Pentru a simplifica procesul de construire a unui regulator de curent pe amplificatoare operaționale, îi transformăm PF (8) după cum urmează:
(8")
Primul termen din (8") este produsul legăturilor izodromice și aperiodice, al doilea este legătura aperiodică, al treilea este legătura de diferențiere inerțială. Din cursul de Electronică știi cum să asamblezi aceste legături pe amplificatoare operaționale.
Figura 10 - Regulator de curent pe amplificatoare operaționale
Circuitul, după cum se poate observa, este format din trei ramuri paralele, care sunt închise de către ieșirile la sumatorul inversor de pe amplificatorul operațional, astfel încât semnalul de ieșire u 2
va fi inversat în raport cu intrarea u 1
. Dacă este necesară aprobarea u 1
Și u 2
Va fi necesar să instalați un invertor suplimentar la ieșirea sumatorului. Această tehnică a fost aplicată în ramura de mijloc a circuitului, deoarece legătura aperiodică este construită pe un amplificator operațional inversor. Ramura superioară este responsabilă de PF 
. Produsul legăturilor izodromice și aperiodice se realizează prin conectarea în serie a circuitelor acestora pe amplificatoare operaționale inversoare și, deoarece fiecare legătură inversează semnalul, nu este necesară potrivirea intrării și ieșirii ramurii superioare. Ramura inferioară, care implementează legătura dinamică inerțială, nu inversează semnalul de intrare.
Să calculăm parametrii circuitului. Se știe că
După ce a întrebat R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 =R 18 = 500 ohmi, R 13 = 300 ohmi, R 14 = 50 Ohm obținem asta CU 1 =
=
= 240 µF, CU 2 =CU 3 =
=
= 10 µF, CU 4 =
=
= 40 µF, R 2 =
= 
= 380 ohmi, R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 ohmi, R 7 = 110 ohmi, R 15 =
=
= 
= 310 ohmi.
2.3AmLahx - un program pentru construirea parametrilor asimptotici și sintetizarea controlerelor folosind metoda parametrilor doriti
2.3.1 Informații generale despre program
Programul AmLAHX este conceput pentru a rula în mediul MatLab6.0 sau mai mare și oferă utilizatorului următoarele capabilități:
are o interfață GUI;
construiește LFC-uri asimptotice ale obiectelor dinamice specificate sub formă de funcții de transfer;
construiește interactiv LFC-ul dorit al unui sistem în buclă deschisă în funcție de criteriile de calitate specificate, inclusiv, programul permite utilizatorului să selecteze secțiuni de împerechere (pantele acestora) în funcție de tipul de LFC al obiectului de control;
oferă scăderea automată din LFC a sistemului în buclă deschisă a LFC al obiectului de control și astfel construind LFC al controlerului, returnează frecvențele conjugate și pantele asimptotelor, ceea ce face destul de ușor să scrieți funcția de transfer folosind LFC-ul controlerului (în versiunile ulterioare programul va face acest lucru automat);
Toate LFC-urile sunt reprezentate grafic indicând pantele asimptotelor; utilizatorul poate determina culorile fiecărui LFC separat, precum și formatul inscripțiilor de pe grafice (grosime, înălțime).
2.3.2 Linia de comandă a programului
Linia de comandă completă pentru a rula programul este:
da=amlahx( num,den,drapel,param),
Unde numȘi den- numărătorul și respectiv numitorul PF-ului obiectului de control, numȘi den trebuie să fie vectori scrisi în format MatLab (vezi exemplul de mai jos);
steag- modul de funcționare (1 (implicit) sau 2);
param- un vector de 6 elemente (numere), 1, 2 și, respectiv, 3 elemente sunt grosimea LFC-urilor OU, RS și CU, 4, 5 și 6 sunt culorile acestor LFC (în mod implicit, grosimea dintre toate LFC-urile este 1, culorile sunt roșu, albastru și, respectiv, verde) .
AmLAHX fara parametri functioneaza in modul demo, in acest caz
num= ,den = ,steag= 2.
DISPOZITIVE TIPICE ALE SISTEMELOR DE CONTROL
Regulatoare
Funcție importantă sisteme moderne automatizarea este reglarea coordonatelor sale, adică menținerea valorilor cerute ale acestora cu precizia necesară. Această funcție este implementată folosind un număr mare de elemente diferite, printre care reglementatorii sunt de o importanță capitală.
Regulator realizează transformarea semnalului de comandă corespunzător operaţiilor matematice cerute de condiţiile de funcţionare ale sistemului de comandă. Operațiile tipice necesare includ următoarele transformări de semnal: proporțional, proporțional-integral, proporțional-integral-diferențial.
Baza regulatorului analogic este un amplificator operațional - un amplificator de curent continuu, care, în absența feedback-ului, are un câștig mare. Amplificatoarele operaționale integrate sunt cele mai utilizate pe scară largă. Un amplificator operațional este o structură în mai multe etape în care se poate distinge un amplificator diferenţial de intrare ( DU) cu intrări inverse și directe, amplificator de tensiune ( ONU), implementarea câștigului mare și a unui amplificator de putere ( MINTE), asigurând capacitatea de sarcină necesară a amplificatorului operațional. Schema funcțională a amplificatorului operațional este prezentată în Fig. 4.1. Designul cu un singur cip, de dimensiuni mici, al amplificatorului operațional asigură o stabilitate ridicată a parametrilor, ceea ce face posibilă obținerea unui câștig DC mare. Puncte derivate din diagramă Kl, K2, KZ conceput pentru conectarea circuitelor de corecție externe care reduc câștigul la frecvențe înalte și cresc stabilitatea amplificatorului cu feedback. Fără circuite de corecție, la frecvențe suficient de mari, când decalajul de fază acumulat este de 180°, semnul feedback-ului se schimbă, iar cu un câștig mare, amplificatorul operațional se autoexcita și intră în modul de auto-oscilație. În fig. 4.1 se folosesc următoarele notații: Sus- tensiunea de alimentare a amplificatorului; U ui- tensiune de control de intrare prin intrarea inversă a amplificatorului; U pack- tensiune de control de intrare prin intrarea directă a amplificatorului; Ieși- tensiunea de iesire a amplificatorului. Toate tensiunile de mai sus sunt măsurate în raport cu firul comun al unei surse de alimentare bipolare.
Circuitele de conectare a amplificatorului operațional sunt prezentate în Fig. 4.2. Etapa diferenţială a amplificatorului operaţional are două intrări de control: directă cu potenţial U pack si invers cu potentialul U ui(Fig. 4.2, A).
 |
Tensiunea de ieșire a amplificatorului este determinată de produsul câștigului și diferența de potențial a intrărilor amplificatorului, adică
U out = k уо (U sus - U уу) = k уо U у,
Unde k uo- castig diferential al amplificatorului operational; U y- tensiunea diferenţială de intrare a amplificatorului, adică tensiunea dintre intrările directe şi inverse. Câștig diferențial al amplificatoarelor operaționale integrate în absența feedback-ului.
Relativ la tensiunile de intrare U vhpȘi U whi tensiunea de ieșire este determinată de diferență
U out = k up U in - k ui U in,
unde sunt câștigurile directe de intrare k pachet iar prin intrare inversă k ui determinat de circuitul de comutare a amplificatorului. Pentru circuitul de comutare directă de intrare prezentat în Fig. 4.3, b, câștigul este determinat de formulă
,
iar pentru circuitul de comutare de intrare inversă prezentat în Fig. 4.3, V, - conform formulei
Pentru a construi diferite circuite regulatoare, se folosește de obicei un circuit amplificator operațional cu o intrare inversă. De obicei, regulatorii trebuie să aibă mai multe intrări. Semnalele de intrare sunt furnizate la punctul 1 (Fig. 4.2, V) prin rezistențe individuale de intrare. Funcțiile de transfer necesare ale regulatoarelor sunt obținute datorită rezistențelor active-capacitive complexe din circuitul de feedback Z osși în circuitele de intrare Z în. Funcția de transfer a regulatorului în raport cu oricare dintre intrări fără a ține cont de inversarea tensiunii de ieșire
. (4.1)
În funcție de tipul funcției de transfer, amplificatorul operațional poate fi considerat unul sau altul regulator funcțional. În viitor, pentru a implementa regulatoare, vom lua în considerare doar circuitele de comutare bazate pe intrarea inversă.
Controler proporțional (controler P) - Acesta este amplificatorul operațional cu feedback strâns prezentat în Fig. 4.3, A. Funcția sa de transfer
W(p) = k P, (4.2)
Unde k P- coeficientul de câștig al regulatorului P.
După cum rezultă din funcția de transfer (4.2), în lățimea de bandă a amplificatorului operațional, răspunsul în frecvență cu amplitudine logaritmică (LAFC) al regulatorului P este paralel cu axa frecvenței. w, iar faza este zero (Fig. 4.3, b).
