專利名稱:一種高精度數(shù)字式自動控制裝置的制作方法
本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域：
。可用于計算機的繪圖機控制、機床程序控制、自動火炮指揮儀控制及其它工業(yè)儀表控制系統(tǒng)。
當(dāng)前用園盤光柵作為轉(zhuǎn)角測量元件的數(shù)字控制器由于其結(jié)構(gòu)簡單性能可靠而被廣泛采用。例如法國本森(Benson)公司的1425/1455平板繪圖機的控制器就是此類控制器的典型。其電路方框圖如附圖1所示，它由D/A(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)1、串聯(lián)校正電路2、電壓放大電路3、功率放大電路4、電機5、發(fā)光二極管、光敏二極管、園盤光柵組成的光柵測量系統(tǒng)6、整形譯碼邏輯電路7、可逆計數(shù)器8、開關(guān)控制式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路9、控制對象10、減法器11、12組成。(本森1425-1455平板繪圖機維修手冊(Benson Flatabed Plotters 1425-1455Maintenance manual，Publication No4 212 20096/02，June 1983)輸入信號xi以數(shù)字形式表示所期望的控制對象的運動規(guī)律，位置反饋信號xo是以數(shù)字形式表示的控制對象實際的運動規(guī)律，信號xi和xo經(jīng)減法器11得到控制系統(tǒng)的誤差數(shù)字信號ε。D/Al將誤差數(shù)字信號ε線性地轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號并經(jīng)電壓放大電路3和功率放大電路4放大，以使其具有足夠大的功率來驅(qū)動電機5，使之朝著減小誤差信號ε的方向轉(zhuǎn)動。從誤差信號ε入端到電機5的電樞之間的放大系數(shù)越大，則控制系統(tǒng)的誤差信號ε就越小，但是這個放大系數(shù)越大則系統(tǒng)就越不穩(wěn)定，為了系統(tǒng)有足夠的開環(huán)放大系數(shù)而且又能穩(wěn)定地工作，該裝置設(shè)置了串聯(lián)校正電路2。開關(guān)控制式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路9的作用是為了獲得一個與電機5轉(zhuǎn)速成正比的速度負(fù)反饋信號vo供給主回路以形成速度負(fù)反饋，對系統(tǒng)起并聯(lián)校正作用，并提高功率放大電路4、電機5以及負(fù)載(控制對象10)的系統(tǒng)參數(shù)的線性和穩(wěn)定性。為了得到速度負(fù)反饋信號vo和位置反饋信號xo，在電機5的軸上安裝了測量電機轉(zhuǎn)速的光柵測量系統(tǒng)6，固定在電機5軸上的園盤光柵隨電機5轉(zhuǎn)動，在一對光敏二極管S、C上感應(yīng)出相差90°的正弦電壓，電壓的頻率與電機5轉(zhuǎn)速成正比，兩個相差90°的正弦電壓經(jīng)過整形譯碼邏輯電路7形成一個重復(fù)頻率與正弦電壓頻率相同或等于兩倍正弦電壓頻率的脈沖串V，并產(chǎn)生一正轉(zhuǎn)信號P(當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時)，或反轉(zhuǎn)信號N(當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時)。脈沖串V一路送至可逆計數(shù)器8，由P的有(N無)或無(N有)控制加數(shù)或減數(shù)，可逆計數(shù)器8輸出端給出電機轉(zhuǎn)角的位置反饋信號xo;脈沖串V的另一路送至開關(guān)控制式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路9形成速度負(fù)反饋信號電壓vo，并由正反轉(zhuǎn)信號P、N來控制其輸出電壓vo的正、負(fù)極性。該裝置的不足之處是①開關(guān)控制式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出信號vo的正、負(fù)極性是靠正、反轉(zhuǎn)信號P的有(N無)或無(N)來控制的，如附圖2所示。脈沖串V對C7充電，充電電壓的大小與電機轉(zhuǎn)速成正比，而其正、負(fù)極性則是由正、反轉(zhuǎn)信號P、N控制，當(dāng)正轉(zhuǎn)信號P到來時，T7管截止，B7工作在同相狀態(tài)即輸出電壓與輸入電壓同相;當(dāng)反轉(zhuǎn)信號N到來時，T7管導(dǎo)通，B7工作在反相狀態(tài)，即輸出電壓與輸入電壓反相。這樣由于轉(zhuǎn)換積分常數(shù)的存在，在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換前的殘留電壓也被倒轉(zhuǎn)極性，形成不正確的反饋，從而使系統(tǒng)在高速運轉(zhuǎn)時不穩(wěn)定;②現(xiàn)有的整形譯碼邏輯電路的譯碼邏輯部分比較復(fù)雜，如附圖3所示。不利于系統(tǒng)成本的降低且增加了生產(chǎn)調(diào)試的困難;③D/Al(數(shù)-模轉(zhuǎn)換電路)設(shè)計在全程(如12bit)線性工作狀態(tài)，如附圖4所示，增益低，使作為電壓放大、功率放大等模擬部分增益大，從而使D/Al之后的運算放大器零漂對系統(tǒng)的影響大，至使系統(tǒng)工作不可靠;④用上述系統(tǒng)來實現(xiàn)快速、高精度控制時，必須依靠提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，這受到系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)校正復(fù)雜性的限制，使系統(tǒng)的控制精度不可能做的很高(可達O·幾毫米)。
