Автоматика. Учебное пособие Ульяновск 2009
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ КАНАЛ УПРАВЛЕНИЯ) Учебное пособие Ульяновск 2009 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ КАНАЛ УПРАВЛЕНИЯ) Учебное пособие для студентов специальности Электропривод и автоматика промышленных установок и комплексов Составители В. И. Доманов А. В. Доманов Ульяновск 2009 УДК 62-83.001.63(075) ББК 31.291 я Э 45 Рецензенты кафедра аэронавигации и радиоэлектронного оборудования УВАУГА (институт) (завкафедрой, канд. техн. наук, профессор Е. В. Антонец); др техн. наук А. В. Кузнецов Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия. Элементы систем автоматики (канал управления) : учебное пособие для студентов специальности Электропривод и автоматика промышленных установок и комплексов сост. В. И. Доманов, А. В. Доманов. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 103 с. ISBN 978-5-9795-0418-6 Излагаются основные свойства элементов канала управления электропривода. Дано описание датчиков электрических и неэлектрических величин. Рассмотрены особенности работы операционных усилителей, регуляторов и специальных аналоговых микросхем управления электроприводом. Пособие предназначено для студентов, изучающих элементы систем электроприводов (специальность 14060465). Работа подготовлена на кафедре Электропривод и автоматизация промышленных установок. УДК 62-83.001.63(075) ББК 31.291 я © Доманов В. И, Доманов А. В, составление, 2009 © Оформление. УлГТУ, Э 45 ISBN 978-5-9795-0000-0 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 4 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ДАТЧИКИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ………... 6 1.1. Основные методы измерения и измерительные схемы ........................................... 6 1.2. Мостовая измерительная схема постоянного тока …………………...................... 7 1.3. Чувствительность мостовой схемы ………………………………………………... 10 1.4. Дифференциальные измерительные схемы ……………………………………….. 13 1.5. Компенсационные измерительные схемы ………………………………………… 14 1.6. Тензометрические датчики …………………………………………………………. 16 1.7. Металлические терморезисторы …………………………………………………… 19 1.8. Полупроводниковые терморезисторы ………………………………....................... 20 1.9. Датчики скорости …………………………………………………………………… 21 1.10. Электромашинные устройства систем синхронной связи ……………………… 26 1.11. Работа сельсинов в индикаторном режиме ………………………………………. 28 1.12. Работа сельсинов в трансформаторном режиме …………………………………. 32 1.13. Дискретные датчики положения ………………………………………………….. 34 1.14. Вращающиеся трансформаторы ……………………………………...................... 37 1.15. Датчики крутящего момента ……………………………………………………… 42 2. ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ...................................................................... 46 2.1. Структура датчиков электрических величин ……………………………………… 46 2.2. Датчики Холла и магнитосопротивления …………………………………………. 48 2.3. Датчики тока ………………………………………………………………………… 49 2.4. Специальные датчики тока …………………………………………………………. 54 2.4.1. Датчик проводимости ………………………………………………………... 55 2.4.2. Полупроводниковые ключи сдатчиком тока ………………………………. 56 2.4.3. Комбинированные датчики с потенциальным барьером ………………….. 58 2.5. Датчики ЭДС ………………………………………………………………………… 62 2.6. Датчик положения ротора вентильного двигателя …………………...................... 64 2.7. Вычислители сигналов потокосцепления и момента асинхронного двигателя на основе первичных датчиков …………………………………………. 67 2.8. Вычислители сигналов скорости и момента вентильного двигателя на основе первичных датчиков ………………………………………....................... 70 2.9. Датчики фазы и частоты ……………………………………………………………. 72 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ, РЕГУЛЯТОРЫ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ ...................................................................................... 77 3.1. Регуляторы …………………………………………………………………………... 77 3.2. Основные схемы включения ОУ …………………………………………………… 77 3.3. Схемы включения ОУ с частотно-зависимым преобразованием сигнала ………. 80 3.4. Инструментальные усилители ……………………………………………………... 84 3.5. Схемы управления транзисторными ключами (СУТК) ……………...................... 86 3.6. Схемы взаимного преобразования двухфазных и трехфазных сигналов переменного тока на ОУ ………………………………………………… 89 3.7. Схемы взаимного преобразования сигналов неподвижной и вращающейся систем координат …………………………………………………… 90 3.8. Специализированные микросхемы для управления двигателями ……………….. 92 3.9. Корректор коэффициента мощности ………………………………………………. 96 3.10. ШИМ–контроллер …………………………………………………......................... 99 3.11. Изолирующий усилитель ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПОНЯТИЯ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................................... 