Da bismo pojednostavili proces konstruiranja regulatora struje na operacijskim pojačalima, transformiramo njegov PF (8) na sljedeći način:
(8")
Prvi član u (8") je umnožak izodromne i aperiodične veze, drugi je aperiodična veza, treći je inercijalna diferencirajuća veza. Iz kolegija Elektronika znate kako te veze sastaviti na operacijskim pojačalima.
Slika 10 - Regulator struje na operacijskim pojačalima
Strujni krug se, kao što se vidi, sastoji od tri paralelne grane, koje se zatvaraju izlazima na invertirajuće zbrajalo na operacijskom pojačalu, pa izlazni signal u 2
bit će obrnuto u odnosu na ulaz u 1
. Ako je potrebno odobrenje u 1
I u 2
Bit će potrebno ugraditi dodatni pretvarač na izlazu zbrajača. Ova tehnika je primijenjena u srednjoj grani strujnog kruga, budući da je aperiodična veza izgrađena na invertirajućem operacijskom pojačalu. Gornja grana odgovorna je za PF 
. Umnožak izodromnih i aperiodičnih veza nastaje serijskim spajanjem njihovih krugova na invertirajućim operacijskim pojačalima, a budući da svaka veza invertira signal, nije potrebno podudaranje ulaza i izlaza gornje grane. Donja grana, koja implementira inercijalnu dinamičku vezu, ne invertira ulazni signal.
Izračunajmo parametre kruga. Poznato je da
Upitavši R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 =R 18 = 500 Ohma, R 13 = 300 Ohma, R 14 = 50 Ohma to dobivamo S 1 =
=
= 240 µF, S 2 =S 3 =
=
= 10 µF, S 4 =
=
= 40 µF, R 2 =
= 
= 380 Ohma, R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 Ohma, R 7 = 110 Ohma, R 15 =
=
= 
= 310 Ohma.
2.3AmLahx - program za konstruiranje asimptotskih parametara i sintezu regulatora pomoću metode željenih parametara
2.3.1 Opće informacije o programu
Program AmLAHX dizajniran je za rad u okruženju MatLab6.0 ili novijem i pruža korisniku sljedeće mogućnosti:
ima GUI sučelje;
konstruira asimptotske LFC dinamičkih objekata specificiranih u obliku prijenosnih funkcija;
interaktivno gradi željeni LFC sustava otvorene petlje prema specificiranim kriterijima kvalitete, uključujući, program omogućuje korisniku da odabere spojne dijelove (njihove nagibe) ovisno o vrsti LFC-a kontrolnog objekta;
osigurava automatsko oduzimanje od LFC sustava otvorene petlje LFC-a upravljačkog objekta i na taj način konstruira LFC regulatora, vraća konjugirane frekvencije i nagibe asimptota, što olakšava zapisivanje njegove prijenosne funkcije pomoću LFC kontrolera (u sljedećim verzijama program će to učiniti automatski);
Svi LFC-ovi su iscrtani označavajući nagibe asimptota; korisnik može odrediti boje svakog LFC-a posebno, kao i format natpisa na grafovima (debljina, visina).
2.3.2 Naredbeni redak programa
Kompletna naredbena linija za pokretanje programa je:
yy=amlahx( br,brlog, zastava, param),
Gdje br I jazbina- brojnik i nazivnik PF objekta upravljanja, br I jazbina moraju biti vektori napisani u MatLab formatu (vidi primjer u nastavku);
zastava- način rada (1 (zadano) ili 2);
param- vektor od 6 elemenata (brojeva), 1, 2 i 3 elementa su debljina LFC-ova OU, RS i CU, 4, 5 i 6 su boje ovih LFC-ova (prema zadanim postavkama, debljina od svih LFC-ova je 1, boje su redom crvena, plava i zelena) .
AmLAHX bez parametara radi u demo modu, u ovom slučaju
br= ,jazbina = ,zastava= 2.
TIPIČNI UREĐAJI SUSTAVA UPRAVLJANJA
Regulatori
Važna funkcija moderni sustavi automatizacija je regulacija njegovih koordinata, odnosno održavanje njihovih potrebnih vrijednosti s potrebnom točnošću. Ova funkcija se ostvaruje pomoću velikog broja različitih elemenata, među kojima su regulatori od najveće važnosti.
Regulator provodi transformaciju upravljačkog signala koja odgovara matematičkim operacijama koje zahtijevaju radni uvjeti upravljačkog sustava. Tipične potrebne operacije uključuju sljedeće transformacije signala: proporcionalna, proporcionalno-integralna, proporcionalno-integralna-diferencijalna.
Osnova analognog regulatora je operacijsko pojačalo - pojačalo istosmjerne struje, koje u nedostatku povratne veze ima veliko pojačanje. Najviše se koriste integrirana operacijska pojačala. Operacijsko pojačalo je višestupanjska struktura u kojoj se može razlikovati ulazno diferencijalno pojačalo ( DU) s inverznim i izravnim ulazima, pojačalo napona ( UN), implementirajući visoko pojačanje i pojačalo snage ( UM), osiguravajući potrebnu nosivost operacijskog pojačala. Funkcionalna shema operacijskog pojačala prikazana je na sl. 4.1. Mali dizajn operacijskog pojačala s jednim čipom osigurava visoku stabilnost parametara, što omogućuje postizanje visokog istosmjernog pojačanja. Bodovi izvedeni iz dijagrama Kl, K2, KZ dizajniran za spajanje vanjskih korekcijskih krugova koji smanjuju pojačanje na visokim frekvencijama i povećavaju stabilnost pojačala s povratnom spregom. Bez korektivnih krugova, pri dovoljno visokim frekvencijama, kada je akumulirani fazni zaostatak 180°, dolazi do promjene predznaka povratne sprege, a kod velikog pojačanja operacijsko pojačalo se samopobuđuje i ulazi u režim samoosciliranja. Na sl. 4.1 koriste se sljedeće oznake: U str- napon napajanja pojačala; U ui- ulazni upravljački napon preko inverznog ulaza pojačala; U paket- ulazni upravljački napon preko izravnog ulaza pojačala; U van- izlazni napon pojačala. Svi gore navedeni naponi mjere se u odnosu na zajedničku žicu bipolarnog napajanja.
Priključni krugovi operacijskog pojačala prikazani su na sl. 4.2. Diferencijalni stupanj operacijskog pojačala ima dva upravljačka ulaza: izravni s potencijalom U paket a inverzno s potencijalom U ui(Sl. 4.2, A).
 |
Izlazni napon pojačala određen je umnoškom pojačanja i razlike potencijala ulaza pojačala, tj.
U van = k uo (U gore - U uu) = k uo U u,
Gdje k uo- diferencijalno pojačanje operacijskog pojačala; U y- diferencijalni ulazni napon pojačala, odnosno napon između izravnog i inverznog ulaza. Diferencijalno pojačanje integriranih operacijskih pojačala u odsutnosti povratne veze.
U odnosu na ulazne napone U vhp I U koji izlazni napon određen je razlikom
U van = k gore U unutra - k ui U unutra,
gdje su izravni ulazni dobici k paket a inverznim unosom k ui određen sklopnim sklopom pojačala. Za sklopni sklop izravnog ulaza prikazan na Sl. 4.3, b, dobitak se određuje formulom
,
i za sklopni krug inverznog ulaza prikazan na sl. 4.3, V, - prema formuli
Za izgradnju različitih regulatorskih krugova obično se koristi krug operacijskog pojačala s inverznim ulazom. Tipično, regulatori moraju imati višestruke ulaze. Ulazni signali se dostavljaju točki 1 (Sl. 4.2, V) kroz pojedinačne ulazne otpore. Tražene prijenosne funkcije regulatora dobivaju se zahvaljujući složenim aktivno-kapacitivnim otporima u povratnom krugu Z os i u ulaznim krugovima Z in. Prijenosna funkcija regulatora u odnosu na bilo koji od ulaza bez uzimanja u obzir inverzije izlaznog napona
. (4.1)
Ovisno o vrsti prijenosne funkcije, operacijsko pojačalo se može smatrati jednim ili drugim funkcijskim regulatorom. U budućnosti, za implementaciju regulatora, razmatrat ćemo samo sklopne sklopove temeljene na inverznom ulazu.
Proporcionalni regulator (P-regulator) - Ovo je operativno pojačalo s čvrstom povratnom spregom prikazano na sl. 4.3, A. Njegova prijenosna funkcija
W(p) = k P, (4.2)
Gdje k P- koeficijent pojačanja P-regulatora.