Controler integral (regulator I) se obține prin includerea unui condensator în bucla de feedback, așa cum se arată în Fig. 4.4, A, în timp ce se integrează semnalul de intrare și funcția de transfer a controlerului
 |
, (4.3)
Unde T și = R în C os- constanta de integrare.
După cum rezultă din (4.3), defazajul semnalului de ieșire este egal cu - p/ 2, LFC are o pantă de -20 dB/dec, iar răspunsul în frecvență a fazei logaritmice (LPFR) este paralel cu axa frecvenței w(Fig. 4.4, b).
Controler proporțional-integral (controler PI ) se obține prin conectarea în paralel a regulatoarelor P și I, adică
Funcția de transfer (4.4) poate fi obținută pe un amplificator operațional prin includerea reactanței activ-capacitive în feedback-ul său Z os (p) = R os (p) + + 1 / (C os p), așa cum se arată în fig. 4,5, A.
Apoi, în conformitate cu (4.1)
,
Unde T 1 = Ro os C os; T I = R în C os; k P = R os / R in.
Caracteristicile frecvenței logaritmice ale controlerului PI sunt prezentate în Fig. 4,5, b.
Controler diferențial proporțional (controler PD) se obține prin conectarea în paralel a unui regulator P și a unui regulator D diferențial, adică
W PD (p) = k P + T D p = k P (T 1 p+1). (4.5)
Funcția de transfer (4.5) este obținută prin conectarea unui condensator la rezistența de intrare a amplificatorului operațional, așa cum se arată în Fig. 4.6, A. Atunci, ținând cont de (4.1), avem
Unde T 1 = R în C în; k P = R os / R in.
 |
Caracteristicile frecvenței logaritmice ale controlerului PD sunt prezentate în Fig. 4.6, b.
Controler proporțional-integral-derivat (controler PID). Acest regulator este obținut prin conectarea în paralel a trei regulatoare - regulator P, regulator I și regulator D. Funcția sa de transfer are forma
. (4.6)
Funcția de transfer (4.6) poate fi întotdeauna implementată prin conectarea în paralel a unui controler PD și a unui controler I, care au, respectiv, funcții de transfer (4.5) și (4.3). În acest caz, circuitul controlerului PID poate fi implementat folosind trei amplificatoare operaționale. Primul amplificator implementează funcția unui regulator PD (Fig. 4.6, A), al doilea amplificator este funcția regulatorului I (Fig. 4.4, A), al treilea amplificator (Fig. 4.3, A) este funcția de însumare a semnalelor de ieșire ale primului și celui de-al doilea amplificator.
Dacă parametrii k P, T IȘi T D impune o restricție
atunci funcția de transfer (4.6) poate fi scrisă ca
, (4.7)
Unde k P = (T 1 + T 2) / T I; T D = (T 1 T 2) / T I.
Un controler PID cu o funcție de transfer (4.7) este o conexiune secvențială a unui controler PD și a unui controler PI și poate fi implementat pe un singur amplificator operațional cu rezistență în circuitul de feedback
Z os (p) = Ro os + 1/(C os p)
și rezistența în circuitul de intrare
.
În acest caz, constantele de timp ale controlerului T 1 = R în C în, T 2 =R os C os, T 0 =R în C os.
 |
Circuitul controlerului PID pentru un amplificator este prezentat în Fig. 4.7, A, și caracteristicile sale de frecvență logaritmică din Fig. 4.7, b.
Circuitele considerate ale controlerului PD și controlerului PID au condensatori în circuitele de intrare ale amplificatorului, care pentru interferența de înaltă frecvență reprezintă o rezistență aproape de zero. Pentru a crește stabilitatea regulatoarelor, puteți conecta un rezistor suplimentar cu o rezistență mică (cel puțin cu un ordin de mărime mai mic decât capacitatea condensatorului) în serie cu condensatorul.
Regulatorii, funcționarea și implementările tehnice ale acestora sunt discutate mai detaliat în /1/.
Întrebări de autotest
1. Ce funcție îndeplinesc regulatoarele sistemelor de automatizare?
2. Ce transformări tipice ale semnalului de control sunt efectuate de regulatoarele sistemelor de automatizare?
3. Care este baza pentru construcția celor mai moderne regulatoare analogice?
4. Care sunt principalele proprietăți ale amplificatoarelor operaționale?
5. Care sunt coordonatele de intrare ale unui amplificator operațional tipic?
6. Care este coordonatele de ieșire ale unui amplificator operațional tipic?
7. Care sunt componentele incluse în circuitul funcțional al unui amplificator operațional?
8. Numiți circuitele tipice pentru conectarea amplificatoarelor operaționale.
9. Ce circuit amplificator operațional tipic este folosit de obicei pentru implementarea regulatoarelor?
10. Dați funcția de transfer a amplificatorului operațional pentru circuitul de intrare inversor.
11. Ce element conține un controler proporțional în circuitul de feedback al unui amplificator operațional?
12. Ce element conține un controler proporțional în circuitul de intrare al unui amplificator operațional?
13. Dați funcția de transfer a unui controler proporțional.
14. Care sunt caracteristicile frecvenței de amplitudine și frecvenței de fază ale unui controler proporțional?
15. Ce element conține un regulator integral în circuitul de feedback al unui amplificator operațional?
16. Ce element conține un regulator integral în circuitul de intrare al unui amplificator operațional?
17. Dați funcția de transfer a regulatorului integral.
18. Care este panta răspunsului în frecvență de amplitudine logaritmică a unui regulator integral?
19. Care este răspunsul în frecvență de fază al unui regulator integral?
20. Ce elemente conţine circuitul de feedback al unui amplificator operaţional?
21. Ce element conține circuitul de intrare al amplificatorului operațional al regulatorului proporțional-integral?
22. Dați funcția de transfer a unui controler proporțional-integral.
23. Ce element conţine circuitul de feedback al amplificatorului operaţional al regulatorului diferenţial proporţional?
24. Dați funcția de transfer a unui controler proporțional-diferențial.
25. În ce restricții privind parametrii unui controler proporțional-integral-derivat este implementat pe un singur amplificator operațional?
26. Ce elemente conţine circuitul de intrare al unui controler proporţional-integral-derivat bazat pe un singur amplificator operaţional?
27. Ce elemente conţine circuitul de feedback al unui controler proporţional-integral-derivat bazat pe un singur amplificator operaţional?
Controloare de intensitate
O unitate principală tipică în sistemele de control a acționării electrice și alte sisteme de automatizare este integrator sau regulator de intensitate(ZI). Sarcina SI este de a forma o schimbare lină a semnalului principal atunci când se trece de la un nivel la altul, și anume de a crea o creștere și o scădere liniară a semnalului la rata necesară. În stare staționară, tensiunea la ieșirea generatorului de intensitate este egală cu tensiunea la intrarea acestuia.
În fig. Figura 4.8 prezintă o diagramă bloc a unui SI cu o singură integrare, constând din trei amplificatoare operaționale. Toate amplificatoarele sunt conectate conform unui circuit cu o intrare inversoare. Primul amplificator U1, funcționează fără feedback, dar cu limitare a tensiunii de ieșire U 1, are o caracteristică dreptunghiulară, care este prezentată fără a ține cont de inversarea tensiunii de ieșire din Fig. 4.9, A. Al doilea amplificator operațional U2 funcționează ca un integrator cu o rată constantă de integrare
(4.8)
Rata de integrare poate fi ajustată prin schimbare Rin2. Al treilea amplificator U3 generează o tensiune de feedback negativ
. (4.9)
Când o tensiune de referință este aplicată la intrare U z tensiunea de ieșire crește liniar conform (4.8). La un moment dat t=t p, Când U з = - U os, integrarea se oprește, iar tensiunea de ieșire, după cum urmează din (4.9), atinge valoarea 
, rămâne neschimbat în continuare. Când scoateți tensiunea de setare de la intrare ( Uz = 0) are loc procesul de reducere liniară a tensiunii de ieșire la zero (Fig. 4.9, b).
Rata de modificare a tensiunii de ieșire a acestui dispozitiv de protecție, după cum urmează din (4.8), se poate modifica fie prin modificarea valorii tensiunii U 1, de exemplu, prin selectarea diodelor zener în circuitul de feedback al amplificatorului U1 cu tensiune de stabilizare egală cu valoarea cerută U 1, sau prin modificarea valorii produsului R in2 C oc2.
