Операционный усилитель: схемы включения, принцип работы. Схема усилителя на операционном усилителе неинвертирующего

Регулятор выполняет вычисление рассогласования (разность между сигналом задания и сигналом обратной связи) и его преобразование в управляющее воздействие в соответствии с определенной математической операцией.

В САУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И) и пропорционально-интегральный (ПИ). В зависимости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы.

Аналоговые регуляторы (АР) реализуются на основе операционных усилителей, цифровые - на основе специализированных вычислительных устройств или микропроцессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналоговые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включается по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определяются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R ос. Этот регулятор характеризуется коэффициентом пропорциональности к , который может быть равен как больше, так и меньше единицы.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С ос. Этого тип регулятора характеризуется постоянной времени Т .

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ резистора с сопротивлением R ос и конденсатора С ос. Такой регулятор характеризуется следующими параметрами: коэффициентом пропорциональности к и постоянной времени Т .

Для всех типов регуляторов в схеме реализации имеется входное сопротивление R 1.

Схемы реализации регуляторов, зависимость напряжения на выходе регулятораU вых от входного U вх и их графическое изображение, а также формулы для нахождения параметров регуляторов приведены в таблице 1

Таблица 1 - Регуляторы

Объясните, для чего предназначены датчики тока, какие к ним предъявляются требования. Приведите функциональные схемы электропривода постоянного тока с трансформаторным датчиком тока и датчиком тока на основе шунта.

Датчики тока (ДТ) предназначены для получения информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

Линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I ном до 5I ном не менее 0,9;

Наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

Высокое быстродействие.

Датчик координат АЭПструктурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобразователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рисунок 1). Измерительный преобразователь преобразует координату х в электрический сигнал напряжения и (или тока i), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выходного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u ос, который по величине и форме удовлетворяет САУ.

Рисунок 1 – Структурная схема датчика координат АЭП

В качестве измерительных преобразователей в ДТ используются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротивлением R ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам которого подключается силовая цепь, а к потенциальным - измерительная. (рисунок 2)

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номинальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить с помощью усилителя У. Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки (УГР). В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства.

Рисунок 2 – Схема включения датчика тока на основе шунта

ДТ на основе трансформаторов тока в основном используются в АЭП постоянного тока для измерения тока двигателей при питании их от симметричных мостовых однофазных и трехфазных выпрямителей. Для однофазного выпрямителя (рисунок 3) используется один трансформатор тока (ТА1), а для трехфазного - три трансформатора, включенных в звезду. Для обеспечения режима работы трансформаторов тока, близкого к режиму короткого замыкания, их вторичные обмотки нагружаются низкоомными резисторами R ТТ (0,2...1,0 Ом). Преобразование переменного напряжения вторичных обмоток осуществляется выпрямителем VD1...VD4 .

Рисунок 2 – Схема включения датчика тока на основе трансформатора тока

13. Приведите функциональную схему датчика ЭДС якоря, объясните принцип её действия .

При невысоких требованиях к диапазону регулирования скорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС. Принцип действия датчика ЭДС якоря основан на вычислении ЭДС двигателя.

Функциональная схема датчика ЭДС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Для измерения напряжения якоря используется делитель на резисторах R2, R3 . Для измерения тока якоря двигателя используется дополнительная обмотка L1.2 сглаживающего дросселя. Напряжение и я через делитель, RС-фильтр и повторитель А1 подается на сумматор А2. На вход сумматора А2 подается также сигнал, пропорциональный падению напряжения на обмотке якоря R я. ц ∙i я.

Выражение выходного напряжения u дэ усилителя А2 для установившегося режима работы имеет вид

где к дэ – коэффициент передачи датчика ЭДС,

е я – ЭДС якоря.

Для получения сигнала пропорционального напряжению на якоре двигателя резистивный делитель напряжения можно также включить по следующей схеме

Рисунок 2 – Схема включения датчика напряжения

Выходное напряжение делителя равно

Датчик напряжения помимо делителя может содержать также устройства гальванической развязки и

усилитель.

14. Начертите схему вертикальной одноканальной системы импульсно - фазового управления, объясните принцип её действия с помощью временных диаграмм.

Для управления тиристорами выпрямителя используется система импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:

Определение моментов времени, в которые должны открываться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты времени задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

Формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

Рассмотрим работу вертикальной одноканальной СИФУ управляющей тиристорами однофазного мостового выпрямителя (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема однофазного мостового выпрямителя

Генератор переменного напряжения ГПН запускается при поступлении с синхронизатора С напряжения (рисунок 2). Это происходит в тот момент, когда к тиристорам прикладывается прямое напряжение, т.е. в точках естественной коммутации.

Рисунок 2 – Схема вертикальной одноканальной СИФУ

С выхода ГПН напряжение пилообразной формы поступает на устройство сравнения УС, где оно сравнивается с напряжением управления U у (рисунок 3). В момент равенства пилообразного и управляющего напряжений УС вырабатывает импульс, который через распределитель импульсов РИ поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше через выходной формирователь ВФ1 или ВФ2 на тиристоры выпрямителя. Выходные формирователи осуществляют усиление открывающих импульсов по мощности и потенциальное разделение СИФУ от силовой части. В качестве УС используется компаратор, выполненный на базе операционного усилителя.

Рисунок 3 – Диаграммы работы СИФУ

15. Приведите функциональную схему электропривода с трёхфазным нулевым реверсивным выпрямителем с совместным управлением и объясните принцип её действия.

При совместном управлении комплектами тиристоров, открывающие импульсы одновременно подаются на оба комплекта VS1, VS2, VS3 и VS4, VS5, VS6 (рисунок 1). При этом, в зависимости от направления вращения двигателя один комплект работает в выпрямительном режиме, а другой – в инверторном. Ток якоря протекает по комплекту, работающему в выпрямительном режиме.

Рисунок 1 – Совместное управление комплектами вентилей трёхфазного нулевого

реверсивного выпрямителя

Система управления тиристорами выпрямителя содержит две СИФУ (СИФУ1, СИФУ2) и аналоговый инвертор А1.

Если VS1, VS2, VS3 работают в выпрямительном режиме, а VS4, VS5, VS6 в инверторном, то двигатель вращается вперед. Если наоборот, то двигатель вращается назад.

Так как открывающие импульсы подаются на оба комплекта, то в схеме через два открытых вентиля, например VS1 и VS6, образуется замкнутый контур двух фаз вторичной обмотки трансформатора TV1.

В этом контуре действует сумма ЭДС двух фаз вторичной обмотки, которая носит название уравнительной ЭДС:

где e 1 , е 2 - выпрямленные ЭДС комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6 соответственно.

Уравнительная ЭДС е ур создает уравнительный ток I ур. По отношению к уравнительному току трансформатор TV1 находится в режиме короткого замыкания, т.к. активное и индуктивное сопротивления трансформатора малы. Поэтому для ограничения уравнительного тока в цепь его протекания включаются уравнительные реакторы L1 и L2.

Помимо включения уравнительных реакторов ограничение уравнительного тока достигается путем согласованного управления комплектами, при котором постоянная составляющая уравнительной ЭДС Е ур равна нулю, т.е.

E ур = E 1 + E 2 = E 0 (cosα 1 +cosα 2) = 0, (1)

где Е 1 ,Е 2 - постоянные составляющие ЭДС е 1 и e 2 соответственно; Е 0 - постоянная составляющая выпрямленной ЭДС при α = 0; α 1 , α 2 - углы открывания комплектов VS1...VS3 и VS4... VS6.

Условие (1) будет выполняться, когда a 1 + a 2 =p. Данное условие представляет собой условие согласованного управления комплектами тиристоров.

Совместное управление обладает следующими преимуществами:

· Уравнительные токи обеспечивают проводящее состояние обоих комплектов, независимо от величины тока нагрузки двигателей и как следствие линейность характеристик (нет режима прерывистых токов).

· Высоким быстродействием, благодаря постоянной готовности к реверсу тока, которая не связана с какими-либо переключениями в схеме.