107 4 ВЕДЕНИЕ Современный автоматизированный электропривод (АЭП) представляет собой сложную систему, состоящую из элементов различного типа и принципа действия. Эти элементы можно разделить на две группы по энергетическому принципу - силовые элементы (источники энергии, элементы защиты, силовые преобразователи, исполнительные элементы - управляющие элементы (датчики координат, регуляторы, согласующие и задающие элементы. Синтез АЭП начинается сформирования технических требований. Исходя из них производится выбор конкретных элементов, на основе которых создается электропривод, удовлетворяющий заданным требованиям. Базовой дисциплиной по направлению Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов для специальности 14060465 – Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов является Элементы систем автоматики, содержание которой определяется выпиской из Государственного Образовательного Стандарта Высшего Профессионального Образования. Выписка из ГОС ВПО Индекс Наименование дисциплины и ее основные разделы Всего часов СД.03 Элементы систем автоматики понятия и классификация основные характеристики генератор постоянного тока управляемые вентильные преобразователи системы импульсно-фазового управления расчет характеристик преобразователей динамические свойства преобразователей широтно-импульсные преобразователи тиристорные регуляторы напряжения переменного тока индуктивно-емкостные преобразователи источник тока на базе вентильного преобразователя вентильные преобразователи частоты аналоговые регуляторы датчики управляющие элементы дискретного действия сумматоры, триггеры, счетчики, регистры, распределители импульсов шифраторы и дешифраторы преобразователи кодов, селекторы, запоминающие устройства, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи технологические датчики систем автоматизации технологических процессов классификация аппаратных и программных средств микропроцессорных систем управления кросс-средства персонального компьютера этапы разработки программного обеспечения характеристика неперемещающего ассемблера характеристика микроассемблера; характеристика 150 5 перемещающего кросс-ассемблера; структуры привода с цифровыми микропроцессорными регуляторами программная реализация регуляторов перспективные типы микропроцессоров и однокристальных микроЭВМ использование битового процессора построение микропроцессорных управляющих устройств системы транспьютерного управления электроприводами кросс-языки высокого уровня интерфейс микропроцессорных систем управления стандарты средств связи цифровых микропроцессорных систем управления с программируемыми контроллерами и управляющими ЭВМ примеры реализации систем. Известно, что основным понятием в образовании является дидактическая единица, которая является логически самостоятельной частью учебного материала, соответствующая таким компонентам содержания, как понятие, теория, явление и т.п. В настоящем учебном пособии раскрываются дидактические единицы, позволяющие в более углубленном виде изучить второй раздел дисциплины – аналоговые регуляторы датчики управляющие элементы дискретного действия технологические датчики систем автоматизации технологических процессов. Очевидно, что качество освоения этого разделав свою очередь, во многом определит качество изучения дисциплины Элементы систем автоматики в целом. Дидактическими единицами данного учебного пособия являются - методы измерения электрических и неэлектрических величин - датчики электрических и неэлектрических величин - вычислители и преобразователи сигналов - операционные усилители и регуляторы на их основе - специализированные электронные схемы управления. Правильный и согласованный выбор элементов конкретного АЭП позволяет обеспечить выполнение поставленных технических требований с минимальными затратами. Большое разнообразие элементов в каждой из групп позволяет в большинстве случаев создать АЭП с требуемыми характеристиками. Изучение принципов действия различных элементов позволяет определить их основные характеристики и возможность использования для построения конкретных систем АЭП. 6 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ДАТЧИКИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 1.1. Основные методы измерения и измерительные схемы В системах ЭП сигналы управления зависят от различных неэлектрических и электрических величин, характеризующих данный производственный процесс. Информация об этих величинах поступает от датчика и сформирована в виде некоторого сигнала. Наиболее удобно использовать электрический сигнал. По сравнению с другими типами сигналов (например, механическими, световыми, звуковыми) электрический сигнал обладает существенными преимуществами