Аналоговые элементы и устройства управления ЭП
Работу таких элементов и устройств рассмотрим на примере систем УБСР. Аналоговая ветвь УБСР-А выполняется из набора транзисторных усилителей постоянного тока, командных и задающих устройств, функциональных преобразователей, датчиков координат, устройств согласования и блоков питания и рассчитана на унифицированный сигнал постоянного тока (0± 10) м. А, (0 ± 24) В, что позволяет использовать в ней транзисторы общего назначения. Развитием аналоговой ветви УБСР явилась разработка серии УБСР -АИ на интегральных микросхемах, применение которых позволило улучшить технические характеристики схем управления и расширить их функциональные возможности. Блоки УБСР-АИ размещаются на сменных ячейках со штепсельными разъемами и имеют печатный монтаж. Эта серия рассчитана на унифицированный электрический сигнал ± 10 В, ± 5 м. А, позволяющий соединять ее элементы с дискретными элементами УБСР-ДИ и другими устройствами автоматизации технологических процессов.
Операционный усилитель (ОУ) является основным элементом аналоговой системы. Он представляет собой усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления (до 10000), охваченный отрицательной обратной связью. Операционный усилитель осуществляет преобразование входных сигналов Uвх. i в соответствии с выражением: где n - число входных сигналов; zbxi - в общем случае комплексные активно-емкостные входные сопротивления ОУ, zo. c- комплексное сопротивление цепи обратной связи.
В простейшем случае, когда на вход ОУ поступает один сигнал Ubx, a zo. c= Rос и zbx 1 = R 1 преобразование входного сигнала будет иметь вид т. е. происходит его умножение на коэффициент k = Ro. c/R 1 и изменение знака на противоположный. При Ro. c = R 1 и k = 1 имеет место так называемое инвертирование входного сигнала по знаку. Если zo с = Ro с и zbx 1 = Rвх. i то ОУ осуществляет суммирование подаваемых на него электрических сигналов с одновременным умножением на соответствующий коэффициент, т. е. где ki = Rо. с/Rвх. i
При включении во входные цепи и цепи обратных связей наряду с резисторами конденсаторов ОУ могут осуществлять и другие весьма разнообразные преобразования входных сигналов, необходимые для получения требуемых управляющих воздействий в ЭП. Такие схемы получили название регуляторов. В таблице 1. 1 приведены некоторые распространенные схемы регуляторов с использованием ОУ.
Таблица 1. 1
Продолжение таблицы 1. 1
Регуляторы получили свои названия в зависимости от выполняемых ими функциональных преобразований входных сигналов: Пропорциональный (П) регулятор Интегральный (И) регулятор. Апериодический (А) регулятор. Дифференциальный (Д) регулятор.
Пропорциональный (П) регулятор осуществляет масштабное (пропорциональное) преобразование входного сигнала с коэффициентом k = Rо. с/Rвх. i и инвертированием его знака. В таблице показан характер изменения во времени выходного сигнала этого регулятора при подаче на него ступенчатого входного сигнала в момент времени t 0. Выходной сигнал в этом случае повторяет входной с коэффициентом преобразования к. Отметим, что зависимость Uвых(t) при подаче на вход регулятора ступенчатого входного сигнала получила название его переходной функции.
Интегральный (И) регулятор. Для реализации этого регулятора в цепь обратной связи ОУ включается конденсатор Со. с, а во входную цепь - резистор R 1 В результате регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.
Дифференциальный (Д) регулятор. Схема соединения этого регулятора обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом Т= Rо. с. C 1 Переходная характеристика идеального дифференциального регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности (для упрощения в таблице график входного сигнала Uвx(t) не показан). Апериодический (А) регулятор. Переходной функцией такого регулятора является экспоненциальная зависимость выходного сигнала во времени.
Схемы и характеристики пропорционально-интегрального (ПИ), пропорционально-дифференциального (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регуляторов также приведены в таблица 1. 1 Эти регуляторы осуществляют комплексное преобразование входных сигналов, что требуется при реализации сложных законов управления в ЭП. Для реализации схем регуляторов в УБСР-АИ применяются ячейки операционных усилителей У 2 АИ и У 4 -АИ, содержащие по два усилителя на микросхемах К 1 УТ 402 А, а также элементы цепей входа, обратной связи ОУ и ограничения выходного сигнала
Функциональные преобразователи входят в состав УБСР-АИ и позволяют возводить в квадрат и извлекать квадратный корень из входного сигнала (ячейка ПК-1 АИ), умножать и делить входные аналоговые сигналы (ячейки УМ-1 АИ, УМ-2 АИ, МДУ-1 АИ), выделять модуль сигнала (ячейка ВМ 1 АИ), осуществлять различные нелинейные зависимости между входным и выходным сигналами (ячейка ПФ-1 АИ). Эти преобразователи также реализуются на базе одного или нескольких ОУ.
