Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода

Подождите немного. Документ загружается.

Рис 5.23. Основные коорди-

наты ЦАП

Рис. 5.24. Схема неревер-

сивного ЦАП

напряжений так, что выходное напряжение пропорцио-

нально входному числу. В составе ЦАП можно выделить

три основные части: резисторная матрица, электронные

ключи, управляемые входным числом, и суммирующий

усилитель, формирующий выходное напряжение. На

рис. 5.24 приведена простая схема нереверсивного ЦАП.

Каждому разряду входного двоичного числа

соответ-

ствует сопротивление

Яо/2',

(5-42)

где

— сопротивление младшего разряда, Ом.

Резистор

подключается к источнику питания с опор-

ным напряжением

через электронный ключ

Ki,

кото-

рый замкнут при

а*

и разомкнут при

а/

—0.

Очевидно,

что в зависимости от значения

сопротивление

вход-

ной цепи для

1-го

разряда определится выражением

/?o/(2<

(5.43)

Тогда для

cii

—

]Ri

oo,

т. е. цепь разорвана, а для

cti—1

цепь включена и имеет сопротивление

Ro/2

Выходное

напряжение операционного усилителя У, суммирующего

входные токи, в соответствии с (5.8) и с учетом (5.43)

находится с помощью выражения

п—1

-#о,с

__#о,с

(

Ол-1

Л_/7

^вых

——

У,—

оа

—

и—

on\

n—I*

-f...-1-«o/-

jsest

«о

»=0

(5.44)

Таким образом, характеристика управления ЦАП

^вых=ф(Л„)

имеет ступенчатую форму с дискретностью

по напряжению, соответствующей младшему разряду,

170

AZ/

-i?r

"««-w

Величина

At/o

является одновременно и

усредненньы

передаточным коэффициентом ЦАП

ЦАП .

Рассмотренная схема ЦАП предусматривает разные

номиналы входных разрядных сопротивлений. Чем стар-

ше разряд, тем меньше сопротивление и больше ток, тем

выше требования к классу точности изготовления рези-

стора по значению сопротивления. Разброс тока для г'-го

разряда должен быть меньше значения тока самого млад-

шего разряда, т. е.

д/

Ч™

^оп

<_^н.

)

(5.46)

Д,

р-ДК

Ягср

ЛЯ

Яо

откуда требуемая относительная точность составит

ДЯ/Я,

1/2'+'.

(5.47)

Так, согласно (5.47) при числе разрядов

= 10 требу-

емая точность изготовления резистора старшего разряда

составит около 0,1

что намного превышает практиче-

ски реализуемую точность

в-стандартных

элементах. При

большом числе разрядов требуется большое разнообра-

зие в резисторах как по значениям сопротивлений, так и

по классу точности. Эти недостатки ограничивают приме-

нение данной схемы преобразователями с небольшой раз-

рядностью. Другим недостатком схемы является факт

подачи на ключи полного напряжения

on>

что усложняет

схемы электронных ключей и снижает частоту их пере-

ключения из-за паразитных емкостей. Отмеченные недо-

статки в значительной мере устраняются в схеме, в кото-

рой используются однотипные резисторы и электронные

ключи, постоянно обтекаемые токами.

На рис. 5.25 изображена схема с резисторной матри-

цей с двумя номиналами сопротивлений

для лю-

бого числа разрядов. Все резисторы обтекаются неизмен-

ными токами независимо от положения электронных клю-

чей

/С

—Кз-

Управляемые входным числом

A4=a

aia

ключи имеют два положения: замкнуты на шину

Ш\,

если соответствующие

а<

0, и замкнуты на шину

ес-

ли

а,

= 1. На резисторах R и 2R в точках

3,2,1,0

проис-

ходит последовательно деление пополам тока и напряже-

ния, при этом ток

t'-ro

разряда, протекающий в шину

Ш\,

определяется формулой

t/оп

/с

ло\

Л -

2(n

-v~i

-зд

(5.4»)

Рис.