Kao što slijedi iz prijenosne funkcije (4.2), unutar širine pojasa operacijskog pojačala, logaritamski amplitudni frekvencijski odziv (LAFC) P-regulatora paralelan je s frekvencijskom osi w, a faza je nula (Sl. 4.3, b).
Integralni regulator (I-regulator) dobiva se uključivanjem kondenzatora u povratnu petlju, kao što je prikazano na sl. 4.4, A, dok integrira ulazni signal i prijenosnu funkciju regulatora
 |
, (4.3)
Gdje T i = R u C os- konstanta integracije.
Kao što slijedi iz (4.3), fazni pomak izlaznog signala je jednak - str/ 2, LFC ima nagib od -20 dB/dec, a logaritamski fazni frekvencijski odziv (LPFR) je paralelan s frekvencijskom osi w(Sl. 4.4, b).
Proporcionalno-integralni regulator (PI regulator ) dobiva se paralelnim spajanjem P- i I-regulatora tj
Prijenosna funkcija (4.4) može se dobiti na jednom operacijskom pojačalu uključivanjem aktivno-kapacitivne reaktancije u njegovu povratnu vezu Z os (p) = R os (p) + + 1 / (C os p), kao što je prikazano na sl. 4.5, A.
Tada, u skladu s (4.1)
,
Gdje T 1 = R os C os; T I = R u C os; k P = R os / R in.
Logaritamske frekvencijske karakteristike PI regulatora prikazane su na sl. 4.5, b.
Proporcionalni diferencijalni regulator (PD regulator) dobiva se paralelnim spajanjem P-regulator i diferencijalni D-regulator, tj
W PD (p) = k P + T D p = k P (T 1 p+1). (4.5)
Prijenosna funkcija (4.5) dobiva se spajanjem kondenzatora na ulazni otpornik operacijskog pojačala, kao što je prikazano na sl. 4.6, A. Tada, uzimajući u obzir (4.1), imamo
Gdje T 1 = R u C u; k P = R os / R in.
 |
Logaritamske frekvencijske karakteristike PD regulatora prikazane su na sl. 4.6, b.
Proporcionalno-integralno-derivacijski regulator (PID regulator). Ovaj regulator se dobiva paralelnim spajanjem tri regulatora - P-regulator, I-regulator i D-regulator. Njegova prijenosna funkcija ima oblik
. (4.6)
Prijenosna funkcija (4.6) uvijek se može realizirati paralelnim spajanjem PD regulatora i I regulatora koji imaju prijenosne funkcije (4.5) odnosno (4.3). U ovom slučaju, krug PID regulatora može se implementirati pomoću tri operacijska pojačala. Prvo pojačalo implementira funkciju PD regulatora (Sl. 4.6, A), drugo pojačalo je funkcija I-regulator (Sl. 4.4, A), treće pojačalo (Sl. 4.3, A) je funkcija zbrajanja izlaznih signala prvog i drugog pojačala.
Ako parametri k P, T I I T D nametnuti ograničenje
tada se prijenosna funkcija (4.6) može napisati kao
, (4.7)
Gdje k P = (T 1 +T 2) / T I; T D = (T 1 T 2) / T I.
PID regulator s prijenosnom funkcijom (4.7) je sekvencijalna veza PD regulatora i PI regulatora i može se implementirati na jedno operacijsko pojačalo s otporom u povratnom krugu.
Z os (p) = R os + 1/(C os p)
i otpor u ulaznom krugu
.
U ovom slučaju, vremenske konstante regulatora T 1 = R u C u, T 2 =R os C os, T 0 =R u C os.
 |
Krug PID regulatora za jedno pojačalo prikazan je na sl. 4.7, A, i njegove logaritamske frekvencijske karakteristike na sl. 4.7, b.
Razmatrani sklopovi PD regulatora i PID regulatora imaju kondenzatore u ulaznim krugovima pojačala koji za visokofrekventne smetnje predstavljaju otpor blizak nuli. Da biste povećali stabilnost regulatora, možete spojiti dodatni otpornik s malim otporom (barem jedan red veličine manji od kapaciteta kondenzatora) u seriju s kondenzatorom.
Regulatori, njihov rad i tehničke izvedbe detaljnije su obrađeni u /1/.
Pitanja za samotestiranje
1. Koju funkciju obavljaju regulatori sustava automatizacije?
2. Koje tipične transformacije upravljačkog signala provode regulatori automatiziranih sustava?
3. Na čemu se temelji konstrukcija većine suvremenih analognih regulatora?
4. Koja su glavna svojstva operacijskih pojačala?
5. Koje su ulazne koordinate tipičnog operacijskog pojačala?
6. Koja je izlazna koordinata tipičnog operacijskog pojačala?
7. Koje su komponente uključene u funkcionalni krug operacijskog pojačala?
8. Imenovati tipične sklopove za spajanje operacijskih pojačala.
9. Koji tipični krug operacijskog pojačala se obično koristi za implementaciju regulatora?
10. Navedite prijenosnu funkciju operacijskog pojačala za invertirajući ulazni krug.
11. Koji element sadrži proporcionalni regulator u povratnom krugu operacijskog pojačala?
12. Koji element sadrži proporcionalni regulator u ulaznom krugu operacijskog pojačala?
13. Navedite prijenosnu funkciju proporcionalnog regulatora.
14. Koje su karakteristike amplitudne frekvencije i fazne frekvencije proporcionalnog regulatora?
15. Koji element sadrži integralni regulator u povratnom krugu operacijskog pojačala?
16. Koji element sadrži integralni regulator u ulaznom krugu operacijskog pojačala?
17. Navedite prijenosnu funkciju integralnog regulatora.
18. Koliki je nagib logaritamske amplitudne frekvencijske karakteristike integralnog regulatora?
19. Kakav je fazni frekvencijski odziv integralnog regulatora?
20. Koje elemente sadrži povratni krug operacijskog pojačala?
21. Koji element sadrži ulazni krug operacijskog pojačala proporcionalno-integralnog regulatora?
22. Navedite prijenosnu funkciju proporcionalno-integralnog regulatora.
23. Koji element sadrži krug povratne veze operacijskog pojačala proporcionalnog diferencijalnog regulatora?
24. Navedite prijenosnu funkciju proporcionalno-diferencijalnog regulatora.
25. Pod kojim ograničenjima parametara proporcionalno-integralno-derivacijski regulator se implementira na jednom operacijskom pojačalu?
26. Koje elemente sadrži ulazni krug proporcionalno-integralno-derivacijskog regulatora baziranog na jednom operacijskom pojačalu?
27. Koje elemente sadrži povratni krug proporcionalno-integralno-derivacijskog regulatora baziranog na jednom operacijskom pojačalu?
Regulatori intenziteta
Tipična glavna jedinica u sustavima upravljanja električnim pogonom i drugim sustavima automatizacije je integrator ili regulator intenziteta(ZI). Zadatak SI je formiranje glatke promjene glavnog signala pri prelasku s jedne razine na drugu, naime stvaranje linearnog porasta i pada signala potrebnom brzinom. U stacionarnom stanju napon na izlazu generatora intenziteta jednak je naponu na njegovom ulazu.
Na sl. Slika 4.8 prikazuje blok dijagram jednointegrirajućeg SI, koji se sastoji od tri operacijska pojačala. Sva pojačala su spojena prema krugu s invertirajućim ulazom. Prvo pojačalo U1, radi bez povratne veze, ali s ograničenjem izlaznog napona U 1, ima pravokutnu karakteristiku, koja je prikazana bez uzimanja u obzir inverzije izlaznog napona na sl. 4.9, A. Drugo operacijsko pojačalo U2 radi kao integrator s konstantnom stopom integracije
(4.8)
Stopa integracije može se prilagoditi promjenom Rin2. Treće pojačalo U 3 stvara negativni povratni napon
. (4.9)
Kada se na ulaz dovede referentni napon U z izlazni napon raste linearno prema (4.8). U trenutku u vremenu t=t p, Kada U z = - U os, integracija prestaje, a izlazni napon, kako slijedi iz (4.9), dostiže vrijednost 
, dalje ostaje nepromijenjen. Prilikom uklanjanja napona za podešavanje s ulaza ( U z = 0) dolazi do procesa linearnog smanjenja izlaznog napona na nulu (Sl. 4.9, b).
Brzina promjene izlaznog napona ovog zaštitnog uređaja, kako slijedi iz (4.8), može se promijeniti ili promjenom vrijednosti napona U 1, na primjer, odabirom zener dioda u povratnom krugu pojačala U1 sa stabilizacijskim naponom jednakim potrebnoj vrijednosti U 1, ili promjenom vrijednosti proizvoda R u2 C oc2.