Рассмотрим схему включения ОУ (рис. 1. 21, а), обеспечивающую ограничение сигнала. Для выполнения этой функции в цепь обратной связи ОУ параллельно резистору Ro. c включаются два стабилитрона VD 1 и VD 2. До уровня выходного напряжения, соответствующего напряжению пробоя (стабилизации) стабилитронов Uст, ОУ работает как обычный масштабный преобразователь с линейной характеристикой Uвых(Uвх) (рис. 1. 21, б). При достижении выходным напряжением уровня Uст происходит пробой стабилитрона, эквивалентное сопротивление цепи обратной связи, а значит, и коэффициент усиления ОУ становятся равными нулю, и напряжение на выходе перестает изменяться (ограничивается). Рисунок 1. 21. Схема (а) и характеристики (б) при ограничении напряжения ОУ
Рисунок 1. 21. Схема (а) и характеристики (б) при ограничении напряжения ОУ Включение двух стабилитронов обеспечивает получение симметричной характеристики Uвых(Uвх). Если убрать из цепи обратной связи резистор Ro. c, то схема будет обеспечивать получение нелинейной характеристики типа релейной без зоны нечувствительности. Сигнал Uст на выходе такой схемы будет появляться сразу же, как только поступит входной сигнал.
Рисунок 1. 22. Схема нелинейного преобразовате ля на ОУ В ряде схем нелинейного преобразования сигналов вместо стабилитронов используются диоды с потенциометрами опорного (запирающего) напряжения. На рисунке 1. 22, а приведена схема, в которой используются диоды VDI и VD 2 и потенциометр опорных напряжений ПОН. Диоды включаются таким образом, чтобы опорные напряжения ± Uоп, снимаемые с ПОН, запирали их, так как создается более низкий потенциал их анодов по сравнению с потенциалом катодов.
Поэтому до тех пор, пока входной сигнал Uвх будет меньше опорного Uоп, диоды остаются закрытыми и на выходе ОУ напряжение отсутствует. Как только Uвх становится больше Uоп, открывается один из диодов и на выходе ОУ появляется напряжение, изменяющееся далее линейно с коэффициентом усиления k = Rо. с/Rвх. i. Характеристика, показанная на рисунке 1. 22, б, называется характеристикой с зоной нечувствительности. Изменяя уровни напряжения Uoп, а также коэффициент усиления к, можно обеспечивать различные ее виды. Объединение схем, приведенных на рисунках 1. 21, а и 1. 22, а, позволяет получить характеристику UBЫX(UBХ), соответствующую трехпозиционному реле с зоной нечувствительности.
Командные (задающие) устройства реализуются на базе сельсинного командоаппарата типа СКА. Они выпускаются в трех исполнениях - с приводом от рукоятки (СКАР), - педальным приводом (СКАП) - маховичковым приводом (СКАЗ).
Рисунок 1. 23. Схема (а) и выходная характеристика (б) сельсинного командоаппарата Рассмотрим электрическую схему сельсинного командоаппарата (рис. 1. 23, а). Однофазная обмотка статора сельсина ОС подключается к сети переменного тока напряжением Uc = 110 В частотой 50 Гц. Выходное напряжение переменного тока Uвых снимается с двух фаз обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью неуправляемого выпрямителя VD или фазочувствительного выпрямителя ФЧВ. В первом случае выходное напряжение Uвых1 будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность сигнала Uвых2 будет зависеть от сдвига фаз напряжений статора и ротора. Таким образом, ФЧВ является по существу выпрямителем, полярность сигнала на выходе которого определяется фазой входного напряжения переменного тока.
При повороте ротора сельсина амплитуда наводимых в его обмотках ЭДС и соответственно выходного напряжения Uвых изменяется от нуля в начальном положении ротора (φ = 0) до максимального значения при φ = 90° (см. рисунок 1. 23, б) по кривой Uвых1(φ). Для получения примерно линейной зависимости выходного сигнала командоаппарата в функции угла поворота ротора используется зона φ = ± 60°. На основе сельсинного командоаппарата выполняются и задатчики интенсивности УБСР типов БЗС и БСШД. В задатчике интенсивности БЗС ротор перемещается однофазным реверсивным исполнительным двигателем типа РД-09, а в задатчике БСШД - с помощью шагового двигателя типа ШДР 711. Рисунок 1. 23. Выходная характеристика (б) сельсинного командоаппарата
В схемах управления, в том числе и в УБСР, широко используются и потенциометрические задающие устройства (задатчики) с линейным и вращательным движением ползунка. Схема, приведенная на рисунке 1. 23, в, обеспечивает получение двухполярного сигнала на выходе, а схемы на рисунке 1. 23, г, д - однополярного. Рисунок 1. 23. Потенциометрические задающие устройства (в, г, д, )
Если ползунки потенциометров перемещать с помощью исполнительных двигателей, то они смогут выполнять функции задатчиков интенсивности. По такому принципу в УБСР выполнен блок скорости реостатный (БСР), в котором двигатель РД-09 через редуктор перемещает ползунки двух потенциометров типа РПП. Угол поворота валиков потенциометра 0. . . 3000, крайние их положения ограничиваются микровыключателями. В УБСР предусмотрен и статический (без применения двигателя) задатчик интенсивности типа ЗИ-2 АИ. В этом устройстве, предназначенном для преобразования ступенчатого входного сигнала в линейно изменяющееся во времени выходное напряжение, применяются четыре ОУ, один из которых работает в режиме управляемого ограничения (см. рисунок 1. 21, а), второй - в режиме интегратора (см. таблицу 1. 1), а третий и четвертый - в режиме инвертора. Ячейка ЗИ-2 АИ операционного усилителя обеспечивает изменение своего выходного напряжения в пределах ± 10 В за время 0, 5. . . 120 с.
