5. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИЕЙ

Кроме рассмотренных корректирующих элементов для коррекции динамических свойств САР на несущей частоте, применяются устройства с предварительной демодуляцией сигналов переменного тока и последующей их модуляцией после преобразования корректирующими элементами постоянного тока (рис. XI 1.20). Сигнал переменного тока преобразуется фазочувствительным демодулятором ДМ в эквивалентный сигнал постоянного тока и после надлежащего преобразования корректирующим элементом постоянного тока модулируется по амплитуде модулятором М в сигнал переменного тока. Такое двойное преобразование сигнала ошибки по схеме демодуляции и модуляции при правильном построении схемы обеспечивает подавление квадратурной составляющей и некритично к изменениям несущей частоты в определенных пределах.

Рис. XII.20. Схема корректирующего устройства с промежуточной демодуляцией сигнала: ДМ — демодулятор; КЭ — корректирующий элемент постоянного тока; М — модулятор

Рис. XII.21. Схема включения последовательного корректирующего устройства с промежуточной демодуляцией: ДМ — демодулятор; КЭ — корректирующее устройство; М — модулятор; У — усилитель; — электродвигатель

На рис. XII.21 показана схема последовательного включения в следящую систему переменного тока такого корректирующего устройства. Поскольку преобразованию подвергается сигнал ошибки, представляющий собой напряжение постоянного тока, то, очевидно, в таких корректирующих устройствах в качестве звена могут использоваться соответствующие пассивные корректирующие элементы постоянного тока.

Предположим, что в качестве используется дифференцирующий четырехполюсник постоянного тока. В этом случае

передаточная функция рассматриваемого корректирующего элемента определяется по формуле

где — передаточные коэффициенты демодулятора и модулятора;

— передаточный коэффициент и постоянная времени четырехполюсника.

Амплитудные и фазовые частотные характеристики такого устройства (рис. XI 1.22) аналогичны частотным характеристикам самого RC-четырехполюсника и отличаются лишь относительно меньшим положительным фазовым сдвигом. Это объясняется необходимостью введения в схему корректирующего устройства фильтра для снижения амплитудных помех (шумов и пульсаций), вносимых в систему демодулятором и модулятором, что и создает отрицательный фазовый сдвиг огибающей. В этом состоит один из недостатков последовательных корректирующих элементов переменного тока с промежуточной демодуляцией сигнала. Этот недостаток устраняется, если корректирующее устройство с промежуточной демодуляцией выполнено по схеме рис. XI 1.23. Такое устройство можно назвать параллельным корректирующим устройством для сигналов переменного тока с промежуточной их демодуляцией.

Рис. XII.22. Частотные характеристики последовательного корректирующего устройства с промежуточной демодуляцией

Рис. XII.23. Схема корректирующего устройства с отрицательной обратной связью: ДМ — демодулятор; Ф — фильтр; М — модулятор; У — усилитель

Отличительная особенность последних состоит в том, что включенный после демодулятора фильтр Ф отфильтровывает высокочастотные составляющие и вносит опережение по фазе полезного сигнала.

Предположим, например, что в цепи обратной связи, охватывающей усилитель системы, фильтр Ф имеет передаточную функцию

Передаточная функция всей схемы, изображенной на рис. XII.23, в этом случае определяется по формуле

где

— передаточный коэффициент усилителя.

В корректирующем устройстве с обратной отрицательной связью постоянную времени можно увеличить до любого значения, но ее минимальная величина лимитируется требуемой степенью фильтрации шумов.

Рис. XII.24. Усилитель корректирующего устройства с прямой отрицательной связью: ДМ — демодулятор; Ф — фильтр; М — модулятор

На рис. X 11.24 показана другая схема параллельного корректирующего устройства с промежуточной демодуляцией сигнала, в которой используется не обратная, а прямая отрицательная связь.

Полагая, что передаточная функция фильтра описывается формулой (XII.22), можно записать передаточную функцию всего контура следующем образом:

где

Таким образом, характеристики этого корректирующего устройства аналогичны характеристикам двух предыдущих устройств. Недостатком такого устройства является то, что минимальный предел постоянной времени ограничен значением зависящим от требуемой степени фильтрации шумов, и максимально возможным значением коэффициента

Все выражения для передаточных функций записаны в предположении надлежащего согласования фазовых сдвигов, вносимых определенными элементами системы. Остановимся подробно на этом вопросе. Рассмотрим следящую систему переменного тока, изображенную на рис. XII.25, с промежуточной демодуляцией сигнала. Допустим, что двухполупериодный демодулятор и модулятор

являются идеальными, работающими по принципу умножения сигналов с гармоническими опорными напряжениями.

При напряжение на выходе демодулятора имеет вид

Фазовый сдвиг определяется активным и реактивным сопротивлениями обмоток сельсинов, включенных по сельсинно-трансформаторной схеме, играющей роль индикатора сигнала ошибки.

Рис. XII.25. Схема корректирующего устройства с промежуточной демодуляцией сигнала: 1, 2 — фазовращатели; 3 — генератор гармонических колебаний

Из уравнения (X 11.23) следует, что для получения на выходе демодулятора максимального напряжения на частоте необходимо удовлетворить равенству т. е.

