RU2263943C2 - Cybernetic microprocessor digital system - Google Patents
Cybernetic microprocessor digital system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2263943C2 RU2263943C2 RU2002100794/09A RU2002100794A RU2263943C2 RU 2263943 C2 RU2263943 C2 RU 2263943C2 RU 2002100794/09 A RU2002100794/09 A RU 2002100794/09A RU 2002100794 A RU2002100794 A RU 2002100794A RU 2263943 C2 RU2263943 C2 RU 2263943C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital
- control
- signals
- power amplifier
- microprocessor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Direct Current Motors (AREA)
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технической кибернетики, а именно к микропроцессорным цифровым системам автоматического управления объектами с электроприводами постоянного тока, и может быть использовано преимущественно в системах управления оптико-электронными обзорными системами.The invention relates to the field of technical cybernetics, in particular to microprocessor-based digital systems for automatic control of objects with direct current electric drives, and can be used mainly in control systems for optoelectronic surveillance systems.
Микропроцессорные цифровые системы автоматического управления объектами с электроприводами постоянного тока широко известны в технической и патентной литературе.Microprocessor-based digital systems for automatic control of objects with direct current electric drives are widely known in the technical and patent literature.
Известна монография «Микропроцессорные системы автоматического управления» под общей редакцией В.А.Бесекерского, Ленинград, «Машиностроение», 1988 г., где рассмотрены основные принципы создания и представлены типовые структуры цифровых систем автоматического управления (САУ) на базе микропроцессорной техники. Структурные схемы таких микропроцессорных САУ содержат цифровое управляющее устройство (ЦУУ), объект управления (ОУ), исполнительные устройства (ИУ), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и источники входных аналоговых сигналов, которые также подвергаются преобразованию с помощью АЦП цифрового управляющего устройства.The monograph “Microprocessor-based automatic control systems” is known under the general editorship of V. A. Besekersky, Leningrad, “Mechanical Engineering”, 1988, where the basic principles of creation and the typical structures of digital automatic control systems (ACS) based on microprocessor technology are presented. The structural diagrams of such microprocessor control systems include a digital control device (DAC), a control object (DU), actuators (DUT), analog-to-digital converters (ADCs), digital-to-analog converters (DACs) and sources of input analog signals, which are also converted using ADC of a digital control device.
Такие схемы обладают потенциально высокими точностными характеристиками благодаря применению микропроцессорной техники.Such schemes have potentially high accuracy characteristics due to the use of microprocessor technology.
Недостатками их являются, во-первых, наличие аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей, работающих при слабых токах до 1 мА и малых напряжениях постоянного тока. В то время, как для электроприводов постоянного тока с якорным управлением требуются относительно высокие напряжения с токами до 10А и более, поэтому входные или выходные напряжения АЦП и ЦАП необходимо усиливать с помощью многокаскадных усилителей постоянного тока, имеющих большой коэффициент усиления.Their disadvantages are, firstly, the presence of analog-to-digital (ADC) and digital-to-analog (DAC) converters operating at low currents up to 1 mA and low DC voltages. While DC motors with anchor control require relatively high voltages with currents of up to 10A or more, therefore, the input or output voltages of the ADC and DAC must be amplified using multistage DC amplifiers with a large gain.
К тому же, как правило, преобразователи ЦАП и АЦП конструктивно размещают в цифровом управляющем устройстве (ЦУУ) и преобразуемые сигналы подводятся к ним по длинным проводам, подвергаясь влиянию наводок силовых цепей, при этом входные и выходные аналоговые сигналы обычно содержат наведенные шумы случайного характера, которые в результате усиления являются источниками погрешности цифровой системы. К ним добавляются шумы квантования и «дрейф нуля» усилителей постоянного тока ЦАП и АЦП.In addition, as a rule, DAC and ADC converters are structurally placed in a digital control device (DAC) and the converted signals are fed to them via long wires, being influenced by interference from power circuits, while the input and output analog signals usually contain random noises, which, as a result of amplification, are sources of digital system error. Quantization noise and “zero drift” of DC amplifiers of the DAC and ADC are added to them.
Во-вторых, усилитель мощности постоянного тока обладает низким коэффициентом полезного действия, что приводит к повышенному тепловыделению и нарушению теплового режима информационных приборов (телевизор, тепловизор), которые размещаются обычно в замкнутых конструктивных объемах.Secondly, the DC power amplifier has a low efficiency, which leads to increased heat generation and violation of the thermal regime of information devices (TV, thermal imager), which are usually located in closed structural volumes.
