CN101783639A - 一种用于转台的滑环随动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于转台的滑环随动系统，本发明通过设置在主动轴上的E型传感器实时将主动轴的位置差角度转换为一个差动信号，该差动信号通过滑环随动电路的前置放大、解调、滤波、校正和功率放大后驱动直流力矩电机控制从动轴转动，使从动轴的转动跟踪上主动轴的转动，这样当主动轴旋转时，导线在主轴上是没有相对旋转的，也就没有了滑环转动带来的摩擦力矩，从而避免了滑环电刷之间的摩擦、轴承之间的摩擦这些不均匀的摩擦带到速率转动中，并保证软导线不扭转，从而大大提高转台的速率精度和平稳度。

Description

一种用于转台的滑环随动系统

技术领域

本发明涉及一种用于转台的滑环随动系统，特别是一种用于高精度气浮转台的滑环随动系统，用于使从动轴跟随主动轴。

背景技术

一般转台滑环的基本形式如图1所示，滑环一端通过主轴电机连接转台的台面，另一端固定在转台基座上，这样在转台转动时滑环也会随之转动，那么滑环电刷之间的摩擦和轴承的摩擦会带到速率转动中，增加了整个轴系的摩擦力矩。

高精度速率转台的速率精度和平稳性要求很高，通过采用气浮轴承以减小轴系摩擦，以提高精度和平稳度，但作为高精度速率转台调试对象供电要求的滑环组件，由于电刷之间的摩擦，轴承之间的摩擦，这些不均匀的摩擦带到高精度速率转台的速率转动中，会引起速率的微小波动，这些微小的波动足以影响到速率的精度以及速率的平稳性。为此把高精度速率转台分为两部分，如图2所示：一部分与台面相连，我们称之为主轴，主轴采用气浮轴承，另一部分与滑环、直流力矩电机相连在一起的我们称为从动轴，这样在主轴上不安装滑环，直接把用户需要的信号线通过软导线连接至从动轴，这样主轴与从动轴之间的连接就是软导线。把滑环安装在从动轴上，上端连接软导线，下端固定在基座上。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于转台的滑环随动系统，提高了转台的转动速率精度和平稳度。

本发明的技术解决方案是：一种用于转台的滑环随动系统，其特征在于：包括E型传感器、滑环随动电路和力矩电机，E型传感器安装在转台的主动轴上，直流力矩电机安装在转台的从动轴上，当主动轴产生ψ1位置差角度时，E型传感器输出一个差动信号，差动信号经过滑环随动电路的前置放大、解调、滤波、校正和功率放大后驱动直流力矩电机带动从动轴转过一个角度ψ2，使得ψ2＝ψ1，使从动轴的转动跟踪上主动轴的转动；

所述的滑环随动电路包括前置放大模块、解调模块、激磁模块、滤波模块、校正模块和功率放大模块，激磁模块为E型传感器和解调模块提供激磁信号，E型传感器输出的差动信号先由前置放大模块进行放大，再由解调模块进行解调处理，解调后的差动信号由滤波模块进行滤波，经过滤波后的差动信号由校正模块进行校正，最后经过功率放大模块输出控制直流力矩电机的随动控制信号；

所述的校正模块由放大器、电阻R8、R9、R10、R11、R12电容C4、C5组成，电阻R8与电容C4并联再与电阻R9串联后接在滤波信号和放大器的负输入端之间，电阻R11和电容C5串联再与电阻R10并联后接在放大器的负输入端和输出端之间，电阻R12接在放大器的正输入和地之间；