Na sl. 4.10, A Prikazan je drugi krug jednointegrirajućeg SI, izrađen na temelju bipolarnog tranzistora spojenog prema krugu sa zajedničkom bazom. Ovaj sklop koristi svojstva tranzistora ( T) kao strujno pojačalo. Punjenje kondenzatora ( S) uvijek se javlja pri konstantnoj struji kolektora ja to, određena zadanom strujom emitera ja e. U ovom slučaju, brzina promjene napona tijekom vremena u van na izlazu iz ZI | duout/dt| = ja to/C. Karakteristike ZI kontrole u van = = f(t) prikazano na sl. 4.10, b. Brzina promjene izlaznog signala može se podesiti promjenom napona U e, proporcionalno kojoj se mijenja struja ja e a shodno tome i struja ja to ili mijenjanje kapaciteta kondenzatora. U stabilnom stanju, kondenzator je uvijek napunjen do napona ušao si. Ispravljački most osigurava konstantan smjer struje kolektora tranzistora, bez obzira na predznak napona ušao si. ZI su detaljno obrađeni u /1, 7/.
Pitanja za samotestiranje
1. U koju svrhu se koriste regulatori intenziteta u krugovima automatizacije?
2. Koje su ulazne i izlazne koordinate generatora intenziteta?
3. Koliki je statički dobitak generatora intenziteta?
4. Kako bi se trebao mijenjati napon na izlazu jednointegrirajućih generatora intenziteta s koračnim promjenama ulaznog napona?
5. Na temelju kojih se pojačala grade integrirajući regulatori intenziteta?
6. Koliko je operacijskih pojačala, povezanih preko inverznog ulaza, potrebno za implementaciju jednokratnog integrirajućeg regulatora intenziteta?
7. Navedite namjenu svakog od tri operacijska pojačala u tipičnom jednointegrirajućem krugu regulatora intenziteta izrađenom na mikrosklopovima.
8. Koji parametri utječu na brzinu promjene izlaznog napona jednointegrirajućeg generatora intenziteta na tri operacijska pojačala?
9. Kako se postiže linearna promjena napona na kondenzatoru u krugu jednointegrirajućeg regulatora intenziteta tranzistora?
10. Koji parametri utječu na brzinu promjene izlaznog napona jednointegrirajućeg tranzistorskog regulatora intenziteta?
Podudarni elementi
Funkcionalni elementi unutar sustava upravljanja mogu biti heterogeni po vrsti signala, vrsti struje, otporu i snazi i drugim pokazateljima. Stoga se pri povezivanju elemenata nameće zadatak usklađivanja njihovih karakteristika. Ovaj problem se rješava slaganjem elemenata. U ovu grupu elemenata spadaju fazni detektori koji odgovaraju vrsti struje, digitalno-analogni i analogno-digitalni pretvarači koji odgovaraju vrsti signala, emiterski pratioci, odgovarajući ulazni i izlazni otpori, pojačala snage, galvanski separatori i drugi elementi. . Funkciju koordinacije također mogu obavljati elementi koji su inače namijenjeni za druge svrhe. Na primjer, operacijsko pojačalo o kojem se govori u odjeljku 4.1 pokazuje se kao emiterski pratilac u odnosu na neinvertirajući ulaz kada je izlazni napon spojen na invertirani ulaz.
Za galvansko odvajanje, na primjer, može se koristiti senzor napona transformatora. Takvi i slični elementi su očiti ili poznati i neće se razmatrati.
Razmotrimo složenije standardne elemente podudaranja.
Fazni detektor(PD) je u znanstvenoj i tehničkoj literaturi dobio još niz naziva: fazno osjetljivo pojačalo, fazno osjetljivi ispravljač, fazni diskriminator, demodulator.
Svrha FD je pretvaranje ulaznog izmjeničnog napona Ušao si V DC izlazni napon U van, čiji polaritet i amplituda ovise o fazi ulaznog napona j. Dakle, PD ima dvije ulazne koordinate: amplitudu ulaznog napona U u m i faza ulaznog napona j a jedna izlazna koordinata: prosječna vrijednost izlaznog napona U van. Postoje dva načina rada PD: amplitudni način, kada faza ulaznog napona ostaje konstantna, uzimajući jednu od dvije vrijednosti 0 ili str, U u m= var and U van = f(U u m); fazni način kada Ušao si= konst, j= var and U van = f(j).
U amplitudnom načinu rada, PD se koristi kao pretvarač AC signala neusklađenosti u upravljački signal u DC servo pogonima, kao pretvarač izlaznog signala AC tahogeneratora, i tako dalje. U faznom načinu rada, PD se koristi u sustavima upravljanja u kojima je regulirana i upravljačka varijabla glatko promjenjiva faza.
Detektoru faze u pravilu nije dodijeljena funkcija pojačanja napona.
Stoga je PD dobitak blizu jedinici. Na sl. Slika 4.11 prikazuje izračunati ekvivalentni krug punovalnog PD-a. Krug odgovara krugu ispravljanja nule, u kojem su ventili zamijenjeni funkcionalnim sklopkama K1 I K2. Otpor opterećenja Rn, na kojem je dodijeljen izlazni napon, povezuje središnje točke A, 0 ključevi i izvori upravljanja EMF-om e y. Unutarnji otpor kontrolnog EMF izvora uvodi se u svaki krug R y. Stanje ključeva kontrolira referentni EMF e op u skladu s algoritmom: za e op > 0 K1 uključeno, odnosno ono
 |
funkcija prebacivanja y k1= 1,a K2 onemogućena, odnosno njegova funkcija prebacivanja y k2 = 0. Za e op< 0 y k1 = 0, A y k2= 1. Ovaj algoritam se može prikazati formulama
y do 1 = (1+znak e op) /2; y do 2 = (1- znak e op) /2 . (4.10)
Očito, sa zatvorenim K1 izlazna emf e van između točaka A, 0 jednak e y, a kad je zatvoren K2 e van = - e y, to je
e van = e y y k1 - e y y k2. (4.11)
Zamjenom (4.10) u (4.11) dobivamo
e van = e y znak e op . (4.12)
Dijagram promjena izlazne EMF koji odgovara algoritmima (4.11) i (4.12) prikazan je na slici 4.12.
e op = E op m sinwt I e y = E y m sin(wt - j),
Gdje E op m,E y m- vrijednosti amplitude referentnog EMF-a i kontrolnog EMF-a; w je kutna frekvencija referentne EMF i kontrolne EMF, zatim prosječna vrijednost ispravljene izlazne EMF
. (4.13)
Jer E y m = k p U u m, prosječni izlazni napon 
, a zatim uzimajući u obzir (4.13)
, (4.14)
Gdje k str- koeficijent prijenosa s ulaznog napona na upravljački EMF. Određuje se značajkama specifičnog dijagrama strujnog kruga PD.
Za j= const = 0 ili j= konst = str postoji amplitudni način rada PD-a, za koji je upravljačka karakteristika jednostavna:
U van = k FD U unutra,
gdje je, uzimajući u obzir (4.14), PD pojačanje u amplitudnom modu
.
Na j= 0 vrijednosti izlaznog napona U van su pozitivni, a kada j = str vrijednosti izlaznog napona su negativne.
Za Ušao si= konst i j= var postoji fazni način rada PD, za koji upravljačka karakteristika ima oblik
U out = k " FD cosj = k "FD Sinj",
Gdje j " = p/2 - j, i koeficijent prijenosa PD u faznom načinu rada uzimajući u obzir (4.14)
;
Na malom j" upravljačka karakteristika
Rad PD-ova, njihove karakteristike i dijagrami sklopova obrađeni su u /1/.
Digitalno-analogni pretvarači(DAC). Pretvarač spaja digitalni dio sustava upravljanja s analognim. Ulazna koordinata DAC-a je binarni višebitni broj A n = a n -1 …a i …a 1 a 0, a izlazna koordinata je napon U van, generiran na temelju referentnog napona U op(Slika 4.13).
DAC sklopovi su izgrađeni na osnovi matrice otpornika, uz pomoć koje se struje ili naponi zbrajaju tako da je izlazni napon proporcionalan ulaznom broju. DAC se sastoji od tri glavna dijela: matrice otpornika, elektroničkih sklopki kojima upravlja ulazni broj i zbrajajućeg pojačala koje generira izlazni napon. Na sl. Slika 4.14 prikazuje jednostavan sklop ireverzibilnog DAC-a. Svaka znamenka ulaznog binarnog broja An odgovara otporu
R i = R 0 / 2 i, (4.15)
Gdje R0- otpor niskog reda.