В третьих, указанные микропроцессорные системы являются монофункциональными, в то время как для управления оптико-электронными обзорными системами требуется расширение функциональных возможностей путем кибернетизации цифровых САУ с обеспечением многорежимности управления при единой аппаратурной реализации.Thirdly, these microprocessor systems are monofunctional, while the management of optoelectronic survey systems requires the expansion of functionality by cybernation of digital self-propelled guns with multi-mode control with a single hardware implementation.
Из практики разработки и эксплуатации оптико-электронных обзорных систем известно, что наблюдение производится в различных режимах: при общем обзоре панорамы перемещение оптической линии визирования происходит со средней скоростью; при перебросах линии визирования требуется максимальная скорость; при обнаружении и распознавании объекта наблюдения обычно требуется весьма медленная и плавная скорость перемещения.From the practice of developing and operating optical-electronic survey systems, it is known that observation is carried out in various modes: in a general panorama view, the optical line of sight moves at an average speed; when transferring the line of sight, maximum speed is required; when detecting and recognizing an object of observation, a very slow and smooth speed of movement is usually required.
При этом известны различные дискретные системы автоматического регулирования: импульсные системы с амплитудной модуляцией, системы с широтно-импульсной модуляцией, релейные системы и цифровые.Moreover, various discrete automatic control systems are known: pulse systems with amplitude modulation, systems with pulse-width modulation, relay systems and digital.
Аналоговая САУ не обеспечивает плавного перемещения объекта при весьма медленном перемещении. Преодоление сухого трения в редукторе и других механических сопряжениях происходит неравномерно, с некоторыми рывками, что затрудняет процесс наблюдения и распознавания.Analog self-propelled guns do not provide smooth movement of an object with very slow movement. Overcoming dry friction in the gearbox and other mechanical mates occurs unevenly, with some jerks, which complicates the process of observation and recognition.
Импульсные системы обеспечивают на малой скорости плавное перемещение линии визирования при равномерном преодолении сухого трения. Однако импульсные системы имеют пониженное быстродействие в целом, что является их недостатком.Impulse systems provide at low speed a smooth movement of the line of sight with uniform overcoming of dry friction. However, pulsed systems have reduced overall performance, which is their drawback.
Системы с широтно-импульсной модуляцией более экономичны в потреблении электроэнергии, обусловливают минимальное тепловыделение, однако при работе в области нуля управляющие сигналы становятся весьма короткими, а процесс управления неэффективным.Systems with pulse-width modulation are more economical in energy consumption, cause minimal heat generation, however, when working in the zero region, the control signals become very short, and the control process is ineffective.
Релейные системы обеспечивают максимальные воздействия на объект управления при необходимости быстрых перемещений. Структурно релейные системы наиболее просты, но динамика режима управления очень затруднительна.Relay systems provide maximum impact on the control object if necessary, rapid movements. Structurally, relay systems are the simplest, but the dynamics of the control mode are very difficult.
Перечисленные дискретные системы схемно и конструктивно имеют различную аппаратурную реализацию. Поэтому исключается возможность их агрегатирования с целью обеспечения функционирования в различных режимах автоматического управления объектом управления.The listed discrete systems have various hardware implementation diagrammatically and structurally. Therefore, the possibility of their aggregation to ensure functioning in various modes of automatic control of the control object is excluded.
Все это обусловливает в совокупности значительное ограничение потенциально высокой точности цифровой системы, усложняет структуру и аппаратурную реализацию, снижает эксплуатационную надежность обзорных систем в целом.All this leads to the aggregate significant limitation of the potentially high accuracy of the digital system, complicates the structure and hardware implementation, reduces the operational reliability of the survey systems as a whole.
Наиболее близким по технической сущности является «Блок сервопривода» по заявке РСТ (WO) №84/03572, МКИ G 05 D 3/12, Н 02 Р 5/34, опубл. 13.09.84 г., приор. 04.03.83 г. (IP), который позволяет использовать общее аппаратное обеспечение при различных режимах управления путем изменения программы, управляющей процессом в соответствии с заданным режимом управления.The closest in technical essence is the "Servo block" on the application of PCT (WO) No. 84/03572, MKI G 05 D 3/12, H 02 P 5/34, publ. 09/13/84, prior. 03/04/83 (IP), which allows the use of common hardware for various control modes by changing the program that controls the process in accordance with the specified control mode.
Данная САУ содержит ЦУУ с процессором, ОУ с электроприводом постоянного тока, цифровой датчик угла, пульт управления, релейный усилитель мощности, АЦП, счетчик, таймер и программные средства управления.This ACS contains a central control unit with a processor, an op amp with a direct current electric drive, a digital angle sensor, a control panel, a relay power amplifier, an ADC, a counter, a timer, and control software.