În fig. 4.10, A Este prezentat un alt circuit al unui SI cu o singură integrare, realizat pe baza unui tranzistor bipolar conectat conform unui circuit cu o bază comună. Acest circuit folosește proprietățile unui tranzistor ( T) ca amplificator de curent. Reîncărcare condensator ( CU) apare întotdeauna la un curent constant al colectorului eu să, determinat de curentul emițătorului dat eu e. În acest caz, rata de modificare a tensiunii în timp tu afară la ieșirea ZI | duout/dt| = eu să/C. Caracteristicile controlului ZI tu afară = = f(t) prezentat în Fig. 4.10, b. Rata de modificare a semnalului de ieșire poate fi ajustată prin schimbarea tensiunii U e, proporţional cu care se modifică curentul eu eși, în consecință, curentul eu să, sau modificarea capacității condensatorului. În stare staționară, condensatorul este întotdeauna încărcat la tensiune tu in. Puntea redresoare asigură o direcție constantă a curentului colectorului tranzistorului, indiferent de semnul tensiunii tu in. ZI sunt discutate în detaliu în /1, 7/.
Întrebări de autotest
1. În ce scop sunt utilizate regulatoarele de intensitate în circuitele de automatizare?
2. Care sunt coordonatele de intrare și de ieșire ale generatorului de intensitate?
3. Care este câștigul static al generatorului de intensitate?
4. Cum ar trebui să se schimbe tensiunea la ieșirea generatoarelor de intensitate cu integrare unică odată cu schimbările trepte ale tensiunii de intrare?
5. Pe baza ce amplificatoare sunt construite controlere de intensitate integratoare?
6. Câte amplificatoare operaționale, conectate prin intrarea inversă, sunt necesare pentru a implementa un generator de intensitate integrator unic?
7. Indicați scopul fiecăruia dintre cele trei amplificatoare operaționale într-un circuit tipic de control de intensitate cu integrare unică realizat pe microcircuite.
8. Ce parametri afectează viteza de modificare a tensiunii de ieșire a unui generator de intensitate cu integrare unică pe trei amplificatoare operaționale?
9. Cum se realizează o schimbare liniară a tensiunii pe condensator în circuitul unui controler de intensitate a tranzistorului cu integrare unică?
10. Ce parametri afectează viteza de modificare a tensiunii de ieșire a unui controler de intensitate cu tranzistor cu integrare unică?
Elemente de potrivire
Elementele funcționale din cadrul sistemelor de control pot fi eterogene ca tip de semnal, tip de curent, rezistență și putere și alți indicatori. Prin urmare, la conectarea elementelor, apare sarcina de a coordona caracteristicile acestora. Această problemă este rezolvată prin potrivirea elementelor. Acest grup de elemente include detectoare de fază care se potrivesc cu tipul de curent, convertoare digital-analogic și analog-digital care se potrivesc cu tipul de semnal, urmăritori emițători, rezistențe de intrare și ieșire potrivite, amplificatoare de putere, separatoare galvanice și alte elemente . Funcția de coordonare poate fi îndeplinită și de elemente destinate în mod normal altor scopuri. De exemplu, amplificatorul operațional discutat în secțiunea 4.1 se dovedește a fi un adept de emițător în raport cu o intrare care nu inversează atunci când tensiunea de ieșire este conectată la intrarea inversată.
Pentru separarea galvanică, de exemplu, poate fi utilizat un senzor de tensiune a transformatorului. Astfel de elemente și elemente similare sunt evidente sau cunoscute și nu vor fi luate în considerare.
Să luăm în considerare elemente de potrivire standard mai complexe.
Detector de fază(PD) a primit o serie de alte denumiri în literatura științifică și tehnică: amplificator sensibil la fază, redresor sensibil la fază, discriminator de fază, demodulator.
Scopul FD este de a converti tensiunea AC de intrare U in V DC tensiune de ieșire Ieși, a căror polaritate și amplitudine depind de faza tensiunii de intrare j. Astfel, PD-ul are două coordonate de intrare: amplitudinea tensiunii de intrare U în mși faza de tensiune de intrare jși o coordonată de ieșire: valoarea medie a tensiunii de ieșire Ieși. Există două moduri de funcționare PD: modul amplitudine, când faza tensiunii de intrare rămâne constantă, luând una dintre cele două valori 0 sau p, U în m= var si Ieși = f(U în m); modul de fază când U in= const, j= var si Ieși = f(j).
În modul de amplitudine, PD este utilizat ca convertor al unui semnal de nepotrivire AC într-un semnal de control în servomotorizările DC, ca convertor al semnalului de ieșire al unui tahogenerator AC și așa mai departe. În modul de fază, PD este utilizat în sistemele de control în care variabila controlată și de control este o fază care variază ușor.
De regulă, detectorului de fază nu îi este atribuită funcția de amplificare a tensiunii.
Prin urmare, câștigul PD este aproape de unitate. În fig. Figura 4.11 prezintă circuitul echivalent calculat al unui PD cu undă completă. Circuitul corespunde unui circuit de redresare zero, în care supapele sunt înlocuite cu întrerupătoare funcționale K1Și K2. Rezistenta la sarcina Rn, pe care este alocată tensiunea de ieșire, conectează punctele medii A, 0 chei și surse de control EMF e y. Rezistența internă a sursei EMF de control este introdusă în fiecare circuit R y. Starea tastelor este controlată de EMF de referință e opîn conformitate cu algoritmul: pentru e op > 0 K1 inclus, adică acesta
 |
functie de comutare y k1= 1,a K2 dezactivat, adică funcția de comutare y k2 = 0. Pentru e op< 0 y k1 = 0, A y k2= 1. Acest algoritm poate fi reprezentat prin formule
y la 1 = (1+semn e op) /2; y la 2 = (1- semn e op) /2 . (4.10)
Evident, cu închis K1 ieșire fem e afarăîntre puncte A, 0 egal cu ei, iar când este închis K2 e out = - e y, acesta este
e afară = e y y k1 - e y y k2. (4.11)
Înlocuirea (4.10) în (4.11) dă
e out = e y semn e op . (4.12)
Diagrama modificărilor EMF de ieșire corespunzătoare algoritmilor (4.11) și (4.12) este prezentată în Figura 4.12.
e op = E op m sinwtȘi e y = E y m sin(wt - j),
Unde E op m,E și m- valorile amplitudinii EMF de referință și EMF de control; w este frecvența unghiulară a EMF de referință și a EMF de control, apoi valoarea medie a EMF de ieșire rectificată
. (4.13)
Deoarece E y m = k p U în m, tensiune medie de ieșire 
, luând apoi în considerare (4.13)
, (4.14)
Unde k p- coeficient de transfer de la tensiunea de intrare la EMF de control. Este determinat de caracteristicile unei scheme de circuit PD specifice.
Pentru j= const = 0 sau j= const = p există un mod de funcționare cu amplitudine al PD, pentru care caracteristica de control este simplă:
U out = k FD U in,
unde, ținând cont de (4.14), câștigul PD în modul de amplitudine
.
La j= 0 valori ale tensiunii de ieșire Ieși sunt pozitive și când j = p valorile tensiunii de ieșire sunt negative.
Pentru U in= const and j= var există un mod de fază al PD, pentru care caracteristica de control are forma
U out = k " FD cosj = k "FD sinj",
Unde j " = p/2 - j, și coeficientul de transmisie PD în modul fază ținând cont de (4.14)
;
La mic j" caracteristica de control
Funcționarea PD-urilor, caracteristicile lor și schemele de circuit sunt discutate în /1/.
Convertoare digital-analogic(DAC). Convertorul potrivește partea digitală a sistemului de control cu cea analogică. Coordonata de intrare a DAC este un număr binar pe mai mulți biți A n = a n -1 … a i … a 1 a 0, iar coordonata de ieșire este tensiunea Ieși, generat pe baza tensiunii de referință U op(Fig. 4.13).
Circuitele DAC sunt construite pe baza unei matrice de rezistențe, cu ajutorul căreia se însumează curenții sau tensiunile astfel încât tensiunea de ieșire să fie proporțională cu numărul de intrare. DAC-ul constă din trei părți principale: o matrice de rezistență, comutatoare electronice controlate de numărul de intrare și un amplificator de însumare care generează tensiunea de ieșire. În fig. Figura 4.14 prezintă un circuit simplu al unui DAC ireversibil. Fiecare cifră a numărului binar introdus Un corespunde rezistenţei
R i = R 0 / 2 i, (4.15)
Unde R0- rezistență de ordin scăzut.
Rezistor R i se conectează la o sursă de alimentare cu o tensiune de referință U op prin cheie electronică K i, care este închis la ora un i=1 și se deschide la un i= 0. Evident, în funcție de valoare un i rezistența circuitului de intrare pt eu- a-a categorie luând în considerare (4.15) va fi determinată de expresia
R i = R 0 /(2 i a i). (4.16)
Atunci pentru și eu= 0, adică circuitul este întrerupt și pentru un i=1 circuitul este pornit și are rezistență R0/2i.
