Управление от микропроцессорного устройства координатными перемещениями в следящем фазовом приводе

УПРАВЛЕНИЕ ОТ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА КООРДИНАТНЫМИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯМИ В СЛЕДЯЩЕМ ФАЗОВОМ ПРИВОДЕ

1. Формирование управляющих воздействий в следящем фазовом приводе

При контурном управлении в процессорном управляющем устройстве в реальном масштабе времени по определенным алгоритмам интерполяции осуществляется вычисление текущих значений координат X, Y, Z. Значения текущих координат выдаются (записываются) в выходные порты-регистры P_x, P_y, P_z и далее поступают в устройство связи с объектом (УСО), в котором осуществляется преобразование цифровых кодов XР_k, YР_k, ZР_k в аналоговый вид U_зад, если датчик перемещений является аналоговым, или в соответствующий цифровой вид, если используется цифровые датчики. В следящей системе формируется электрический сигнал, величина которого, пропорциональна рассогласованию между заданным и истинным значением координаты. Этот сигнал поступает в привод, который вырабатывает соответствующее требуемому повороту воздействие на двигатель.

Структура следящей системы по одной координате показана на рисунке.

Кодовые значения текущих координатных перемещений XР_k, YР_k, ZР_k в выходных регистрах периодически обновляются. Период их обновления зависит от: характеристик привода, производительности процессора, алгоритмов интерполяции. Для современных приводов период обновления управляющих воздействий равняется 1…5 мс. При большем значении периода обновлении нарушается плавность управления.

Далее кодовые значения координат поступают на функциональный ЦАП. ФЦАП вырабатывает аналоговый сигнал U_зад , один из параметров которого (напряжение, фазовый сдвиг, частота и др.) несет информацию о текущем значении координаты. Характер сигнала с ФЦАП должен быть аналогичным сигналу с датчика угла поворота (ДП).

Сигнал U_зад поступает на сравнивающее устройство, в котором осуществляется сравнение сигнала задания и истинного положения координаты, и формируется сигнал рссогласования U, величина которого, пропорциональна рассогласованию между заданным и истинным значением координаты. Формирователь сигнала управления приводом (ФСУП) вырабатывает сигнал управления электроприводом. Электропривод вырабатывает воздействие на двигатель, которое обеспечивает поворот двигателя, уменьшая величину рассогласования между заданным и истинным положением. Чем больше величина рассогласования, тем больше управляющее воздействие, стремящее уменьшить величину рассогласования.

Для повышения быстродействия привода и улучшения его динамических характеристик иногда на ФСУП дополнительно подают на ФСУП, особенно при больших величинах рассогласования, корректирующее воздействие, пропорциональное скорости изменения координаты. Этот сигнал формируется на основе кода скорости по соответствующей координате функциональным ЦАП скорости.

Устройство сопряжения СЧПУ с приводом и двигателем часто называют устройством согласования с приводом (УСП) или устройством сопряжения с объектом (УСО). В общем случае УСО решает три задачи:

Получение и преобразование информации о заданном положении;

Получение информации об истинном положении рабочего органа;

Формирование управляющих воздействий на привод.

Если замыкание контура обратной связи по положению происходит через СЧПУ, что часто бывает в случае применения цифровых датчиков, то СЧПУ берет на себя функцию формирования в цифровом виде сигнала рассогласования.. Тогда функции УСО сводятся только к преобразованию этого цифрового сигнала в соответствующее управляющее воздействие на привод станка.

Часто термином следящий электропривод обозначают УСО+ ЭП.

Естественно, структура следящей системы и конкретные ее реализации могут отличаться от приведенной. Это зависит от контура обратной связи, типа двигателя, датчиков перемещений (поворота), используемого в контуре ОС, способов реализации УСО и др.

Если датчик перемещений, включенный в цепь обратной связи, отслеживает угол поворота вала, то он может быть соединен с валом непосредственно (показано на рисунке) или через редуктор с передаточным числом (от двигателя до датчика обратной связи), равным i_Дв.-ДОС. Тогда угол поворота ДОС _ДОС определяется следующим образом:

_ДОС = _ист i_Дв.-ДОС.

Если вал двигателя соединен с ходовым винтом стола через редуктор с передаточным числом i_Дв.-ХВ (от двигателя до ходового винта), то Линейные перемещения S_ист будут связаны углом поворота следующими соотношениями:

S_ист = _ист обор i_Дв.-ХВ. Т_ХВ = _ист рад i_Дв.-ХВ.) Т_ХВ /2.