Однако, при совместном управлении необходима установка уравнительных реакторов, что увеличивает массу, стоимость и габариты электропривода. Протекание уравнительных токов увеличивает нагрузку элементов силовой цепи и снижает КПД выпрямителя.

16. Начертите структурную схему электропривода с реверсивным выпрямителем с раздельным управлением и объясните принцип её действия .

Вреверсивном выпрямителе с раздельным управлением при работе одного комплекта тиристоров в выпрямительном или инверторном режиме другой комплект полностью выведен из работы (сняты открывающие импульсы). Вследствие этого отсутствует контур прохождения уравнительного тока, что исключает необходимость в уравнительных реакторах.

Структурная схема электропривода с реверсивным выпрямителем с раздельным управлением (РВРУ) приведена на рисунке 1. Работу РВРУ обеспечивают дополнительные элементы системы управления тиристорами: датчик проводимости вентилей (ДПВ), логическое переключающее устройство (ЛПУ), переключатель характеристики (ПХ).

Рисунок 1 – Структурная схема электропривода с реверсивным выпрямителем

с раздельным управлением

ДПВ предназначен для определения состояния (открыт или закрыт) тиристоров выпрямителя и формирования сигнала об их запирании, что равносильно отсутствию тока в комплектах.

ЛПУ выполняет следующие функции:

Выбирает нужный комплект вентилей «Вперед» или «Назад» (КВ «В» или КВ «Н») в зависимости от требуемого направления тока двигателя, задаваемого сигналом U зт

Запрещает появление открывающих импульсов одновременно в обоих комплектах тиристоров посредством ключей «Вперед» («В») и «Назад» («Н»);

Запрещает подачу открывающих импульсов на вступающий в работу комплект до тех пор, пока в ранее работавшем комплекте проходит ток;

Формирует временную паузу между моментом закрывания всех тиристоров ранее работавшего комплекта и моментом подачи открывающих импульсов на вступающий в работу комплект.

Переключатель характеристики служит для согласования однополярной регулировочной характеристики СИФУ α = ƒ(u у) с реверсивным сигналом U у.

Реверсирование двигателя начинается с изменения знака задания скорости, что вызывает изменение знака задания тока U зт. Это приводит к уменьшению напряжения управления U у, увеличению угла открывания α 1 тиристоров комплекта вентилей «Вперед», следовательно, уменьшению ЭДС Е 1 и, в итоге, снижению тока якоря до нуля. Закрывание вентилей фиксируется ДПВ. При получении сигнала с ДПВ, ЛПУ запрещает подачу импульсов на тиристоры обоих комплектов (размыкается «В»)и одновременно начинает отсчитывать временную паузу. После её окончания ЛПУ формирует разрешение на подачу открывающих импульсов на тиристоры комплекта вентилей «Назад» (замыкается «Н») и переключение ПХ. Переключение ПХ приводит к изменению полярности напряжения управления U у на входе СИФУ. С этого момента на КВ «Н» начинает подаваться открывающий импульс с углом α 2 , обеспечивающим работу комплекта в инверторном режиме. Так как ЭДС вращения больше Е 2 , то ток якоря протекает в обратном направлении. Двигатель переходит в генераторный режим работы, осуществляя рекуперативное торможение.

Раздельное управление обладает следующими преимуществами:

Отсутствуют уравнительные реакторы, что значительно снижает габариты, массу и стоимость реверсивного выпрямителя;

Отсутствует уравнительный ток, что уменьшает потери мощности в выпрямителе и повышает его КПД.

Недостатками раздельного уравнения являются:

Наличие режима прерывистого тока, что требует линеаризации характеристик управления выпрямителя;

Более сложная система управления из-за наличия ЛПУ, ДПВ и ПХ;

Наличие бестоковой паузы при переключении комплектов.

Приведите и опишите замкнутые структуры ЭП построенные по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения. Начертите структурную схему двухконтурной системы подчиненного регулирования электропривода постоянного тока и опишите ее блоки.

Замкнутые структурные ЭП строятся по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения, называемому также принципом обратной связи.

Принцип компенсации рассмотрим на примере компенсации наиболее характерного внешнего возмущения электропривода – момента нагрузки Мс при регулировании его скорости ω (рисунок 1а).

Рисунок 1 – Замкнутые структуры ЭП

Основным признаком такой замкнутой структуры ЭП, является наличие цепи, по которой на вход ЭП вместе с задающим сигналом скорости Uзс подается сигнал пропорциональный моменту нагрузки

Uм = Км∙Мс, где Км-коэффициент пропорциональности.

В результате управления ЭП осуществляется суммарным сигналом U ∆ , который, автоматически изменяясь при колебаниях момента нагрузки, обеспечивает поддержание скорости на заданном уровне. Несмотря на эффективность, управления ЭП по этой схеме осуществляется редко, из-за отсутствия простых и надежных датчиков момента нагрузки Мс.

Поэтому в большинстве замкнутых схем используется принцип отклонения, который характеризуется наличием цепи обратной связи, соединяющей выход ЭП с его входом. В данном случае при регулировании скорости используется цепь обратной связи по скорости (рисунок 1б), по которой информация о текущем значении скорости (сигнал Uос=Кос∙ ω) подается на вход ЭП, где он вычитается из сигнала задания скорости Uзс. Управление осуществляется сигналом отклонения U ∆ =Uзс-Uос (его также называют сигналом рассогласования или ошибки), который при отличии скорости от заданной, соответственно автоматически изменяется и, с помощью САУЭП, устраняет эти отклонения.

В зависимости от вида регулируемой координаты в ЭП используется обратные связи по скорости, по положению, току, магнитному потоку, напряжению, ЭДС.

Система подчиненного регулирования.

Для управления движением ИО, иногда требуется регулировать несколько координат ЭП. Например, ток (момент) и скорость. В этом случае, замкнутые ЭП выполняются по схеме с подчиненным регулированием координат.

Рисунок 2 – Структурная схема двухконтурной системы подчинённого регулирования

В данной схеме регулирование каждой координаты осуществляется собственными регуляторами (тока РТ и скорости РС), которые вместе с соответствующими обратными связями с коэффициентами К ост и К осс, образуют замкнутые контуры. Эти контуры располагаются таким образом, что входным (задающим) сигналом для контура тока Uзт является выходной сигнал внешнего по отношению к нему контура скорости. Таким образом, внутренний контур тока будет подчинен внешнему контуру скорости – основной регулируемой координате ЭП. Сигнал U ∆ с выхода РТ подаётся на тиристорный преобразователь ТП. Электродвигатель ЭД представлен двумя частями: электрической (ЭЧД) и механической (МЧД).

Основное достоинство такой схемы заключается в возможности оптимальной настройке регулирования каждой координаты. Кроме того, подчинение контура тока к контуру скорости позволяет упростить процесс ограничения тока и момента, для чего необходимо лишь поддерживать на соответствующем уровне сигнал на выходе регулятора скорости (сигнал задания) уровня тока.

Объясните, для чего предназначены статические преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (СПЧ ПЗПТ). Приведите структурные схемы СПЧ ПЗПТ, отличающиеся способом регулирования напряжения на статоре АД.

СПЧ ПЗПТ предназначены для преобразования переменного напряжения с постоянной амплитудой и частотой в переменное напряжение с регулируемой амплитудой и частотой.

Существуют три вида СПЧ ПЗПТ в зависимости от способа регулирования напряжения:

1. СПЧ ПЗПТ с управляемым выпрямителем

В этой схеме напряжение по амплитуде регулируется на выходе выпрямителя (рисунок 1).

Рисунок 1 - СПЧ ПЗПТ с управляемым выпрямителем

УВ – управляемый выпрямитель, преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Ф – фильтр, служит для сглаживания пульсации тока и напряжения.

И – инвертор, служит для преобразования постоянного тока в переменный ток.

СУВ – система управления выпрямителем.

СУИ – система управления инвертором.

ФП – функциональный преобразователь, служит для преобразования сигнала задания частоты U з. f . в сигнал задания напряжения U з. u . в зависимости от реализуемого закона частотного управления.