În diagrama din fig. 4.14 amplificator operațional Uînsumează curenții de intrare și tensiunea de ieșire, ținând cont de notația și expresia circuitului (4.16)
Expresia (4.17) a formei U out = f(A n)- Aceasta este caracteristica de control a DAC. Are o formă în trepte cu o discretitate a tensiunii corespunzătoare celei mai puțin semnificative unități,
ΔU 0 = R os U op / R 0 = k DAC.
Magnitudinea ΔU 0 este în același timp coeficientul mediu de transfer al DAC k DAC.
Convertor analog-digital(ADC) rezolvă problema inversă - convertește o tensiune de intrare continuă într-un număr, de exemplu, binar. Fiecare număr binar pe mai mulți biți A i corespunde intervalului de modificări ale tensiunii de intrare:
, (4.18)
Unde U ei = ΔU 0 i- valoarea de referinta a tensiunii de iesire corespunzatoare numarului binar de iesire A i; ΔU 0- discretitatea tensiunii de ieșire, corespunzătoare unității cifrei celei mai puțin semnificative a numărului de ieșire.
La n-bit ADC, numărul total de niveluri de tensiune de intrare de referință diferite de zero, care diferă unul de celălalt prin ΔU 0, egal cu numărul maxim zecimal de ieșire N=2 n-1. Din moment ce fiecare nivel U e i, conform (4.18), poartă informații despre număr, apoi în funcționarea ADC-ului putem distinge principalele operații: compararea tensiunilor de intrare și de referință, determinarea numărului de nivel, generarea numărului de ieșire într-un cod dat . Câștigul mediu ADC este definit ca reciproca câștigului DAC corespunzător:
k ADC = 1 / ΔU 0.
Apoi, ecuația pentru caracteristica de control ADC poate fi scrisă ca
Caracteristica de control ADC are o formă de pas.
Circuitele de implementare ADC pot fi împărțite în două tipuri principale: acțiune paralelă și acțiune secvențială.
Principalul avantaj al unui ADC paralel este performanța sa ridicată. Conversia tensiunii analogice de intrare într-un număr zecimal cu mai multe cifre are loc în doar două cicluri de ceas ale elementelor circuitului digital. Principalul dezavantaj al unor astfel de ADC-uri este numărul mare de comparatoare analogice și flip-flops din circuit, egal cu 2 n - 1, ceea ce face ca ADC-urile paralele multi-biți să fie prohibitiv de scumpe.
Într-un ADC serial sunt necesare costuri hardware semnificativ mai mici. În fig. Figura 4.15 prezintă un circuit ADC de urmărire care aparține grupului de circuite secvențiale. Diagrama folosește simboluri nemenționate anterior: GTI- generator de impulsuri de ceas, SR- numarator invers, LA- comparator, R- registrul de iesire. Denumirile elementelor logice ȘI,SAU NU in general acceptat.
Comparaţie U inȘi U e realizat pe un comparator analogic combinat cu două ieșiri: „mai mult decât” (>) și „mai puțin decât” (<). ЕслиU în - U e >ΔU 0/ 2, apoi apare un singur semnal la ieșire > și elementul Și 1 conduce impulsurile de ceas către intrarea de însumare (+1) a contorului sus/jos SR. Numărul de ieșiri este în creștere SR, și crește în consecință uh, DAC generat. Dacă U in - U e < ΔU 0 /2 , apoi apare un singur semnal la ieșire< , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент ȘI 2 trece la intrarea de scădere (-1) a contorului SRȘi U e scade. Când condiția | U in - U e | = ΔU 0 /2 pe ambele ieșiri LA semnalele și elementele zero sunt evidențiate Și 1Și ȘI 2 sunt blocate pentru impulsuri de ceas. Numărătorul nu mai numără, iar numărul rămas neschimbat la ieșire apare la ieșirea registrului R. Permisiunea de a scrie un număr într-un registru este dată de un semnal cu un singur element SAU-NU, inclus pe două ieșiri LA. Considerând această schemă în raport cu U inȘi uh, se poate stabili că ADC este un sistem de control închis de-a lungul coordonatei de ieșire cu un controler LA acțiune de releu. Sistemul monitorizează modificarea tensiunii de intrare cu o precizie la starea staționară de ± U 0 /2și emite un număr corespunzător ieșirii digitale U in. Un ADC de urmărire poate converti rapid doar o schimbare destul de lentă a tensiunii de intrare.
Principalul dezavantaj al ADC-ului considerat este performanța sa slabă. În cel mai nefavorabil caz, când tensiunea maximă la intrare este setată brusc, pentru a produce valoarea de ieșire corespunzătoare într-un cod digital va fi necesar 2 n - 1 bate Unele circuite DAC și ADC și funcționarea lor sunt discutate în /1/.
Întrebări de autotest
1. De ce sunt folosite elemente de potrivire în sistemele de automatizare?
2. Ce transformare este efectuată de un detector de fază?
3. În ce moduri poate funcționa detectorul de fază?
4. Care sunt coordonatele de intrare ale detectorului de fază?
5. Care este coordonata de ieșire a unui detector de fază?
6. Care este modul de funcționare de amplitudine al unui detector de fază?
7. Care este modul de funcționare de fază al unui detector de fază?
8. La ce pot fi utilizate detectoarele de fază în sistemele de automatizare?
9. Dați formula pentru caracteristicile de control ale unui detector de fază care funcționează în modul de amplitudine.
10. Ce conversie este realizată de un convertor digital-analogic?
11. Care sunt coordonatele de intrare și de ieșire ale unui convertor digital-analogic?
12. Care sunt părțile principale ale unui circuit convertor digital-analogic?
13. Dați formule pentru calcularea caracteristicilor de control ale unui convertor digital-analogic și a coeficientului mediu de transmisie al acestuia.
14. Ce tip de caracteristică de control are un convertor digital-analogic?
15. Ce conversie se realizează printr-un convertor analog-digital?
16. Care sunt coordonatele de intrare și de ieșire ale unui convertor analog-digital?
17. Dați formule pentru calcularea caracteristicilor de control ale unui convertor analog-digital și a coeficientului mediu de transmisie al acestuia.
18. Ce tipuri de convertoare analog-digitale există?
19. Care sunt principalele avantaje și dezavantaje ale convertoarelor paralele analog-digitale?
20. Care sunt principalele avantaje și dezavantaje ale convertoarelor seriale analog-digitale?
21. De ce este folosit un convertor digital-analogic într-un circuit de urmărire a unui convertor analog-digital?
22. Care este eroarea maximă de conversie absolută la starea de echilibru a unui convertor analog-digital de urmărire?
SENSORI
Întrebări de autotest
1. Care sunt coordonatele de intrare și de ieșire ale senzorului de unghi de rotație?
2. Care sunt coordonatele de intrare și de ieșire ale senzorului de unghi de dezaliniere?
3. În ce sisteme pot fi utilizați senzori de unghi și senzori de eroare?
4. Câte înfășurări și unde are contactul sincron trifazat?
5. Care sunt coordonatele de intrare și de ieșire ale selsyn-ului?
6. În ce moduri poate funcționa selsyn-ul?
7. Care este modul de funcționare în amplitudine al unui sincronizator?
8. Care este modul de fază de funcționare al unui selsyn?
9. Dați o formulă pentru calcularea caracteristicilor de control ale unui sincronizator în modul de funcționare cu amplitudine.
10. Dați o formulă pentru calcularea caracteristicilor de control ale unui sincronizator în modul de funcționare de fază.
11. Ce factori determină erorile statice ale unui sincronizator care îi distorsionează caracteristicile de control?
12. Ce cauzează eroarea de viteză a senzorului de unghi rotativ bazat pe selsyn?
13. În ce mod funcționează senzorul selsyn și receptorul selsyn în circuitul senzorului de unghi nepotrivire dacă valoarea amplitudinii EMF a rotorului receptorului selsyn și faza acestui EMF sunt utilizate ca coordonate de ieșire?
14. Dați o formulă pentru calcularea caracteristicilor de control ale unui senzor de nepotrivire pe baza a două sincronizatoare care funcționează în modul transformator.
15. Care sunt principalele dezavantaje ale senzorilor de unghi rotativ bazați pe selsyn?
16. În ce scop sunt utilizate reductoarele de măsură la intrarea senzorilor de unghi de rotație?
17. În ce scop sunt folosite roți dințate de măsurare în sus la intrarea senzorilor de unghi de rotație?
18. Cum se modifică eroarea de măsurare a unghiului când se utilizează reductoare de viteză?
19. Când este adecvat să folosiți senzori de unghi discret?
20. Care sunt principalele elemente prezente în proiectarea unui senzor digital de unghi de rotație bazat pe un disc cod?
21. De ce caracteristica de control a unui senzor digital de unghi de rotație bazat pe un disc cod are un caracter în trepte?
