Аналоговые элементы и устройства управления ЭП

Датчики скорости и положения в замкнутых ЭП

Дискретные элементы и устройства управления ЭП

Аналоговые элементы и устройства управления ЭП

Вопросы

Управления АЭП

Технические средства замкнутых схем

Лекция №10

Современные замкнутые системы управления ЭП реализуются, как правило, на основе полупроводниковых элементах. В то же время подключение ЭД осуществляется с помощью рассмотренных электрических аппаратов с ручным и электромагнитным управлением.

Техническая реализация управляющих устройств современного ЭП весьма разнообразна. Они различаются по своей элементной базе, роду тока, мощности, конструктивному исполнению и многим другим признакам. Одним из основных признаков подразделения устройств управления является характер преобразования сигналов, по которому они делятся на аналоговые и дискретные.

Для аналоговых устройств характерна функциональная (линейная и нелинейная) зависимость между входным и выходным сигналами, при этом выходной сигнал может принимать любые значения. Примерами силовых аналоговых устройств могут служить управляемые выпрямители и преобразователи частоты, у которых напряжение и частота на выходе могут регулироваться в широких пределах.

Дискретный элемент может иметь только два уровня выходного сигнала — нулевой и максимальный, который появляется или исчезает при достижении входным сигналом определенного значения. Примерами дискретных элементов могут служить реле и бесконтактные логические элементы. На основе дискретных элементов создаются цифровые схемы управления ЭП.

До относительно недавнего времени задающие, регулирующие, согласующие и функциональные устройства, а также датчики координат ЭП выпускались отдельными сериями, «россыпью», что затрудняло проектирование схем управления, их наладку и эксплуатацию. Прогрессивным явлением в создании технических средств управления стала разработка унифицированной блочной системы регулирования (УБСР). Использование этой системы обеспечивает широкую унификацию производства комплектных средств управления, упрощает проектирование, наладку и эксплуатацию ЭП, улучшает технико-экономические показатели их работы.

Система УБСР имеет несколько ветвей — аналоговую, выполняемую на обычных элементах электроники (УБСР-А) и на интегральных микросхемах (УБСР-АИ), и дискретную (цифровую) на обычных элементах (УБСР-Д) и микросхемах (УБСР-ДИ).

Аналоговая ветвь УБСР-А состоит из набора транзисторных усилителей постоянного тока, командных и задающих устройств, функциональных преобразователей, датчиков координат и блоков питания. Развитием аналоговой ветви УБСР-А явилась разработка серии УБСР-АИ на интегральных микросхемах, применение которых позволило улучшить технические характеристики схем управления и расширить их функциональные возможности. Блоки УБСР-АИ размещаются на сменных ячейках со штепсельными разъемами и имеют печатный монтаж.

Рисунок 1- Схема операционного усилителя

В системе принят унифицированный электрический сигнал + 10 В и ±5мА, позволяющий соединение ее элементов с дискретными элементами УБСР-ДИ и другими устройствами автоматизации технологических процессов.

Операционный усилитель. Основным элементом аналоговой системы является операционный усилитель (ОУ). Он представляет собой усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления (от 5 до 100 тыс.), охваченного отрицательной обратной связью. Схема ОУ приведена на рисунке 1, где через z _вх1... z _вх2,- обозначены в общем случае комплексные активно-емкостные входные сопротивления, а z _о.с — комплексное сопротивление цепи обратной связи

,

где k_i = R_о.с/R_вхi.

При включении во входные цепи и цепи обратных связей наряду с резисторами конденсаторов ОУ позволяют осуществлять и другие, весьма разнообразные преобразования входных сигналов, необходимые для получения нужных управляющих воздействий в ЭП. Такие схемы получили название регуляторов. В таблице 1 приведены некоторые распространенные схемы регуляторов с использованием ОУ.

Регуляторы. Эти устройства получили свои названия в зависимости от выполняемых ими функциональных преобразований входных сигналов. Пропорциональный П-регулятор. Этот регулятор осуществляет уже рассмотренное выше масштабное (пропорциональное) преобразование входного сигнала с коэффициентом k (инвертирование знака входного сигнала не является принципиальным признаком преобразования). Как видно, выходной сигнал такого регулятора повторяет входной с коэффициентом преобразования К. Отметим, что зависимость U_вых(t) при подаче на вход регулятора ступенчатого входного сигнала получила название его переходной функции.

Интегральный И-регулятор. В цепь обратной связи ОУ включается конденсатор С_о.с, а во входную цепь — резистор R₁. В результате этого регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.