本發(fā)明的目的就是要克服現(xiàn)有裝置之不足，設(shè)計一種高速運轉(zhuǎn)時精度高、穩(wěn)定可靠的數(shù)字式自動控制裝置，并且使電路簡單、調(diào)試方便、成本低。
本發(fā)明的技術(shù)要點是①采用了按VP＝S1C++C1S-+
S1C-+
C1S+VN＝
S1C++
C1S-+S1C-+C1S+布爾代數(shù)式構(gòu)成的正(VP)、反(VN)轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路和正(VP反(VN)轉(zhuǎn)脈沖序列控制的差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路，使電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)瞬間，由分離出正比于正弦電壓頻率n倍的正轉(zhuǎn)(VP)或反轉(zhuǎn)(VN)脈沖序列來控制差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路中的電容正向或反向充電，速度反饋信號電壓vo的正、負(fù)極性是由VP-VN確定。消除了由于積分常數(shù)的存在并由極性開關(guān)控制引起的不正確反饋，使系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定性好;②采用線性-飽和限幅工作狀態(tài)的D/A，增加了數(shù)字部分的增益，減小了D/A之后的電壓放大和功率放大部分的增益，從而減小了運放直流漂移對系統(tǒng)可靠性的影響;③增設(shè)了由速度正、負(fù)控制、差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路和加速度正、負(fù)控制、差分式加速/電壓轉(zhuǎn)換電路及相加器組成的順饋通道，此通道的輸出信號通過電壓放大電路與功率放大電路之間的相減器加至小回路，而正、負(fù)控制脈沖(即加減脈沖)通過一個可逆計數(shù)器加至D/A前的相減器送入大回路，使系統(tǒng)的等效開環(huán)放大系數(shù)提高兩個數(shù)量級而不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大提高了系統(tǒng)的精度。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)描述附圖5是本發(fā)明的電路框圖，它由D/A13、串聯(lián)校正電路14、電壓放大電路15、功率放大電路16、電機17、發(fā)光二極管、光敏二極管，園盤光柵組成的光柵測量系統(tǒng)18、整形電路19、正、反轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路20、差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路21、可逆計數(shù)器22、相減器23、24、控制對象25、速度正、負(fù)控制26、差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路27、加速度正、負(fù)控制28、差分式加速/電壓轉(zhuǎn)換電路29、相加器30、可逆計數(shù)器31構(gòu)成。
附圖6是正(VP)、反(VN)轉(zhuǎn)脈沖分離的波形圖。圖中S、C為光敏二極管感應(yīng)的兩個相位差90°的正弦電壓，正轉(zhuǎn)時S領(lǐng)先C90°，反轉(zhuǎn)時落后C90°，S1、C1分別為S、C整形后的方波，它們的正跳沿和負(fù)跳沿對應(yīng)于正弦波正向穿越或負(fù)向穿越零點的時間，S+和S-分別是S1正跳沿和負(fù)跳沿形成的窄脈沖，C+和C-分別是C1正跳沿和負(fù)跳沿形成的窄脈沖，VP和VN分別為分離出來的正轉(zhuǎn)脈沖序列和反轉(zhuǎn)脈沖序列。它們是按VP＝S1C++C1S-+
S1C-+
C1S+VN＝
S1C++
C1S-+S1C-+C1S+布爾代數(shù)式產(chǎn)生的。
S1和
C1分別為S1和C1的倒相方波。按照這兩個布爾代數(shù)式構(gòu)成的正、反轉(zhuǎn)分離邏輯電路20具有工作可靠、系統(tǒng)分辨率高的特點。
附圖7是差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路21的原理圖。這是一個(VP-VN)低頻分量提取電路，將VP、VN分別通過電阻R1、R2加在一個阻抗Z隨頻率減小而增加的二端網(wǎng)絡(luò)兩端，該二端網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓便是速度反饋信號電壓vo。此外，也可用其它方案構(gòu)成這種電路，例如先由VP減VN得到(VP-VN)然后經(jīng)過一個低通濾波器(如RC電路)得到與電機轉(zhuǎn)速成正比的電壓vo;又如先使VP、VN經(jīng)過低通濾波器然后再相減得到vo。這三種方案的共同特點在于消除了開關(guān)控制式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換積分常數(shù)引起的不正確反饋對系統(tǒng)可靠性的影響。