Otpornik R i spaja na izvor napajanja s referentnim naponom U op putem elektroničkog ključa K i, koji je zatvoren u a ja=1 i otvoriti na a ja= 0. Očito, ovisno o vrijednosti a ja otpor ulaznog kruga za ja- kategorija uzimajući u obzir (4.15) bit će određena izrazom
R i = R 0 /(2 i a i). (4.16)
Zatim za i ja= 0, odnosno strujni krug je prekinut, a za a ja=1 strujni krug je uključen i ima otpor R 0 /2 i.
U dijagramu na Sl. 4.14 operacijsko pojačalo U zbraja ulazne struje i njegov izlazni napon, uzimajući u obzir oznaku kruga i izraz (4.16)
Izraz (4.17) oblika U izlaz = f(A n)- Ovo je kontrolna karakteristika DAC-a. Ima stepenasti oblik s diskretnošću napona koja odgovara najmanje značajnoj jedinici,
ΔU 0 = R os U op / R 0 = k DAC.
Veličina ΔU 0 je ujedno i prosječni prijenosni koeficijent DAC-a k DAC.
Analogno-digitalni pretvarač(ADC) rješava inverzni problem - pretvara kontinuirani ulazni napon u broj, na primjer, binarni. Svaki izlazni višebitni binarni broj A i odgovara rasponu promjena ulaznog napona:
, (4.18)
Gdje U ei = ΔU 0 i- referentna vrijednost izlaznog napona koja odgovara izlaznom binarnom broju A i; ΔU 0- diskretnost izlaznog napona, koja odgovara jedinici najmanje značajne znamenke izlaznog broja.
Na n-bit ADC, ukupan broj referentnih ulaznih naponskih napona različitih od nule koji se međusobno razlikuju za ΔU 0, jednako maksimalnom izlaznom decimalnom broju N=2 n - 1. Budući da svaka razina U e i, prema (4.18), nosi informaciju o broju, tada u radu ADC-a možemo razlikovati glavne operacije: usporedbu ulaznog i referentnog napona, određivanje broja razine, generiranje izlaznog broja u zadanom kodu. . Prosječno pojačanje ADC-a definira se kao recipročna vrijednost odgovarajućeg pojačanja DAC-a:
k ADC = 1 / ΔU 0.
Tada se jednadžba za regulacionu karakteristiku ADC-a može napisati kao
Upravljačka karakteristika ADC-a ima stepenasti oblik.
Sklopovi implementacije ADC-a mogu se podijeliti u dvije glavne vrste: paralelno djelovanje i sekvencijalno djelovanje.
Glavna prednost paralelnog ADC-a je njegova visoka izvedba. Pretvorba analognog ulaznog napona u decimalni višeznamenkasti broj događa se u samo dva takta elemenata digitalnog sklopa. Glavni nedostatak takvih ADC-ova je veliki broj analognih komparatora i flip-flopova u krugu, jednak 2 n - 1, zbog čega su višebitni paralelni ADC-ovi pretjerano skupi.
Za serijski ADC potrebni su znatno niži troškovi hardvera. Na sl. Na slici 4.15 prikazan je prateći ADC sklop koji pripada skupini sekvencijalnih sklopova. Dijagram koristi prethodno nespomenute simbole: GTI- generator taktnih impulsa, SR- brojač unazad, DO- komparator, R- izlazni registar. Oznake logičkih elemenata I,ILI NE općeprihvaćeno.
Usporedba Ušao si I U e izvedeno na kombiniranom analognom komparatoru s dva izlaza: "više od" (>) i "manje od" (<). ЕслиU u - U e >ΔU 0/ 2, tada se na izlazu pojavljuje jedan signal >, a element i 1 provodi taktne impulse na ulaz zbrajanja (+1) brojača gore/dolje SR. Broj izlaza raste SR, te se u skladu s tim povećava uh, generirani DAC. Ako U u - U e < ΔU 0 /2 , tada se na izlazu pojavljuje jedan signal< , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент I 2 prijeći na ulaz za oduzimanje (-1) brojača SR I U e smanjuje se. Kada je uvjet | U u - U e | = ΔU 0 /2 na oba izlaza DO označeni su nulti signali i elementi i 1 I I 2 su zaključani za taktne impulse. Brojač prestaje brojati, a broj koji ostaje nepromijenjen na njegovom izlazu pojavljuje se na izlazu registra R. Dopuštenje za upisivanje broja u registar daje se signalom jednog elementa ILI-NE, uključen na dva izlaza DO. Razmatrajući ovu shemu u odnosu na Ušao si I uh, može se utvrditi da je ADC upravljački sustav zatvoren duž izlazne koordinate s regulatorom DO relejno djelovanje. Sustav prati promjenu ulaznog napona s preciznošću u stabilnom stanju od ± U 0 /2 i ispisuje broj koji odgovara digitalnom izlazu Ušao si ADC za praćenje može brzo pretvoriti samo prilično sporu promjenu ulaznog napona.
Glavni nedostatak razmatranog ADC-a je njegova loša izvedba. U najnepovoljnijem slučaju, kada se maksimalni napon na ulazu naglo postavi, za proizvodnju odgovarajuće izlazne vrijednosti u digitalnom kodu bit će potrebno 2 n - 1 otkucaji Neki DAC i ADC sklopovi i njihov rad razmatraju se u /1/.
Pitanja za samotestiranje
1. Zašto se elementi podudaranja koriste u sustavima automatizacije?
2. Koju transformaciju provodi fazni detektor?
3. U kojim modovima može raditi fazni detektor?
4. Koje su ulazne koordinate faznog detektora?
5. Koja je izlazna koordinata faznog detektora?
6. Koji je amplitudski način rada faznog detektora?
7. Koji je fazni način rada detektora faze?
8. Za što se mogu koristiti fazni detektori u sustavima automatizacije?
9. Navedite formulu za regulacijske karakteristike faznog detektora koji radi u amplitudnom modu.
10. Koju pretvorbu provodi digitalno-analogni pretvarač?
11. Koje su ulazne i izlazne koordinate digitalno-analognog pretvarača?
12. Koji su glavni dijelovi sklopa digitalno-analognog pretvarača?
13. Navedite formule za izračun regulacijskih karakteristika digitalno-analognog pretvarača i njegovog prosječnog koeficijenta prijenosa.
14. Koju karakteristiku upravljanja ima digitalno-analogni pretvarač?
15. Koju pretvorbu provodi analogno-digitalni pretvarač?
16. Koje su ulazne i izlazne koordinate analogno-digitalnog pretvarača?
17. Navedite formule za izračun regulacijskih karakteristika analogno-digitalnog pretvarača i njegovog prosječnog koeficijenta prijenosa.
18. Koje vrste analogno-digitalnih pretvarača postoje?
19. Koje su glavne prednosti i nedostaci paralelnih analogno-digitalnih pretvarača?
20. Koje su glavne prednosti i nedostaci serijskih analogno-digitalnih pretvarača?
21. Zašto se digitalno-analogni pretvarač koristi u krugu za praćenje analogno-digitalnog pretvarača?
22. Koja je najveća apsolutna pogreška pretvorbe u stabilnom stanju pratećeg analogno-digitalnog pretvarača?
SENZORI
Pitanja za samotestiranje
1. Koje su ulazne i izlazne koordinate senzora kuta zakreta?
2. Koje su ulazne i izlazne koordinate senzora kuta odstupanja?
3. U kojim se sustavima mogu koristiti senzori kuta i senzori grešaka?
4. Koliko namota i gdje ga ima trofazni kontakt sinkro?
5. Koje su ulazne i izlazne koordinate selsyna?
6. U kojim modovima selsyn može raditi?
7. Koji je amplitudski način rada sinkronizatora?
8. Što je fazni način rada selsina?
9. Navedite formulu za izračun regulacijske karakteristike sinkronizatora u amplitudnom načinu rada.
10. Navedite formulu za proračun regulacijske karakteristike sinkronizatora u faznom načinu rada.
11. Koji čimbenici određuju statičke pogreške sinkronizatora koje narušavaju njegove karakteristike upravljanja?
12. Što uzrokuje pogrešku brzine senzora zakretnog kuta na temelju selsyna?
13. U kojem načinu rada selsyn senzor i selsyn prijamnik rade u krugu senzora kuta neusklađenosti ako se vrijednost amplitude EMF rotora selsyn prijamnika i faza ovog EMF koriste kao njegove izlazne koordinate?
14. Navedite formulu za izračun regulacijskih karakteristika senzora neusklađenosti na temelju dva sinkronizatora koji rade u transformatorskom načinu rada.