Таблица 1 – Схемы и характеристики регуляторов с использованием ОУ

Тип	Схема	Вид преобра-зования	Параметры регулятора	Переходная функция
П			k = RO.C/R1
И			T = R1CO.C
Д			T = RO.CC1
А			k = RO.C/R1 T=RO.CCO.C

Дифференциальный Д-регулятор. Схема соединения обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом T=R_o.cC₁. Переходная характеристика идеального Д-регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности (для упрощения рисунков здесь и далее график входного сигнала U_вых(t) на них не показан).

Апериодический А-регулятор. Переходной функцией такого регулятора является экспоненциальная зависимость выходного сигнала во времени.

Ряд других регуляторов (пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-дифференциальный (ПД) и пропорциональио-интегрально-дифференциальный (ПИД) осуществляют комплексное преобразование входных сигналов, что требуется при реализации сложных законов управления ЭП.

Функциональные преобразователи. Эти преобразователи входят в состав УБСР-АИ и позволяют возводить в квадрат и извлекать квадратичный корень из входного сигнала (ячейка ПК-1АИ), умножать и делить входные аналоговые сигналы (ячейки УМ-1АИ, УМ-2АИ, МДУ-1АИ), выделять модуль сигнала (ячейка ВМ-1АИ), осуществлять различные нелинейные зависимости между входным и выходным сигналами (ячейка ПФ-1АИ). Эти преобразователи также реализованы на базе одного или нескольких ОУ.

Различные другие нелинейные преобразователи электрических сигналов могут быть получены с помощью многочисленных схем, также реализуемых на основе ОУ. Для примера рассмотрим схему включения ОУ обеспечивающую ограничение сигнала.

Рисунок 2 - Схема (а) и характеристики (б) при ограничении напряжения ОУ

Для выполнения этой функции цепь обратной связи ОУ параллельно резистору включены два стабилитрона VD1 и VD2. До уровня выходного напряжения, соответствующего напряжению пробоя (стабилизации) стабилитронов, ОУ работает как обычный масштабный преобразователь, обеспечивая линейную характеристику. При достижении выходным напряжением уровня U_ст происходит пробой стабилитрона, эквивалентное сопротивление цепи обратной связи и тем самым коэффициент усиления ОУ становятся равными нулю и напряжение на выходе перестает изменяться (ограничивается). Включение двух стабилитронов обеспечивает симметричную характеристику U_вых(U_вх).

Если в схеме рисунка 2, а убрать из цепи обратной связи резистор R_oс, то схема будет обеспечивать еще одну нелинейную характеристику типа релейной без зоны нечувствительности. Сигнал U_ст на выходе такой схемы будет появляться сразу же, как только поступит входной сигнал.

Рисунок 3- Схема (а) и график напряжения на выходе (б) задатчика интенсивности

В схемах управления ЭП применяются также задатчики интенсивности, построенные на эффекте протекающего во времени заряда конденсатора. На рисунке 3,а показана схема простейшего задатчика интенсивности, в котором используются конденсатор С и резистор R. При подаче на вход цепочки R—С ступенчатого входного сигнала U_ВХ сигнал на ее выходе U_вых будет изменяться по экспоненте. Изменяя постоянную времени Т= RC, можно получать различный темп изменения выходного сигнала.

Датчики координат электрических приводов. В замкнутых ЭП, как уже говорилось, для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемые с помощью соответствующих датчиков. Ряд из них, аналоговые датчики скорости и тока, были рассмотрены ранее. В этом разделе рассматриваются другие виды датчиков, применяемых в аналоговых схемах управления замкнутых ЭП.

Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе потенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя, как это показано на рисунке 4. Уровень сигнала U_o.с, снимаемого с потенциометра RP, и тем самым коэффициент обратной связи по напряжению определяются положением движка потенциометра.

Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями переменного тока используются трансформаторные схемы напряжения.

В УБСР реализация цепей обратных связей по току и напряжению осуществляется с помощью ячеек ПН-1АИ и ПН-2АИ, называемых датчиками тока и напряжения. Они позволяют регулировать коэффициенты обратных связей и обеспечивают гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления.

Рисунок 4 - Потенциометрический и трансформаторный датчик напряжения

Датчики положения применяются для получения электрического сигнала, пропорционального положению исполнительного органа или вала двигателя. В таких датчиках используются сельсины, потенциометры и вращающиеся трансформаторы.

Сельсинные датчики положения с выходом на постоянном токе соединяются с исполнительным органом или валом двигателя, в результате чего выходное напряжение пропорционально их положению. В ЭП применяются сельсины типов БД160, БД404, БД501, ДИД505, НЭД-101.

Датчики положения на основе вращающихся трансформаторов являются электромеханическими устройствами. Как и сельсины, они позволяют получать напряжение на своем выходе, определяемое положением своей подвижной части.