Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

151

A=B

Рис. 16.13.

Это устройство, наряду с простотой аппаратурной реализации, обладает

недостатками: отсутствие количественной оценки результата сравнения и

указания знаков “<”, “=” или “>”. Вывод знака “<”, “=” или “>” обеспечивает

устройство по схеме:

A=B

A<B

A>B

Рис. 16.14.

Однако одноразрядность этого устройства ограничивает его

функциональные возможности. Для сравнения многоразрядных двоичных

величин, с возможностью наращивания разрядности и без снижения

быстродействия, но без вывода количественного результата сравнения,

приемлемо устройство по схеме рис. 16.15, реализуемое на ИМС, например,

типов К555СП1, К561ИП1, 74LS85, …

152

A=B

A>B

...

Рис. 16.15.

а с выводом количественного результата сравнения, устройство:

& &

1""→−

0""→+

"1"

ab→−

"0"

ab→+

−

Рис. 16.16.

реализуемое на ИМС, например, типов К500ИМ180, К502ИС1, 564ИП3,

74LS83, …

Для сравнения числоимпульсных величин приемлемо устройство по

схеме:

153

СТ

n1 Дш

-F

()

12 12

10 ( 1, ) / %

при NN i n FF== =

Рис. 16.17.

154

ЛЕКЦИЯ 17

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Исполнительные устройства служат для преобразования управляющего

сигнала в перемещение органа регулирования. По характеру перемещения

органа регулирования исполнительные устройства делятся на прямоходные и

поворотные. По виду потребляемой энергии их классифицируют на

гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные

(электрогидравлические и электропневматические).

Наиболее надежными являются гидравлические устройства.

Конструктивно гидравлические и пневматические устройства выполняются в

виде мембранных, поршневых, сильфонных и лопастных устройств. Они

позволяют получать наибольшее усилие для перемещения органа

регулирования.

К электрическим исполнительным устройствам относятся

электромагнитные и электромашинные устройства.

Электромагнитные исполнительные устройства – это реле, соленоиды и

электромагнитные муфты.

Реле – элемент, в котором изменение входной электрической величины

преобразуется в механическое перемещение, замыкающее или размыкающее

контакты. Электромагнитные

реле применяются для переключения мощных

цепей тока, и их называют контакторами.

Соленоид (см. рис. 17.1)– это катушка с подвижным якорем. При подаче

напряжения на соленоид (на катушку) якорь приходит в движение и

перемещает орган регулирования.

Передаточная функция соленоида

W(s)=X

вых

(s)/U

вх

(s)=k

/[(1+sT

)(1+T

s+T

)], (17.1)

где: X

вых

(s) – перемещение якоря, T

– постоянная времени

электромагнита, L

и R

– активное сопротивление и индуктивность катушки,

соответствующее начальному положению якоря, T

=√m/k

(m – масса

подвижных частей, k

– жесткость пружины), T

(здесь - k

–

155

коэффициент демпфирования), k

=2k

– коэффициент передачи

соленоида (k

– коэффициент пропорциональности между силой

электромагнита и током управления I

в катушке).

вых

вх

РО

якорь

обмотка

пружина

Рис. 17.1.

В системах автоматики применяются электромагнитные муфты

следующих типов: фрикционные (см. рис. 17.2), скольжения (см. рис. 17.3) и

порошковые муфты (см. рис. 17.4).

ведущая

ведомая

Uвх

Рис. 17.2.

Фрикционная муфта состоит из двух полумуфт насаженных на ведущий и

ведомый валы. Ведущая полумуфта изготовлена из немагнитного материала,

она механически жестко соединена с ведущим валом и содержит обмотку

управления. Ведомая полумуфта изготовлена из ферромагнетика и

механически, на шлицах по скользящей посадке, насажена на ведомый вал.

Когда на обмотку ведущей полумуфты подается

напряжение, то полумуфты

156

притягиваются и благодаря трению между ними ведомая полумуфта

приводится во вращение, перемещая орган регулирования.

вх

ведомая

ведущая

Рис. 17.3.

В муфтах скольжения полумуфты изготовлены как и в фрикционных

муфтах, но ведомая полумуфта неподвижно насажена на ведомый вал,

момент вращения на ведомый вал передается за счет магнитного поля,

создаваемого обмоткой. При этом в результате двух магнитных полей в

полумуфтах возникает момент вращения, приводящий в движение ведомый

вал.

вх

ведущая ведомая

Рис. 17.4.

Принцип действия порошковой муфты основан на изменении вязкости

ферромагнитного порошка, заполняющего зазоры муфты. Когда на обмотку

управления подается напряжение U

, то изменяется вязкость ферромагнитной

массы и возникает сила сцепления между полумуфтами, при возрастании

тока управления возрастает и момент, передаваемый на ведомый вал. При

157

=0 момент М≠0, а при М

=0,01М

max

, что объясняется наличием трения в

порошке. Для обеспечения линейности зависимости M=f(I

) создают

начальный ток подмагничивания.

Передаточная функция порошковой муфты

W(s)=ω(s)/U

(s)=k

/[T

s+1)(T

s+1)], (17.2)

где: ω(s) – угловая скорость ведомого вала (рад/сек); k

– коэффициент

передачи муфты, определяемый по характеристике М=f(I

); T

–

постоянная времени обмотки управления; T

=Jω

ном

/М

ном

– механическая

постоянная времени (здесь J суммарный момент инерции, приведённый к

ведомому валу).