22. Dați o formulă pentru calcularea intervalului discret al unui senzor digital de unghi de rotație pe baza unui disc cod.
23. Dați o formulă pentru calcularea erorii absolute a unui senzor digital de unghi de rotație pe baza unui disc cod.
24. Prin ce măsuri de proiectare poate fi mărită capacitatea de biți a unui senzor digital de unghi de rotație bazat pe un disc cod?
Senzori de viteză unghiulară
tahogenerator DC este o mașină electrică de curent continuu cu excitație independentă sau magneți permanenți (Fig. 5.6). Coordonata de intrare TG - viteza unghiulara w, ieșire - tensiune Ieși, alocată rezistenței de sarcină.
E tg = kФw = I(R tg + R n),
Coeficient de transfer TG, V/rad; k = pN/ (2p a)- constantă constructivă; F- flux de excitaţie magnetică; R tg- rezistenta infasurarii armaturii si contactul periei.
 |
Coeficientul de transfer al TG, strict vorbind, nu rămâne constant atunci când viteza se modifică din cauza neliniarității rezistenței de contact a periei și a reacției armăturii. Prin urmare, se observă o anumită neliniaritate în caracteristica de control în zonele de viteză mică și mare (Fig. 5.6, b). Neliniaritatea în zona de viteză redusă este redusă prin utilizarea periilor metalizate cu o cădere scăzută de tensiune. Neliniaritatea caracteristicii datorată reacției armăturii este redusă prin limitarea vitezei de sus și creșterea rezistenței la sarcină. La desfășurarea acestor activități, caracteristicile de control ale TG pot fi considerate aproape simple.
28. Regulatori suim.
1. Regulatoare analogice din clasa „input-output” bazate pe amplificatoare operaționale
Indiferent de scopul tehnologic al regulatorilor, toate sunt împărțite în 2 clase mari:
Controlere parametrice din clasa „intrare/ieșire” (controlere P-, PI-, PID- etc.);
Regulatoare de stat ACS (aperiodice, modale etc.).
Prima clasă de regulatoare pe diagramele funcționale ale sistemului de control ES este desemnată ca funcție de tranziție.
1. Controler proporțional (controler P).
Schema schematică a regulatorului este prezentată în Fig. 4.19.
Vom presupune că la intrarea controlerului există un semnal de eroare de control X in si Xîn = X h - X os. Mai mult, în loc de două rezistențe R Z și R se folosește un singur sistem de operare - R intrare
U afară ( t)=LA reg Xîn( t).
2. Regulator integral (I-regulator).
Schema schematică a regulatorului este prezentată în Fig. 4.22.
Orez. 4.22. Schema schematică a unui regulator integrat
Funcția de transfer al controlerului
Unde T TȘi = R VX CU 0 .
Caracteristicile regulatorului de sincronizare:
U afară ( t)=U afară (0)+ 1/ ( R VX CU 0)Xîn( t)t.
P 
proces tranzitoriu în controler în condiții inițiale zero ( U ieșirea (0)=0) va avea forma prezentată în Fig. 4.23.
Schema funcțională a regulatorului integrat este prezentată în Fig. 4.24.
3. Regulator diferenţial (D-regulator).
Schema schematică a regulatorului este prezentată în Fig. 4.25.
Funcția de transfer al controlerului
Unde T D este constanta de timp a integratorului, T D = R 0 CU VH.
Caracteristicile regulatorului de sincronizare:
U afară ( t)=T D (t),
Unde (t) este funcția delta Dirac.
Procesul tranzitoriu din regulator va avea forma prezentată în Fig. 4.26.
CU 
Trebuie remarcat faptul că lățimea de bandă de frecvență limitată a amplificatoarelor operaționale în sine nu permite realizarea unei diferențieri pure (ideale). În plus, datorită imunității reduse la zgomot a regulatoarelor diferențiale, s-a dezvoltat practica utilizării legăturilor de diferențiere reale, iar schemele de circuit ale unor astfel de regulatoare sunt oarecum diferite de cele prezentate în Fig. 4.25.
Schema funcțională a regulatorului diferenţial este prezentată în Fig. 4.27.
4. Controler proporțional-integral (controller PI).
Schema schematică a regulatorului este prezentată în Fig. 4.28.
Funcția de transfer al controlerului
Unde K REG - coeficientul de transmisie al regulatorului, K REG = R 0 /R VX;
TȘi este constanta de timp a integratorului, TȘi = R VX CU 0 .
Caracteristicile regulatorului de sincronizare:
U afară ( t)=U afară (0) + ( K REG + t/ ( R VX CU 0))Xîn( t).
Procesul tranzitoriu din controler în condiții inițiale zero va avea forma prezentată în Fig. 4.29.
Funcția de transfer a unui controler proporțional-integral este adesea prezentată nu ca o sumă a doi termeni, ci ca o așa-numită legătură izodromică
, (4.53)
Unde T IZ este constanta de timp a legăturii izodromice, T DE LA = R 0 C 0 ,
TȘi este constanta de timp de integrare a controlerului, TȘi = R VX C 0 .
Controlerul PI inclus în structura ACS oferă compensare pentru o constantă mare de timp a obiectului de control (vezi Secțiunea 8.1).
Controler diferențial proporțional (controler PD) Schema schematică a regulatorului este prezentată în Fig. 4.31.
Unde K K REG = R 0 /R VX;
T D este constanta de timp a integratorului, T D = R 0 CU VH.
Caracteristicile regulatorului de sincronizare:
U afară ( t)= K REG Xîn( t) +T D (t),
Unde (t) este funcția delta Dirac.
P 
Procesul tranzitoriu din controlerul PD va avea forma prezentată în Fig. 4.32, schema funcțională a regulatorului este prezentată în Fig. 4.33.
Orez. 4.32. Proces tranzitoriu în controlerul PD
6. Controler proporțional-integral-derivat (PID)
regulator)
Schema schematică a regulatorului este prezentată în Fig. 4.34.
Funcția de transfer al controlerului
Unde K REG - coeficientul de transmisie al regulatorului, K REG = R 0 /R VX + C VX / CU 0 ;
TȘi este constanta de timp de integrare, TȘi = R VX CU 0 ;
T D - constanta de timp de diferentiere, T D = R 0 CU VH.
Caracteristicile regulatorului de sincronizare:
U afară ( t)=U afară (0) + K REG Xîn( t) + (1/TȘI P) Xîn( t) + T D (t),
Unde (t) este funcția delta Dirac.
Procesul tranzitoriu din regulator va avea forma prezentată în Fig. 4.35, diagrama funcțională este prezentată în Fig. 4.36.
Prin analogie cu un controler PI, MM-ul unui controler PID este adesea reprezentat ca o legătură izodromică de ordinul doi
, (4.56)
Unde T IZ,1 , T IZ,2 - constantele de timp ale legăturii izodromice; T IZ,1 = R 0 CU 0 ,T IZ,2 = =R intrare CU intrare
Controlerul PID asigură compensarea pentru două constante mari de timp ale obiectului de control, asigurând intensitatea proceselor dinamice în ACS.
Articolul va discuta despre un amplificator operațional standard și va oferi, de asemenea, exemple de diferite moduri de operare ale acestui dispozitiv. Astăzi, niciun dispozitiv de control nu poate face fără amplificatoare. Acestea sunt dispozitive cu adevărat universale care vă permit să efectuați diverse funcții cu un semnal. Veți afla mai multe despre cum funcționează acest dispozitiv și ce anume vă permite să faceți acest dispozitiv.
Amplificatoare inversoare
Circuitul amplificatorului inversor op-amp este destul de simplu, îl puteți vedea în imagine. Se bazează pe un amplificator operațional (circuitele sale de conectare sunt discutate în acest articol). In plus, aici:
- Există o cădere de tensiune pe rezistorul R1; valoarea sa este aceeași cu cea de intrare.
- Există și R2 pe rezistor - este același cu cel de ieșire.
În acest caz, raportul dintre tensiunea de ieșire și rezistența R2 este egal ca valoare cu raportul dintre tensiunea de intrare și R1, dar semnul opus. Cunoscând valorile rezistenței și tensiunii, puteți calcula câștigul. Pentru a face acest lucru, trebuie să împărțiți tensiunea de ieșire la tensiunea de intrare. În acest caz, amplificatorul operațional (circuitele sale de conectare pot fi oricare) poate avea același câștig indiferent de tip.
Operație de feedback
Acum trebuie să aruncăm o privire mai atentă la un punct cheie - cum funcționează feedback-ul. Să presupunem că există o tensiune la intrare. Pentru simplitatea calculelor, să luăm valoarea sa egală cu 1 V. Să presupunem, de asemenea, că R1=10 kOhm, R2=100 kOhm.
