Элементы цифровых следящих приводов
15.2. ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ
Блок выработки кода погрешности. ЦСП относятся к приводам замкнутого цикла, работающим по принципу сравнения кода заданного угла с кодом истинного угла, вырабатываемого по цепи OC. Следовательно, в качестве блока сравнения необходимо применить схему, обеспечивающую получение разности двух чисел. Применение обратного кода вычитаемого числа позволяет заменить операцию вычитания операцией суммирования, что значительно упрощает устройство блока сравнения. При этом уменьшаемое берется в прямом коде, а вычитаемое — в обратном. В результате в виде блока выработки кода погрешности применяют многоразрядные сумматоры накапливающего и комбинационного типов.
Рис. 155. Преобразователь ПК—ШИМ
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). В основу любого преобразователя положено суммирование токов, соответствующих весам разрядов преобразователя. ЦАП служит для преобразования цифровых сигналов в напряжение, используемое для непосредственного управления двигателями, ЭМП, реле и т. п.
В качестве элементной базы для построения ЦАП можно применить наиболее перспективный в настоящее время линейный ЦАП, построенный с использованием микросхемы ?572??1.
Преобразователь кода во временной интервал (ПК—ШИМ). Для преобразования кода в последовательность прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью служит ПК—ШИМ. Ha рис. 155, а представлена схема ПК—ШИМ, состоящего из счетчика импульсов, выполненного на микросхеме DD3, генератора импульсов G, RS-триггера и элемента И, выполненного на микросхеме DD2. Работа преобразователя синхронизируется импульсами, поступающими с блока управления. Код числа, подлежащий преобразованию, поступает на сигнальные шины установки кода (D1, D2, ...) счетчика DD3 и фиксируется в нем.
Триггер DD1 устанавливается в исходное (единичное) положение тактирующим старт импульсом с блока управления, задающим период T работы преобразователя. При этом сигнал с выхода триггера разрешает прохождение импульсов с генератора G через элемент совпадения DD2 на суммирующий вход счетчика.
Преобразование кода осуществляется суммированием поступивших импульсов. Диаграммы, изображенные на рис. 155, б, поясняют принцип преобразования.
При исходном коде, равном нулю, с приходом старт импульса, фиксирующего начало преобразования, счетчик работает на сложение (диаграмма 1). Под воздействием монотонно возрастающего кода счетчика старший разряд формирует импульс переполнения. Этот импульс переводит счетчик в нулевое положение (на диаграмме 1 состояние счетчика отображено пилообразным напряжением) и в виде стоп импульса (диаграмма 2), фиксирующего конец временного интервала, поступает на вход R триггера DD1. Триггер переключается в нулевое состояние и прекращает подачу импульсов в счетчик. С приходом нового старт импульса рабочий цикл повторяется. Поскольку триггер DD1 практически все время находится в единичном состоянии, скважность импульсов, снимаемых с его выхода, равна нулю (диаграмма 3).
При наличии в DD3 исходного кода, отличного от нуля, счетчик с приходом старт импульса начинает суммировать, но не с нуля, а с кода, зафиксированного в счетчике (диаграмма 4). Очевидно, что эта сумма будет соответствовать коду, обратному исходному. Поскольку крутизна нарастания кода счетчика осталась прежней, то момент переполнения счетчика, а следовательно, выработка стоп импульса наступит раньше окончания периода T (диаграмма 5). Чем больше будет исходный код, тем короче будет интервал времени и тем короче прямоугольные импульсы напряжения, получаемые на прямом выходе триггера DD1 (диаграмма 6).
Для получения прямоугольных импульсов, соответствующих исходному коду, выходной сигнал Uвых следует снимать с инверсного выхода триггера (диаграмма 7). Скважность импульсов определяется отношением ? = tи/T, где tи— интервал времени между стоп импульсом и следующим старт импульсом.
Цифровые преобразователи углов (ЦПУ). Эти преобразователи являются важными элементами ЦСП, так как, вырабатывая код истинного угла поворота выходного вала, они несут информацию о выполнении команды.