順饋通道的差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路27，差分式加速/電壓轉(zhuǎn)換電路29與差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路21相同，速度正、負(fù)控制26加速度正、負(fù)控制28均為普通的電子開關(guān)，ai、vi為所期待的電機加速度和速度，F(xiàn)a和Fv分別表示ai、vi的正、負(fù)控制信號，ai、vi、Fa、Fv均由控制微機給出。當(dāng)Fv為正(即正轉(zhuǎn))時，以重復(fù)頻率代表速度大小的脈沖序列vi通過P支路使差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路27中的電容充電;當(dāng)Fv為負(fù)(即反轉(zhuǎn))時，則脈沖序列vi通過N支路對差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路27中的電容反向充電，從而使得當(dāng)正轉(zhuǎn)時差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路27給出正電壓，反轉(zhuǎn)給出負(fù)電壓。加速度順饋支路也是如此。
線性-飽和限幅D/A轉(zhuǎn)換電路是將n位二進制補碼表示的信號ε＝Qn-1Qn-2…Q1Q0按布爾代數(shù)式
構(gòu)成的邏輯電路產(chǎn)生一個鎖存信號F接至DAC片子的
XFER，即F＝1時，使D/A處于鎖存狀態(tài)，在鎖存狀態(tài)中D/A的輸出決定于開始鎖存時刻的輸出值而不隨輸入信號變化，由于信號ε是連續(xù)變化的，開始鎖存時刻信號值為ε＝2m或-2m，從而實現(xiàn)了ε≥2m或ε≤-2m的限幅，在-2m＜ε＜2m的范圍內(nèi)F＝0，D/A工作在線性轉(zhuǎn)換狀態(tài);將輸入信號的低(m+1)位QmQm-1……Q1Q0與DAC片子的輸入端錯K位相接，即Qm與DIm+k，Qm-1與DIm-l+k……Qo與DIk相接，而DIk-1、DIk-2……DIo接地，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換過程中的乘2K運算，使D/A的數(shù)字增益提高了2K倍，DAC的輸出電路按器件手冊要求的正常接法即可。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是①能夠高速跟蹤且系統(tǒng)穩(wěn)定性好;②數(shù)字部分增益大，D/A之后的運放直流漂移小，系統(tǒng)可靠性好;③系統(tǒng)跟蹤精度高，用于計算機繪圖、制版等，控制精度可達微米量級。④電路簡單易于調(diào)試。
實施例附圖8是本發(fā)明中正、反轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路20的實施例，它是按照布爾代數(shù)式VP＝S1C++C1S-+
S1C-+
C1S+VN＝
S1C++
C1S-+S1C-+C1S+由四個單穩(wěn)態(tài)電路和與非門組成的組合邏輯電路構(gòu)成。S1、C1是正弦波S、C經(jīng)過整形電路19形成的方波，它們的前、后沿分別觸發(fā)對應(yīng)的單穩(wěn)態(tài)形成寬度為2μs的脈沖信號，然后通過其后的組合邏輯電路，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時VP為重復(fù)頻率4倍于正弦信號的正脈沖序列(VN＝0)，而當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，則VN為重復(fù)頻率4倍于正弦信號的正脈沖序列(VP＝0)，所得到的分離信號VP、VN分成兩路，一路送至可逆計數(shù)器22，VP送至加數(shù)輸入端、VN送至減數(shù)輸入端;另一路送至差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路21。由于VP、VN的頻率4倍于正弦信號S、C的頻率，從而使控制器的開環(huán)增益增加了4倍。
附圖9是差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路21的實施例，晶體開關(guān)管T1T2構(gòu)成對稱的常截止倒相器，兩管集電極之間接有R1、R2、R和C組成的充放電電路，R、C兩端分別通過隔離電阻R3、R4接至運算放大器的差分輸入端，其中R1＝R2。當(dāng)無VP、VN輸入時，T1、T2處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)有VP、VN輸入時，T1、T2處于飽和狀態(tài)，脈沖序列VP經(jīng)T1倒相后通過R1對RC充放電;在R兩端形成數(shù)值與電機轉(zhuǎn)速成正比的正電壓vo;當(dāng)脈沖序列VN經(jīng)T2倒相后，通過R2對RC充放電，在R兩端形成數(shù)值與電機轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)電壓vo，此電壓通過運算放大器隔離放大后送至相減器24。由于這一電路的特點是差分式結(jié)構(gòu)，并且只有在脈沖到來的暫短時間內(nèi)T1、T2導(dǎo)通，所以T1、T2漏電流、參數(shù)離散的影響很小，電路傳輸系數(shù)的穩(wěn)定性基本上決定于電阻、電容等無源器件和VP、VN的脈寬、幅度的穩(wěn)定性，而這些在工程上都是容易保證的，故此電路工作穩(wěn)定性好。差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路27，差分式加速/電壓轉(zhuǎn)換電路29與此電路相同。