В зависимости от вида фильтра Ф в звене постоянного тока, автономный инвертор И делиться на АИ тока и АИ напряжения. В СПЧ на основе АИ тока, фильтр представляет собой реактор L с большой индуктивностью (рисунок 2а). Такой инвертор является источником тока, поэтому в этой схеме управляющим воздействием на двигатель является частота и ток статора.

Рисунок 2 - Схемы фильтров

АИ напряжения является источником напряжения, для чего фильтр кроме индуктивности L содержит конденсатор C большой ёмкости (рисунок 2б). Управляющим воздействием на двигатель в системе СПЧ с АИ напряжения являются амплитуда и частота напряжения.

2. СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и преобразователем с широтно-импульсным управлением (ПШИУ) в звене постоянного тока (рисунок 3).

Рисунок 3 - СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и ПШИУ

В этом случае регулирование напряжения осуществляется в ПШИУ, который устанавливается между неуправляемым выпрямителем НВ и инвертором И. Нерегулируемое постоянное напряжение с НВ поступает на ПШИУ, где регулируется по величине преобразовываясь в последовательность прямоугольных импульсов, фильтруется фильтром Ф и поступает на вход инвертора И.

3. СПЧ ПЗПТ с неуправляемым выпрямителем и с широтно-импульсной модуляцией напряжения в инверторе (рисунок 4).

Рисунок 4 - СПЧ ПЗПТ широтно-импульсной модуляцией напряжения в инверторе

В этой схеме регулирование амплитуды напряжения и частоты совмещено в И. Широтно-импульсная модуляция достигается с помощью сложного алгоритма переключения вентилей и может реализовываться только в преобразователях с управляемыми ключами: с силовыми транзисторами или с тиристорами с искусственной коммутацией.

Достоинства ШИМ-регуляторов с применением операционных усилителей так это то что можно применять практически любой ОУ (в типовой схеме включения, конечно).

Уровень выходного эффективного напряжения регулируется путём изменения уровня напряжения на неинвертирующем входе ОУ, что позволяет использовать схему как составную часть различных регуляторов напряжения и тока, а также схем с плавным зажиганием и гашением ламп накаливания.
Схема легка в повторении, не содержит редких элементов и при исправных элементах начинает работать сразу, без настройки. Силовой полевой транзистор подбирается по току нагрузки, но для уменьшения тепловой рассеиваемой мощности желательно использовать транзисторы, рассчитанные на большой ток, т.к. у них наименьшее сопротивление в открытом состоянии.
Площадь радиатора для полевого транзистора полностью определяется выбором его типа и током нагрузки. Если схема будет использоваться для регулирования напряжения в бортовых сетях + 24В, для предотвращения пробоя затвора полевого транзистора, между коллектором транзистора VT1 и затвором VT2 следует включить резистор сопротивлением 1 К, а резистор R6 зашунтировать любым подходящим стабилитроном на 15 В, остальные элементы схемы не изменяются.

Во всех ранее рассмотренных схемах в качестве силового полевого транзистора используются n - канальные транзисторы, как наиболее распространённые и имеющие наилучшие характеристики.

Если требуется регулировать напряжение на нагрузке, один из выводов которой подключен к "массе" , то используются схемы, в которых n - канальный полевой транзистор подключается стоком к + источника питания, а в цепи истока включается нагрузка.

Для обеспечения возможности полного открытия полевого транзистора схема управления должна содержать узел повышения напряжения в цепях управления затвором до 27 - 30 В, как это сделано в специализированных микросхемах U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611 , тогда между затвором и истоком будет напряжение не менее 15 В. Если ток нагрузки не превышает 10А, можно использовать силовые полевые p - канальные транзисторы, ассортимент которых гораздо уже из - за технологических причин. В схеме изменяется и тип транзистора VT1 , а регулировочная характеристика R7 меняется на обратную. Если у первой схемы увеличение напряжения управления (движок переменного резистора перемещается к " +" источника питания) вызывает уменьшение выходного напряжения на нагрузке, то у второй схемы эта зависимость обратная. Если от конкретной схемы требуется инверсная от исходной зависимость выходного напряжения от входного, то в схемах необходимо поменять структуру транзисторов VT1 , т.е транзистор VT1 в первой схеме необходимо подключить как VT1 у второй схемы и наоборот.

Основные типы регуляторов, применяемых в системах управления электроприводами исполнительных механизмов буровых установок

Аналоговые регуляторы в системах подчиненного управления электроприводами строятся на основе операционных усилителей (ОУ) - усилителей постоянного тока с высоким входным и очень низким выходным сопротивлениями. Технология интегральных микросхем позволяет в настоящее время изготавливать высококачественные и недорогие ОУ. В некоторой части своего рабочего диапазона ОУ ведет себя как линейный усилитель напряжения с очень большим коэффициентом усиления (10 5 - 10 6). Если в схеме ОУ не предусмотрена отрицательная обратная связь с выхода на вход, то из-за высокого коэффициента усиления, он обязательно попадает в режим насыщения. Поэтому схемы регулятора на базе ОУ содержат отрицательную обратную связь.
Операционный усилитель получил свое название благодаря тому, что с его помощью могут выполняться различные математические операции, такие как умножение, суммирование, интегрирование и дифференцирование. Типовые регуляторы строятся на базе инвертирующего усилителя, причем входные и выходные цепи, кроме сопротивлений, могут содержать емкости.
Поскольку коэффициент усиления ОУ велик (Ку = = 10 5 +10 6), а выходное напряжение Увых ограничено напряжением питания Цп, то потенциал точки А (рис. 1, а) срА = = ивых/Ку близок к нулю, т.е. точка А выполняет функцию кажущейся земли (заземлять точку А нельзя, иначе схема станет неработоспособной).

Рис. 1. Структура аналогового регулятора, выполненного на операционном усилителе (а). Схема пропорционального регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (б). Характеристика вход-выход регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (в)

Схемы, передаточные функции и переходные функции регуляторов различных типов приведены в табл.