15. Koji su glavni nedostaci senzora zakretnog kuta baziranih na selsynu?
16. U koju svrhu se koriste mjerni reduktori na ulazu senzora kuta zakreta?
17. U koju svrhu se koriste pojačalni mjerni zupčanici na ulazu senzora kuta zakreta?
18. Kako se mijenja greška mjerenja kuta pri uporabi reduktora za mjerenje?
19. Kada je prikladno koristiti diskretne senzore kuta?
20. Koji su glavni elementi prisutni u dizajnu digitalnog senzora kuta rotacije baziranog na kodnom disku?
21. Zašto upravljačka karakteristika digitalnog senzora kuta zakreta na bazi kodne pločice ima stepenasti karakter?
22. Navedite formulu za izračun diskretnog intervala digitalnog senzora kuta zakreta na temelju kodnog diska.
23. Navedite formulu za izračun apsolutne pogreške digitalnog senzora kuta zakreta na temelju kodnog diska.
24. Kojim projektnim mjerama se može povećati bitni kapacitet digitalnog senzora kuta rotacije baziranog na kodnom disku?
Senzori kutne brzine
DC tahogenerator je istosmjerni električni stroj s neovisnom uzbudom ili stalnim magnetima (sl. 5.6). Ulazna koordinata TG - kutna brzina w, izlazni napon U van, dodijeljen otporu opterećenja.
E tg = kFw = I(R tg + R n),
Koeficijent prijenosa TG, V/rad; k = pN/ (2p a)- konstruktivna konstanta; F- tok magnetske pobude; R tg- otpor namota armature i kontakta četkica.
 |
Koeficijent prijenosa TG, strogo govoreći, ne ostaje konstantan kada se brzina mijenja zbog nelinearnosti kontaktnog otpora četke i reakcije armature. Stoga se uočava određena nelinearnost u regulacijskoj karakteristici u zonama male i velike brzine (Sl. 5.6, b). Nelinearnost u zoni male brzine smanjena je upotrebom metaliziranih četkica s malim padom napona. Nelinearnost karakteristike zbog reakcije armature smanjuje se ograničenjem brzine odozgo i povećanjem otpora opterećenja. Prilikom izvođenja ovih aktivnosti, karakteristike kontrole TG mogu se smatrati gotovo jednostavnim.
28. Regulatori suima.
1. Analogni regulatori klase “ulaz-izlaz” bazirani na operacijskim pojačalima
Bez obzira na tehnološku namjenu regulatora, svi su podijeljeni u 2 velike klase:
Parametarski regulatori klase “ulaz/izlaz” (P-, PI-, PID-, itd. regulatori);
Regulatori stanja ACS (aperiodički, modalni, itd.).
Prva klasa regulatora na funkcionalnim dijagramima sustava upravljanja ES označena je kao prijelazna funkcija.
1. Proporcionalni regulator (P-regulator).
Shematski dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.19.
Pretpostavit ćemo da na ulazu regulatora postoji signal pogreške upravljanja x u, i x u = x h - x os. Štoviše, umjesto dva otpornika R Z i R koristi se jedan OS - R ulazni
U van ( t)=DO reg x u( t).
2. Integralni regulator (I-regulator).
Shematski dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.22.
Riža. 4.22. Shematski prikaz integriranog regulatora
Prijenosna funkcija regulatora
Gdje T T I = R VX S 0 .
Karakteristike vremena regulatora:
U van ( t)=U van (0)+ 1/ ( R VX S 0)x u( t)t.
P 
prijelazni proces u regulatoru pri nultim početnim uvjetima ( U output (0)=0) će imati oblik prikazan na sl. 4.23.
Funkcionalni dijagram integriranog regulatora prikazan je na sl. 4.24.
3. Diferencijalni regulator (D-regulator).
Shematski dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.25.
Prijenosna funkcija regulatora
Gdje T D je vremenska konstanta integratora, T D = R 0 S VH.
Karakteristike vremena regulatora:
U van ( t)=T D (t),
Gdje (t) je Diracova delta funkcija.
Prijelazni proces u regulatoru imat će oblik prikazan na sl. 4.26.
S 
Treba napomenuti da ograničeni frekvencijski pojas samih operacijskih pojačala ne dopušta ostvarenje čiste (idealne) diferencijacije. Osim toga, zbog niske otpornosti na buku diferencijalnih regulatora, razvila se praksa korištenja pravih diferencirajućih veza, a dijagrami strujnog kruga takvih regulatora nešto su drugačiji od onih prikazanih na Sl. 4.25.
Funkcionalni dijagram diferencijalnog regulatora prikazan je na sl. 4.27.
4. Proporcionalno-integralni regulator (PI regulator).
Shematski dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.28.
Prijenosna funkcija regulatora
Gdje K REG - koeficijent prijenosa regulatora, K REG = R 0 /R VX;
T I je li vremenska konstanta integratora, T I = R VX S 0 .
Karakteristike vremena regulatora:
U van ( t)=U van (0) + ( K REG + t/ ( R VX S 0))x u( t).
Prijelazni proces u regulatoru pri nultim početnim uvjetima imat će oblik prikazan na sl. 4.29.
Prijenosna funkcija proporcionalno-integralnog regulatora često se ne prikazuje kao zbroj dva člana, već kao tzv. izodromna veza
, (4.53)
Gdje T IZ je vremenska konstanta izodromne veze, T OD = R 0 C 0 ,
T I je li vremenska konstanta integracije regulatora, T I = R VX C 0 .
PI regulator uključen u ACS strukturu osigurava kompenzaciju za jednu veliku vremensku konstantu upravljačkog objekta (vidi odjeljak 8.1).
Proporcionalni diferencijalni regulator (PD regulator) Shematski dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.31.
Gdje K K REG = R 0 /R VX;
T D je vremenska konstanta integratora, T D = R 0 S VH.
Karakteristike vremena regulatora:
U van ( t)= K REG x u( t) +T D (t),
Gdje (t) je Diracova delta funkcija.
P 
Prijelazni proces u PD regulatoru imat će oblik prikazan na sl. 4.32, funkcionalni dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.33.
Riža. 4.32. Prijelazni proces u PD regulatoru
6. Proporcionalno-integralno-derivacijski regulator (PID)
regulator)
Shematski dijagram regulatora prikazan je na sl. 4.34.
Prijenosna funkcija regulatora
Gdje K REG - koeficijent prijenosa regulatora, K REG = R 0 /R VX + C VX / S 0 ;
T I je li vremenska konstanta integracije, T I = R VX S 0 ;
T D - vremenska konstanta diferencijacije, T D = R 0 S VH.
Karakteristike vremena regulatora:
U van ( t)=U van (0) + K REG x u( t) + (1/T I P) x u( t) + T D (t),
Gdje (t) je Diracova delta funkcija.
Prijelazni proces u regulatoru imat će oblik prikazan na sl. 4.35, funkcionalni dijagram je prikazan na sl. 4.36.
Po analogiji s PI regulatorom, MM PID regulatora često se predstavlja kao izodromna veza drugog reda
, (4.56)
Gdje T IZ,1 , T IZ,2 - vremenske konstante izodromne veze; T IZ,1 = R 0 S 0 ,T IZ,2 = =R ulazni S ulazni
PID regulator osigurava kompenzaciju za dvije velike vremenske konstante upravljačkog objekta, osiguravajući intenzitet dinamičkih procesa u ACS.
U članku će se raspravljati o standardnom operacijskom pojačalu, a također će se dati primjeri različitih načina rada ovog uređaja. Danas niti jedan upravljački uređaj ne može bez pojačala. To su doista univerzalni uređaji koji vam omogućuju obavljanje različitih funkcija sa signalom. Dalje ćete saznati kako ovaj uređaj radi i što vam točno ovaj uređaj omogućuje.
Invertirajuća pojačala
Krug op-amp invertirajućeg pojačala je prilično jednostavan, možete ga vidjeti na slici. Temelji se na operacijskom pojačalu (njegovi spojni krugovi se raspravljaju u ovom članku). Osim toga, ovdje:
- Postoji pad napona na otporniku R1, njegova vrijednost je ista kao i ulazna.
- Postoji i R2 na otporniku - isti je kao izlazni.
U ovom slučaju, omjer izlaznog napona prema otporu R2 jednak je omjeru ulaznog napona prema R1, ali suprotnog predznaka. Poznavajući vrijednosti otpora i napona, možete izračunati dobitak. Da biste to učinili, morate podijeliti izlazni napon s ulaznim naponom. U ovom slučaju operacijsko pojačalo (njegovi spojni krugovi mogu biti bilo koji) može imati isti dobitak bez obzira na vrstu.
Operacija povratne veze
Sada moramo pobliže pogledati jednu ključnu točku - kako funkcionira povratna informacija. Recimo da postoji neki napon na ulazu. Radi jednostavnosti izračuna, uzmimo njegovu vrijednost jednaku 1 V. Uzmimo također da je R1=10 kOhm, R2=100 kOhm.
