专利名称：一种用于转台的滑环随动系统的制作方法
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：
—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Vl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V2，使得= Vl，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Rll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16、功率放大器17、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16的正输入端和地之间，电阻R17接在运算放大器16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17的正输入端和地之间，电阻R19接在功率放大器17的负输入端和地之间，电容C9接在功率放大器17的正输入端和负输入端之间，电阻R20和电容CIO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 = 2.2KQ，R16 = 2. 2K Q ， R17 = 2. 7K Q ， R18 = 5. 6K Q ， R19 = 2K Q ， R20 = 470 Q ， R21 = 10K Q ， R22=300 Q ，电容C6 = 0. 01 ii F， C7 = 0. 01 ii F， C8 = 0. 1 ii F， C9 = 0. 1 ii F， 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。
图l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。
具体实施例方式
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 Vl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V2，并使U/2= Vl，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Rl、 R2、 R3、 R4和电容Cl， 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Rl之间输入。电源由VS1和VS2提供，分别为+15V和-15V。电阻R1、R3、R4为10kQ ，电阻R2为20kQ ，电容C1为100pF，放大器采用0P07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. 01 ii F。 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 = 10k Q ， R6 = 7. 5k Q ， R7 = 5. lk Q ，电容C3 = 0. lmF。 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" rvq、一K (1 + 0.3S)(1 + 0.047S)
K4G(S)-K4(\ + o o(H;)(l + '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Rll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+15乂和-15V。 该网络的传递函数为 ()—产9C4S , ,则c" , n '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. 47ii F，电容C5 = 10 ii F，电阻R10 = 2MQ ，电阻Rll = 4. 7KQ ，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Cll、 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Cll接在放大器的输出端也就是1端和地之间。其中C12 = 0. 047iiF，C11 = 10iiF，C19 = 0. liiF，C20 = C22=104Mf ， R23 = 10K Q ， R24 = 20K Q ， R25 = 332 Q ， R26 = 0. 08K Q ， R27 = 0. 08K Q ， R28=5. 1 Q ，
5
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16、功率放大器17、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16的3端和地之间，电阻R17接在放大器16的2端和地之间，电阻R16和电容C7串联后接在放大器16的3端和6端之间，R18和R22串联后接在放大器16的2端和6端之间，放大器16的电源+15V接在16的7端，放大器16的电源-15V接在16的4端，电容C8接在放大器16的输出端也就是6端和放大器17的1端，电阻R21接在放大器17的1端和地之间，电阻R19接在放大器17的2端和地之间，电容C9接在放大器17的1端和2端之间，电阻R20和电容C10并联后接在放大器17的2端和4端之间，放大器17的电源+15伏接在17的5端，放大器17的电源-15伏接在17的3端。其中电阻R15 = 2. 2KQ ，R16 = 2. 2KQ ，R17 = 2. 7KQ ，R18=5. 6K Q ， R19 = 2K Q ， R20 = 470 Q ， R21 = 10K Q ， R22 = 300 Q ，电容C6 = 0. 01 ii F， C7=0. 01 ii F， C8 = 0. 1 ii F， C9 = 0. 1 ii F， C10 = 51pF。 滑环随动电路的传递函数方框图如图IO，其中UU :主轴转角位移 :从动轴转角位移 Kl :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A V < 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(l+0. 3s) (1+0. 047s)/(l+0. 0045s) (l+20s)系统的开环传递函数为:
klk2k3k4KMG(s)/s(TMs+l) 其中Vl :主轴转角位移 :从动轴转角位移 Kl :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
6[OO51] Kl = 240伏/弧度(激磁电压为6伏) Km =空载转速/堵转电压=(400 X 2n/60) /29 = 1. 44/伏秒 Tm = JKm/(Cm4/Rcn) = 800X 1. 44/1700/29 = 1. 96秒 设Ka = Kl * 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。
权利要求
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l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RIO=2MQ ， Rll = 4. 7KQ ， R15 = 2. 2KQ ， R16 = 2. 2KQ ， R17 = 2. 7KQ ， R18 = 5. 6KQ ， R19=2K Q ， R20 = 470 Q ， R21 = 10K Q ， R22 = 300 Q ，电容C4 = 0. 47 ii F， C5 = 10 ii F， C6 =·0. 01 ii F， C7 = 0. 01 ii F， C8 = 0. 1 ii F， C9 = 0. 1 ii F， C10 = 51pF。
全文摘要
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。
文档编号H02P7/00GK101783639SQ20101010507
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者周新敏, 张玲, 董艳国, 郭增玉, 魏亮 申请人:北京航天控制仪器研究所