Процессор в ЦУУ считывает различные программы управления из запоминающего устройства по командам со схемы интерфейса и подготавливает команды управления релейным усилителем мощности по входному сигналу тока якоря с аналого-цифрового преобразователя и входному сигналу угла поворота со счетчика.The processor in the central control unit reads various control programs from the storage device according to commands from the interface circuit and prepares control commands for the relay power amplifier using the input signal of the armature current from the analog-to-digital converter and the input signal of the angle of rotation from the counter.
Команда управления усилителем мощности через порт ввода-вывода поступает на таймер и управляет усилителем мощности. Таким образом изменяют ток электропривода и тем самым определяют режим работы электропривода с ОУ.The command to control the power amplifier through the input-output port is sent to the timer and controls the power amplifier. In this way, the current of the electric drive is changed and thereby the operating mode of the electric drive with the op-amp is determined.
Данное техническое решение выбрано за прототип и использует принцип многорежимного управления, обеспеченный программными средствами при использовании общего аппаратного обеспечения.This technical solution is chosen as a prototype and uses the principle of multi-mode control provided by software using common hardware.
К недостаткам прототипа относится содержание аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и несовершенство режима управления электроприводом за счет использования релейного усилителя мощности путем изменения тока якорной цепи, что дает невысокую точность управления.The disadvantages of the prototype include the content of an analog-to-digital converter (ADC) and the imperfection of the control mode of the electric drive due to the use of a relay power amplifier by changing the current of the armature circuit, which gives low control accuracy.
Заявляемое изобретение направлено на решение имеющейся в теории и практике автоматического управления технической проблемы по созданию кибернетической микропроцессорной цифровой системы с многофункциональным режимом управления.The claimed invention is directed to solving a technical problem in the theory and practice of automatic control for creating a cybernetic microprocessor digital system with a multifunctional control mode.
Заявляемое техническое решение представляет собой кибернетическую микропроцессорную цифровую систему, содержащую цифровое управляющее устройство, объект управления с электроприводом постоянного тока, цифровые датчики угла, цифровой пульт управления и цифровой усилитель мощности, при этом цифровой усилитель мощности содержит входной регистр, выводы которого в параллельном коде подключены к двум буферным регистрам, каждый их которых подключен к усилителям-преобразователям уровня напряжения с нагрузочными резисторами с двоичным весом, соединенными с суммирующим масштабным резистором, подключенным к высокому потенциалу источника питания, образующими два делителя напряжения, выходные напряжения которых подключены к транзисторному мосту, содержащему четное число пар транзисторов, одна группа которых включена в режим эмиттерного повторителя, а другая группа транзисторов - в ключевой режим.The claimed technical solution is a cybernetic microprocessor digital system containing a digital control device, a control object with a DC electric drive, digital angle sensors, a digital control panel and a digital power amplifier, while the digital power amplifier contains an input register, the outputs of which are connected in parallel code to two buffer registers, each of which is connected to amplifiers-converters of voltage level with load resistors with binary weight ohms connected to a summing large-scale resistor connected to a high potential of the power source, forming two voltage dividers, the output voltages of which are connected to a transistor bridge containing an even number of pairs of transistors, one group of which is included in the emitter follower mode, and the other group of transistors in the key mode.
Такая кибернетическая цифровая система имеет прямое микропроцессорное управление электроприводами постоянного тока и обеспечивает все перечисленные виды режимов работ: квазинепрерывный, импульсный с амплитудной модуляцией, импульсный с широтно-импульсной модуляцией и релейный при единой схемной и конструктивной аппаратурной реализации, при этом исключено использование ЦАП и АЦП.Such a cybernetic digital system has direct microprocessor control of DC electric drives and provides all of the listed types of operating modes: quasi-continuous, pulse with amplitude modulation, pulse with pulse-width modulation and relay with a single circuit and structural hardware implementation, while the use of DAC and ADC is excluded.
Исключение ЦАП и АЦП совместно с усилителями постоянного тока возможно благодаря примененному цифровому усилителю мощности, который реализует их функции и непосредственно управляет цифровыми сигналами микропроцессора, обеспечивая формирование всех видов управляющих сигналов для электроприводов постоянного тока: цифровых, импульсных и релейных. При этом усиление и формирование всех видов управляющих сигналов происходит непосредственно в цифровом усилителе мощности, но уже в области высоких напряжений и сильных токов, много больших уровней шумов и помех.The exception of the DAC and ADC in conjunction with DC amplifiers is possible thanks to the applied digital power amplifier, which implements their functions and directly controls the digital signals of the microprocessor, ensuring the formation of all types of control signals for DC drives: digital, pulse and relay. In this case, the amplification and formation of all types of control signals occurs directly in the digital power amplifier, but already in the field of high voltages and strong currents, there are many large levels of noise and interference.