ЦПУ представляют собой сочетание измерительного преобразователя с электронным блоком. Назначение измерительного преобразователя — формирование связанного с углом поворота электрического сигнала в аналоговой или дискретной форме. Электронный блок обрабатывает полученную информацию и выдает ее в цифровой форме, т. e. выполняет функцию АЦП.
Широкое применение в ЦСП получили циклические преобразователи угла в код на основе CKBT.
Шаговые электродвигатели (ШД). Они относятся к дискретным ИУ и предназначены для преобразования каждого импульса команды на управляющем входе в строго фиксированное перемещение выходного вала, называемое шагом. Такой эффект получается за счет дискретного изменения состояния электромагнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором ШД. Принцип действия ШД можно пояснить с помощью поворотного электромагнита, изображенного на рис. 156, a и имеющего на статоре четыре явно выраженных полюса (зубца) с обмотками управления и один полюс (зубец) на роторе.
Рис. 156. Шаговый двигатель
Пусть в начальный момент времени импульс команды поступает на обмотку I и явно выраженный полюс ротора находится против полюса этой обмотки. При подаче управляющего импульса на обмотку II ротор, стремясь занять положение, при котором сопротивление магнитному потоку будет наименьшим, повернется на один шаг в 90° и будет удерживаться магнитным потоком в положении полюса обмотки II, пока по ней протекает ток. С подачей импульса на обмотку III ротор повернется еще на шаг по часовой стрелке и т. д.
Таким образом, управляющие импульсы, поступившие на обмотки в последовательности II—III—IV—I (рис. 156, б), заставят ротор за четыре такта повернуться на 360° по часовой стрелке. Реверс ШД обеспечивается изменением очередности коммутации обмоток (IV—III—II—I). Для уменьшения дискретности (шага) двигателя ротор делают с большим числом зубцов.
Так, на рис. 156, в ротор ШД имеет три зубца 1—3, расположенных под углом 120°. Если в таком ШД подать импульс на обмотку II, то ротор повернется на шаг, равный 22,5°, но против часовой стрелки, так как ближайшим к рабочей обмотке окажется зубец 2 ротора.
Полный поворот ротор сделает за 12 тактов и при коммутации обмоток II—III—IV—I.
В действительности переключение обмоток происходит с такой частотой, что ротор не успевает достигнуть состояния покоя относительно рабочей обмотки. В момент переключения обмоток он занимает определенное положение и имеет определенную скорость, зависящую от частоты переключения обмоток. Так, для обеспечения угловой скорости, нагрузки, равной 1 °/с, при статической погрешности не более 4” частота переключения обмоток должна быть f = 1·3600 : 4 = 900 Гц. Современные серийные ШД имеют частоту приемистости (переключения) до 1500 Гц и обеспечивают шаг в 1,5°.
Часто применяется одновременное коммутирование двух обмоток согласно диаграмме, представленной на рис. 156, г. Работа ШД происходит аналогично, но при повороте ротора его полюс устанавливается не под полюсом статора, а между двумя рабочими обмотками. Момент двигателя при этом возрастает в 2 раза.
Итак, переключение обмоток ШД вызывает отработку шага ротора со скоростью, зависящей от частоты переключения обмоток, и в направлении, определяемом законом коммутации. Закон коммутации обеспечивается блоком управления (коммутатором), входящим в состав электронного усилителя.
Показанный на рис. 156, в ШД имеет ротор, выполненный из магнитомягкого материала, и называется ШД с реактивным ротором. В отличие от него ШД с ротором в виде постоянного магнита называют ШД с активным ротором, так как в создании электромагнитного поля участвует и ротор. Рассмотренные ШД характеризуются большими моментами вращения, но имеют сравнительно большой шаг (не менее 22,5°) и небольшую приемистость (до 300 Гц). Кроме того, для коммутации обмоток такого ШД требуется более сложный блок управления, вырабатывающий знакопеременные импульсы напряжений.
К достоинствам ШД с активным ротором следует отнести сохранение магнитной фиксации ротора при обеспечении обмоток за счет магнитного потока ротора. Разработанный в последнее время метод электронного дробления шага позволяет расширить частотный диапазон ШД и улучшить плавность движения.
Назад | Содержание
| Вперед