所述的激磁模块由运算放大器I6、功率放大器I7、电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22和电容C6、C7、C8、C9、C10组成，电阻R15和电容C6并联后接在运算放大器I6的正输入端和地之间，电阻R17接在运算放大器I6的负输入端和地之间，电阻R16和电容C7串联后接在运算放大器I6的正输入端和输出端之间，电阻R18和R22串联后接在运算放大器I6的负输入端和输出端之间，电容C8接在运算放大器I6的输出端和功率放大器I7的正输入端，电阻R21接在功率放大器I7的正输入端和地之间，电阻R19接在功率放大器I7的负输入端和地之间，电容C9接在功率放大器I7的正输入端和负输入端之间，电阻R20和电容C10并联后接在功率放大器I7的负输入端和输出端之间，其中电阻R15＝2.2KΩ，R16＝2.2KΩ，R17＝2.7KΩ，R18＝5.6KΩ，R19＝2KΩ，R20＝470Ω，R21＝10KΩ，R22＝300Ω，电容C6＝0.01μF，C7＝0.01μF，C8＝0.1μF，C9＝0.1μF，C10＝51pF。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过设置在主动轴上的E型传感器实时将主动轴的位置差角度转换为一个差动信号，该差动信号通过滑环随动电路的前置放大、解调、滤波、较正和功率放大后驱动直流力矩电机控制从动轴转动，使从动轴的转动跟踪上主动轴的转动，这样当主动轴旋转时，导线在主轴上是没有相对旋转的，也就没有了滑环转动带来的摩擦力矩，从而避免了滑环电刷之间的摩擦、轴承之间的摩擦这些不均匀的摩擦带到速率转动中，并保证软导线不扭转，从而大大提高转台的速率精度和平稳度。

附图说明

图1为一般转台的结构示意图；

图2为高精度速率转台的结构示意图；

图3为本发明的系统组成原理图；

图4为本发明前置放大模块的电路图；

图5为本发明解调模块的电路图；

图6为本发明滤波模块的电路图；

图7为本发明校正模块的电路图；

图8为本发明功率放大模块的电路图；

图9为本发明激磁模块的电路图；

图10为本发明滑环随动电路的传递函数方框图。

具体实施方式

如图2所示，随动系统包括E型传感器、滑环随动电路和力矩电机组成，E型传感器安装在主动轴和从动轴之间，当主轴有一ψ1位置差角度时，E型传感器有一差动信号输出，经过滑环随动电路的前置放大、解调、滤波、较正和功率放大后驱动直流力矩电机，使从动轴转过一个角度ψ2，并使ψ2＝ψ1，从动轴紧跟主动轴运动从而达到随动跟踪。E型传感器用于测量相对转角，将角度的变化转变为电压的变化。

滑环随动电路的工作原理如图3所示，滑环随动电路由前置放大模块、解调模块、激磁模块、滤波模块、校正模块和功率放大模块组成。激磁模块为E型传感器和激磁模块提供激磁信号，E型传感器输出的差动信号经过前置放大后进行解调处理，然后再进行滤波、校正，最后经过功率放大输出随动控制信号，驱动直流力矩电机控制从动轴转动，使从动轴的转动跟踪上主动轴的转动。

前置放大模块的电路如图4所示，包括放大器、电阻R1、R2、R3、R4和电容C1，R3接在放大器的正输入端和地之间，R4与电容C1、电阻R1串联后接在放大器的输出端和负输入端之间，电阻R2接在放大器的输出端和负输入端之间，E型传感器的输出信号也就是前置放大电路的输入信号从电阻R4和R1之间输入。电源由VS1和VS2提供，分别为+15V和-15V。电阻R1、R3、R4为10kΩ，电阻R2为20kΩ，电容C1为100pF，放大器采用OP07型放大器。

解调电路的电路结构如图5所示，选用的是LZX1全波相敏整流放大器，把输入的交流信号经过全波整流后变为直流信号。包括相敏解调器LZX1、调零电位计VR1和消振电容C2，经过放大后的E型传感器信号从相敏解调器LZX1的1和5端输入，相敏解调器LZX1的4端接地，相敏解调器LZX1的6和7端之间接调零电位计VR1的两端，VR1的调节端接在相敏解调器LZX1的8端，相敏解调器LZX1的13端接正电源+15V，14端接负电源-15V，解调后输出直流信号由相敏解调器LZX1的9和10端输出，相敏解调器LZX1的2端接激磁电路的输出端，，消振电容C2接在相敏解调器LZX1的11端和12端之间，消振电容C2为0.01μF。

滤波电路的电路结构如图6所示，由运算放大器、电阻R5、R6、R7和电容C3组成，电阻R6和C3并联后接在放大器的负输入端和输出端之间，R7接在放大器的正输入端和地之间，R5接在输入信号和放大器的负输入端之间，电源由VS1和VS2提供，分别是+15V和-15V。电阻R5＝10kΩ，R6＝7.5kΩ，R7＝5.1kΩ，电容C3＝0.1mF。

在保证开环放大系数大于1000001/秒的条件下，作出滑环系统的开环幅相特性，再做出能使系统稳定并有较好品质的预期的频率特性，求出系统校正环节的传递函数为 $K_4\left(S\right){=K}_4\frac{(1+0.3S)(1+0.047S)}{(1+0.0045S)(1+20S)},$ 具体电路取形式如图7所示，由放大器、电阻R8、R9、R10、R11、R12电容C4、C5组成，R8和C4并联后和R9串联接在信号输入和放大器负输入端，电阻R11和电容C5串联后和电阻R10并联接在放大器的负输入端和输出端之间，电阻R12接在放大器的正输入和地之间。电源由VS1和VS2提供，分别是+15V和-15V。

该网络的传递函数为 $K_{4}G\left(S\right)=\frac{R10}{R8+R9}\frac{(1+C5R11S)(1+C4R8S)}{(\frac{R8R9C4S}{R8+R9}+1)((R10+R11)C5S+1)},$ 根据计算出的传递函数有(R10+R11)C5＝20，R11C5＝0.047，C4R8＝0.3，R8R9C4/(R8+R9)＝0.0045，解得电容C4＝0.47μF，电容C5＝10μF，电阻R10＝2MΩ，电阻R11＝4.7KΩ，K4＝3。

功率放大电路如图8所示，选用的是APEX公司的集成功放PA12A，由功率放大器、电阻R23、R24、R25、R26、R27、R28和电容C11、C12、C19、C20、C21、C22、C23组成，电容C12和电阻R25串联后和电阻R24并联接在放大器的5端和1端之间，电阻R23接在信号输入和放大器的5端之间，电容C19接在放大器的5端和4端之间并在4端接地，电源+28伏接在放大器的3端，电源-28伏接在放大器的6端，电容C20和C21接在放大器的3端和地之间起到滤波作用，电容C22和C23接在放大器的6端和地之间，电阻R26接在放大器的2端和1端之间，电阻R27接在放大器的8端和1端之间，电阻R28和电容C11接在放大器的输出端也就是1端和地之间。其中C12＝0.047μF，C11＝10μF，C19＝0.1μF，C20＝C22＝104Mf，R23＝10KΩ，R24＝20KΩ，R25＝332Ω，R26＝0.08KΩ，R27＝0.08KΩ，R28＝5.1Ω，

E型传感器的激磁和解调器的参考输入由正弦振荡电路产生，具体电路如图9所示。激磁模块由运算放大器I6、功率放大器I7、电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22电容C6、C7、C8、C9、C10组成，电阻R15和电容C6并联后接在放大器I6的3端和地之间，电阻R17接在放大器I6的2端和地之间，电阻R16和电容C7串联后接在放大器I6的3端和6端之间，R18和R22串联后接在放大器I6的2端和6端之间，放大器I6的电源+15V接在I6的7端，放大器I6的电源-15V接在I6的4端，电容C8接在放大器I6的输出端也就是6端和放大器I7的1端，电阻R21接在放大器I7的1端和地之间，电阻R19接在放大器I7的2端和地之间，电容C9接在放大器I7的1端和2端之间，电阻R20和电容C10并联后接在放大器I7的2端和4端之间，放大器I7的电源+15伏接在I7的5端，放大器I7的电源-15伏接在I7的3端。其中电阻R15＝2.2KΩ，R16＝2.2KΩ，R17＝2.7KΩ，R18＝5.6KΩ，R19＝2KΩ，R20＝470Ω，R21＝10KΩ，R22＝300Ω，电容C6＝0.01μF，C7＝0.01μF，C8＝0.1μF，C9＝0.1μF，C10＝51pF。

滑环随动电路的传递函数方框图如图10，其中ψ1：主轴转角位移

Ψ2：从动轴转角位移

K1：E型传感器系统放大倍数

K2：交流前放及解调系数

K3：求和放大系数

K4：校正网络的系数

K5：功放放大系数

Km：直流力矩电机传递函数

TM：电机的机电时间常数

G(p)：校正网络的系数

得出整个随动系统的传递函数，利用MATLAB软件是建立数学模型变得轻松便捷，为设计人员节省了宝贵的精力，然后利用MATLAB软件对系统经行仿真设计，根据任务书要求随动系统的角跟踪误差Δψ＜5角分，并应有较好的动态品质，故在系统设计时通过计算机进行参数仿真，绘制出能使系统稳定并有较好品质的预期的频率特性曲线，从而求出系统中校正环节的传递函数为

K4G(s)＝k4(1+0.3s)(1+0.047s)/(1+0.0045s)(1+20s)系统的开环传递函数为：k1k2k3k4KMG(s)/s(TMs+1)

其中ψ1：主轴转角位移

Ψ2：从动轴转角位移

K1：E型传感器系统放大系数单位：伏/弧度

K2：交流前放及解调系数

K3：校正放大系数

K4：功放放大系数

Km：直流力矩电机传递系数     单位：1/伏.秒

Tm：电机的机电时间常数       单位：秒

G(S)：校正网络的传递函数

其中设计参数：

K1＝240伏/弧度(激磁电压为6伏)

Km＝空载转速/堵转电压＝(400×2n/60)/29＝1.44/伏秒

Tm＝JKm/(Cmф/Rcn)＝800×1.44/1700/29＝1.96秒

设Ka＝K1＊K2      系统开环交流放大系数

Kd＝K3＊K4＊Km    系统开环支流放大系数

K＝Ka＊Kd         系统开环放大系数

本发明未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种用于转台的滑环随动系统，其特征在于：包括E型传感器、滑环随动电路和力矩电机，E型传感器安装在转台的主动轴上，直流力矩电机安装在转台的从动轴上，当主动轴产生ψ1位置差角度时，E型传感器输出一个差动信号，差动信号经过滑环随动电路的前置放大、解调、滤波、校正和功率放大后驱动直流力矩电机带动从动轴转过一个角度ψ2，使得ψ2＝ψ1，使从动轴的转动跟踪上主动轴的转动；

所述的滑环随动电路包括前置放大模块、解调模块、激磁模块、滤波模块、校正模块和功率放大模块，激磁模块为E型传感器和解调模块提供激磁信号，E型传感器输出的差动信号先由前置放大模块进行放大，再由解调模块进行解调处理，解调后的差动信号由滤波模块进行滤波，经过滤波后的差动信号由校正模块进行校正，最后经过功率放大模块输出控制直流力矩电机的随动控制信号；

所述的校正模块由放大器、电阻R8、R9、R10、R11、R12电容C4、C5组成，电阻R8与电容C4并联再与电阻R9串联后接在滤波信号和放大器的负输入端之间，电阻R11和电容C5串联再与电阻R10并联后接在放大器的负输入端和输出端之间，电阻R12接在放大器的正输入和地之间；

所述的激磁模块由运算放大器I6、功率放大器I7、电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22和电容C6、C7、C8、C9、C10组成，电阻R15和电容C6并联后接在运算放大器I6的正输入端和地之间，电阻R17接在运算放大器I6的负输入端和地之间，电阻R16和电容C7串联后接在运算放大器I6的正输入端和输出端之间，电阻R18和R22串联后接在运算放大器I6的负输入端和输出端之间，电容C8接在运算放大器I6的输出端和功率放大器I7的正输入端，电阻R21接在功率放大器I7的正输入端和地之间，电阻R19接在功率放大器I7的负输入端和地之间，电容C9接在功率放大器I7的正输入端和负输入端之间，电阻R20和电容C10并联后接在功率放大器I7的负输入端和输出端之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于转台的滑环随动系统，其特征在于：所述的电阻R10＝2MΩ，R11＝4.7KΩ，R15＝2.2KΩ，R16＝2.2KΩ，R17＝2.7KΩ，R18＝5.6KΩ，R19＝2KΩ，R20＝470Ω，R21＝10KΩ，R22＝300Ω，电容C4＝0.47μF，C5＝10μF，C6＝0.01μF，C7＝0.01μF，C8＝0.1μF，C9＝0.1μF，C10＝51pF。

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