附圖10是線性一飽和限幅D/A轉(zhuǎn)換電路13的實施例對于12位的DAC-1210片子，取m＝6，用12個或門按布爾代數(shù)式
組成鎖存信號F的組合邏輯電路，將輸入信號與DAC-1210的輸入端錯接4位，并將DAC-1210的DI0～DI3接地。則該D/A在-25＜ε＜26的信號范圍內(nèi)工作在線性轉(zhuǎn)換區(qū)，當(dāng)ε≤-26或ε≥26時，輸出被限幅在-26或26電平上。實現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換過程中的乘24運算，這樣在不增加電路復(fù)雜性的條件下，使數(shù)字增益提高24db，加上正反轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路的四倍頻增益，則總共可增加36db(64倍)的數(shù)字增益，這就使D/A之后的運算放大器直流漂移的影響壓低了64倍，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。附圖11是其轉(zhuǎn)換特性示意圖。
附圖1是本森公司的1425/1455平板繪圖機控制器的電路框圖附圖2是開關(guān)控制式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路圖附圖3是現(xiàn)有譯碼邏輯電路圖附圖4是線性D/A電路圖附圖5是本發(fā)明的電路框圖附圖6是正(VP)、反(VN)轉(zhuǎn)脈沖分離的波形圖附圖7是差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖附圖8是正、反轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路圖附圖9是差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路圖附圖10是線性-飽和限幅D/A轉(zhuǎn)換電路圖附圖11是線性-飽和限幅D/A轉(zhuǎn)換特性示意圖。
權(quán)利要求
1.一種高精度數(shù)字式自動控制裝置，由D/A、串聯(lián)校正電路、電壓放大電路、功率放大電路、整形電路、可逆計數(shù)器、相減器、電機和發(fā)光二極管、光敏二極管、園盤光欄組成的光柵測量系統(tǒng)及控制對象構(gòu)成。其特征在于采用了按Vp=S1C++C1S-+S1C-+C1S+VN=S1C++C1S-+S1C-+C1S+布爾式構(gòu)成的正(Vp)、反(VN)轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路，和正(Vp)、反(VN)轉(zhuǎn)脈沖序列控制的差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路，速度反饋信號電壓V0的極性取決于VP-VN；采用了線性-飽和限幅工作狀態(tài)的D/A；增設(shè)了由速度正、負(fù)控制、差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路、和加速度正、負(fù)控制、差分式加速/電壓轉(zhuǎn)換電路及相加器組成的順饋通道(或僅有速度順饋)，此通道的輸出信號通過電壓放大電路與功率放大電路之間的相減器加至小回路，而正、負(fù)控制脈沖(即加減脈沖)通過一個可逆計數(shù)器加至D/A前的相減器送入大回路。
2.按照權(quán)利要求
1所說的高精度數(shù)字式自動控制裝置，其特征在于所說的差分式速度/電壓轉(zhuǎn)換電路是由兩個晶體開關(guān)管構(gòu)成了常截止倒相器，在兩管的集電極之間接有R1、R2、R和C構(gòu)成的充放電電路，RC兩端分別通過隔離電阻R3、R4接至運算放大器的差分輸入端，其中R1＝R2。
3.按照權(quán)利要求
1所說的高精度數(shù)字式自動控制裝置，其特征在于所說的線性一飽和限幅D/A轉(zhuǎn)換電路是按布爾代數(shù)式
構(gòu)成一個將n位二進制補碼表示的信號ε＝Qn-1Qn-2…Q1Q0產(chǎn)生一個鎖存信號的組合邏輯電路，并將其輸出接至DAC片子的
XFER端，輸入信號的低(m+1)位QmQm-1…Q1Q0與DAC片子的輸入端錯接K位，而DIk-1…DI0接地，DAC片子的輸出電路按器件手冊要求的常規(guī)接法聯(lián)接。
專利摘要
本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域：
，可用于計算機的繪圖機控制、機床程序控制、自動火炮指揮儀控制等。本發(fā)明采用了正、反轉(zhuǎn)脈沖分離邏輯電路、差分式速率/電壓轉(zhuǎn)換電路、線性一飽和限幅工作狀態(tài)D/A及速度、加速度順饋通道。本發(fā)明具有工作穩(wěn)定、可靠、控制精度高(可達微米量級)，且具有電路簡單調(diào)試方便等優(yōu)點。
文檔編號H02P5/00GK87106461SQ87106461
公開日1988年4月13日 申請日期1987年9月24日
發(fā)明者王作英, 徐士良 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan