 3. Таким образом, при прямом направлении вращения будут поочередно включаться шины ДШ: 0, 1, 2, 3, 0… обеспечивая протекания токов по обмоткам: 4—1, 1—2, 2—3. 3—4, 4—1 и т. д.
При подаче команды «Назад» управляющим импульсом открывается элемент D2 (D1 закрывается), поочередно подключаются шины ДШ: 0, 3, 2, 1, 0, обеспечивая изменение порядка коммутации выходов триггеров и протекания токов по обмоткам: 1—4, 4—3, 3—2, 2—1, 1—4 и т. д. Устройство, работающее по замкнутому циклу, получило название кольцевого коммутатора.
Показанный на рис. 160, а блок управления может быть применен в приводе графопостроителя (см. рис. 159, б) для одной оси, если управляющие команды «Вперед», «Назад» подаются с выхода микроЭВМ. Парафазные выходы триггеров DS2, DS3 через соответствующие усилители на транзисторах VT1—VT4 подключены к обмоткам ШД.
В результате при любом, состоянии триггеров пара обмоток ШД находится под напряжением, фиксируя ротор двигателя в соответствующем состоянии. Для исключения сбоев ШД при отключениях питания в устройство вводится блок памяти, в котором оперативно запоминается каждое новое состояние регистра DS1. При выключении питания состояние регистра сохраняется в блоке памяти. При вновь включенном напряжении вырабатывается импульс, по которому содержимое блока памяти переписывается в регистр. В результате ШД выставляется в положение, предшествующее моменту выключения питания.
Замкнутые ИЦСП. Применение разомкнутых ИЦСП часто не обеспечивает требуемой точности при отработке входной информации, так как возможна невосполнимая ее потеря. Поэтому представляет интерес применение ШД в замкнутых приводах, в которых ШД играет роль только исполнительного элемента, а преобразователь угла в код, являющийся измерительным элементом, определяет точность передачи угла.
С помощью замкнутых ИЦСП с главной OC по положению решается задача создания надежных, компактных расшифровывающих СП (РСП), предназначенных для связи цифровой ЭВМ с объектами управления. Как пример системы сопряжения рассмотрим приведенную на рис. 161 структурную схему привода, используемого в качестве преобразователя цифра — вал. Привод состоит из цифрового сумматора ??1, преобразователей UZc код—частота и UZ угол—код, блока управления DZ, шагового двигателя M, редуктора q и нагрузки в виде вращающегося трансформатора BT-5.
Рис. 161. Расшифровывающий ЦСП
Код положения выходного вала от датчика UZ одновременно с кодом задания из ЭВМ поступает на вычислитель ??1. Вычислитель формирует управляющий сигнал в виде суммы погрешности по положению ? и скорости изменения этой погрешности d?/dt. Сигнал управления в двоичном коде одновременно с импульсом сопровождения подается на преобразователь UZc, где хранится в течение цикла сравнения. Преобразователь код— частота (ПКЧ) UZc работает по принципу интегратора. В каждом цикле ПКЧ содержимое регистра приема DS1 и регистра DS2 сумматора складывается в сумматоре ??2.
В моменты переполнения сумматора формируются импульсы частоты, зависящей от кода управляющего сигнала. Чем больше код, тем быстрее переполняется сумматор.
Импульсы рабочей частоты fр с выхода UZc и информация о знаке поступают на блок управления DZ, формирующий закон изменения токов в обмотках двигателя M. С помощью редуктора q ШД перемещает ротор BT и одновременно ротор преобразователя UZ со скоростью, зависящей от fр, и до тех пор, пока код разности, формируемый в ??1, не станет ниже порога срабатывания привода. Так как при этом угол поворота BT будет соответствовать коду, заданному в ЭВМ, то привод в целом выполняет функцию преобразователя цифра—вал. Напряжение, снимаемое с BT, можно использовать в качестве задающего сигнала в непрерывных системах управления объектами.
Отличительной особенностью рассмотренного привода является пропорциональность управления, высокое быстродействие и точность работы, высокая надежность и малая мощность потребления. Так как устойчивость привода определяется динамикой работы ШД, в котором переходной процесс заканчивается в течение времени, необходимого для отработки одного импульса, то нет необходимости в проведении динамического расчета всего привода.