Рисунок 1. 24. Схема (а) и график напряжения на выходе (б) задатчика интенсивности В схемах управления ЭП применяются также задатчики интенсивности, построенные на эффекте протекающего во времени заряда конденсатора. На рисунке 1. 24, а показана схема простейшего задатчика интенсивности, в котором используются конденсатор С и резистор R. При подаче на вход цепочки R - С ступенчатого входного сигнала Uвх сигнал на ее выходе Uвых будет изменяться по экспоненте (см. рисунок 1. 24, б). Изменяя постоянную времени Т = RC, можно получать различный темп изменения выходного сигнала.
Датчики координат электрических приводов В замкнутых ЭП, как уже говорилось, для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемые с помощью соответствующих датчиков. Рассмотрим и некоторые другие датчики, применяемые в аналоговых схемах управления замкнутых ЭП.
Рисунок 1. 25. Потенциометрический (а) датчик напряжения Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе потенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя, как это показано на рисунке 1. 25, а. Уровень сигнала обратной связи по напряжению Uо. н, снимаемого с потенциометра RP, а значит, и коэффициент обратной связи по напряжению определяются положением движка потенциометра.
Рисунок 1. 25. Трансформаторный (б) датчик напряжения Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями переменного тока используются трансформаторные схемы (см. рисунок 1. 25, б). Аналогичные схемы применяются в системе УВ - ДПТ, где трансформаторы напряжения подключаются к цепям переменного тока УВ.
В УБСР реализация цепей обратных связей по току и напряжению осуществляется с помощью ячеек ПН-1 АИ и ПН-2 АИ, называемых датчиками тока и напряжения. Они позволяют регулировать коэффициенты обратных связей и обеспечивают гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления. Датчики положения применяются для получения электрического сигнала, пропорционального положению исполнительного органа или вала двигателя. В таких датчиках используются сельсины, потенциометры и вращающиеся трансформаторы. Сельсинные датчики положения с выходом на постоянном токе соединяются с исполнительным органом или валом двигателя, в результате чего их выходное напряжение будет пропорционально положению. В ЭП применяются сельсины типов БД 160, БД 404, БД 501, ДИД 505, НЭД-101. В следящем ЭП применяется сельсинное устройство, выполняющее функции задатчика, датчика положения и измерителя рассогласования (ошибки). Оно включает в себя два сельсина, обмотки роторов которых соединены между собой. При этом обмотка статора одного сельсина (задатчика) подсоединяется к источнику питания, а со статорной обмотки другого сельсина (датчика) снимается напряжение, значение и фаза которого определяются углом рассогласования между положением их роторов. Далее этот сигнал подается на фазочувствительный выпрямитель.
Потенциометрические датчики положения выполняются по схемам рисунка 1. 23, в. . . д. При соединении движка такого датчика с валом двигателя его выходное напряжение будет пропорционально положению вала. Датчики положения на основе вращающихся трансформаторов являются электромеханическими устройствами. Как и в сельсинах, напряжение на их выходах определяется положением подвижной части. Устройства согласования применяются для соединения в единую схему разнообразных элементов управления. В УБСР-АИ к таким устройствам относятся ячейка согласующего усилителя У 1 -АИ, позволяющая соединять элементы этой системы с другими устройствами, имеющими входные сигналы +24 В; ячейки гальванической развязки РГ-2 АИ и РГ-ЗАИ, которые применяются для потенциального разделения электрических цепей с напряжением до 1000 В; ячейки фильтров Ф 1 -АИ и Ф 2 -АИ, обеспечивающие фильтрацию электрических сигналов в схеме управления. В состав УБСР входят также блоки питания с выходным стабилизированным напряжением постоянного и переменного токов.
Скачать презентацию Аналоговые элементы и устройства управления ЭП Работу
Аналоговые элементы и устройства управления ЭП.ppt