Если за выходную величину принять угол поворота Θ ведомого вала, то

передаточная функция принимает вид

W(s)=k

/[T

s+1)(T

s+1)], (17.3)

т. к. Θ=∫ωdt. Значение Т

≈0,03÷0,25 сек.

К электромашинным исполнительным устройствам относятся

двигатели различных типов. Двигатели постоянного тока обычно

используются в системах совместно с электромашинными усилителями

(ЭМУ). Для управления такими двигателями используют тиристорные

преобразователи. Двигатели переменного тока применяют в системах

автоматического управления (АУ) различных классов благодаря их простоте,

надежности, малой инерционности и удобства управления.

Из

двигателей постоянного тока (см. рис. 17.5) используются двигатели с

независимым возбуждением. В них управление может осуществляться или со

стороны якоря (якорное управление), или со стороны обмотки возбуждения

(ОВ) (полюсное управление). В первом случае U

вх

, а U

=const, а во втором

вх

, а U

=const. Изменение направления и частоты вращения

осуществляют путём изменения полярности и амплитуды U

вх

158

Uв

якорь

статор

Рис. 17.5.

Полюсное управление по сравнению с якорным позволяет уменьшить

мощность усилительного устройства, но при этом ухудшается

быстродействие. Поэтому управление со стороны якоря находит более

широкое применение. Вращающий момент М

вр

двигателя

вр

=с

, (17.4)

где Ф

– поток возбуждения, I

– ток якоря, а c

– коэффициент

пропорциональности. При Ф

=const, М

вр

=с'

Если считать момент нагрузки М

=0, то М

вр

расходуется на преодоление

инерции якоря и приводимого в движение органа регулирования, т. е.

М=J(dω/dt), (17.5)

где J – приведённый момент инерции (Н×м×с

), ω – угловая скорость вала

двигателя (рад/с).

Уравнение цепи якоря имеет вид

(dI

/dt)+e, (17.6)

где L

и R

– индуктивность и активное сопротивление якоря, а е=с

ω –

противо- э. д. с.

Дифференциальное уравнение двигателя, связывающее скорость

вращения вала с напряжением управления U

имеет вид

ω/dt

)+T

((dω/dt)+ω=k

, (17.7)

159

где T

– постоянная времени цепи якоря, T

=IR

/(c

)=I(ω

хх

) –

электромеханическая постоянная (здесь ω

хх

– угловая скорость якоря на

холостом ходу, M

– пусковой момент двигателя), а k

=1/с

= ω

хх

я ном

–

коэффициент передачи. Тогда передаточная функция двигателя имеет вид

W(s)=ω(s)/U

(

)=k

/(T

s+1). (17.8)

Если за выходную величину двигателя считать угол поворота вала

(якоря) Θ, то

W(s)=Θ(s)/U

(

)=k

/(T

s+1). (17.9)

Постоянная цепи якоря Т

=(2÷5)10

-3

с., а Т

=(2÷15)10

-2

с – постоянная

электромеханическая. Т. к. Т

<Т

, то передаточная функция принимает вид

W(s)=ω(s)/U

(

)=k

/(T

s+1), (17.10)

при этом двигатель эквивалентен апериодическому звену.

Из двигателей переменного тока наиболее распространены

индукционные двигатели (см. рис. 17.6). Эти двигатели имеют две обмотки

статора – обмотку возбуждения (ОВ) и обмотку управления (ОУ), они

расположены в пространстве под углом 90º.

якорь

статор

ротор

Рис. 17.6.

ОВ питается от сети ~I, а ОУ от усилителя системы, причем U

сдвинуто

относительно U

по фазе на 90º. Амплитуда U

=const, а U

=varia и

пропорциональна изменениям управляемой величины. Ротор такого

двигателя выполняется в виде полого тонкостенного алюминиевого или

стального цилиндра или в виде беличьей клетки. При взаимодействии

160

эллиптического поля, создаваемого обмотками статора, с полями вихревых

токов, наводимых в роторе, возникает момент, приводящий в движение

ротор, который перемещает регулирующий орган.

В динамическом отношении асинхронный двухфазный двигатель

рассматривается как апериодическое звено, если за выходную величину

принята ω вала двигателя, т. е. передаточная функция представима

зависимостью

W(s)= ω(s)/U

(

)=k

/(T

s+1). (17.11)

Если же выходной величиной является Θ, то

W(s)=k

/[s(T

s+1)]. (17.12)

Постоянные времени двухфазных двигателей таковы:

Тип ротора f тока в цепи возбуждения, Гц Постоянная времени,

сек

Полый немагнитный 50

400÷500

0,006÷0,03

0,025÷0,1

Полый стальной 50

400÷500

1÷2

1,5÷3,0

Типа «беличье колесо» 50

400÷500

0,1÷0,2

0,3÷1,5

Шаговый электродвигатель (ШД), импульсный, синхронный, в котором

импульсы тока, подаваемые в обмотки возбуждения статора, преобразуются

в дискретные угловые или линейные перемещения (шаги) ротора.

Конструктивно ШД бывают с явно- и неявнополюсным статором, на котором

расположены обмотки возбуждения (ОВ), и с ротором без обмотки,

выполненным из магнитомягкого материала (реактивный ротор), или из

магнитожесткого

материала (активный ротор).

Импульсы тока от источника энергии через коммутатор подаются на

обмотки возбуждения статора, в результате чего ориентация магнитного

потока в пространстве между полюсами изменяется дискретно, вызывая

смещение ротора на некоторый угол (на некоторое расстояние), называемое

шагом.

Шаг ШД зависит от числа ОВ, а также от числа выступов на

реактивном

роторе, от числа активных полюсов при активном роторе. Для ШД с