Электронный
математический и медико-биологический журнал. - Т. 13. -
Вып. 4. - 2014. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/TITL-44.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/cont.htm
УДК 681.325(088.8)
Комплексный датчик для следящего электропривода
Ó 2014 г.
Малиновский А. Е., Саватеева И. С.
Рассматривается метод компенсационного
измерения перемещения линейного индуктосина. Для
реализации метода разработана функциональная схема преобразователя на элементах
цифровой схемотехники. Схема может быть использована
в устройствах электромеханики и автоматики для преобразования перемещения индуктосинов, работающих в фазовом режиме, в числовой код.
Наряду с повышением точностных характеристик в
предлагаемом преобразователе расширены функциональные возможности, так как
помимо измерения перемещения он позволяет осуществлять измерение скорости и ускорения рабочего органа. Данный метод просто
реализуется программным путем с помощью микропроцессорной техники с
использованием встроенных таймеров процессора.
Ключевые слова: линейный индуктосин,
метод компенсационного измерения перемещения, фазовый сдвиг вектора поля, САУ
фазовой компенсации, разрешающая способность измерения перемещения.
В станочных следящих электроприводах для измерения
положения рабочего органа широко используют линейные индуктосины.
Создание полноценного следящего электропривода требует информации о положении,
скорости перемещения и ускорении рабочего органа при малых значениях
погрешностей, особенно - измерения перемещения.
Как правило, в современных измерительных системах
используют преобразователи «перемещение-код», многочисленные решения которых
изложены в [1], а значения скорости и ускорения определяют с помощью
вычислительных процедур.
Для повышения точностных
характеристик преобразователей «перемещение-код» используют компенсационные
методы измерения, в большинстве случаев
основанные на сравнении измеренного фазового сдвига ЭДС обмотки линейки индуктосина с эталонным и изменении пространственного
положения магнитного потока головки до уменьшения разности фазовых сдвигов до
нуля [1]. При этом управляющий
сигнал изменения пространственного положения магнитного потока головки
оказывается пропорциональным перемещению.
При реализации компенсационных методов [1] возникают
проблемы, связанные с динамическими погрешностями измерения перемещения,
обусловленными динамическими характеристиками компенсационного преобразователя
«перемещение-код». Особенно это проявляется в астатических системах
компенсации. По этой причине, как правило, используют статические САУ, что в
свою очередь уменьшает точностные показатели измерения
перемещения.
Необходимые для коррекции системы управления следящим
электроприводом значения скорости и ускорения желательно получать
вычислительным путем по динамическим показателям изменения текущего значения
пройденного пути. С этой целью необходима разработка технических решений,
осуществляющих простую реализацию устройств измерения показателей движения, как
на элементах цифровой логики, так и программным путем с помощью
микропроцессорной техники.
Для решения данной задачи разработан метод, позволяющий
реализовать компенсационное измерение перемещения линейного индуктосина,
работающего в фазовом режиме, с погрешностями, соответствующими астатической
САУ, обладающей низкими динамическими погрешностями. Данный метод позволяет
наряду с измерением перемещения определять скорость и ускорение головки индуктосина.
Методика данного компенсационного измерения
перемещения головки индуктосина следующая.
Если на интервалах времени Δt,
соответствующих времени перемещения вектора поля головки индуктосина
на одно полюсное деление, осуществлять измерение приращения фазы Δφ
ЭДС линейки, вызванного механическим перемещением ΔS
и
пропорционального ему:
, (1)
а
затем проинтегрировать его в течение времени работы преобразователя, то на
выходе интегратора получим значение текущего механического перемещения
. (2)
Если в соответствие со значением перемещения 
, на интервале времени перемещения
вектора поля головки индуктосина на одно
полюсное деление, осуществить фазовый сдвиг вектора поля головки в противоположном
механическому перемещению направлении на величину 
, то произойдет полная компенсация значения
механического перемещения ΔS фазовым
сдвигом поля головки индуктосина. При этом значение фазового сдвига, накопленное
в интеграторе, соответствует перемещению головки S.
В свою очередь значение = k·ΔS определяет
мгновенное значение скорости перемещения головки индуктосина
на интервале Δt, что позволяет наряду с измерением перемещения
измерять и скорость перемещения головки.
Таким образом, для обеспечения измерения перемещения в
соответствии с выражениями (1), (2) необходимо разработать технические
средства, позволяющие с минимальными аппаратными затратами измерять приращение
фазы ЭДС линейки индуктосина и обеспечивать полную
компенсацию этого изменения за счет изменения пространственного положения поля
головки индуктосина.
Данное техническое решение представлено на рисунке 1.