Предварительное усиление происходит в ключевом режиме с использованием сильноточных многоразрядных ключей, выходы которых подключены к разрядным резисторам с двоичным весом, которые совместно с масштабным резистором образуют дискретно управляемый делитель напряжения.Pre-amplification occurs in the key mode using high-current multi-bit switches, the outputs of which are connected to discharge resistors with binary weight, which together with a large-scale resistor form a discretely controlled voltage divider.
Предлагаемая кибернетическая цифровая система иллюстрируется структурными схемами, представленными на фиг.1-2.The proposed cybernetic digital system is illustrated by the structural diagrams presented in figure 1-2.
На фиг.1 представлена структурная схема кибернетической микропроцессорной цифровой системы.Figure 1 presents the structural diagram of a cybernetic microprocessor digital system.
На фиг.2 представлена функционально-структурная схема цифрового усилителя мощности.Figure 2 presents the functional structural diagram of a digital power amplifier.
Кибернетическая микропроцессорная цифровая система работает следующим образом.Cybernetic microprocessor digital system operates as follows.
Цифровое управляющее устройство (ЦУУ) (фиг.1) с периодом квантования по времени Т производит сбор цифровой информации с пульта цифрового управления (ПЦУ) и цифровых датчиков угла (ЦДУ), вычисляет рассогласования и в соответствии с полученными данными формирует управляющие цифровые сигналы Ni, Nj, Nn.A digital control device (CCU) (Fig. 1) with a quantization period of time T collects digital information from a digital control panel (PCC) and digital angle sensors (CDU), calculates the mismatches and, in accordance with the received data, generates control digital signals Ni, Nj, Nn.
Сформированные управляющие цифровые сигналы поступают с временным разделением в соответствующие цифровые усилители мощности (УМЦi, УМЦj, УМЦn) по цифровому интерфейсу в последовательном или параллельном коде, где кратковременно фиксируются на входном регистре RG1 (фиг.2) и затем на время периода Т - в одном из буферных регистров RG2 или RG3 в зависимости от знака сигнала, поступающего, по Вх.2 или Вх.3.The generated control digital signals arrive with time division into the corresponding digital power amplifiers (UMTSi, UMTSj, UMTSn) via a digital interface in serial or parallel code, where they are briefly fixed on the input register RG1 (Fig.2) and then for the period T period - in one from the buffer registers RG2 or RG3, depending on the sign of the signal arriving, according to
Далее цифровые сигналы с буферных регистров поступают в параллельном коде на соответствующие две группы микросхемных ключей типа 169АА1, к выходам которых подсоединены резисторы с двоичным весом, образующие совместно с масштабными резисторами R0 и R10 два делителя напряжения.Next, the digital signals from the buffer registers are sent in parallel code to the corresponding two groups of 169AA1 type microcircuit keys, the outputs of which are connected with binary weight resistors, which together with the large-scale resistors R0 and R10 form two voltage dividers.
Выходные напряжения делителей поступают на базы транзисторов VT1 и VT2 моста, в диагональ которого подключен электропривод постоянного тока. Оригинальность транзисторного моста, в отличие от известных, заключается в том, что два транзистора VT1 и VT2 включены в режим эмиттерного повторителя, а два других транзистора VT3 и VT4 работают в ключевом режиме. Плечи моста работают так, что одна пара транзисторов, например VT1 и VT4, находится в активном режиме, т.е. в открытом состоянии, и проводят ток через электропривод, а вторая пара транзисторов VT2 и VT3 находятся в пассивном состоянии, т.е. закрыты.The output voltage of the dividers is supplied to the base of the transistors VT1 and VT2 of the bridge, in the diagonal of which a DC drive is connected. The originality of the transistor bridge, in contrast to the known ones, lies in the fact that two transistors VT1 and VT2 are included in the emitter follower mode, and the other two transistors VT3 and VT4 operate in key mode. The shoulders of the bridge work so that one pair of transistors, for example VT1 and VT4, is in active mode, i.e. in the open state, and conduct current through the electric drive, and the second pair of transistors VT2 and VT3 are in a passive state, i.e. closed.