2. Представление координатных перемещений в микро ЭВМ

n-разрядный код координаты Rg_X, Rg_Y, Rg_Z выходного регистра управляющего устройства определяет (задает) угол поворота двигателя в пределах, как правило, одного оборота. Если код координаты Rg_X, Rg_Y, Rg_Z принимает только положительные значения (без знакового разряда), тогда, например, для 3-разрядного регистра значения кодов в нём будут соответствовать следующим углам поворота вала двигателя, а, следовательно, и соответствующим фазовым сдвигам _зад сигнала задания поворота (перемещения) по координате.

Естественно, что требуемое количество разрядов выходного регистра определяется заданной точностью управления.

Угол фазового сдвига _зад в синусоидальном сигнале, формируемого следящей системой, а, следовательно и заданный угол поворота двигателя, определяется следующим образом:

рад (1)

где: Rg_X - значение кода выходного регистра по соответствующей координате;

_МР - цена единицы младшего разряда кода выходного регистра, приведенная к углу поворота двигателя, которая определяется следующим образом:

рад, (2)

Цена единицы старшего разряда кода выходного регистра, приведенная к углу поворота двигателя, будет составлять половину полного оборота:

рад (3)

Поскольку линейные перемещения S_ист связаны с угловыми соотношением:

S_ист = (_ист i_Дв.-ХВ.) Т_ХВ /2 (4)

где: Т_ХВ - шаг ходового винта в мм;

i_Дв.-ХВ -передаточное число редуктора (от двигателя до ходового винта),

_ист -угол поворота двигателя (истинный).

Цена единицы младшего _S-МР и старшего _S-СР разряда кода выходного регистра, приведенная к линейному перемещению исполнительного органа соответственно составит:

мм (5)

мм (6)

В следящих системах истинное положение угла поворота двигателя _ист отслеживается ДОС, сигнал с которого сравнивается (иногда самим ДОС) с сигналом задания координатного перемещения U_X-зад = Esin(_опt_зад) , формируемого функциональным цифро-аналоговым преобразователем (ФЦАП). В фазовых системах величина перемещения определяется фазовым сдвигом _зад относительно опорного сигнала E Sin _опt.. При применении периодических датчиков сигнал задания, характеризующий величину перемещений, также носит периодический характер. Причем код выходного регистра управляющего устройства определяет фазовый сдвиг сигнала только в пределах одного оборота (2) , а число полных оборотов подсчитывается в дополнительном регистре, с числом разрядов n_доп .

Поэтому значение суммарного фазового сдвига за время полного перемещения будет определяться суммой фазового сдвига зад сигнала задания и количеством полных оборотов (2), которые фиксируются кодом дополнительного регистра. Значение фазового сдвига зад формируется ФЦАП на основе кода выходного (не дополнительного) регистра, определяется следующим образом:

рад (7)

Текущие полномасштабные значения координат хранятся в N=(n_вых+n_доп) -разрядном регистре.

Количество дополнительных разрядов, зависит от максимально возможного значения координат и цены младшего разряда дополнительного регистра.

(8)

Обратные квадратные скобки означают, что выбирается наименьшее целое значение не меньшее, чем значение в скобках. Естественно, что цена младшего разряда дополнительного регистра _МРдоп будет в два раза больше цены старшего разряда выходного регистра.

Минимальное значение опорной частоты определяется максимальной скоростью перемещения. Скорость движения или, иными словами, величину перемещения за единицу времени, определяет величина изменения кода за это время. Для расчета минимальной частоты опорного сигнала в качестве такой единицы времени возьмём период опорного сигнала

с (9)

За время Т_оп поворот вала двигателя под действием сигнала _зад не должен превысить некоторую критическую величину _кр ,которой соответствует линейное перемещение S_кр. Чтобы обеспечить плавность управления обычно

_кр / 16 рад (10)

Уравнение (5) можно переписать в виде:

S_кр = (_кр i_Дв.-ХВ.) Т_ХВ /2. (11)

С другой стороны,

S_кр =F_max Т_оп, (12)

где: F_max - максимальная скорость (линейная) по координате.

Приравнивая (11) и (12) и подставляя значение Т_оп в (9), получаем:

с^-1 (13)

Фазовый сдвиг _зад за время t определяется отклонением угловой частоты _зад сигнала задания от опорной _оп.

При постоянной скорости по координате

_. (14)

Угловая скорость сигналов задания координатных перемещений, например, для координаты Х, определяется:

(15)

Принимая время t равным периоду Т_оп опорного сигнала из (14) можно записать

. (16)

где: _Хзад - в данном случае, фазовый сдвиг сигнала за время Т_оп.