Acum să presupunem că a apărut o situație neprevăzută, din cauza căreia tensiunea la ieșirea cascadei este setată la 0 V. În continuare, se observă o imagine interesantă - două rezistențe încep să funcționeze în perechi, împreună creează un divizor de tensiune. La ieșirea etajului de inversare, acesta este menținut la un nivel de 0,91 V. În acest caz, amplificatorul operațional permite înregistrarea nepotrivirii între intrări, iar tensiunea scade la ieșire. Prin urmare, este foarte simplu să proiectați un circuit amplificator operațional care implementează funcția unui amplificator de semnal de la un senzor, de exemplu.
Și această schimbare va continua până când ieșirea va atinge o valoare stabilă de 10 V. În acest moment potențialele la intrările amplificatorului operațional vor fi egale. Și vor fi aceleași cu potențialul pământului. Pe de altă parte, dacă tensiunea la ieșirea dispozitivului continuă să scadă și este mai mică de -10 V, potențialul la intrare va deveni mai mic decât cel al pământului. Consecința acestui lucru este că tensiunea la ieșire începe să crească.
Acest circuit are un mare dezavantaj - impedanța de intrare este foarte mică, mai ales pentru amplificatoare cu un câștig de tensiune ridicat, dacă circuitul de feedback este închis. Și designul discutat în continuare este lipsit de toate aceste neajunsuri.
Amplificator non-inversoare
Figura prezintă circuitul unui amplificator operațional neinversător. După ce îl analizăm, putem trage câteva concluzii:
- Valoarea tensiunii UA este egală cu tensiunea de intrare.
- Tensiunea UA este îndepărtată din divizor, care este egală cu raportul dintre produsul tensiunii de ieșire și R1 la suma rezistențelor R1 și R2.
- În cazul în care UA este egală ca valoare cu tensiunea de intrare, câștigul este egal cu raportul dintre tensiunea de ieșire și intrarea (sau puteți adăuga una la raportul dintre rezistențele R2 și R1).
Acest design se numește amplificator non-inversător; are o impedanță de intrare aproape infinită. De exemplu, pentru amplificatoarele operaționale din seria 411, valoarea sa este de 1012 ohmi, minim. Iar pentru amplificatoarele operaționale bazate pe tranzistoare semiconductoare bipolare, de regulă, peste 108 Ohmi. Dar impedanța de ieșire a cascadei, precum și în circuitul discutat anterior, este foarte mică - fracțiuni de ohm. Și acest lucru trebuie luat în considerare la calcularea circuitelor folosind amplificatoare operaționale.
Circuit amplificator AC
Ambele circuite discutate mai devreme în articol lucrează la Dar dacă conexiunea dintre sursa semnalului de intrare și amplificator este curent alternativ, atunci va trebui să asigurați împământare pentru curent la intrarea dispozitivului. Mai mult, trebuie să acordați atenție faptului că valoarea actuală este extrem de mică ca mărime.
În cazul în care semnalele AC sunt amplificate, este necesar să se reducă câștigul semnalului DC la unitate. Acest lucru este valabil mai ales pentru cazurile în care câștigul de tensiune este foarte mare. Datorită acestui fapt, este posibilă reducerea semnificativă a influenței tensiunii de forfecare care este condusă la intrarea dispozitivului.
Al doilea exemplu de circuit pentru lucrul cu tensiune alternativă
În acest circuit, la un nivel de -3 dB se poate vedea corespondența cu o frecvență de 17 Hz. Pe ea, impedanța condensatorului se dovedește a fi la nivelul de doi kilo-ohmi. Prin urmare, condensatorul trebuie să fie suficient de mare.
Pentru a construi un amplificator de curent alternativ, trebuie să utilizați un circuit de amplificator operațional de tip fără inversare. Și trebuie să aibă un câștig de tensiune destul de mare. Dar condensatorul poate fi prea mare, așa că cel mai bine este să nu-l folosești. Adevărat, va trebui să alegeți efortul de forfecare potrivit, echivalând valoarea acesteia cu zero. Sau puteți utiliza un divizor în formă de T și puteți crește valorile rezistenței ambelor rezistențe din circuit.
Ce schemă este de preferat să folosiți?
Majoritatea designerilor preferă amplificatoarele neinversoare deoarece au impedanță de intrare foarte mare. Și neglijează circuitele de tip inversor. Dar acesta din urmă are un avantaj imens - nu este solicitant cu amplificatorul operațional în sine, care este „inima” sa.
În plus, caracteristicile sale sunt, de fapt, mult mai bune. Și cu ajutorul împământării imaginare, puteți combina cu ușurință toate semnalele și nu vor avea nicio influență unul asupra celuilalt. Un circuit amplificator DC bazat pe un amplificator operațional poate fi, de asemenea, utilizat în proiecte. Totul depinde de nevoi.
Și ultimul lucru este cazul dacă întregul circuit discutat aici este conectat la ieșirea stabilă a altui amplificator operațional. În acest caz, valoarea impedanței de intrare nu joacă un rol semnificativ - cel puțin 1 kOhm, cel puțin 10, cel puțin infinit. În acest caz, prima cascadă își îndeplinește întotdeauna funcția în raport cu următoarea.
Circuit repetitor
Un repetor bazat pe un amplificator operațional funcționează similar cu un emițător construit pe un tranzistor bipolar. Și îndeplinește funcții similare. În esență, acesta este un amplificator non-inversător în care rezistența primului rezistor este infinit de mare, iar rezistența celui de-al doilea este zero. În acest caz, câștigul este egal cu unitatea.
Există tipuri speciale de amplificatoare operaționale care sunt utilizate în tehnologie numai pentru circuitele repetoare. Au caracteristici mult mai bune - de regulă, performanțe ridicate. Exemplele includ amplificatoare operaționale precum OPA633, LM310, TL068. Acesta din urmă are un corp ca un tranzistor, precum și trei terminale. Foarte adesea astfel de amplificatoare sunt numite pur și simplu buffere. Cert este că au proprietățile unui izolator (impedanță de intrare foarte mare și ieșire extrem de scăzută). Aproximativ același principiu este utilizat pentru a construi un circuit amplificator de curent bazat pe un amplificator operațional.
Modul activ
În esență, acesta este un mod de funcționare în care ieșirile și intrările amplificatorului operațional nu sunt supraîncărcate. Dacă se aplică un semnal foarte mare la intrarea circuitului, atunci la ieșire va începe pur și simplu să se taie în funcție de nivelul de tensiune al colectorului sau emițătorului. Dar când tensiunea de ieșire este fixată la nivelul de tăiere, tensiunea de la intrările amplificatorului operațional nu se schimbă. În acest caz, domeniul nu poate fi mai mare decât tensiunea de alimentare
Majoritatea circuitelor de amplificare operațională sunt proiectate astfel încât această variație să fie cu 2 V mai mică decât tensiunea de alimentare.Dar totul depinde de circuitul amplificator de amplificator operațional utilizat. Există aceeași limitare a stabilității pe baza unui amplificator operațional.
Să presupunem că există o anumită cădere de tensiune într-o sursă cu sarcină plutitoare. Dacă curentul se mișcă în direcția normală, este posibil să întâlniți o sarcină care pare ciudată la prima vedere. De exemplu, mai multe baterii cu polarizare inversă. Acest design poate fi folosit pentru a obține un curent de încărcare directă.
Câteva precauții
Un simplu amplificator de tensiune bazat pe un amplificator operațional (orice circuit poate fi ales) poate fi făcut literalmente „pe genunchi”. Dar va trebui să țineți cont de unele caracteristici. Este imperativ să vă asigurați că feedback-ul din circuit este negativ. Acest lucru sugerează, de asemenea, că este inacceptabil să se confunde intrările non-inversoare și inversoare ale amplificatorului. În plus, trebuie să existe o buclă de feedback pentru curent continuu. În caz contrar, amplificatorul operațional va intra rapid în saturație.
Majoritatea amplificatoarelor operaționale au o tensiune diferențială de intrare foarte mică. În acest caz, diferența maximă dintre intrările neinversoare și inversoare poate fi limitată la 5 V pentru orice conectare a sursei de alimentare. Dacă această condiție este neglijată, la intrare vor apărea valori de curent destul de mari, ceea ce va duce la deteriorarea tuturor caracteristicilor circuitului.
Cel mai rău lucru despre asta este distrugerea fizică a amplificatorului operațional în sine. Ca urmare, circuitul amplificatorului operațional nu mai funcționează complet.
Ar trebui luat în considerare
Și, desigur, trebuie să vorbim despre regulile care trebuie urmate pentru a asigura funcționarea stabilă și de lungă durată a amplificatorului operațional.
Cel mai important lucru este că op-amp-ul are un câștig de tensiune foarte mare. Și dacă tensiunea dintre intrări se modifică cu o fracțiune de milivolt, valoarea sa la ieșire se poate schimba semnificativ. Prin urmare, este important de știut: ieșirea unui amplificator operațional încearcă să se asigure că diferența de tensiune dintre intrări este aproape (ideal egală) cu zero.