При смене полярности управляющего цифрового сигнала транзисторы меняют свое состояние на противоположное, и при этом происходит реверс электропривода. Благодаря такой схеме цифрового усилителя мощности транзисторный мост запитывается однополярным напряжением вместо двухполярного. При этом характер управления электроприводом относится к квазилинейному виду.When the polarity of the control digital signal is changed, the transistors change their state to the opposite, and at the same time the electric drive is reversed. Thanks to this scheme of a digital power amplifier, the transistor bridge is fed with unipolar voltage instead of bipolar. Moreover, the nature of the control of the electric drive refers to a quasilinear form.
При импульсном управлении электроприводом процесс происходит аналогично вышеописанному, при этом амплитудная модуляция осуществляется изменением величины управляющего цифрового сигнала при постоянной длительности его воздействия τ<Т.With pulse control of the electric drive, the process occurs similarly to the above, while amplitude modulation is carried out by changing the value of the control digital signal with a constant duration of its exposure τ <Т.
Длительность воздействия цифрового сигнала элементарно реализуется микропроцессором путем замены по окончании τ на нулевой цифровой сигнал.The duration of exposure to a digital signal is elementarily implemented by a microprocessor by replacing at the end of τ with a zero digital signal.
Импульсное управление с широтно-импульсной модуляцией реализуется при постоянной величине цифрового сигнала, а длительность его воздействия регулируется варьированием величины τ программными средствами.Pulse control with pulse-width modulation is implemented at a constant digital signal, and the duration of its exposure is controlled by varying the value of τ by software.
Релейный режим может быть модифицирован путем ступенчатого выбора цифровых сигналов при разгоне и остановке электродвигателя.The relay mode can be modified by stepwise selection of digital signals during acceleration and shutdown of the motor.
Таким образом, из изложенного следует, что режимы управления реализуются весьма несложными программными средствами микропроцессора.Thus, it follows from the foregoing that the control modes are implemented by very simple microprocessor software.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002100794/09A RU2263943C2 (en) | 2002-01-08 | 2002-01-08 | Cybernetic microprocessor digital system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002100794/09A RU2263943C2 (en) | 2002-01-08 | 2002-01-08 | Cybernetic microprocessor digital system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002100794A RU2002100794A (en) | 2003-07-20 |
RU2263943C2 true RU2263943C2 (en) | 2005-11-10 |
Family
ID=35865563
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002100794/09A RU2263943C2 (en) | 2002-01-08 | 2002-01-08 | Cybernetic microprocessor digital system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2263943C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104076710A (en) * | 2014-05-26 | 2014-10-01 | 浙江工业大学 | Electric vehicle V2G monitor |
-
2002
- 2002-01-08 RU RU2002100794/09A patent/RU2263943C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104076710A (en) * | 2014-05-26 | 2014-10-01 | 浙江工业大学 | Electric vehicle V2G monitor |
CN104076710B (en) * | 2014-05-26 | 2016-12-07 | 浙江工业大学 | A kind of electric automobile V2G monitor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2263943C2 (en) | Cybernetic microprocessor digital system | |
US9366823B1 (en) | Non-linear analog mapper for MEMS based optical circuit switches | |
RU2449470C1 (en) | Ramp-type analogue-to-digital converter | |
US4631540A (en) | Angular position to linear voltage converter | |
JP2023115742A (en) | Motor driver circuit, positioning device using the same, hard disk derive, and method for driving motor | |
US7023370B2 (en) | Shared parallel digital-to-analog conversion | |
US10484002B1 (en) | High-speed high-resolution digital-to-analog converter | |
US3302039A (en) | Gateable bridge network having power gain | |
KR20160086666A (en) | Analog-to-digital converter, apparatus and method for motor drive control using the same | |
RU2619831C1 (en) | Modular measuring transmitter | |
SU1559407A2 (en) | Current-frequency converter with pulse feedback | |
RU2061275C1 (en) | Device for doping part surface with ion beam | |
GB1016341A (en) | Improvements in and relating to the generation of oscillations and their applicationto testing | |
RU2276449C1 (en) | Control system for group of electric drives | |
RU15803U1 (en) | INTEGRATOR | |
RU2138826C1 (en) | Integral converter | |
SU936354A1 (en) | Method of pulse-phase control of gate-type converter | |
SU1381704A2 (en) | Shaft angle-of-turn-to-code converter | |
SU1182678A1 (en) | Voltage-to-frequency converter | |
SU140095A1 (en) | Device for non-linear time-pulse coding and implementation of functional dependencies on one or two variables | |
SU881770A1 (en) | Recursive computing device | |
SU842727A1 (en) | Liquid consumption control device | |
SU458846A1 (en) | Angle Code Transducer | |
SU1269264A1 (en) | Shift-to-digital converter | |
KR20220071500A (en) | Analog to digital conversion apparatus for providing digital value to driver |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070109 |