Учитывая равенство (XII.24) при напряжение на выходе модулятора

где

Пусть фазовый сдвиг, вносимый сервоусилителем на несущей частоте, равен тогда для получения максимального вращающего

щего момента исполнительного двухфазного электродвигателя должно быть выполнено равенство т. е.

На основании уравнений (XI 1.26) и (XI 1.27) получим

Требуемое значение фазового сдвига устанавливается по фигуре Лиссажу при с помощью фазовращателя 2. Третья гармоника, соответствующая второму члену правой части уравнения (XII.25), фильтруется с помощью полосового фильтра, входящего в состав сервоусилителя.

Рассмотрим прохождение квадратурной составляющей сигнала приложенной ко входу демодулятора. При учете равенства (X 11.24) из уравнения (X 11.23) следует

а напряжение на выходе модулятора

Рис. XII.26. Векторная диаграмма разложения напряжения

Если коэффициент усиления по напряжению сервоусилителя на несущей частоте равен то напряжение на управляющей обмотке электродвигателя, соответствующее первому члену уравнения (XII.29),

Идвкв

В соответствии с векторной диаграммой разложения, приведенной на рис. XII.26, имеем две составляющие напряжения иквкв, а именно

и

Первая составляющая приводит к смещению нуля в позиционных системах автоматического регулирования на несущей частоте и к непрерывному дрейфу нуля в интегрирующих следящих системах. Вторая составляющая не создает вращающего момента электродвигателя, но перегружает сервоусилитель, который может перейти на работу в нелинейную область.

Пример XII.1. Определим составляющие напряжения иквкв, если

Согласно уравнению (XII.28) , откуда

и

Рассмотренный способ построения схемы корректирующего устройства, не имеющего фильтроэ, которые не пропускали бы все колебания, кроме огибающей на выходе демодулятора, не обеспечивает подавления квадратурной составляющей сигнала, действующего на входе демодулятора. Кроме того, как было показано в работе [7], возникновение на входе модулятора помех, наведенных за счет других источников питания в полосе частот , где — частота среза системы автоматического регулирования, приводит к низкочастотным колебаниям (так называемым периодическим режимам) на выходе системы. Следовательно, использование в качестве корректирующих элементов постоянного тока с передаточной функцией дифференцирующих звеньев [1] и даже фазоопережающих цепей не является оправданным. Электрическая цепь постоянного тока должна обеспечить опережение по фазе сигнала в области рабочих низких частот и сильное сглаживание высших частот вблизи второй гармоники несущей частоты. Такому требованию удовлетворяет интегродифференцирующий корректирующий четырехполюсник постоянного тока.

Если на выходе демодулятора включена электрическая корректирующая цепь, устраняющая полностью вторую гармонику, возникающую после выпрямления сигнала в демодуляторе, т. е. то согласно уравнению (XII.25) и поэтому

Как следует из уравнения (XII.29), а также идвкв т. е. квадратурная составляющая сигнала, действующего на входе, демодулятора, полностью подавляется.

К недостаткам корректирующих устройств с промежуточной демодуляцией следует отнести сложность и громоздкость схемы, значительные габариты, стоимость, дрейф нуля и запаздывание

сигнала по фазе в результате фильтрации высокочастотных составляющих, возникающих при демодуляции. При использовании однополупериодных модуляторов и демодуляторов трудности фильтрации возрастают, так как пульсации выходного напряжения демодулятора концентрируются вблизи первой гармоники несущей частоты, а максимальная частота входного сигнала, соответствующая частоте среза замкнутой системы, не должна превышать одной десятой части несущей частоты [6].

В связи с необходимостью малого запаздывания по фазе при фильтрации сигнала иногда для индукционных преобразователей (датчиков) в качестве несущей используется повышенная частота.

Рис. XI 1.27. Схема корректирующего устройства с демодуляцией и модуляцией входного сигнала

Так например, при использовании модулятора и двухфазного электродвигателя, работающих на частоте 400 Гц, демодулятор и датчик сигнала ошибки могут возбуждаться напряжением переменного тока частотой 5000 Гц. Разумеется, такие системы практичны при наличии в установке источника питания повышенной частоты, предназначенного для ряда других целей.

Иногда в позиционных следящих системах применяются достаточно сложные фильтры, одновременно ослабляющие высшие гармоники и дифференцирующие сигнал на низких частотах. Для иллюстрации на рис. XI 1.27 приведена одна из возможных схем корректирующего устройства.

Преобразование сигнала и коррекция на постоянном токе часто используются в цепи тахометрической отрицательной обратной связи системы (рис. XI 1.28). В подобных системах применяются ключевые двухполупериодные модуляторы и демодуляторы, собранные на полупроводниковых триодах и отличающиеся высокой стабильностью, линейностью характеристик и высоким к. п. д.

Преимуществами корректирующих устройств с промежуточной демодуляцией являются: относительная простота конструирования и расчета; достаточно большое разнообразие функций, возможных

для коррекции системы; некритичность к изменениям несущей частоты; простой синтез корректирующей цепи по сравнению с другими методами коррекции.

Рис. XII.28. Схема включения корректирующего устройства в цепь обратной связи

Недостатки состоят в необходимости дополнительных модуляторов и демодуляторов; в генерации дополнительных гармонических помех, требующих их фильтрации; в снижении запаса устойчивости системы за счет фазовых запаздываний при фильтрации.