A doua regulă este că consumul de curent al amplificatorului operațional este extrem de mic, literalmente nanoamperi. Dacă la intrări sunt instalați tranzistori cu efect de câmp, atunci acesta este calculat în picoampși. Din aceasta putem concluziona că intrările nu consumă curent, indiferent de ce amplificator operațional este utilizat, circuitul - principiul de funcționare rămâne același.
Dar nu ar trebui să credeți că amplificatorul operațional schimbă în mod constant tensiunea la intrări. Din punct de vedere fizic, acest lucru este aproape imposibil de realizat, deoarece nu ar exista nicio corespondență cu a doua regulă. Datorită amplificatorului operațional, se evaluează starea tuturor intrărilor. Folosind un circuit de feedback extern, tensiunea este transferată la intrare de la ieșire. Rezultatul este că diferența de tensiune dintre intrările amplificatorului operațional este la zero.
Conceptul de feedback
Acesta este un concept comun și este deja folosit într-un sens larg în toate domeniile tehnologiei. Orice sistem de control are feedback care compară semnalul de ieșire și valoarea setată (referință). În funcție de valoarea curentă, are loc o ajustare în direcția dorită. Mai mult, sistemul de control poate fi orice, chiar și o mașină care circulă pe șosea.
Șoferul apasă pe frână, iar feedback-ul aici este începutul decelerației. Făcând o analogie cu un exemplu atât de simplu, puteți înțelege mai bine feedback-ul în circuitele electronice. Iar feedback-ul negativ este dacă atunci când apăsați pedala de frână mașina accelerează.
În electronică, feedback-ul este procesul în timpul căruia un semnal este transferat de la ieșire la intrare. În acest caz, semnalul de la intrare este de asemenea suprimat. Pe de o parte, aceasta nu este o idee foarte rezonabilă, deoarece din exterior poate părea că câștigul va fi redus semnificativ. Apropo, fondatorii dezvoltării feedback-ului în electronică au primit un astfel de feedback. Dar merită să înțelegeți mai în detaliu influența sa asupra amplificatoarelor operaționale - luați în considerare circuitele practice. Și va deveni clar că de fapt reduce ușor câștigul, dar vă permite să îmbunătățiți puțin alți parametri:
- Netezește caracteristicile frecvenței (le aduce la nivelul necesar).
- Vă permite să preziceți comportamentul amplificatorului.
- Capabil să elimine neliniaritatea și distorsiunea semnalului.
Cu cât feedback-ul este mai profund (vorbim despre negativ), cu atât mai puțină influență au caracteristicile în buclă deschisă asupra amplificatorului. Rezultatul este că toți parametrii săi depind numai de ce proprietăți are circuitul.
Merită să acordați atenție faptului că toate amplificatoarele operaționale funcționează într-un mod cu feedback foarte profund. Și câștigul de tensiune (cu bucla deschisă) poate ajunge chiar la câteva milioane. Prin urmare, circuitul amplificator amplificator operațional este extrem de solicitant în ceea ce privește respectarea tuturor parametrilor privind alimentarea cu energie și nivelul semnalului de intrare.
Controlerul calculează nepotrivirea și o transformă într-o acțiune de control în conformitate cu o anumită operație matematică. VSAU utilizează în principal următoarele tipuri de controlere: proporțional (P), integral (I), proporțional-integral (PI), proporțional-integral-derivat (PID). În funcție de tipul de semnale convertite, se disting regulatoarele analogice și digitale. Regulatoare analogice (AR) sunt implementate pe baza amplificatoarelor operaționale, digital - bazate pe dispozitive de calcul specializate sau microprocesoare. Controlerele analogice convertesc doar semnalele analogice care sunt funcții continue ale timpului. La trecerea prin AP, fiecare valoare instantanee a unui semnal continuu este convertită.
Pentru a implementa AR, un amplificator operațional (op-amp) este conectat conform unui circuit amplificator de însumare cu feedback negativ. Tipul de regulator și funcția sa de transfer sunt determinate de circuitul pentru conectarea rezistențelor și condensatorilor în circuitele de la intrare și în feedback-ul op-amp.
Când analizăm autoritățile de reglementare, vom folosi două ipoteze principale, care grad înalt acuratețea sunt îndeplinite pentru un amplificator operațional cu feedback negativ într-un mod de funcționare liniar:
Tensiune diferenţială de intrare U intrarea op-amp este egală cu zero;
Intrările inversoare și neinversoare ale amplificatorului operațional nu consumă curent, adică curenti de intrare (Fig. 2.2). Deoarece intrarea neinversoare este conectată la magistrala „zero”, atunci, conform primei ipoteze, potențialul φa al intrării inversoare este, de asemenea, zero.
Orez. 2.2. Schema funcțională a unui controler proporțional
Trecând la incrementul variabilelor din ecuația (2.1) și folosind transformata Laplace, obținem funcția de transfer a P-regulatorului:
Unde - câștig proporțional.
Astfel, în regulatorul P, se realizează o amplificare proporțională (înmulțire cu o constantă) a semnalului de eroare u rasă
Coeficientul poate fi mai mare sau mai mic decât unu. În fig. 2.3 arată dependența u la = f(t) P-regulator când semnalul de eroare se schimbă u rasă
Un regulator integral (I-regulator) este implementat prin conectarea unui condensator op-amp C la op-amp din circuitul de feedback (Fig. 2.4). Funcția de transfer a controlerului I
unde este constanta integrării, s.
Orez. 2.4. Schema funcțională a unui regulator integrat
Controlerul I integrează semnalul de eroare u rasă
Un controler proporțional-integral (controller PI) este implementat prin includerea unui rezistor R OU și a unui condensator C OU în bucla de feedback (Fig. 2.6).
Orez. 2.6. Schema funcțională a controlerului PI
Funcția de transfer a controlerului PI
este suma funcțiilor de transfer ale regulatoarelor proporționale și integrale. Deoarece controlerul PI are proprietățile controlerelor P și I, efectuează simultan amplificarea proporțională și integrarea semnalului de eroare u rasă
Un controler proporțional-integral-derivat (controller PID) este implementat în cel mai simplu caz prin conectarea condensatoarelor C 3 și C OS în controlerul PI în paralel cu rezistențele R 3 și R OC (Fig. 2.8).
Orez. 2.8. Schema funcțională a regulatorului PID
Funcția de transfer al controlerului PID
unde este câștigul proporțional al regulatorului PID; - constanta de diferentiere; - constanta de integrare; ; .
Funcția de transfer a regulatorului PID este suma funcțiilor de transfer ale regulatoarelor proporționale, integrale și diferențiale. Controlerul PID realizează simultan amplificarea proporțională, diferențierea și integrarea semnalului de eroare u rasă
17 Întrebare Senzori de coordonate AEP.
Schema bloc a senzorului. AED (acționare electrică automată) folosește senzori pentru a primi semnale de feedback pe coordonate controlate. Senzor este un dispozitiv care informează despre starea coordonatei controlate a DEA interacționând cu acesta și transformând reacția la această interacțiune într-un semnal electric.
În AED sunt controlate coordonatele electrice și mecanice: curent, tensiune, EMF, cuplu, viteză, deplasare etc. Pentru măsurarea acestora se folosesc senzori corespunzători.
Senzorul de coordonate AED poate fi reprezentat structural ca o conexiune serială a unui traductor de măsurare (MT) și a unui dispozitiv de potrivire (CU) (Fig. 2.9). Traductorul de măsurare convertește coordonatele Xîn semnal de tensiune electrică Și(sau curent i), proporțional X . Dispozitivul de potrivire convertește semnalul de ieșire Și IP în semnal de feedback u OS , care ca marime si forma satisface tunurile autopropulsate.
Orez. 2.9. Schema bloc a senzorului de coordonate AEP
Senzori de curent. Senzorii de curent (CT) sunt proiectați pentru a obține informații despre puterea și direcția curentului motorului. Acestea sunt supuse următoarelor cerințe:
Linearitatea caracteristicilor de control în intervalul de la 0,1 I nom la 5 I nom nu mai puțin de 0,9;
Disponibilitatea izolației galvanice a circuitului de putere și a sistemului de control;
Performanta ridicata.
Transformatoarele de curent, înfășurările suplimentare (de compensare) ale bobinelor de netezire, elementele Hall și șunturile sunt utilizate ca traductoare de măsurare în DT.
Senzorii de curent bazați pe șunturi sunt utilizați pe scară largă pentru măsurarea curentului motorului. Shunt este un rezistor cu patru terminale cu rezistență pur activă R sh (shunt neinductiv), circuitul de putere este conectat la bornele de curent, iar circuitul de măsurare este conectat la bornele potențiale.