Основой метода является поддержание постоянства фазового соотношения между
опорным напряжением, частотой питания головки индуктосина,
и ЭДС, наведенной в линейке, равного значению 
.
Рисунок 1
Опорное напряжение формируется делителем частоты 1 выходного
сигнала генератора, причем коэффициент деления делителя определяет разрешающую
способность измерения перемещения. Так для индуктосина
с полюсным делением в 2 мм разрешающая способность преобразователя равна:
, мм
где
K1 – коэффициент деления делителя 1.
Система квадратурных токов, питающих обмотки головки индуктосина, создается двумя старшими разрядами счетчика с предустановкой кода, коэффициент деления которого равен
коэффициенту деления делителя частоты 1, и источником квадратурных токов. На
рисунке 2 представлены диаграммы, поясняющие работу схемы преобразователя.
Изменение кода предустановки
счетчика в диапазоне значений от нулевого до соответствующего максимальной
емкости счетчика позволяет изменять фазу питающих токов обмоток головки
относительно опорного напряжения в пределах от 0 до 2π.
Рисунок 2
Определение изменения фазы ЭДС линейки индуктосина а, следовательно, и перемещения головки ЭМФ
ΔS, осуществляется следующим образом. ЭДС линейки усиливается
избирательным усилителем и, с помощью нуль-органа,
преобразуется в импульсную последовательность Uно, фаза
которой сравнивается с фазой опорного напряжения Uоп. При
этом, в случае отсутствия перемещения головки, с помощью мультиплексора на
элементах И поддерживаются следующее фазовое
соотношение Uоп и Uно1. Середина импульса выходного напряжения нуль-органа Uно1 соответствует заднему фронту опорного напряжения. Это
достигается начальной предустановкой
кода в счетчике с предустановкой кода,
соответствующего фазовому сдвигу в π/2. В этом случае импульс выходного
напряжения нуль-органа разделяется мультиплексором на
две составляющие: предшествующую и следующую за задним
фронтом импульса опорного напряжения. Эти составляющие заполняются импульсами
от генератора, формируя пачки импульсов счета «вперед» и счета «назад», которые
поступают на соответствующие входы реверсивного счетчика, выполняющего функцию
интегратора.
Измерение перемещения головки индуктосина
осуществляется на каждом интервале времени, соответствующем перемещению вектора
поля головки индуктосина на 2 мм и соответственно на
2π электрических радиан.
Так, при отсутствии механического перемещения, пачки
импульсов счета «вперед» (F+1) и счета «назад» (F-1) одинаковы и состояние реверсивного счетчика в
момент переноса кода, соответствующего переднему фронту опорного напряжения, в
счетчике с предустановкой кода не изменяется.
Соответственно сохраняется исходное фазовое соотношение в π/2 между
опорным напряжением и напряжением с выхода нуль-органа.
При возникновении перемещения головки возникает
фазовый сдвиг между опорным напряжением и напряжением нуль-органа, приводящий к изменению соотношений длительности
предшествующей и следующей за задним фронтом импульса опорного напряжения составляющих.
При этом соотношение длительностей зависит от направления перемещения головки,
определяющего направление фазового сдвига ((F+2), (F-2) при одном направлении и (F+3), (F-3) при
другом). Так как составляющие заполняются импульсами от генератора, которые,
как было указано выше, определяют дискретность преобразования, то их разность
ΔN в пачках соответствует двойной величине перемещения
головки (ΔN=2ΔS) в течение одного периода питающего напряжения, а,
следовательно, скорости перемещения.
С целью компенсации фазового сдвига ЭДС головки индуктосина, вызванного перемещением, в конце каждого
периода питающих токов осуществляется перенос кода из реверсивного счетчика в
счетчик с предустановкой кода импульсом (ПК),
формируемым дифференциальной цепочкой по переднему фронту опорного напряжения.
При этом количество разрядов, переносимых из реверсивного счетчика,
соответствует количеству разрядов в счетчике с предустановкой
кода. Вследствие удвоенной разности импульсов ΔN при
перемещении ΔS младший разряд
реверсивного счетчика игнорируется.
Таким образом, фазовый сдвиг выходной импульсной
последовательности счетчика с предустановкой кода в
конце периода питающих токов головки изменяется на величину фазового сдвига,
вызванного перемещением. Осуществив включение обмоток головки к источнику квадратурных токов таким образом,
чтобы фазовый сдвиг вектора поля осуществлялся в противоположенном направлении
относительно перемещения, получим полную фазовую компенсацию в течение одного
периода питающего напряжения, что соответствует астатической системе
компенсации фазового сдвига.
При этом в реверсивном счетчике, начиная с первого
разряда, накапливается информация о суммарном перемещении головки индуктосина 
. Выходная информация о текущем значении перемещения
определяется кодом реверсивного счетчика, а полная емкость счетчика
определяется диапазоном обслуживаемого перемещения.