возможностью передачи на большие расстояния, простотой преобразования и усиления, возможностью ввода в ЭВМ. Поэтому электрические методы преобразования и усиления получили широкое распространение. Они должны обеспечивать высокую точность преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и иметь высокое быстродействие. Датчик вырабатывает электрический сигнал, несущий информацию о неэлектрической величине. Этот сигнал представляет собой изменение активного сопротивления, или индуктивности, или напряжения, или тока, или какого-либо другого электрического параметра. Чтобы измерить этот параметр, нужен соответствующий электроизмерительный прибор. Для согласования сигнала датчика с электроизмерительным прибором необходима измерительная схема. Схема электрического измерения неэлектрической величины представлена на рис. 1.1. Каждый элемент схемы [1] обладает чувствительностью S и сопротивлением Z. Датчик преобразует входную неэлектрическую величину х в электрический параметру (сопротивление, напряжение или др. Чувствительность датчика х у S Д . Измерительная схема, преобразует изменение одного электрического параметра у в другой электрический параметр Z. Чувствительность измерительной схемы y Z S сх . Электроизмерительный прибор дает показания α (например, в виде отклонения стрелки на шкале, пропорциональные параметру Z. Чувствительность прибора пр. Чувствительность, обеспечиваемая при электрическом методе измерения неэлектрической величины х, пр сх Д S S S x S (1.1) Рис. 1.1. Структурная схема электрического измерения неэлектрической величины 7 Чувствительность прибора – величина заданная и неизменная. Чувствительность измерительной схемы можно изменять. Различают два режима работы измерительной схемы 1. Внутреннее сопротивление прибора пр значительно больше выходного сопротивления измерительной схемы Z сх Z пр >> Z сх . В этом случае показания прибора зависят от напряжения на выходе схемы и поэтому для такого режима определяют чувствительность по напряжению (полагая ∆Z = ∆U): y U S схU 2. Внутреннее сопротивление прибора соизмеримо с выходным сопротивлением измерительной схемы. Прибор реагирует на изменение силы тока пр. Для такого режима определяют чувствительность потоку y I S пр схI (1.2) Существующие методы электрических измерений можно, в основном, разделить на два класса непосредственной оценки и сравнения. При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но ему свойственны значительные погрешности особенно при изменении напряжения питания датчика. Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения. 1.2. Мостовая измерительная схема постоянного тока Принципиальная схема одинарного моста постоянного тока (рис. 1.2) состоит из четырех резисторов с активными сопротивлениями R 1 , R 2 , R 3 и R 4 , которые соединены в замкнутый четырехугольник [1]. Входящие в схему резисторы R 1 –R 4 называют плечами или ветвями моста. Плечи можно обозначать буквами, например, плечо АБ. В четырехугольнике АБВГ можно выделить две диагонали АВ и БГ. В диагональ БГ моста включен измерительный прибор, имеющий активное сопротивление пр. В диагональ АВ включен источник питания с ЭДС Е и внутренним сопротивлением е. Можно подобрать сопротивления плеч моста так, чтобы потенциалы точек Б и Г, между которыми включен измерительный прибор, были одинаковы. В этом случае ток вцепи прибора пр отсутствует (пр. Процесс подбора таких сопротивлений, обеспечивающих пр, называется уравновешиванием или балансировкой моста. Условие равновесия моста может быть получено на основании законов Кирхгофа, записанных для токов в плечах моста с учетом принятых на рис. 1.2 направлений токов , 0 3 3 1 1 R I R I 0 4 4 2 2 R I R I 8 Откуда 3 3 1 1 R I R I (1.3) 4 4 2 2 R I R I (1.4) Рис. 1.2. Мостовая измерительная схема Разделив (1.3) на (1.4), получим ) ( ) ( 4 4 3 3 2 2 1 1 R I R I R I R I (1.5) Так как в уравновешенном мосте ток вцепи прибора пр = 0, то I 1 = I 2 , I 3 = и равенство (1.5) имеет вид 4 3 2 1 R R R R или 3 2 4 1 R R R R , (1.6) те. условие равновесия моста можно сформулировать так произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. С помощью мостовой схемы можно измерить неизвестное сопротивление R x , включив его водно из плеч моста, например, плечо BГвместо резистора R 4. Неизвестное сопротивление 1 3 2 R R R R x . Уравновешивание мота может быть достигнуто изменением либо одного сопротивления (R 2 ), либо отношения двух 9 сопротивлений ) ( 1 3 R R . В уравновешенных мостах измерительный прибор должен иметь высокую чувствительность. Кроме уравновешенных существуют так называемые неуравновешенные или небалансные) мосты, в которых при измеряемое сопротивление определяется именно по отклонению стрелки прибора, те. по величине пр, поскольку I пр =ƒ(R х ). На основании законов