5.25.

Схема реверсивного ЦАП с резисторной матрицей посто-

янного сопротивления

Выходное напряжение на выходе первого усилителя

У1

выражается через суммарный входной ток следую-

щим образом:

форме напряжение в пропорциональное ему число. Каж-

дому выходному числу А, соответствует диапазон изме-

нения входного напряжения:

«/„I

, (5.51)

где

С/„1

Д£У

(5.52)

— эталонное значение входного напряжения, соответст-

вующее выходному числу

At,

В;

ДИ7

—

дискретность по

напряжению, соответствующая единице младшего разря-

да

выходного

числа, В.

При

л-разрядном

АЦП общее число отличных от ну-

ля эталонных уровней входного напряжения, отличаю-

щихся друг от друга на

Д(7

равно максимальному вы-

ходному числу N =

2"—1.

Так как каждый уровень

f/,j

согласно (5.51) несет в себе информацию о числе, то в

работе

АЦП можно выделить основные операции: срав-

нение входного и эталонного напряжений, определение

номера уровня, формирование выходного числа в задан-

ном коде. Усредненный передаточный коэффициент АЦП

определяется как обратная величина соответствующего

коэффициента ЦАП:

/г

дцп

Ш/

(5.53)

Схемы реализации АЦП можно разделить на два

ос-

новных типа: параллельного действия и последователь-

ного действия. На рис. 5.26 представлена схема АЦП па-

раллельного действия. С помощью резисторного делите-

ля выделяются уровни эталонного напряжения в точках

1,2, ..., N. Сравнение

£/

вх

С/

выполняется на компара-

торах

К\—KN,

в качестве которых используются опера-

ционные усилители с

однополярным

выходом. При

t^Bx»—£У

эг

<;Д£/

на выходах компараторов имеет место

нулевой сигнал, а при

,—(У

э;

^Д^/

компараторы да-

ют единичный сигнал на своих выходах, который запоми-

нается

D-триггерами.

Число единиц на выходах триггеров

преобразуется с помощью шифратора CD

код

л-разряд-

ного двоичного числа

равного i. Достоинство данной

схемы

АЦП

—

высокое быстродействие (два такта), не-

достаток — большое число компараторов и триггеров

(2»—1).

Так, для восьмиразрядного АЦП потребовалось

бы 255 компараторов и 255 триггеров.

173

Рис. 5.26. Схема АЦП параллельного действия

Существенно меньшие аппаратурные затраты требу-

ются в АЦП последовательного действия. На рис. 5.27

приведена схема следящего АЦП, относящаяся к группе

схем последовательного действия. Сравнение

вы-

полняется на комбинированном аналоговом компараторе

К с двумя выходами: «больше» (>) и «меньше» (<).

Если

С/вх—U

>AU

/2,

то единичный сигнал оказывается

на выходе >, при этом элемент

проводит тактовые

им-

Рис. 5.27. Схема следящего АЦП

174

пульсы на суммирующий вход (+1) реверсивного счет-

чика СР. Растет выходное число СР, и соответственно

увеличивается

формируемое

ЦАП.

Если

—U

«<Д£/о/2,

то единичный сигнал появляется на выходе

при этом импульсы от генератора тактовых импульсов

проходят на вход вычитания

(—1)

СР

уменьшается.

При

выполнении условия

|£/

вх

—U

=Д£/

на

обоих

вы-

ходах К выделяются нулевые сигналы и элементы

оказываются запертыми для тактовых импульсов. Счет-

чик прекращает считать, и остающееся на его выходе не-

изменным число появляется на выходе регистра Р. Раз-

решение на запись числа в регистр дает единичный сиг-

нал

элемента

ИЛИ—НЕ,

включенного на два выхода К.

Рассматривая данную схему относительно

£7

ВХ

можно установить, что АЦП представляет собой замкну-

тую по выходной координате систему регулирования с ре-

гулятором К релейного действия.

