8.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Все рассмотренные методы стабилизации и обеспечения необходимого качества регулирования предполагают соответствующее формирование сигнала, поступающего на исполнительный элемент регулятора. Для этого регулятор должен быть дополнен корректирующим устройством, В простейшем случае оно представляет собой элемент, осуществляющий то или иное преобразование сигнала. Более сложные корректирующие устройства состоят из нескольких преобразовательных элементов.

В САР используют преобразовательные элементы различной физической природы и с весьма разными свойствами. Наиболее широко применяют электрические преобразовательные элементы постоянного тока.

Пассивные четырехполюсники постоянного тока. Эти четырехполюсники представляют собой электрические цепи из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Основные типовые схемы таких четырехполюсников и формулы для определения их передаточных функций при отсутствии нагрузки и при нагрузке приведены в табл. 8.1.

При последовательном соединении резистора сопротивлением конденсатора емкостью С, и индуктивности полное сопротивление участка, записанное в операторной форме, будет

Полное сопротивление параллельного соединения резистора сопротивлением и конденсатора емкостью С

Пассивные четырехполюсники состоят из дешевых стандартных деталей (если не используются индуктивности). Они надежны в эксплуатации, так как не имеют подвижных изнашивающихся частей. Разнообразие возможных схем весьма велико, и в каждой схеме в широких пределах можно изменять параметры. Следовательно, четырехполюсники могут осуществлять различные преобразования сигнала (напряжения постоянного тока). Сочетание четырехполюсников с другими электрическими элементами обычно не вызывает затруднений. Благодаря перечисленным положительным свойствам пассивные четырехполюсники постоянного тока широко применяют в САР самых различных классов.

Недостаток пассивных четырехполюсников — в ослаблении сигнала вследствие потерь энергии в резисторах. Поэтому при их

(кликните для просмотра скана)

Продолжение табл. 8.1 (см. скан)

использовании необходимо вводить дополнительный усилитель либо увеличивать передаточный коэффициент имеющегося усилителя.

Электрические схемы четырехполюсников, используемых на практике, и основные сведения о них приведены в табл. 8.2. Передаточные функции определены в предположении, что нагрузка отсутствует: На эскизах табл. 8.2 цифрами указаны наклоны асимптот ЛАЧХ. Ординаты

Если знаменатель передаточной функции четырехполюсника представляет собой трехчлен то

где

Если

где

Подобным образом может быть представлен и трехчлен числителя передаточной функции четырехполюсника.

По характеру преобразования сигнала четырехполюсники разделяют на следующие группы:

Рис. 8.15. Включение пассивных элементов в дифференциальную цепь: а — четырехполюсников; б - двуполюсника

1) дифференцирующие четырехполюсники (поз. 1—24 в табл. 8.2) в определенном диапазоне частот осуществляют дифференцирование сигнала, создают положительный сдвиг по фазе;

2) интегрирующие четырехполюсники (поз. 25—41 в табл. 8.2) в определенном диапазоне частот осуществляют интегрирование сигнала, создают отрицательный сдвиг по фазе;

3) интегро-дифференцирующие четырехполюсники (поз. 42—58 в табл. 8.2) в одних диапазонах частот проявляют дифференцирующие свойства, в других — интегрирующие;

4) неминимально-фазовые или фазосдвигающие четырехполюсники (поз. 58—61 в табл. 8.2) создают значительный отрицательный сдвиг по фазе. При этом четырехполюсники (см. поз. 60 и 61) не изменяют амплитуды сигнала, имеют бесконечную полосу пропускания;

5) антивибратор (поз. 62 в табл, 8.2) при частоте не пропускает сигнала.

В ряде случаев возникает необходимость иметь корректирующее устройство с передаточной функцией, равной произведению передаточных функций двух (или более) четырехполюсников. Последовательное соединение этих четырехполюсников может не дать желаемых результатов, так как каждый последующий четырехполюсник нагружает предыдущий; передаточная функция нагруженного четырехполюсника иная, чем указано в табл. 8.2.

При последовательном соединении двух пассивных четырехполюсников между ними необходимо включить разделительный (буферный) усилитель. Сопротивление его входной цепи должно быть весьма большим. Иногда допускают непосредственное соединение двух четырехполюсников, если все импедансы последующего четырехполюсника не менее чем в 10—100 раз превышают наибольший импеданс предыдущего четырехполюсника.

Встречаются САР с дифференциальной (балансной) цепью передачи сигнала, т. е. с передачей сигнала в виде разности и двух напряжений постоянного тока. Таким путем обычно поступает сигнал на встречно включенные обмотки управления электромашиниого и магнитного усилителей. Для преобразования сигнала в соответствии с передаточной функцией в дифференциальную цепь необходимо включить два пассивных четырехполюсника (рис. 8.15, а) с передаточными функциями

Вместо двух интегрирующих четырехполюсников можно включить двуполюсник (рис. 8.15, б) параллельно взаимно связанным

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Рис. 8.1 в. Схема активного четырехполюсника постоянного тока

обмоткам на выходе цепи. Такое включение обеспечивает преобразование сигнала по передаточной функции

где — изображения по Лапласу разности токов соответственно сопротивление, индуктивность и взаимоиндуктивпость каждой из обмоток; — импеданс двуполюсника в операторной форме.

Например, при

где что эквивалентно включению четырехполюсника, приведенного в поз. 26 табл. 8.2.

При

где что эквивалентно включению четырехполюсника, изображенного в поз. 33 или 34 табл. 8.2.