Conform legii lui Ohm, căderea de tensiune pe rezistența activă și=R w i.
Pentru a reduce efectul șuntului asupra trecerii curentului în circuitul motorului, rezistența acestuia ar trebui să fie minimă. Căderea nominală de tensiune pe șunt este de obicei de 75 mV, deci trebuie amplificată la valorile necesare (3,0...3,5 V). Deoarece șuntul are o conexiune potențială cu circuitul de putere, senzorul de curent trebuie să conțină un dispozitiv de izolare galvanică. Dispozitivele transformatoare și optoelectronice sunt utilizate ca astfel de dispozitive. Schema bloc a unui senzor de curent bazat pe un șunt este prezentată în Fig. 2.13.
Orez. 2.13. Schema bloc a unui senzor de curent bazat pe șunt
În prezent, senzorii de curent se bazează pe Elemente de hol, care sunt realizate din material semiconductor sub formă de placă sau peliculă subțire (Fig. 2.14). Când un curent electric I X trece printr-o placă situată perpendicular pe un câmp magnetic cu inducție ÎN, FEM Hall este indusă în placă e X:
unde este un coeficient în funcție de proprietățile materialului și de dimensiunile plăcii.
Senzori de tensiune. ÎN Divizoarele rezistive de tensiune sunt utilizate ca convertor de măsurare a tensiunii într-o acţionare electrică (Fig. 2.16).
Orez. 2.16. Schema funcțională a unui senzor de tensiune
Tensiune de ieșire divizor.
Senzori EMF. Cu cerințe scăzute pentru domeniul de control al vitezei (până la 50), feedback-ul EMF este utilizat ca feedback principal în acționarea electrică.
Orez. 2.17. Schema funcțională a senzorului EMF de armătură
Senzori de viteza. Pentru a obține un semnal electric proporțional cu viteza unghiulară a rotorului motorului, se folosesc tahogeneratoare și senzori de turație a impulsului. Tahogeneratoarele sunt utilizate în sistemele de control automat analogice, cele cu impulsuri - în cele digitale.
Senzorii de viteză sunt supuși unor cerințe stricte pentru liniaritatea caracteristicilor de control, stabilitatea tensiunii de ieșire și nivelul ondulației acesteia, deoarece determină parametrii statici și dinamici ai unității în ansamblu.
Tahogeneratoarele de curent continuu cu magneți permanenți au devenit larg răspândite în acționările electrice. Pentru a reduce nivelul pulsațiilor inverse, tahogeneratoarele sunt încorporate în motorul electric.
În senzorii de viteză în impulsuri, traductoarele de deplasare în impulsuri sunt utilizate ca traductor de măsurare primar, în care numărul de impulsuri este proporțional cu unghiul de rotație al arborelui.
Senzori de poziție. ÎNÎn prezent, convertoarele de inducție și fotoelectronice sunt utilizate în acționările electrice pentru a măsura mișcarea pieselor mobile ale mașinilor și mecanismelor.
Transformatoarele de inducție includ transformatoare rotative, selsyns și inductosyns. Inductosyns pot fi circulare sau liniare.
Transformatoare rotative (VT) se numesc micromaşini electrice de curent alternativ care transformă unghiul de rotaţie α într-o tensiune sinusoidală proporţională cu acest unghi. Într-un sistem de control automat, transformatoarele rotative sunt utilizate ca contoare de nepotrivire care înregistrează abaterea sistemului de la o anumită poziție specificată.
Un transformator rotativ are două înfășurări distribuite monofazate identice pe stator și rotor, deplasate cu 90° una față de alta. Tensiunea de la înfășurarea rotorului este îndepărtată folosind inele colectoare și perii sau folosind transformatoare inelare.
Principiul de funcționare al VT în modul sinus se bazează pe dependența tensiunii induse în înfășurarea rotorului de fluxul magnetic pulsatoriu al statorului de poziția unghiulară a axelor statorului și a înfășurărilor rotorului.
Selsin este o micromașină electrică de curent alternativ cu două înfășurări: excitație și sincronizare. În funcție de numărul de faze ale înfășurării de excitație, se disting sincronizările monofazate și trifazate. Înfășurarea de sincronizare este întotdeauna trifazată. În pistoalele autopropulsate, sincronizările fără contact cu un transformator inel sunt utilizate pe scară largă.
Înfășurarea de sincronizare a unui sincronizator fără contact cu un transformator inel este situată în fantele statorului, înfășurarea de excitație este în fantele sau pe polii pronunțați ai rotorului sincronizatorului. Particularitatea transformatorului inel este că înfășurarea sa primară este situată pe stator, iar înfășurarea secundară este situată pe rotor. Înfășurările au forma unor inele plasate într-un sistem magnetic format din miezuri magnetice inelare ale statorului și rotorului, care sunt conectate pe rotor printr-un circuit magnetic intern, iar pe stator printr-unul extern. La tunurile autopropulsate, sincronizarile sunt utilizate în modurile de rotație de amplitudine și fază.
Schema circuitului pentru pornirea înfășurărilor synsyn în modul amplitudine este prezentată în Fig. 2.19. Coordonata de intrare a sincronizatorului în acest mod este unghiul de rotație a rotorului τ. Linia centrală a înfășurării de fază este luată ca punct de referință A.
Orez. 2.19. Schema funcțională a pornirii înfășurărilor synsyn în modul amplitudine
Schema circuitului pentru pornirea înfășurărilor synsyn în modul de defazare este prezentată în Fig. 2.20. Coordonata de intrare a sincronizatorului în acest mod este unghiul de rotație τ, iar coordonata de ieșire este faza φ a EMF de ieșire eîn raport cu tensiunea de alimentare alternativă.
Orez. 2.20. Schema funcțională a pornirii înfășurărilor synsyn în modul rotație de fază
18 Întrebare Sisteme de control în impulsuri-fază. Principiile controlului tiristoarelor.
În redresoare, tiristoarele sunt folosite ca întrerupătoare controlate. Pentru a deschide tiristorul, trebuie îndeplinite două condiții:
Potențialul anodului trebuie să depășească potențialul catodic;
Un impuls de deschidere (de control) trebuie aplicat electrodului de control.
Momentul în care apare o tensiune pozitivă între anodul și catodul tiristorului se numește momentul deschiderii naturale. Furnizarea impulsului de deschidere poate fi întârziată în raport cu momentul deschiderii naturale printr-un unghi de deschidere. Ca urmare, începerea curgerii curentului prin tiristorul de intrare în funcțiune este întârziată și tensiunea redresorului este reglată.
Pentru a controla tiristoarele redresorului, se utilizează un sistem de control al fază impulsurilor (PPCS), care îndeplinește următoarele funcții:
Determinarea momentelor la care anumite tiristoare specifice ar trebui să se deschidă; aceste momente de timp sunt setate de un semnal de control care vine de la ieșirea ACS la intrarea SIFU;
Formarea impulsurilor de deschidere transmise eu la momentele potrivite la electrozii de control ai tiristoarelor și având amplitudinea, puterea și durata necesare.
Conform metodei de obținere a unei deplasări a impulsurilor de deschidere față de punctul de deschidere naturală, se disting principiile de control orizontal, vertical și integrator.
Cu control orizontal (Fig. 2.28), tensiunea sinusoidală alternativă de control u y este defazat (orizontal) în raport cu tensiunea u 1, alimentarea redresorului. La un moment dat ωt=α Din tensiunea de control se formează impulsuri dreptunghiulare de deblocare U GT . Controlul orizontal practic nu este utilizat la acționările electrice, ceea ce se datorează intervalului limitat de control al unghiului α (aproximativ 120°).
Cu control vertical (Fig. 2.29), momentul de alimentare a impulsurilor de deschidere este determinat atunci când tensiunea de control este egală u y (constantă ca formă) cu o tensiune de referință variabilă (verticală). În momentul egalității tensiunii, se formează impulsuri dreptunghiulare U gt.
Cu control integrator (Fig. 2.30), momentul de alimentare a impulsurilor de deschidere este determinat atunci când tensiunea de comandă alternativă este egală iar la cu tensiune de referință constantă U o p. În momentul egalității tensiunii se formează impulsuri dreptunghiulare U gt.
Orez. 2.28. Principiul controlului orizontal
Orez. 2.29. Principiul controlului vertical
Orez. 2.30. Principiul de control integrator
Conform metodei de numărare a unghiului de deschidere a, SIFU-urile sunt împărțite în multi-canal și cu un singur canal. În SIFU-urile cu mai multe canale, unghiul a pentru fiecare tiristor al redresorului este măsurat în propriul canal, în cele cu un singur canal - într-un singur canal pentru toate tiristoarele. În acționările electrice industriale, sunt utilizate predominant SIFU-uri multicanal cu un principiu de control vertical.