Схемы и динамические характеристики различных типов регуляторов

Для получения пропорционального регулятора (П-регулятора) на вход и в цепь обратной связи ОУ включают резисторы; интегрального регулятора (И-регулятора) во входную цепь включает резистор, а в цепь обратной связи - конденсатор; ПИ-регулятора во входную цепь-резистор, а в цепь обратной связи - последовательно соединенные резистор и конденсатор. ПИД-регулятор может быть выполнен на одном усилителе с помощью активно-емкостных цепей на входе и в цепи обратной связи.
Промышленностью выпускаются различные типы операционных усилителей на интегральных микросхемах (ИМС) - как круглой, так и прямоугольной формы. Наибольшее распространение для построения регуляторов получили ОУ типов К140УД7, К553УД2, К157УД2 и др.
Уменьшить размеры и повысить надежность устройств аналоговых систем управления электроприводами можно при внедрении гибридной технологии для их изготовления. При изготовлении гибридных интегральных схем (ГИС) активные элементы (ОУ) устанавливаются на печатной плате в твердотельном (бескорпусном) исполнении, а конденсаторы и резисторы - методом пленочной технологии (напылением пленок из проводящих, полупроводящих и непроводящих материалов). Полученный модуль может быть залит компаундом или помещен в корпус.
Ограничение координат электропривода (тока, скорости и др.) осуществляется включением в структуру регулятора внешнего контура регулирования узлов ограничения. Последние могут быть управляемыми и неуправляемыми. На рис., 6 приведена схема ограничения выходного напряжения пропорционального регулятора с отсекающими диодами VD1, VD2 и управляемым опорным напряжением Уоп. Схема позволяет получить несимметричную относительно начала координат характеристику вход-выход с различным уровнем ограничиваемого выходного напряжения (рис.) Возможны и другие варианты схем управляемого ограничения выходного напряжения ОУ с использованием транзисторов.
До последнего времени в автоматизированном электроприводе исполнительных механизмов отечественных буровых установок основное применение получили средства аналоговой вычислительной техники. За последние годы рядом проектных и научно-исследовательских организаций ведутся работы по созданию микропроцессорных систем управления. По сравнению с аналоговыми системами микропроцессорные системы обладают рядом преимуществ. Отметим некоторые из них.
Гибкость. Возможность путем перепрограммирования изменения не только параметров системы управления, но и алгоритмов и даже структуры. При этом аппаратная часть системы остается неизменной. В аналоговых системах потребовалась бы перекомпоновка аппаратной части. Программное обеспечение микроЭВМ можно легко корректировать как в предпусковой период, так и в процессе их эксплуатации. Благодаря этому снижаются затраты и сроки проведения наладочных работ и изменяется их характер, поскольку необходимые эксперименты по определению характеристик и параметров, а также настройка регуляторов могут быть произведены автоматически самой микроЭВМ по заранее подготовленной программе.
Снятие всех ограничений на структуру управляющего устройства и законы управления. При этом показатели качества цифровых систем могут значительно превышать показатели качества управления непрерывных систем управления. Путем введения соответствующих программ могут быть реализованы сложные законы управления (оптимизация, адаптация, прогнозирование и др.), в том числе и такие, которые весьма сложно осуществить с помощью аналоговых средств. Появляется возможность решения интеллектуальных задач, обеспечивающих правильность и эффективность ведения технологических процессов. На основе микроЭВМ могут быть построены системы любых типов, включая системы с подчиненным управлением, многомерные системы с перекрестными связями и др.
Самодиагностика и самотестирование цифровых управляющих устройств. Возможность проверки исправности механических узлов привода, силовых преобразователей, датчиков и другого оборудования во время технологических пауз, т.е. автоматическая диагностика состояния оборудования и раннее предупреждение аварий. Эти возможности дополняются развитыми средствами борьбы с помехами. Главное здесь - замена аналоговых линий передачи информации цифровыми, содержащими гальванические развязки, волоконно-оптические каналы, помехоустойчивые интегральные микросхемы в качестве усилителей и коммутаторов.
Более высокая точность вследствие отсутствия дрейфа нуля, характерного для аналоговых устройств. Так, цифровые системы регулирования скорости электропривода могут обеспечить повышение точности регулирования на два порядка по сравнению с аналоговыми.
Простота визуализации параметров процесса управления путем применения цифровых индикаторов, индикаторных панелей и дисплеев, организации диалогового режима обмена информацией с оператором.
Большая надежность, меньшие габариты, масса и стоимость. Высокая надежность микроЭВМ по сравнению с аналоговой техникой обеспечивается применением больших интегральных микросхем (БИС), наличием специальных систем защиты памяти, помехозащищенности и другими средствами. Благодаря высокому уровню технологии производства БИС снижаются затраты на изготовление систем управления электроприводами. Эти преимущества особо проявляются при использовании одноплатных и однокристальных ЭВМ.

Регулятор выполняет вычисление рассогласования и его преобразование в управляющее воздействие в соответствии с определенной математической операцией. ВСАУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД). В зависимости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы. Аналоговые регуляторы (АР) реализуются на основе операционных усилителей, цифровые - на основе специализированных вычислительных устройств или микропроцессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналоговые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

При анализе регуляторов воспользуемся двумя основными допущениями, которые с высокой степенью точности выполняются для ОУ с отрицательной обратной связью в линейном режиме работы:

Дифференциальное входное напряжение U вх ОУ равно нулю;

Инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ тока не потребляют, т.е. входные токи (рис. 2.2). Так как неинвертирующий вход подключен к шине «нуль», то, согласно первому допущению, потенциал φ а инвертирующего входа также равен нулю.

Рис. 2.2. Функциональная схема пропорционального регулятора

Перейдя к приращению переменных в уравнении (2.1) и использовав преобразование Лапласа, получим передаточную функцию П-регулятора:

где - коэффициент пропорционального усиления.

Таким образом, в П-регуляторе осуществляется пропорциональноеусиление (умножение на постоянную )сигнала рассогласования u рас.

Коэффициент может быть как больше, так и меньше единицы. На рис. 2.3 представлена зависимость u у = f(t) П-регулятора при изменении сигнала рассогласования u рас.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С ОУ (рис. 2.4). Передаточная функция И-регулятора

где - постоянная интегрирования, с.

Рис. 2.4. Функциональная схема интегрального регулятора

В И-регуляторе осуществляется интегрирование сигнала рассогласования u рас.

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется включением в обратную связь резистора R оу и конденсатора С ОУ (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Функциональная схема ПИ-регулятора

Передаточная функция ПИ-регулятора

является суммой передаточных функций пропорционального и интегрального регуляторов. Так как ПИ-регулятор обладает свойствами П- и И-регуляторов, то он осуществляет одновременно пропорциональное усиление и интегрирование сигнала рассогласования u рас.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) реализуется в простейшем случае включением в ПИ-регуляторе параллельно резисторам R 3 и R OC конденсаторов С 3 и С ОС (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Функциональная схема ПИД-регулятора

Передаточная функция ПИД-регулятора

где – коэффициент пропорционального усиления ПИД-регулятора; - постоянная дифференцирования; - постоянная интегрирования; ; .

Передаточная функция ПИД-регулятора является суммой передаточных функций пропорционального, интегрального и дифференциального регуляторов. ПИД-регулятор осуществляет одновременно пропорциональное усиление, дифференцирование и интегрирование сигнала рассогласования u рас.

17 Вопрос Датчики координат АЭП.

Структурная схема датчика. В АЭП (автоматизированный электропривод) для получения сигналов обратной связи по управляемым координатам используются датчики.Датчик представляет собой устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты АЭП путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрический сигнал.

Управляемыми в АЭП являются электрические и механические координаты: ток, напряжение, ЭДС, момент, скорость, перемещение и т.д. Для их измерения используют соответствующие датчики.

Датчик координат АЭП структурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобразователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рис. 2.9). Измерительный преобразователь преобразует координату х в электрический сигнал напряжения и (или тока i ), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выходного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u ОС , который по величине и форме удовлетворяет САУ.

Рис. 2.9. Структурная схема датчика координат АЭП

Датчики тока. Датчики тока (ДТ) предназначены для получения информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

Линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I ном до 5 I ном не менее 0,9;

Наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

Высокое быстродействие.

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротивлением R ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам которого подключается силовая цепь, а к потенциальным - измерительная.

По закону Ома падение напряжения на активном сопротивлении и=R ш i.

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номинальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить до требуемых значений (3,0...3,5 В). Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Структурная схема датчика тока на основе шунта приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Структурная схема датчика тока на основе шунта

В настоящее время все большее распространение получают датчики тока на основе элементов Холла, которые выполняются из полупроводникового материала в виде тонкой пластинки или пленки (рис. 2.14). При прохождении электрического тока I Х по пластинке, расположенной перпендикулярно к магнитному полю с индукцией В, в пластинке наводится ЭДС Холла e Х:

где - коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пластинки.

Датчики напряжения. В качестве измерительного преобразователя напряжения в электроприводе используются резистивные делители напряжения (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Функциональная схема датчика напряжения

Выходное напряжение делителя.

Датчики ЭДС. При невысоких требованиях к диапазону регулированияскорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС.

Рис. 2.17. Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Датчики скорости. Для получения электрического сигнала, пропорционального угловой скорости ротора двигателя, используются тахогенераторы и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы применяются в аналоговых САУ, импульсные - в цифровых.

К датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности характеристики управления, стабильности выходного напряжения и уровню его пульсаций, так как они определяют статические и динамические параметры привода в целом.

Широкое распространение в электроприводе получили тахогенераторы постоянного тока с постоянными магнитами. Для уменьшения уровня оборотных пульсаций тахогенераторы встраиваются в электродвигатель.

В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используются импульсные преобразователи перемещения, у которых количество импульсов пропорционально углу поворота вала.

Датчики положения. В настоящее время в электроприводе для измерения пермещения подвижных частей машин и механизмов применяются индукционные и фотоэлектронные преобразователи.

К индукционным относятся вращающиеся трансформаторы, сельсины и индуктосины. Индуктосины могут быть круговыми и линейными.