Активные четырехполюсники постоянного тока. Такие четырехполюсники состоят из электронных усилителей и цепей из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. В общем случае четырехполюсник (рис. 8.16) содержит входную цепь с импедансом и цепь с импедансом которая охватывает усилитель отрицательной обратной связью. Обычно используют операционный усилитель с весьма большим передаточным коэффициентом. Тогда передаточная функция четырехполюсника с большой точностью определяется равенством

Активные четырехполюсники могут быть выполнены так, что по своим свойствам будут близки к идеальным дифференцирующим, форсирующим или интегрирующим звеньям. В этом основное преимущество таких элементов.

Например, при и активный четырехполюсник практически идеально дифференцирует сигнал.

При (параллельное соединение резистора и конденсатора) и ), и четырехполюсник приближается к идеальному форсирующему звену.

На входе активного четырехполюсника легко осуществлять суммирование сигналов. Одновременно с преобразованием сигнал может быть значительно усилен. Таким образом, активные четырехполюсники имеют значительна более совершенные динамические

Рис. 8.17. Схема полупроводникового дифференцирующего элемента: а — с общей базой; б - с общим эмиттером; в — двухкаскадного; г - с балансной нагрузкой

свойства, чем пассивные. Однако активные четырехполюсники сложнее пассивных и стоимость их выше.

Активный дифференцирующий четырехполюсник с полупроводниковым усилителем может быть выполнен по одной из схем, показанных на рис. 8.17. Передаточная функция схемы с общей базой (рис. 8,17, а)

где а — коэффициент усиления триода по току.

Для схемы с общим эмиттером (рис. 8.17, б) коэффициент передаточной функции При двухкаскадной схеме (рис. 8.17, в) . В схеме с балансной нагрузкой (рис. 8.17, г) , если выходной величиной считать разность токов двух обмоток. Индуктивность обмоток практически не влияет на динамические свойства схемы. Выражение (8.43) справедливо для достаточно широкого диапазона частот, практически до

Дифференцирующий трансформатор. Такой трансформатор имееет весьма малую мощность и используется для дифференцирования сигнала постоянного тока (рис. 8.18, а). Если пренебречь рассеянием, то при его передаточная функция

где — коэффициент трансформации; и — сопротивление и индуктивность первичной обмотки; - число витков первичной и вторичной обмоток; — входное сопротивление.

При конечном значении сопротивления нагрузки

где — сопротивление и индуктивность вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 8.18. Дифференцирующий трансформатор: а — простейшая схема; б — схема сложения сигнала и его производной

Дифференцирующий трансформатор часто используют в качестве параллельного корректирующего устройства. Он позволяет избежать гальванической связи между цепями входного и выходного сигналов, что в ряде случаев необходимо и не может быть достигнуто при использовании четырехполюсников постоянного тока. Если гальваническая связь допустима, то при включении трансформатора по схеме, показанной на рис. можно получить выходной сигнал в виде суммы двух составляющих. Одна из них пропоциональна входному сигналу, другая — производной от него. Передаточная функция этой схемы при

где

Если в первичную или вторичную цепь дифференцирующего трансформатора включить пассивный четырехполюсник, то можно получить элементы с более сложными передаточными функциями.

Тахогенератор постоянного тока. Это генератор весьма малой мощности с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Его напряжение при холостом ходе можно считать пропорциональным частоте вращения якоря или производной от угла его поворота. При этом передаточная функция

где — передаточный коэффициент тахогенератора.

Передаточные функции тахогенератора при конечном значении сопротивления нагрузки, а также в случае соединения тахогенератора с простейшими пассивными четырехполюсниками при приведены в табл. 8.3.

Серьезным недостатком коллекторных тахогенераторов постоянного тока является наличие пульсаций выходного напряжения. От этого недостатка свободны бесконтактные тахогенераторы постоянного тока, состоящие из синхронного генератора и полупроводникового блока управления. Бесконтактные тахогенераторы получают возбуждение от постоянных магнитов, расположенных на

(кликните для просмотра скана)

Рис. 8.19. Тахометрическнй мост: а — простейшая схема; схема с фильтром; в — снятие напряжении, пропорционального частоте вращения, в схеме генератор—двигатель

роторе. Срок службы их по сравнению с коллекторными тахогенераторамн в 8—10 раз больше.

Тахометрические мосты. Сигналы, пропорциональные производным от угла поворота а электродвигателя, можно получить без помощи тахогенератора. Простейшая схема тахометрического моста с электродвигателем постоянного тока приведена на рис. 8.19, а. Его передаточная функция в первом приближении [101]

где

— соответственно номинальные значения напряжения, тока и угловой скорости вращения двигателя; — сопротивление обмотки якоря; А и — изображения по Лапласу угла поворота двигателя и напряжения

Если мост уравновешен

то

Равенство (8.49) проверяют при заторможенном якоре двигателя; в этих условиях должно быть

Для сглаживания пульсаций, вызываемых наличием коллектора, в тахометрическнй мост включают конденсатор (рис. 8.19, б). Тогда передаточная функция уравновешенного моста [87]

где

В электроприводе, выполненном по схеме генератор—двигатель с электромашинным усилителем, создавать тахометрическнй мост

не следует. Напряжение пропорциональное производной от угла поворота якоря двигателя, снимается, как показано на рис. 8.19, в. Если

то передаточная функция

Здесь — сопротивление компенсационной обмотки ЭМУ; - часть сопротивления от продольной щетки ЭМУ до точки а; сопротивление, шунтирующее компенсационную обмотку.

Более точные передаточные функции тахометрических мостов даны в работе [83]. Там же показано, как изменять некоторые постоянные этих передаточных функций.

Недостатком тахометрического моста является малый передаточный коэффициент Кроме того, при неточном удовлетворении равенства (8.49) напряжение на выходе моста будет иметь составляющую, пропорциональную напряжению ил. Тогда включение моста в цепь местной обратной связи вызовет создание непредусмотренной обратной связи (положительной или отрицательной) по напряжению ил двигателя.