Sada pretpostavimo da je došlo do neke nepredviđene situacije, zbog koje je napon na izlazu kaskade postavljen na 0 V. Zatim se uočava zanimljiva slika - dva otpora počinju raditi u paru, zajedno stvaraju razdjelnik napona. Na izlazu invertirajućeg stupnja održava se na razini od 0,91 V. U ovom slučaju, operacijsko pojačalo omogućuje snimanje neusklađenosti na ulazima, a napon se smanjuje na izlazu. Stoga je vrlo jednostavno dizajnirati krug operacijskog pojačala koji implementira funkciju pojačala signala iz npr. senzora.
I ta će se promjena nastaviti sve dok izlaz ne dosegne stabilnu vrijednost od 10 V. Upravo u tom trenutku potencijali na ulazima operacijskog pojačala bit će jednaki. I oni će biti jednaki zemljinom potencijalu. S druge strane, ako se napon na izlazu uređaja nastavi smanjivati i manji je od -10 V, potencijal na ulazu postat će manji od potencijala uzemljenja. Posljedica toga je da napon na izlazu počinje rasti.
Ovaj sklop ima veliki nedostatak - ulazna impedancija je vrlo mala, posebno za pojačala s visokim naponskim pojačanjem, ako je povratni krug zatvoren. A dizajn o kojem se dalje raspravlja lišen je svih ovih nedostataka.
Neinvertirajuće pojačalo
Na slici je prikazan sklop neinvertirajućeg operacijskog pojačala. Nakon analize možemo izvući nekoliko zaključaka:
- Vrijednost napona UA jednaka je ulaznom naponu.
- Iz razdjelnika se uklanja napon UA, koji je jednak omjeru umnoška izlaznog napona i R1 prema zbroju otpora R1 i R2.
- U slučaju kada je vrijednost UA jednaka ulaznom naponu, pojačanje je jednako omjeru izlaznog napona prema ulazu (ili možete dodati jedan omjeru otpora R2 i R1).
Ovaj dizajn se naziva neinvertirajuće pojačalo; ima gotovo beskonačnu ulaznu impedanciju. Na primjer, za operacijska pojačala serije 411, njegova vrijednost je 1012 Ohma, minimum. A za operacijska pojačala temeljena na bipolarnim poluvodičkim tranzistorima, u pravilu, preko 108 Ohma. Ali izlazna impedancija kaskade, kao iu prethodno razmatranom krugu, vrlo je mala - frakcije ohma. I to se mora uzeti u obzir pri proračunu krugova koji koriste operacijska pojačala.
Krug AC pojačala
Oba kruga o kojima se raspravljalo ranije u članku rade na Ali ako je veza između izvora ulaznog signala i pojačala izmjenična struja, tada ćete morati osigurati uzemljenje za struju na ulazu uređaja. Štoviše, morate obratiti pozornost na činjenicu da je trenutna vrijednost izuzetno male veličine.
U slučaju kada se pojačavaju izmjenični signali, potrebno je pojačanje istosmjernog signala svesti na jedinicu. Ovo posebno vrijedi za slučajeve kada je pojačanje napona vrlo veliko. Zahvaljujući tome, moguće je značajno smanjiti utjecaj posmičnog napona koji se dovodi na ulaz uređaja.
Drugi primjer strujnog kruga za rad s izmjeničnim naponom
U ovom krugu, na razini od -3 dB možete vidjeti korespondenciju s frekvencijom od 17 Hz. Na njemu se ispostavlja da je impedancija kondenzatora na razini od dva kilo-oma. Stoga kondenzator mora biti dovoljno velik.
Da biste izgradili AC pojačalo, trebate koristiti neinvertirajući tip op-amp kruga. I mora imati prilično veliko pojačanje napona. Ali kondenzator je možda prevelik, pa ga je najbolje ne koristiti. Istina, morat ćete odabrati pravi smični napon, izjednačavajući njegovu vrijednost s nulom. Ili možete koristiti razdjelnik u obliku slova T i povećati vrijednosti otpora oba otpornika u krugu.
Koju shemu je bolje koristiti?
Većina dizajnera preferira neinvertirajuća pojačala jer imaju vrlo visoku ulaznu impedanciju. I zanemaruju sklopove invertirajućeg tipa. Ali potonji ima veliku prednost - nije zahtjevan za samo operacijsko pojačalo, koje je njegovo "srce".
Osim toga, njegove karakteristike su, zapravo, puno bolje. A uz pomoć imaginarnog uzemljenja, možete jednostavno kombinirati sve signale, a oni neće imati nikakav utjecaj jedni na druge. Krug istosmjernog pojačala temeljen na operacijskom pojačalu također se može koristiti u dizajnu. Sve ovisi o potrebama.
I zadnja stvar je slučaj ako je cijeli krug o kojem se ovdje raspravlja spojen na stabilni izlaz drugog op-amp-a. U ovom slučaju vrijednost ulazne impedancije ne igra značajnu ulogu - najmanje 1 kOhm, barem 10, barem beskonačno. U ovom slučaju, prva kaskada uvijek obavlja svoju funkciju u odnosu na sljedeću.
Krug repetitora
Repetitor temeljen na operacijskom pojačalu radi slično emiteru izgrađenom na bipolarnom tranzistoru. I obavlja slične funkcije. U biti, ovo je neinvertirajuće pojačalo u kojem je otpor prvog otpornika beskonačno velik, a otpor drugog jednak nuli. U ovom slučaju dobitak je jednak jedinici.
Postoje posebne vrste operacijskih pojačala koja se u tehnici koriste samo za repetitorske sklopove. Imaju mnogo bolje karakteristike - u pravilu, visoke performanse. Primjeri uključuju operacijska pojačala kao što su OPA633, LM310, TL068. Potonji ima tijelo poput tranzistora, kao i tri terminala. Vrlo često se takva pojačala jednostavno nazivaju međuspremnici. Činjenica je da imaju svojstva izolatora (vrlo visoku ulaznu impedanciju i izuzetno nisku izlaznu). Približno isti princip koristi se za konstruiranje kruga strujnog pojačala na temelju operacijskog pojačala.
Aktivni način rada
U biti, ovo je način rada u kojem izlazi i ulazi operacijskog pojačala nisu preopterećeni. Ako se na ulaz kruga primijeni vrlo veliki signal, tada će na izlazu jednostavno početi rezati prema razini napona kolektora ili emitera. Ali kada je izlazni napon fiksiran na graničnoj razini, napon na ulazima op-amp se ne mijenja. U tom slučaju raspon ne može biti veći od napona napajanja
Većina sklopova op-amp je dizajnirana tako da je ovaj zamah 2 V manji od napona napajanja. Ali sve ovisi o specifičnom krugu pojačala op-amp koji se koristi. Postoji isto ograničenje stabilnosti na temelju operacijskog pojačala.
Recimo da postoji određeni pad napona u izvoru s lebdećim opterećenjem. Ako se struja kreće u normalnom smjeru, možete naići na opterećenje koje se na prvi pogled čini čudnim. Na primjer, nekoliko obrnuto polariziranih baterija. Ovaj dizajn može se koristiti za dobivanje istosmjerne struje punjenja.
Neke mjere opreza
Jednostavno pojačalo napona temeljeno na operacijskom pojačalu (može se odabrati bilo koji krug) može se napraviti doslovno "na koljenu". Ali morat ćete uzeti u obzir neke značajke. Obavezno se uvjerite da je povratna veza u krugu negativna. Ovo također sugerira da je neprihvatljivo brkati neinvertirajuće i invertirajuće ulaze pojačala. Osim toga, mora postojati povratna sprega za istosmjernu struju. Inače će operacijsko pojačalo brzo doći do zasićenja.
Većina operacijskih pojačala ima vrlo mali ulazni diferencijalni napon. U tom slučaju maksimalna razlika između neinvertirajućih i invertirajućih ulaza može se ograničiti na 5 V za bilo koju vezu izvora napajanja. Ako se ovaj uvjet zanemari, na ulazu će se pojaviti prilično velike vrijednosti struje, što će dovesti do pogoršanja svih karakteristika kruga.
Najgora stvar kod ovoga je fizičko uništenje samog operacijskog pojačala. Kao rezultat toga, krug operacijskog pojačala potpuno prestaje raditi.
Treba uzeti u obzir
I, naravno, moramo govoriti o pravilima kojih se treba pridržavati kako bi se osigurao stabilan i dugotrajan rad operacijskog pojačala.