Рис. 162. Дискретный привод гидропресса
В ИЦСП особый интерес представляет использование маломощного ШД в качестве промежуточного средства связи гидравлического исполнительного устройства с цифровой ЭВМ. Перспективность применения такого сочетания состоит в том, что оно обеспечивает надежность ШД в сочетании с высокими динамическими характеристиками гидропривода дроссельного типа. Структурная схема регулятора скорости гидравлического пресса [16] показана на рис. 162, a. Ha траверсе пресса установлен датчик UZ обратной связи. Сигнал, пропорциональный скорости движения пресса, в цифровой форме подается на блок ??1, где сравнивается с сигналом, определяемым скоростью движения пресса, заданной ЭВМ. Число импульсов, соответствующее коду рассогласования, и знак рассогласования через блок задания внутреннего контура AZ подается на блок DZ управления ШД.
Импульсы с генератора GZ через блок управления DZ поступают на ШД M, который одновременно выполняет функции ЭМП и ЦАП, преобразуя электрическую цифровую информацию (в виде числоимпульсного кода) в соответствующее перемещение золотника распределителя гидропривода пресса.
Привод пресса работает по принципу релейных систем за счет отработки рассогласования ШД с равным шагом. Когда код погрешности на выходе блока сравнения ??1 достигнет определенного уровня, на выходе блока AZ появится сигнал, который разрешит прохождение импульсов с генератора GZ на обмотку управления ШД через коммутатор DZ в последовательности, зависящей от знака рассогласования ?. Вал ШД вращается с постоянной частотой и с помощью редуктора q перемещает золотник распределителя, изменяя скорость гидропривода до тех пор, пока рассогласование в скоростях не станет ниже порога срабатывания AZ.
Для повышения быстродействия и точности отработки угол поворота ШД фиксируется датчиком OC (сельсином-приемником BE). Сигнал с датчика BE поступает на элемент сравнения ??2 блока управления DZ, образуя замкнутый контур. Таким образом, ШД обеспечивает перемещение золотника управляющего распределителя при отклонении скорости пресса от заданной в главном контуре регулирования и дополнительное перемещение золотника в случае неточности отработки ЩД импульсов по внутреннему контуру.
B исполнительном устройстве гидропресса (рис. 162, б) на основе ШД с равным шагом для выработки сигнала рассогласования служат расположенный в блоке задания внутреннего контура AZ сельсин-датчик BC и сельсин-приемник BE, связанный с валом ШД посредством редуктора q. Фазные обмотки сельсинов BC и BE подключены к одному источнику трехфазного питания. Напряжения с однофазных обмоток поступают на блок управления DZ. Блок управления путём постоянного сравнивания фаз напряжений датчика и приемника пропускает с генератора GZ число импульсов, пропорциональное разности фаз, и в последовательности, зависящей от знака разности.
Импульсы, усиленные по мощности усилителями AW1—AW4, коммутируют парные обмотки управления двигателя M. При коммутации обмоток в последовательности: 1—2, 2—5, 3—4, 4—1 дискретный сигнал преобразуется в поворот ротора по часовой стрелке и в перемещение золотника распределителя P вправо.
При этом верхняя полость гидроцилиндра Ц соединяется с полостью нагнетания, а нижняя полость — со сливом, увеличивая скорость траверсы при движении вниз или уменьшая при движении вверх.
При коммутации обмоток ШД в другой последовательности двигатель вращается против часовой стрелки, перемещая золотник влево со всеми вытекающими из этого последствиями. Процесс коммутации обмоток ШД происходит до тех пор, пока фаза сигнала с датчика BE не сравнится с фазой сельсина-задатчика. При равенстве фаз блок управления DZ выдает сигнал, приводящий к останову ШД. Для изменения скорости отработки ШД в исполнительном устройстве предусмотрен делитель частоты A1. Для увеличения коэффициента усиления по мощности в рассмотренном приводе можно использовать двухкаскадный гидравлический усилитель.
Замена ЭМП на ШД с контуром внутренней OC повысила стабильность работы гидропривода, так как момент на валу ШД не зависит от значения рассогласования и на порядок выше, чем у ЭМП. Другим преимуществом является возможность изменения частоты вращения ШД в широком диапазоне, что обеспечивает различную скорость перемещения траверсы пресса и, как следствие, улучшение технологии прессования, повышение производительности пресса с одновременным снижением брака.
Назад | Содержание
| Вперед