Система

отслеживает

эталонным напряжением на выходе ЦАП изменение вход-

ного напряжения с установившейся точностью

±ДС/о/2

выдает на цифровом выходе число, соответствующее

£/

вх

Следящий АЦП позволяет быстро преобразовать доста-

точно медленное

изменение

входного напряжения. В са-

мом неблагоприятном случае, когда скачком задано мак-

симальное напряжение, для выдачи соответствующей вы-

ходной величины в цифровом коде потребуется

—1

тактов.

Глава шестая

ДАТЧИКИ

6.1.

Датчики угла и

рассогласования

Под термином «датчики угла» понимаются устройст-

ва, преобразующие угловую координату в электрическое

напряжение.

Это

напряжение используется в системах

АЭП

как сигнал обратной связи по углу или как управ-

ляющий сигнал в задающих устройствах. Датчики угла

находят применение в следящих системах для измерения

угла поворота исполнительного вала. Задание на движе-

ние системы может выполняться также с помощью дат-

чика угла, угловой координатой которого является угол

поворота командной (задающей) оси. Разность сигна-

175

Рис. 6.1.

Координаты

(а) и элект-

рическая

схема

сельсина

(б)

лов этих двух

датчиков,

так

называемое «рассогласова-

ние», подается как управля-

ющий сигнал на вход систе-

мы. В этом случае оба дат-

чика могут рассматривать-

ся объединенно как «датчик

рассогласования». Задание

на угловое перемещение мо-

жет формироваться и без

датчика угла с командной

осью. Тогда используется

эквивалент командной оси,

т. е. заданная угловая

коор-

дината выступает в закоди-

рованном

виде,

например в

форме цифровой програм-

мы. В таких системах с про-

граммным управлением выходной сигнал датчика

угла

исполнительного вала вводится в программное устрой-

ство, вырабатывающее задание на движение. В простей-

ших случаях датчик угла используется как бесконтакт-

ный потенциометр, командоаппарат, фазовращатель.

Для датчиков угла и рассогласования широкое при-

менение нашли сельсины и вращающиеся трансформа-

торы.

Сельсин — небольшая электрическая машина пере-

менного тока, имеющая две обмотки: однофазную (об-

мотку возбуждения) и трехфазную (обмотку синхрони-

зации). По конструктивному признаку сельсины разде-

ляются на два основных типа: контактные сельсины и

бесконтактные сельсины. Основное исполнение первого

типа — обмотка возбуждения расположена на роторе,

обмотка синхронизации — на статоре. Этим уменьшается

до двух число контактных колец и исключаются контакты

на синхронизирующей связи. Идея бесконтактного сель-

сина реализуется двумя способами. При первом способе

благодаря специальной конструкции магнитопровода ро-

тора неподвижная кольцевая обмотка возбуждения соз-

дает в роторе

поток,

поворачивающийся вместе с

рото-

17&

ром. При втором способе обмотка ротора

получает

пита-

ие

от

вращающейся

совместно с ротором вторичной

обмотки кольцевого трансформатора возбуждения с не-

подвижной первичной обмоткой.

В схемах датчиков угла входная координата сельси-

на — угол поворота его ротора

а выходные координа-

ты

— амплитуда

f/выхт

или фаза

ср

выходного напряже-

ния по отношению к переменному опорному напряжению

(рис.

6.1,

а). В зависимости от использования той

или

другой выходной координаты различают амплитудный

режим, когда

cp=const

(0 или л), a

BMxm

—f(Q),

и ре-

жим фазовращателя, когда

bixm=const,

<p=f(9).

В амплитудном режиме обмотка возбуждения полу-

чает питание от сети переменного тока (рис.

6.1,6):

sinorf, (6.1)

Магнитный поток, действующий по осевой линии об-

мотки возбуждения, наводит соответствующие ЭДС в фа-

зах обмотки статора. Пренебрегая потоком рассеяния и

активным сопротивлением обмотки возбуждения, имеем

для фазных ЭДС следующие выражения:

cosQsmu>t;

cos

(

y-)sin<af;

(

coe(e-^L)sta

ffl

rf,

где

Нч=Е

/Е

ат

^Е

/и

вт

—

коэффициент трансформа-

ции между фазной статорной и роторной обмотками при

их соосном положении.