Najvažnije je da operacijsko pojačalo ima vrlo visoko naponsko pojačanje. A ako se napon između ulaza promijeni za djelić milivolta, njegova se vrijednost na izlazu može značajno promijeniti. Stoga je važno znati: izlaz operacijskog pojačala nastoji osigurati da razlika napona između ulaza bude blizu (idealno jednaka) nuli.
Drugo pravilo je da je struja potrošnje operacijskog pojačala izrazito mala, doslovno nanoampera. Ako su na ulazima ugrađeni tranzistori s efektom polja, tada se izračunava u picoamps. Iz ovoga možemo zaključiti da ulazi ne troše struju, bez obzira koje se operacijsko pojačalo koristi, sklop - princip rada ostaje isti.
Ali ne biste trebali misliti da op-amp stvarno stalno mijenja napon na ulazima. Fizički, to je gotovo nemoguće postići, jer ne bi bilo korespondencije s drugim pravilom. Zahvaljujući operacijskom pojačalu, procjenjuje se stanje svih ulaza. Korištenjem vanjskog povratnog kruga, napon se prenosi na ulaz s izlaza. Rezultat je da je razlika napona između ulaza operacijskog pojačala na nuli.
Koncept povratne informacije
Ovo je uobičajeni koncept i već se koristi u širokom smislu u svim područjima tehnologije. Svaki upravljački sustav ima povratnu informaciju koja uspoređuje izlazni signal i zadanu vrijednost (referencu). Ovisno o trenutnoj vrijednosti, dolazi do prilagodbe u željenom smjeru. Štoviše, sustav upravljanja može biti bilo što, čak i automobil koji se vozi cestom.
Vozač pritišće kočnice, a povratna informacija ovdje je početak usporavanja. Povlačenjem analogije s tako jednostavnim primjerom možete bolje razumjeti povratnu vezu u elektroničkim sklopovima. A negativna povratna informacija je ako kada pritisnete papučicu kočnice auto ubrza.
U elektronici, povratna sprega je proces tijekom kojeg se signal prenosi s izlaza na ulaz. U ovom slučaju, signal na ulazu je također potisnut. S jedne strane, ovo nije baš razumna ideja, jer se izvana može činiti da će dobitak biti značajno smanjen. Usput, utemeljitelji razvoja povratnih informacija u elektronici dobili su takve povratne informacije. Ali vrijedi detaljnije razumjeti njegov utjecaj na operacijska pojačala - razmotrite praktične sklopove. I postat će jasno da zapravo malo smanjuje dobitak, ali vam omogućuje malo poboljšanje drugih parametara:
- Izgladite frekvencijske karakteristike (dovodi ih na potrebnu razinu).
- Omogućuje predviđanje ponašanja pojačala.
- Sposoban eliminirati nelinearnost i izobličenje signala.
Što je dublja povratna sprega (govorimo o negativnoj), manji je utjecaj karakteristika otvorene petlje na pojačalo. Rezultat toga je da svi njegovi parametri ovise samo o svojstvima sklopa.
Vrijedno je obratiti pozornost na činjenicu da sva operacijska pojačala rade u načinu rada s vrlo dubokom povratnom spregom. A pojačanje napona (s otvorenom petljom) može čak doseći nekoliko milijuna. Stoga je sklop pojačala operacijskog pojačala izuzetno zahtjevan u pogledu usklađenosti svih parametara u pogledu napajanja i razine ulaznog signala.
Regulator izračunava neusklađenost i pretvara je u upravljačku radnju u skladu s određenom matematičkom operacijom. VSAU uglavnom koristi sljedeće vrste regulatora: proporcionalni (P), integralni (I), proporcionalno-integralni (PI), proporcionalno-integralno-derivacijski (PID). Ovisno o vrsti konvertiranih signala, razlikuju se analogni i digitalni regulatori. Analogni regulatori (AR) implementiraju se na temelju operacijskih pojačala, digitalno - na temelju specijaliziranih računalnih uređaja ili mikroprocesora. Analogni regulatori pretvaraju samo analogne signale koji su kontinuirane funkcije vremena. Prilikom prolaska kroz AP pretvara se svaka trenutna vrijednost kontinuiranog signala.
Za implementaciju AR-a, operacijsko pojačalo (op-amp) spojeno je prema krugu zbrajajućeg pojačala s negativnom povratnom spregom. Vrsta regulatora i njegova prijenosna funkcija određuju se sklopom za spajanje otpornika i kondenzatora u krugovima na ulazu i u povratnoj sprezi operacijskog pojačala.
Pri analizi regulatora koristit ćemo dvije glavne pretpostavke koje visok stupanj točnost je zadovoljena za operacijsko pojačalo s negativnom povratnom spregom u linearnom načinu rada:
Diferencijalni ulazni napon U ulaz op-amp je jednak nuli;
Invertirajući i neinvertirajući ulazi op-amp-a ne troše struju, tj. ulazne struje (slika 2.2). Budući da je neinvertirajući ulaz spojen na “nultu” sabirnicu, onda je prema prvoj pretpostavci i potencijal φa invertirajućeg ulaza jednak nuli.
Riža. 2.2. Funkcionalni dijagram proporcionalnog regulatora
Prelazeći na prirast varijabli u jednadžbi (2.1) i koristeći Laplaceovu transformaciju, dobivamo prijenosnu funkciju P-regulatora:
Gdje - proporcionalni dobitak.
Dakle, u P-regulatoru se provodi proporcionalno pojačanje (množenje konstantom) signala pogreške u rasa
Koeficijent može biti veći ili manji od jedan. Na sl. 2.3 prikazuje ovisnost u na = f(t) P-regulator kada se promijeni signal greške u rasa
Integralni regulator (I-regulator) implementiran je spajanjem op-amp kondenzatora C na op-amp u krugu povratne veze (slika 2.4). Prijenosna funkcija I regulatora
gdje je konstanta integracije, s.
Riža. 2.4. Funkcionalni dijagram integriranog regulatora
I regulator integrira signal greške u rasa
Proporcionalno-integralni regulator (PI regulator) implementiran je uključivanjem otpornika R OU i kondenzatora C OU u povratnu petlju (slika 2.6).
Riža. 2.6. Funkcionalna shema PI regulatora
Prijenosna funkcija PI regulatora
je zbroj prijenosnih funkcija proporcionalnog i integralnog regulatora. Budući da PI regulator ima svojstva P i I regulatora, on istovremeno vrši proporcionalno pojačanje i integraciju signala greške u rasa
Proporcionalno-integralno-derivacijski regulator (PID regulator) realiziran je u najjednostavnijem slučaju spajanjem kondenzatora C 3 i C OS u PI regulatoru paralelno s otpornicima R 3 i R OC (slika 2.8).
Riža. 2.8. Funkcionalna shema PID regulatora
Prijenosna funkcija PID regulatora
gdje je proporcionalno pojačanje PID regulatora; - konstanta diferencijacije; - konstanta integracije; ; .
Prijenosna funkcija PID regulatora je zbroj prijenosnih funkcija proporcionalnog, integralnog i diferencijalnog regulatora. PID regulator vrši simultano proporcionalno pojačanje, diferencijaciju i integraciju signala greške u rasa
17 Pitanje AEP koordinatni senzori.
Blok dijagram senzora. AED (automatski električni pogon) koristi senzore za primanje povratnih signala na kontroliranim koordinatama. Senzor je uređaj koji obavještava o stanju kontrolirane koordinate AED-a interakcijom s njim i pretvaranjem reakcije na tu interakciju u električni signal.
U AED-u se kontroliraju električne i mehaničke koordinate: struja, napon, EMF, moment, brzina, pomak itd. Za njihovo mjerenje koriste se odgovarajući senzori.
AED koordinatni senzor strukturno se može prikazati kao serijski spoj mjernog pretvarača (MT) i uređaja za usklađivanje (CU) (slika 2.9). Mjerni pretvarač pretvara koordinatu x u signalu električnog napona I(ili trenutno ja), proporcionalan x . Prilagođeni uređaj pretvara izlazni signal I IP u povratni signal u OS , koji veličinom i oblikom zadovoljava samohotke.
Riža. 2.9. Blok dijagram AEP koordinatnog senzora
Strujni senzori. Strujni senzori (CT) dizajnirani su za dobivanje informacija o jakosti i smjeru struje motora. Podliježu sljedećim zahtjevima:
Linearnost regulacijskih karakteristika u rasponu od 0,1I nom do 5 I nom ne manje od 0,9;
Dostupnost galvanske izolacije strujnog kruga i upravljačkog sustava;
Visoke performanse.
Kao mjerni pretvarači u DT koriste se strujni transformatori, dodatni (kompenzacijski) namoti prigušnica za glačanje, Hallovi elementi i šantovi.