Вращающимися трансформаторами (ВТ) называются электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота α в синусоидальное напряжение, пропорциональное этому углу. В системе автоматического регулирования вращающиеся трансформаторы используются в качестве измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого заданного положения.

Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой на 90°. Напряжение с обмотки ротора снимается с помощью контактных колец и щеток или с помощью кольцевых трансформаторов.

Принцип действия ВТ в синусном режиме основан на зависимости напряжения, наведенного в обмотке ротора пульсирующим магнитным потоком статора, от углового положения осей обмоток статора и ротора.

Сельсин представляет собой электрическую микромашину переменного тока, имеющую две обмотки: возбуждения и синхронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины. Обмотка синхронизации всегда трехфазная. В САУ широкое распространение получили бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором.

Обмотка синхронизации бесконтактного сельсина с кольцевым трансформатором размещается в пазах статора, обмотка возбуждения - в пазах или на явно выраженных полюсах ротора сельсина. Особенность кольцевого трансформатора состоит в том, что его первичная обмотка располагается на статоре, а вторичная - на роторе. Обмотки имеют вид колец, размещенных в магнитной системе, состоящей из кольцевых магнитопроводов статора и ротора, которые на роторе соединяются внутренним магнитопроводом, а на статоре - внешним. В САУ сельсины используются в амплитудном и фазовращательном режимах.

Схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме представлена на рис. 2.19. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота ротора τ. За начало отсчета принята осевая линия обмотки фазы А.

Рис. 2.19. Функциональная схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме

Схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме представлена на рис. 2,20. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота τ, а выходной - фаза φ выходной ЭДС е вых по отношению к переменному питающему напряжению.

Рис. 2.20. Функциональная схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме

18 Вопрос Системы импульсно-фазового управления. Принципы управления тиристорами.

В выпрямителях в качестве управляемых ключей используются тиристоры. Для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:

Потенциал анода должен превышать потенциал катода;

На управляющий электрод необходимо подать открывающий (управляющий) импульс.

Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора называется моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохождения тока через вступающий в работу тиристор и регулируется напряжение выпрямителя.

Формирование открывающих импульсов, передаваемых I в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают горизонтальный, вертикальный и интегрирующий принципы управления.

При горизонтальном управлении (рис. 2.28) управляющее переменное синусоидальное напряжение u y сдвигается по фазе (по горизонтали) по отношению к напряжению u 1 , питающему выпрямитель. В момент времени ωt=α из управляющего напряжения формируются прямоугольные отпирающие импульсы U gt . Горизонтальное управление в электроприводах практически не применяется, что обусловлено ограниченным диапазоном регулирования угла α (около 120°).

При вертикальном управлении (рис. 2.29) момент подачи открывающихся импульсов определяется при равенстве управляющего напряжения u y (постоянного по форме) с переменным опорным напряжением (по вертикали). В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U gt .

При интегрирующем управлении (рис. 2.30) момент подачи открывающих импульсов определяется при равенстве переменного управляющего напряжения и у с постоянным опорным напряжением U o п.В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U gt .

Рис. 2.28. Горизонтальный принцип управления

Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления

Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления

По способу отсчета угла открывания а СИФУ делят на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчет угла а для каждого тиристора выпрямителя производится в собственном канале, в одноканальных - в одном канале для всех тиристоров. В промышленном электроприводе преимущественное применение получили многоканальные СИФУ с вертикальным принципом управления.

ТИПОВЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Регуляторы

Важной функцией современных систем автоматики является регулирование ее координат, то есть поддержание с необходимой точностью требуемых их значений. Данная функция реализуется с помощью большого числа различных элементов, первостепенное значение среди которых имеют регуляторы.

Регулятор выполняет преобразование управляющего сигнала, соответствующее математическим операциям, требуемым по условиям работы системы регулирования. К типовым требуемым операциям относятся следующие преобразования сигнала: пропорциональное, пропорционально-интегральное, пропорционально-интегрально-диф-ференциальное.

Основу аналогового регулятора составляет операционный усилитель - усилитель постоянного тока, который при отсутствии обратных связей имеет высокий коэффициент усиления. Наибольшее применение находят операционные усилители интегрального исполнения. Операционный усилитель представляет собой многокаскадную структуру, в которой можно выделить, входной дифференциальный усилитель (ДУ ) с инверсным и прямым входами, усилитель напряжения (УН ), реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности (УМ ), обеспечивающий необходимую нагрузочную способность операционного усилителя. Функциональная схема операционного усилителя приведена на рис. 4.1. Однокристальное малогабаритное исполнение операционного усилителя обусловливает высокую стабильность параметров, что позволяет получить высокий коэффициент усиления на постоянном токе. Выведенные из схемы точки Kl, К2, КЗ предназначены для подключения внешних корректирующих цепей, снижающих коэффициент усиления на высоких частотах и повышающих устойчивость работы усилителя с обратными связями. Без корректирующих цепей при достаточно больших частотах, когда накопившееся отставание по фазе составит 180°, знак обратной связи изменяется, и при большом коэффициенте усиления операционный усилитель самовозбуждается и входит в режим автоколебаний. На рис. 4.1 использованы следующие обозначения: U п - напряжение питания усилителя; U уи - входное напряжение управления по инверсному входу усилителя; U уп - входное напряжение управления по прямому входу усилителя; U вых - выходное напряжение усилителя. Все указанные выше напряжения измеряются относительно общего провода двухполярного источника питания.

Схемы включения операционного усилителя приведены на рис. 4.2. Дифференциальный каскад операционного усилителя имеет два входа управления: прямой с потенциалом U уп и инверсный с потенциалом U уи (рис. 4.2, а ).

Выходное напряжение усилителя определяется произведением коэффициента усиления на разность потенциалов входов усилителя, то есть

U вых = k уо (U уп - U уи) = k уо U у ,

где k уо - дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя; U у - дифференциальное входное напряжение усилителя, то есть напряжение между прямым и инверсным входами. Дифференциальный коэффициент усиления интегральных операционных усилителей при отсутствии обратных связей .

Относительно входных напряжений U вхп и U вхи выходное напряжение определяется разностью

U вых = k уп U вхп - k уи U вхи ,

где коэффициенты усиления по прямому входу k уп и по инверсному входу k уи определяются схемой включения усилителя. Для схемы включения по прямому входу, приведенной на рис. 4.3, б , коэффициент усиления определяется по формуле

а для схемы включения по инверсному входу, приведенной на рис. 4.3, в , - по формуле

Для построения различных схем регуляторов обычно используется схема включения операционного усилителя с инверсным входом. Как правило, регуляторы должны иметь несколько входов. Входные сигналы подаются в точку 1 (рис. 4.2, в ) через индивидуальные входные сопротивления. Требуемые передаточные функции регуляторов получаются за счет комплексных активно-емкостных сопротивлений в цепи обратной связи Z ос и во входных цепях Z вх . Передаточная функция регулятора относительно любого из входов без учета инверсии выходного напряжения

. (4.1)

В зависимости от вида передаточной функции операционный усилитель может рассматриваться как тот или другой функциональный регулятор. В дальнейшем для реализации регуляторов будем рассматривать только схемы включения по инверсному входу.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) - это операционный усилитель с жесткой обратной связью, приведенный на рис. 4.3, а . Его передаточная функция

W(p) = k П, (4.2)

где k П - коэффициент усиления П-регулятора.

Как следует из передаточной функции (4.2), в пределах полосы пропускания операционного усилителя логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) П-регулятора параллельна оси частот w , а фаза равна нулю (рис. 4.3, б ).

Интегральный регулятор (И-регулятор) получается включением конденсатора в обратную связь, как показано на рис. 4.4, а , при этом выполняется интегрирование входного сигнала и передаточная функция регулятора

, (4.3)

где T и = R вх C ос - постоянная интегрирования.

Как следует из (4.3), фазовый сдвиг выходного сигнала равен -p / 2, ЛАЧХ имеет наклон -20 дБ /дек, а логарифмическая фазовая частотная характеристика (ЛФЧХ) параллельна оси частот w (рис. 4.4, б ).