Здесь за начало отсчета

угла

поворота ротора 6 при-

нята осевая линия обмотки фазы А статора. Линейная

ЭДС определится разностью соответствующих фазных

ЭДС:

лв

-е

=;УЗ fe

sin

(JL

б)

sin

orf.

(6.3)

Если начало отсчета угла переместить на л/3 в на-

правлении к фазе В, то относительно угла

л/3—9

новой системе

отсчета

Y3k

sinQ'sm^.

(6.4)

12-831 177

Характеристика

управления

сельсина в

амплитудном

режиме лриобретает синусоидальную закономерность:

=V3k,U

smQ'.

(6.5)

Положительные значения

дт

соответствуют

<р

0, а

от-

рицательные

ф=я.

Для

малых

6',

когда

slnQ'ttQ',

ttk

Q', (6.6)

где

V3k,U

(6.7)

— передаточный коэффициент сельсина в амплитудном

режиме.

Полученные выражения для характеристики

управле-

ния и передаточного коэффициента не учитывают погреш-

ностей, вносимых в передачу сигнала сельсином несину-

соидальностью распределения магнитной индукции,

асим-

метрией магнитопровода, неравенством параметров фаз

статорной обмотки и т. п. Перечисленные факторы обус-

ловливают статические погрешности, искажающие форму

характеристики управления. Эти погрешности в зависи-

мости от класса точности изготовления сельсина харак-

теризуются определенным уровнем (рис. 6.2). Наиболь-

шее влияние они оказывают в области малых углов, где

полезный сигнал соизмерим с погрешностями. Кроме ста-

тических погрешностей при вращении сельсина,

появля-

ется скоростная погрешность из-за возникающей в обмот-

ках

ЭДС

вращения. Эта погрешность увеличивается с

Рис. 6.2. Характеристика управления сель-

сина

1X8

ростом угловой скорости. Поэтому рабочие режимы

сельсинов

характеризуются ограниченным уровнем ско-

рости по условиям допустимой скоростной погрешности.

В режиме фазовращателя обмотка статора получает

питание от источника трехфазного напряжения с неиз-

менной амплитудой. Образующееся круговое вращающе-

еся поле в любой фиксированной точке статора, удален-

ной от оси отсчета (оси фазы А) на угол

ор

характеризу-

ется магнитным потоком

С08(й>*

—ф).

(6.8)

Следовательно, в обмотке ротора, ось которой сдвину-

та на угол ф

9 относительно начала

отсчета,

наводится

ЭДС

вЫХ

=4~

1с

И-ф)'

где

Eim

— амплитуда фазной ЭДС статора, В.

Таким образом, характеристика управления сельсина

режиме фазовращателя определяется равенством

= 0. (6.10)

В системах, в которых требуется более точное измере-

ние

угловой координаты вместо сельсинов, применяются

синусно-косинусные

вращающиеся

трансформаторы

(СК.ВТ).

По своему устройству

СКВТ

— двухфазная мик-

ромашина переменного тока.

Неявнополюсные

статор и

ротор имеют по две взаимно

перпендикулярные

обмотки:

обмотку возбуждения и квадратурную на статоре, синус-

ную

и косинусную обмотки на роторе (рис. 6.3,

а),

В амплитудном режиме обмотка возбуждения, распо-

ложенная по оси а, получает питание от источника пере-

менного тока:

sm<i>t.

(6.11)

Тогда в разомкнутых роторных обмотках наводятся ЭДС,

амплитуды которых оказываются функциями угла пово-

рота ротора:

для косинусной обмотки, расположенной по оси

£/

cos9

cose,

(6.12)

Для синусной обмотки, расположенной по оси q,

«=*Ttf,

sine

sin9,

(6.13)

12*

179