Strujni senzori temeljeni na šantovima naširoko se koriste za mjerenje struje motora. Shunt je otpornik s četiri priključka s čistim aktivnim otporom R sh (neinduktivni shunt), strujni krug se spaja na strujne stezaljke, a mjerni na potencijalne stezaljke.
Prema Ohmovom zakonu, pad napona na aktivnom otporu i=R w ja
Da bi se smanjio učinak šanta na prolaz struje u krugu motora, njegov otpor bi trebao biti minimalan. Nazivni pad napona preko šanta obično je 75 mV, pa se mora pojačati na potrebne vrijednosti (3,0 ... 3,5 V). Budući da shunt ima potencijalnu vezu s strujnim krugom, strujni senzor mora sadržavati uređaj za galvansku izolaciju. Kao takvi uređaji koriste se transformatorski i optoelektronički uređaji. Blok dijagram strujnog senzora baziranog na šantu prikazan je na sl. 2.13.
Riža. 2.13. Blok dijagram senzora struje baziranog na šantovima
Trenutačno se temelje trenutni senzori Elementi hodnika, koji su izrađeni od poluvodičkog materijala u obliku tanke ploče ili filma (sl. 2.14). Kada električna struja I X prolazi kroz ploču koja se nalazi okomito na magnetsko polje s indukcijom U, U ploči se inducira Hallova emf e X:
gdje je koeficijent koji ovisi o svojstvima materijala i dimenzijama ploče.
Senzori napona. U Kao mjerni pretvarač napona u električnom pogonu koriste se otpornički djelitelji napona (slika 2.16).
Riža. 2.16. Funkcionalni dijagram senzora napona
Razdjelnik izlaznog napona.
EMF senzori. S niskim zahtjevima za rasponom brzine (do 50), EMF povratna informacija se koristi kao glavna povratna informacija u električnom pogonu.
Riža. 2.17. Funkcionalni dijagram EMF senzora armature
Senzori brzine. Za dobivanje električnog signala proporcionalnog kutnoj brzini rotora motora koriste se tahogeneratori i senzori brzine pulsa. Tahogeneratori se koriste u analognim sustavima automatskog upravljanja, pulsni - u digitalnim.
Senzori brzine podliježu strogim zahtjevima za linearnost upravljačkih karakteristika, stabilnost izlaznog napona i razinu njegove valovitosti, jer oni određuju statičke i dinamičke parametre pogona u cjelini.
DC tahogeneratori s trajnim magnetima postali su široko rasprostranjeni u električnim pogonima. Da bi se smanjila razina obrnutih pulsacija, tahogeneratori su ugrađeni u elektromotor.
U pulsnim senzorima brzine kao primarni mjerni pretvarač koriste se impulsni pretvarači pomaka, kod kojih je broj impulsa proporcionalan kutu zakreta osovine.
Senzori položaja. U Trenutno se indukcijski i fotoelektronički pretvarači koriste u električnim pogonima za mjerenje kretanja pokretnih dijelova strojeva i mehanizama.
Indukcijski transformatori uključuju rotirajuće transformatore, selsine i induktosine. Induktozini mogu biti kružni ili linearni.
rotirajući transformatori (VT) nazivaju se električni mikrostrojevi izmjenične struje koji pretvaraju kut zakreta α u sinusni napon proporcionalan tom kutu. U sustavu automatskog upravljanja, rotirajući transformatori se koriste kao mjerači neusklađenosti koji bilježe odstupanje sustava od određenog određenog položaja.
Rotirajući transformator ima dva identična jednofazna raspoređena namota na statoru i rotoru, međusobno pomaknuta za 90°. Napon iz namota rotora uklanja se pomoću kliznih prstenova i četkica ili pomoću prstenastih transformatora.
Princip rada VT u sinusnom načinu rada temelji se na ovisnosti napona induciranog u namotu rotora pulsirajućim magnetskim tokom statora o kutnom položaju osi namota statora i rotora.
Selsin je električni mikrostroj izmjenične struje s dva namota: uzbudni i sinkronizacijski. Ovisno o broju faza uzbudnog namota, razlikuju se jednofazni i trofazni sinkroni. Sinkronizacijski namot je uvijek trofazni. U samohodnim topovima naširoko se koriste beskontaktni sinkroni s prstenastim transformatorom.
Sinkronizacijski namot beskontaktnog sinkronizatora s prstenastim transformatorom nalazi se u utorima statora, uzbudni namot je u utorima ili na izraženim polovima rotora sinkronizatora. Osobitost prstenastog transformatora je da se njegov primarni namot nalazi na statoru, a sekundarni na rotoru. Namoti imaju oblik prstenova smještenih u magnetski sustav koji se sastoji od prstenastih magnetskih jezgri statora i rotora, koje su na rotoru povezane unutarnjim magnetskim krugom, a na statoru vanjskim. U samohodnim topovima, sinkroni se koriste u amplitudnom i faznom načinu rotacije.
Dijagram strujnog kruga za uključivanje synsyn namota u amplitudnom načinu prikazan je na sl. 2.19. Ulazna koordinata sinkronizatora u ovom načinu rada je kut zakreta rotora τ. Kao referentna točka uzima se središnja linija faznog namota A.
Riža. 2.19. Funkcionalni dijagram uključivanja synsyn namota u amplitudnom načinu rada
Dijagram strujnog kruga za uključivanje synsyn namota u faznom modu prikazan je na sl. 2.20. Ulazna koordinata sinkronizatora u ovom načinu rada je kut rotacije τ, a izlazna koordinata je faza φ izlazne EMF e van u odnosu na izmjenični napon napajanja.
Riža. 2.20. Funkcionalni dijagram uključivanja synsyn namota u načinu rotacije faze
18 Pitanje Impulsno-fazni sustavi upravljanja. Principi tiristorske regulacije.
U ispravljačima se tiristori koriste kao upravljane sklopke. Za otvaranje tiristora moraju biti ispunjena dva uvjeta:
Potencijal anode mora premašiti potencijal katode;
Na kontrolnu elektrodu mora se primijeniti otvarajući (kontrolni) impuls.
Trenutak pojave pozitivnog napona između anode i katode tiristora naziva se trenutak prirodnog otvaranja. Dovod impulsa otvaranja može se odgoditi kutom otvaranja u odnosu na trenutak prirodnog otvaranja. Kao rezultat toga, početak protoka struje kroz tiristor koji ulazi u rad je odgođen i napon ispravljača je reguliran.
Za upravljanje tiristorima ispravljača koristi se sustav upravljanja fazom impulsa (PPCS), koji obavlja sljedeće funkcije:
Određivanje trenutaka u kojima se određeni tiristori trebaju otvoriti; ti vremenski trenuci su postavljeni kontrolnim signalom koji dolazi od izlaza ACS do ulaza SIFU;
Odaslano stvaranje impulsa otvaranja ja u pravo vrijeme na kontrolne elektrode tiristora i ima potrebnu amplitudu, snagu i trajanje.
Prema načinu dobivanja pomaka impulsa otvaranja u odnosu na točku prirodnog otvaranja razlikuju se horizontalni, vertikalni i integrirajući princip upravljanja.
S horizontalnom regulacijom (slika 2.28), regulacija izmjeničnog sinusoidnog napona u y je izvan faze (horizontalno) u odnosu na napon u 1, napajanje ispravljača. U trenutku u vremenu ωt=α Iz upravljačkog napona formiraju se pravokutni impulsi otključavanja U GT . Horizontalno upravljanje se praktički ne koristi u električnim pogonima, što je zbog ograničenog raspona upravljanja kutom α (oko 120°).
Kod okomitog upravljanja (slika 2.29), trenutak napajanja impulsa otvaranja određuje se kada je upravljački napon jednak u y (konstantnog oblika) s promjenjivim referentnim naponom (vertikalno). U trenutku izjednačenja napona formiraju se pravokutni impulsi U gt.
Kod integrirajućeg upravljanja (sl. 2.30), trenutak napajanja impulsa otvaranja određuje se kada je izmjenični upravljački napon jednak i kod s konstantnim referentnim naponom U o p. U trenutku izjednačenja napona nastaju pravokutni impulsi U gt.
Riža. 2.28. Horizontalni princip upravljanja
Riža. 2.29. Vertikalni princip upravljanja
Riža. 2.30. Integrirajući princip upravljanja
Prema načinu brojanja kuta otvaranja a SIFU se dijele na višekanalne i jednokanalne. U višekanalnim SIFU, kut a za svaki tiristor ispravljača mjeri se u vlastitom kanalu, u jednokanalnim - u jednom kanalu za sve tiristore. U industrijskim električnim pogonima pretežno se koriste višekanalni SIFU s vertikalnim principom upravljanja.