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) получается путем параллельного соединения П- и И-регуляторов, то есть

Получить передаточную функцию (4.4) можно на одном операционном усилителе включением в его обратную связь активно-емкостного сопротивления Z ос (p) = R ос (p) + + 1 / (C ос p) , как показано на рис. 4.5, а .

Тогда в соответствии с (4.1)

где T 1 = R ос C ос ; T И = R вх C ос ; k П = R ос / R вх .

Логарифмические частотные характеристики ПИ-регулятора приведены на рис. 4.5, б .

Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор) получается параллельным соединением П-регулятора и дифференциального Д-регулятора, то есть

W ПД (p) = k П + T Д p = k П (T 1 p+1). (4.5)

Передаточная функция (4.5) получается путем подключения конденсатора к входному резистору операционного усилителя, как показано на рис. 4.6, а . Тогда с учетом (4.1) имеем

где T 1 = R вх C вх ; k П = R ос / R вх .

Логарифмические частотные характеристики ПД-регулятора приведены на рис. 4.6, б .

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор). Этотрегуляторполучается путем параллельного включения трех регуляторов - П-регулятора, И-регулятора и Д-регулятора. Его передаточная функция имеет вид

. (4.6)

Передаточная функция (4.6) всегда может быть реализована параллельным включением ПД-регулятора и И-регулятора, имеющих, соответственно, передаточные функции (4.5) и (4.3). При этом схема ПИД-регулятора может быть выполнена на трех операционных усилителях. Первый усилитель реализует функцию ПД-регулятора (рис. 4.6, а ), второй усилитель - функцию И-регулятора (рис. 4.4, а ), третий усилитель (рис. 4.3, а ) - функцию суммирования выходных выходных сигналов первого и второго усилителей.

Если на параметры k П , T И и T Д наложить ограничение

то передаточная функция (4.6) может быть записана в виде

, (4.7)

где k П = (T 1 +T 2) / T И ; Т Д = (T 1 T 2) / T И .

ПИД-регулятор с передаточной функцией (4.7) представляет собой последовательное включение ПД-регулятора и ПИ-регулятора и может быть реализован на одном операционном усилителе с сопротивлением в цепи обратной связи

Z ос (p) = R ос + 1/(C ос p)

и сопротивлением во входной цепи

При этом постоянные времени регулятора T 1 = R вх C вх , T 2 =R ос C ос , T 0 =R вх C ос .

Схема ПИД-регулятора на одном усилителе приведена на рис. 4.7, а , а его логарифмические частотные характеристики на рис. 4.7, б .

Рассмотренные схемы ПД-регулятора и ПИД-регулятора имеют во входных цепях усилителя конденсаторы, которые для высокочастотных помех представляют собой сопротивление, близкое к нулю. Для повышения устойчивости регуляторов последовательно с конденсатором можно включать дополнительный резистор с небольшим сопротивлением (не менее, чем на один порядок меньшим емкостного сопротивления конденсатора).

Регуляторы, их работа и технические реализации более подробно рассмотрены в /1/.

Вопросы для самопроверки

1. Какую функцию выполняют регуляторы систем автоматики?

2. Какие типовые преобразования управляющего сигнала производят регуляторы систем автоматики?

3. Что является основой построения большинства современных аналоговых регуляторов?

4. Какие основные свойства характерны для операционных усилителей?

5. Что является входными координатами типового операционного усилителя?

6. Что является выходной координатой типового операционного усилителя?

7. Какие составляющие части входят в функциональную схему операционного усилителя?

8. Назовите типовые схемы включения операционных усилителей.

9. Какая типовая схема включения операционного усилителя используется обычно для реализации регуляторов?

10. Приведите передаточную функцию операционного усилителя для схемы включения по инвертирующему входу.

11. Какой элемент содержит пропорциональный регулятор в цепи обратной связи операционного усилителя?

12. Какой элемент содержит пропорциональный регулятор во входной цепи операционного усилителя?

13. Приведите передаточную функцию пропорционального регулятора.

14. Какой вид имеют амплитудная частотная и фазовая частотная характеристики пропорционального регулятора?

15. Какой элемент содержит интегральный регулятор в цепи обратной связи операционного усилителя?

16. Какой элемент содержит интегральный регулятор во входной цепи операционного усилителя?

17. Приведите передаточную функцию интегрального регулятора.

18. Какой наклон имеет логарифмическая амплитудная частотная характеристика интегрального регулятора?

19. Какой вид имеет фазовая частотная характеристика интегрального регулятора?

20. Какие элементы содержит цепь обратной связи операционного усилителя пропорционально-интегрального регулятора?

21. Какой элемент содержит входная цепь операционного усилителя пропорционально-интегрального регулятора?

22. Приведите передаточную функцию пропорционально-интегрального регулятора.

23. Какой элемент содержит цепь обратной связи операционного усилителя пропорционально-дифференциального регулятора?

24. Приведите передаточную функцию пропорционально-дифференциального регулятора.

25. При каких ограничениях на параметры пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора он реализуется на одном операционном усилителе?

26. Какие элементы содержит входная цепь пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выполненного на одном операционном усилителе?

27. Какие элементы содержит цепь обратной связи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, выполненного на одном операционном усилителе?

Задатчики интенсивности

Типовым задающим блоком в системах управления электроприводами и в других системах автоматики является интегрозадающее устройство или задатчик интенсивности (ЗИ). Задача ЗИ - сформировать плавное изменение задающего сигнала при переходе от одного уровня к другому, а именно создать линейное нарастание и спадание сигнала с требуемым темпом. В установившемся режиме напряжение на выходе задатчика интенсивности равно напряжению на его входе.

На рис. 4.8 представлена структурная схема однократно интегрирующего ЗИ, состоящая из трех операционных усилителей. Все усилители включены по схеме с инвертирующим входом. Первый усилитель У1, работающий без обратной связи, но с ограничением по выходному напряжению U 1 , имеет характеристику прямоугольной формы, которая приведена без учета инверсии выходного напряжения на рис. 4.9, а . Второй операционный усилитель У2 работает интегратором с постоянным темпом интегрирования

(4.8)

Темп интегрирования может регулироваться изменением R вх2 . Третий усилитель У3 формирует отрицательное напряжение обратной связи

. (4.9)

При подаче на вход задающего напряжения U з выходное напряжение линейно возрастает согласно (4.8). В момент времени t=t п, когда U з = - U ос, интегрирование прекращается, и выходное напряжение, как следует из (4.9), достигнув значения , остается далее неизменным. При снятии со входа задающего напряжения (U з = 0) происходит процесс линейного уменьшения выходного напряжения до нулевого значения (рис. 4.9, б ).

Скорость изменения выходного напряжения этого ЗИ, как следует из (4.8), может меняться либо изменением величины напряжения U 1 , например, путем выбора стабилитронов в цепи обратной связи усилителя У1 с напряжением стабилизации, равным требуемому значению U 1 , либо изменением величины произведения R вх2 C ос2 .

На рис. 4.10, а приведена еще одна схема однократно интегрирующего ЗИ, выполненная на основе биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. В этой схеме используют свойства транзистора (Т ) как усилителя тока. Перезаряд конденсатора (С ) всегда происходит при неизменном по величине токе коллектора i к , определяемом заданным током эмиттера i э . При этом скорость изменения во времени напряжения u вых на выходе ЗИ |du вых /dt | = i к /C . Характеристика управления ЗИ u вых = = f(t) показана на рис. 4.10, б . Скорость изменения выходного сигнала может регулироваться изменением напряжения U э , пропорционально которому изменяется ток i э и, соответственно, ток i к , или изменением емкости конденсатора. В установившемся режиме конденсатор всегда заряжен до напряжения u вх . Выпрямительный мост обеспечивает постоянство направления тока коллектора транзистора независимо от знака напря-жения u вх . ЗИ подробно рассмотрены в /1, 7/.

Вопросы для самопроверки

1. С какой целью используются задатчики интенсивности в схемах автоматики?

2. Что является входной и выходной координатами задатчика интенсивности?