Как указано выше, значение изменения фазы на интервале
периода питающих токов соответствует скорости движения головки. В силу малого
значения данного интервала, для получения достаточной разрешающей способности
представления скорости, пришлось бы значительно увеличить частоту генератора.
Для исключения этого период определения скорости движения головки увеличен делителем
частоты 2 и равен
T=K2∙Δt,
где К2 –
коэффициент деления делителя 2.
На выходе делителя 2 формируется короткий импульс
установки кода (УК) и с задержкой по времени - импульс сброса (СБ) (рисунок 3). Значение скорости перемещения головки
накапливается в реверсивном счетчике 2 в течение времени Т. Для этого составляющие
пачек импульсов F+ и F- подаются на входы счета «вперед» и «назад», в начале
периода измерения импульсом «сброс» в счетчике устанавливается начальное
значение, равное половине емкости счетчика. В этом случае при отрицательном
направлении движения в счетчике формируется
прямой код с единицей в старшем разряде, а при положительном – обратный
код с нулем в старшем разряде. По окончании интервала Т значение скорости запоминается
в регистре скорости, выходы которого являются выходами скорости датчика.
Рисунок 3
Ускорение определяется как разность предыдущего и текущего
измерения скорости на интервале Т.
Для этого служит реверсивный счетчик 3 с предустановкой
кода, в котором по окончании интервала Т
импульсом установки кода УК устанавливается значение скорости. Входы счета
«вперед» и «назад», на которые подаются пачки импульсов F+ и F-, включены
противоположно входам реверсивного счетчика 2, что обеспечивает вычитание
текущего значения скорости перемещения головки. Поэтому по окончании интервала Т в счетчике 3
оказывается разность скоростей в соответствующих кодовых представлениях, как и
у скорости. По окончании интервала значение ускорения импульсом «сброс»
запоминается в регистре, выходы которого являются выходами ускорения датчика.
Необходимо отметить, что погрешность измерения
фазового сдвига ЭДС линейки, обусловленная четными пространственными
гармониками поля головки, зависит от равенства амплитуд токов обмоток головки.
Поэтому, для улучшения точностных показателей,
необходимо создание системы питания синусно-косинусных обмоток головки, обеспечивающей
равенство токов и отсутствие четных гармонических пространственных составляющих
поля.
Равенство амплитуд токов достигается в источнике
квадратурных токов за счет использования единого источника тока для питания
синусной и косинусной обмотки головки.
С этой целью обмотки включаются последовательно и
питаются от источника тока, образованного суммирующим усилителем, охваченным
глубокой отрицательной связью по току (рисунок 4).
Рисунок 4
Формирование синусных и косинусных зависимостей токов
в соответствующих обмотках в соответствии с диаграммами, представленными на
рисунке 5, осуществляется с помощью ключей 1-8, управляемых дешифратором, на
входы которого поступают два разряда (младший и старший) импульсной
последовательности, частота которой равна учетверенной частоте питания индуктосина.
Рисунок 5
ЭДС, наведенная в головке индуктосина, усиливается избирательным усилителем,
выделяющим первую гармонику питающей частоты, и преобразуется в импульсную последовательность
нуль-органом. Сформированные токовые зависимости содержат нечетные гармонические
составляющие, что, даже при недостаточной фильтрации, не приводит к фазовому
сдвигу импульсной последовательности на выходе нуль-органа.
Необходимо отметить, что данный метод компенсационного
измерения перемещения индуктосина просто реализуется
с помощью микропроцессорной техники с использованием встроенных таймеров
процессора.
Литература
1. Схемотехника цифровых преобразователей
перемещений: Справочное пособие/ В.Г.Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. – М.: Энергоатомиздат,
1987. – 392 с.
INTEGRATED
SENSOR FOR SERVO DRIVE
Malinowsky A. E., Savateeva I. S.
A method of measuring the movement of the linear
compensatory Inductosyn. To apply the method developed by the functional diagram of the
converter on the elements of a digital circuit design. Scheme can be used in
devices for electromechanical and automation movement transformation inductosyn working in phase mode, the numeric code. Along
with the increase of accuracy characteristics of the proposed converter
expanded functionality, because in addition to measuring the movement it allows
measurement of the velocity and acceleration of the working body. This method
can be easily implemented in software using microprocessor technology with
built-in timers processor.
Key words: linear inductosines,
compensatory method of measuring displacement, the phase shift of the field
vector, SAU phase compensation, the resolution of the displacement measurement.
Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный
исследовательский университет МЭИ»
в г. Смоленске
Кафедра «Электромеханические системы»