3. Чему равен статический коэффициент усиления задатчика интенсивности?

4. Как должно изменяться напряжение на выходе однократно интегрирующих задатчиков интенсивности при ступенчатых изменениях входного напряжения?

5. На основе каких усилителей строятся интегрирующие задатчики интенсивности?

6. Сколько операционных усилителей, включенных по инверсному входу, необходимо для реализации однократно интегрирующего задатчика интенсивности?

7. Укажите назначение каждого из трех операционных усилителей в типовой схеме однократно интегрирующего задатчика интенсивности, выполненной на микросхемах.

8. Какие параметры влияют на скорость изменения выходного напряжения однократно интегрирующего задатчика интенсивности на трех операционных усилителях?

9. Благодаря чему достигается линейное изменение напряжения на конденсаторе в схеме однократно интегрирующего транзисторного задатчика интенсивности?

10. Какие параметры влияют на скорость изменения выходного напряжения однократно интегрирующего транзисторного задатчика интенсивности?

Согласующие элементы

Функциональные элементы в составе систем управления могут быть разнородными по типу сигнала, роду тока, по сопротивлениям и мощности и по другим показателям. Поэтому при соединении элементов возникает задача согласования их характеристик. Эту задачу решают согласующие элементы. К данной группе элементов относятся фазовые детекторы, согласующие род тока, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, согласующие тип сигнала, эмиттерные повторители, согласующие входные и выходные сопротивления, усилители мощности, гальванические разделители и другие элементы. Функцию согласования могут выполнять также элементы, нормально предназначенные для других целей. Например, рассмотренный в п. 4.1 операционный усилитель оказывается эмиттерным повторителем относительно неинвертируемого входа при подключении выходного напряжения на инвертируемый вход.

Для гальванического разделения может быть, например, использован трансформаторный датчик напряжения. Такие и подобные им элементы оказываются очевидными или известными и рассматриваться не будут.

Рассмотрим более сложные типовые согласующие элементы.

Фазовый детектор (ФД) в научно-технической литературе получил ряд других названий: фазочувствительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, фазовый дискриминатор, демодулятор.

Назначение ФД - преобразование входного напряжения переменного тока U вх в выходное напряжение постоянного тока U вых , полярность и амплитуда которого зависят от фазы входного напряжения j . Таким образом, ФД имеет две входные координаты: амплитуду входного напряжения U вх m и фазу входного напряжения j и одну выходную координату: среднее значение выходного напряжения U вых . Различают два режима работы ФД: амплитудный режим, когда фаза входного напряжения остается постоянной, принимая одно из двух значений 0 или p , U вх m = var и U вых = f(U вх m); фазовый режим, когда U вх = const, j = var и U вых = f(j).

В амплитудном режиме ФД применяется как преобразователь сигнала рассогласования переменного тока в управляющий сигнал в следящих приводах постоянного тока, как преобразователь выходного сигнала тахогенератора переменного тока и так далее. В фазовом режиме ФД применяется в системах управления, в которых контролируемой и управляющей величиной является плавно изменяющаяся фаза.

На фазовый детектор, как правило, не возлагается функция усиления напряжения.

Поэтому коэффициент усиления ФД близок к единице. На рис. 4.11 изображена расчетная схема замещения двухполупериодного ФД. Схема соответствует нулевой схеме выпрямления, в которой вентили заменены функциональными ключами K1 и К2. Сопротивление нагрузки R н, на котором выделяется выходное напряжение, соединяет средние точки а , 0 ключей и источников ЭДС управления e у. В каждый контур введено внутреннее сопротивление источника ЭДС управления R у. Состоянием ключей управляет опорная ЭДС e оп в соответствии с алгоритмом: для е оп > 0 К1 включен, то есть его

коммутационная функция y к1 = 1,а К2 отключен, то есть его коммутационная функция y к2 = 0. Для e оп < 0 y к1 = 0, а y к2 = 1. Данный алгоритм может быть представлен формулами

y к 1 = (1+sign e оп) /2; y к 2 = (1- sign e оп) /2 . (4.10)

Очевидно, что при замкнутом К1 выходная ЭДС e вых между точками а , 0 равна e у, а при замкнутом К2 e вых = - e у , то есть

e вых = e у y к1 - e у y к2 . (4.11)

Подстановка (4.10) в (4.11) даст

e вых = e у sign e оп . (4.12)

Соответствующая алгоритмам (4.11) и (4.12) диаграмма изменения выходной ЭДС приведена на рисунке 4.12.

e оп = E оп m sinwt и e у = E у m sin(wt - j),

где E оп m , E у m - амплитудные значения опорной ЭДС и ЭДС управления; w - угловая частота опорной ЭДС и ЭДС управления, то среднее значение выпрямленной выходной ЭДС

. (4.13)

Так как E у m = k п U вх m , среднее значение выходного напряжения , то с учетом (4.13)

, (4.14)

где k п - коэффициент передачи от входного напряжения к ЭДС управления. Он определяется особенностями конкретной принципиальной схемы ФД.

Для j = const = 0 или j = const = p имеет место амплитудный режим работы ФД, для которого характеристика управления прямолинейна:

U вых = k ФД U вх ,

где с учетом (4.14) коэффициент усиления ФД в амплитудном режиме

При j = 0 значения выходных напряжений U вых положительны, а при j = p значения выходных напряжений отрицательны.

Для U вх = const и j = var имеет место фазовый режим ФД, для которого характеристика управления имеет вид

U вых = k " ФД cosj = k " ФД sinj " ,

где j " = p/2 - j , а коэффициент передачи ФД в фазовом режиме с учетом (4.14)

;

При малых j " характеристика управления

Работа ФД, их характеристики и принципиальные схемы рассмотрены в /1/.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Преобразователь согласует цифровую часть системы управления с аналоговой. Входная координата ЦАП - двоичное многоразрядное число A n = a n -1 …a i …a 1 a 0 , а выходная координата - напряжение U вых , формируемое на основе опорного напряжения U оп (рис. 4.13).

Схемы ЦАП строятся на основе резисторной матрицы, с помощью которой происходит суммирование токов или напряжений так, что выходное напряжение пропорционально входному числу. В составе ЦАП можно выделить три основные части: резисторную матрицу, электронные ключи, управляемые входным числом, и суммирующий усилитель, формирующий выходное напряжение. На рис. 4.14 приведена простая схема нереверсивного ЦАП. Каждому разряду входного двоичного числа An соответствует сопротивление

R i = R 0 / 2 i , (4.15)

где R 0 -сопротивление младшего разряда.

Резистор R i подключается к источнику питания с опорным напряжением U оп через электронный ключ K i , который замкнут при a i =1и разомкнут при a i = 0.Очевидно, что в зависимости от значения a i сопротивление входной цепи для i- гo разряда c учетом (4.15) определится выражением

R i = R 0 /(2 i a i) . (4.16)

Тогда для а i = 0 , то есть цепь разорвана, а для a i =1 цепь включена и имеет сопротивление R 0 /2 i .

В схеме на рис. 4.14 операционный усилитель У суммирует входные токи и его выходное напряжение с учетом обозначений схемы и выражения (4.16)

Выражение (4.17) вида U вых = f(A n) - это характеристика управления ЦАП. Она имеет ступенчатую форму с дискретностью по напряжению, соответствующей единице младшего разряда,

ΔU 0 = R ос U оп / R 0 = k ЦАП .

Величина ΔU 0 является одновременно и усредненным передаточным коэффициентом ЦАП k ЦАП .

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) решает обратную задачу - преобразует непрерывное по форме входное напряжение в число, например, двоичное. Каждому выходному многоразрядному двоичному числу A i соответствует диапазон изменения входного напряжения:

, (4.18)

где U эi = ΔU 0 i - эталонное значение выходного напряжения, соответствующее выходному двоичному числу A i ; ΔU 0 - дискретность по выходному напряжению, соответствующая единице младшего разряда выходного числа.

При n -разрядном АЦП общее число отличных от нуля эталонных уровней входного напряжения, отличающихся друг от друга на ΔU 0 , равно максимальному выходному десятичному числу N=2 n - 1 . Так как каждый уровень U э i ,согласно (4.18), несет в себе информацию о числе, то в работе АЦП можно выделить основные операции: сравнение входного и эталонного напряжений, определение номера уровня, формирование выходного числа в заданном коде. Усредненный передаточный коэффициент АЦП определяется как обратная величина соответствующего коэффициента ЦАП:

k АЦП = 1 / ΔU 0 .

Тогда уравнение характеристики управления АЦП можно записать в виде

Характеристика управления АЦП имеет ступенчатую форму.

Схемы реализации АЦП можно разделить на два основных типа: параллельного действия и последовательного действия.

Основное достоинство АЦП параллельного действия - высокое быстродействие. Преобразование аналогового входного напряжения в десятичное многоразрядное число происходит всего за два такта работы цифровых элементов схемы. Основной недостаток таких АЦП - большое число аналоговых компараторов и триггеров в составе схемы, равное 2 n - 1 , что делает многоразрядные АЦП параллельного типа чрезмерно дорогостоящими.

Существенно меньшие аппаратурные затраты требуются в АЦП последовательного действия. На рис. 4.15 приведена схема следящего АЦП, относящаяся к группе схем последовательного действия. На схеме использованы не упомянутые раньше обозначения: ГТИ - генератор тактовых импульсов, СР - реверсивный счетчик, К - компаратор, Р - выходной регистр. Обозначения логических элементов И , ИЛИ-НЕ общепринятые.

Сравнение U вх и U э выполняется на комбинированном аналоговом компараторе с двумя выходами: «больше» (>) и «меньше» (<). Если U вх - U э >ΔU 0 / 2, то единичный сигнал оказывается на выходе >, при этом элемент И 1 проводит тактовые им пульсы на суммирующий вход (+1) реверсивного счетчика СР. Растет выходное число СР , и соответственно увеличивается U э, формируемое ЦАП. Если U вх - U э < ΔU 0 /2 , то единичный сигнал появляется на выходе < , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент И 2 проходят на вход вычитания (-1) счетчика СР и U э уменьшается. При выполнении условия |U вх - U э | = ΔU 0 /2 на обоих выходах К выделяются нулевые сигналы и элементы И 1 и И 2 оказываются запертыми для тактовых импульсов. Счетчик прекращает считать, и остающееся на его выходе неизменным число появляется на выходе регистра Р. Разрешение на запись числа в регистр дает единичный сигнал элемента ИЛИ -НЕ , включенного на два выхода К. Рассматривая данную схему относительно U вх и U э, можно установить, что АЦП представляет собой замкнутую по выходной координате систему регулирования с регулятором К релейного действия. Система отслеживает эталонным напряжением на выходе ЦАП изменение входного напряжения с установившейся точностью ±U 0 /2 и выдает на цифровом выходе число, соответствующее U вх. Следящий АЦП позволяет быстро преобразовать только достаточно медленное изменение входного напряжения.

Основной недостаток рассмотренного АЦП - плохое быстродействие. В самом неблагоприятном случае, когда скачком задано максимальное напряжение на входе, для выдачи соответствующей выходной величины в цифровом коде потребуется 2 n - 1 тактов. Некоторые схемы ЦАП и АЦП и их работа рассмотрены в /1/.

Вопросы для самопроверки

1. Для чего используются в системах автоматики согласующие элементы?

2. Какое преобразование осуществляется фазовым детектором?

3. В каких режимах может работать фазовый детектор?

4. Что является входными координатами фазового детектора?

5. Что является выходной координатой фазового детектора?

6. Что такое амплитудный режим работы фазового детектора?

7. Что такое фазовый режим работы фазового детектора?

8. Для чего могут использоваться фазовые детекторы в системах автоматики?

9. Приведите формулу характеристики управления фазового детектора, работающего в амплитудном режиме.

10. Какое преобразование осуществляется цифрроаналоговым преобразова-телем?

11. Что является входной и выходной координатами цифроаналогового преобразователя?

12. Из каких основных частей состоит схема цифроаналогового преобразователя?

13. Приведите формулы для расчета характеристики управления цифро-аналогового преобразователя и его усредненного коэффициента передачи.

14. Какой вид имеет характеристика управления цифроаналогового преобразователя?

15. Какое преобразование осуществляется аналого-цифровым преобразователем?

16. Что является входной и выходной координатами аналого-цифрового преобразователя?

17. Приведите формулы для расчета характеристики управления аналого-цифрового преобразователя и его усредненного коэффициента передачи.

18. Каких типов бывают аналого-цифровые преобразователи?

19. В чем основные достоинства и недостатки аналого-цифровых преобразователей параллельного действия?

20. В чем основные достоинства и недостатки аналого-цифровых преобразователей последовательного действия?

21. Для чего в схеме следящего аналого-цифрового преобразователя используется цифроаналоговый преобразователь?

22. Чему равна максимальная установившаяся абсолютная ошибка преобразования следящего аналого-цифрового преобразователя?

ДАТЧИКИ

Вопросы для самопроверки

1. Что является входной и выходной координатами датчика угла поворота?

2. Что является входной и выходной координатами датчика угла рассогласования?

3. В каких системах могут применяться датчики угла и датчики рассогласования?

4. Сколько обмоток и где имеет трехфазный контактный сельсин?

5. Что является входной и выходными координатами сельсина?

6. В каких режимах может работать сельсин?

7. Что такое амплитудный режим работы сельсина?

8. Что такое фазовый режим работы сельсина?

9. Приведите формулу для расчета характеристики управления сельсина в амплитудном режиме работы.

10. Приведите формулу для расчета характеристики управления сельсина в фазовом режиме работы.

11. Какими факторами определяются статические погрешности сельсина, искажающие его характеристику управления?

12. Чем вызвана скоростная погрешность датчика угла поворота на основе сельсина?

13. В каком режиме работают сельсин-датчик и сельсин-приемник в схеме датчика угла рассогласования, если в качестве его выходных координат используются амплитудное значение ЭДС ротора сельсина-приемника и фаза этой ЭДС?

14. Приведите формулу для расчета характеристики управления датчика рассогласования на основе двух сельсинов, работающих в трансформаторном режиме.

15. Что является основными недостатками датчиков угла поворота на основе сельсина?

16. С какой целью на входе датчиков угла поворота используются понижающие измерительные редукторы?

17. С какой целью на входе датчиков угла поворота используются повышающие измерительные редукторы?

18. Как изменяется погрешность измерения угла при использовании понижающих измерительных редукторов?

19. Когда целесообразно использование дискретных датчиков угла?

20. Какие основные элементы присутствуют в конструкции цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска?

21. Почему характеристика управления цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска имеет ступенчатый характер?

22. Приведите формулу для расчета интервала дискретности цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска.

23. Приведите формулу для расчета абсолютной погрешности цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска.

24. Путем каких конструкционных мер можно увеличить разрядность цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска?

Датчики угловой скорости

Тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами (рис. 5.6). Входная координата ТГ- угловая скорость w , выходная - напряжение U вых , выделяемое на сопротивлении нагрузки.

E тг = kФw = I(R тг +R н),

Передаточный коэффициент ТГ, В/рад; k = рN/ (2p а) - конструктивная постоянная; Ф - магнитный поток возбуждения; R тг - сопротивление якорной обмотки и щеточного контакта.

Передаточный коэффициент ТГ, строго говоря, не остается постоянным при изменении скорости из-за нелинейности сопротивления щеточного контакта и реакции якоря. Поэтому в характеристике управления наблюдается определенная нелинейность в зонах малой и большой скоростей (рис. 5.6, б ). Нелинейность в зоне малой скорости уменьшают применением металлизированных щеток с малым падением напряжения. Нелинейность характеристики из-за реакции якоря снижается ограничением сверху скорости и увеличением сопротивления нагрузки. При выполнении указанных мероприятий характеристику управления ТГ можно считать практически прямолинейной.

Операционный усилитель: схемы включения, принцип работы. Схема усилителя на операционном усилителе неинвертирующего

Последние

Это нужно знать