Кирхгофа могут быть получены выражения для тока в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания U: пр 2 4 1 (1.7) Через ток питания I: пр 2 4 1 , (1.8) где ), ( ) ( 2 1 4 3 4 3 2 1 4 3 2 пр (1.9) ) )( ( ) ( 4 2 3 1 4 3 2 пр. (1.10) Соединение сопротивлений R 1 –R 4 , пр в мостовой схеме можно преобразовать в эквивалентное сопротивлением входное сопротивление моста по диагонали питания АВ . Эквивалентная схема моста показана на рис. В зависимости от соотношениями R е различают низкоомные и высокоомные мостовые измерительные схемы. Если R м < , то мост называется низкоомным. В таких мостах изменение сопротивления плеч почти не влияет на ток питания I , те. можно считать, что I≈ const. При расчете низкоомных мостов обычно используют уравнение (1.8). Рис. 1.3. Эквивалентная схема моста Если R м >>R е , то мост называется высокоомным. В этом случае постоянной величиной можно считать напряжение на зажимах моста е При расчете высокоомных мостов обычно используют уравнение (1.7). Разделив (1.7) и (1.8), получим выражение для входного сопротивления мостам. Чувствительность мостовой схемы Чувствительность уравновешенного моста определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали пр к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста (например, R 1 на рис. 1.2): S сх = 1 R I пр [1]. В уравновешенном мосте пр = 0. После изменения R 1 на ∆R 1 , ток прибора пр = пр определяется поили пр 2 4 1 1 3 2 4 1 Преобразуем числитель этого выражения, учитывая условие равновесия R 1 R 4 = R 2 R 3 : 4 1 3 2 4 1 4 1 3 2 4 Следовательно, при чувствительность уравновешенного моста потоку N IR M UR S сх 4 4 (1.12) В некоторых случаях (например, в мостах с автоматическим уравновешиванием) входным сигналом мостовой схемы служит напряжение в измерительной диагонали БГ. Тогда следует определять чувствительность по напряжению N R R I M R R U R R U R U S пр пр пр пр пр схU 4 4 1 1 (1.13) Рассмотрим чувствительность неуравновешенного моста. Датчики с изменяющимися сопротивлениями R можно включить в разные плечи моста. Рассмотрим различные варианты подключения датчиков (рис. 1.4). 1. Чаще всего используется простая (риса) схема равноплечего (R 2 =R 3 =R 4 = R 0 ) моста с одним датчиком R 1 = R 0 ± ∆R, где R 0 – сопротивление датчика, соответствующее начальному значению измеряемой неэлектрической величины. Воспользуемся уравнением (1.8) для определения изменения тока через измерительный прибор ) ( 4 2 4 4 2 ) ( ) 3 ( ) ( 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 R R R RR R RR R R RR I R R R R R R R R R R R R I I пр пр пр пр пр 11 Чувствительность схемы 0 0 ) ( 4 S R R R S пр пр сх (1.14) Примем чувствительность моста с одним датчиком за исходную S 0 и выразим чувствительность всех других вариантов мостовых схем через S 0 2. На схеме рис. 1.4, б одинаковые датчики с изменяющимся сопротивлением R 0 + ∆R включены в противоположные плечи моста. В этом случае приращение тока в измерительном приборе ) ( 2 0 R R RI пр пр , те. чувствительность S cx = 2S 0 увеличивается вдвое. Такое же увеличение чувствительности получается в схеме рис. 1.4, в, где второй датчик включен не в противоположное, а в соседнее плечо, и его сопротивление не увеличивается, а уменьшается R Q – ∆R. В схемах по рис. 1.4, а–вчувствительность непостоянна, те. зависимость пр = f (∆R) нелинейна. 3. Если датчики с изменяющимися сопротивлениями включить в соседние плечи моста по схеме рис. 1.4, г (R 0 + ∆R в плечо R 1 ,a R Q – ∆R – в плечо R 3 ), то чувствительность его по-прежнему в два раза больше (S сх =2S 0 ), а зависимость пр =f(∆R) близка к линейной в довольно широких пределах. 4. При включении датчиков по схемам, показанным на рис. 1.4, де, изменение сопротивления одновременно в обоих плечах не приводит к изменению тока в измерительном приборе, те. Такое подключение датчиков является ошибочным. 5. Если включить четыре одинаковых датчика вовсе четыре плеча моста так, как показано на рис. 1.4, ж, то изменение тока в измерительном приборе ∆I пр =∆RI/(R пр +R o ). При этом обеспечивается максимальная чувствительность S cx = Чувствительность мостовой схемы возрастает с увеличением напряжения питания и уменьшением сопротивлений плеч моста. Эти условия справедливы для высокоомного моста. Следует иметь ввиду, что с уменьшением сопротивлений мост уже не будет высокоомным. Мостовая схема может запитываться переменным током. При этом в плечах моста необходимо определять полное сопротивление, состоящее из активной и реактивной составляющих. Уравновешивание мостовой схемы переменного тока требует соблюдения ряда условий и выполняется сложнее, чем для моста постоянного тока. Обычно мостовая схема переменного тока регулируется вручную методом последовательных приближений. 12 ДАТЧИК 0 R ПР R 0 R 0 R ПР I U I ДА ТЧ ИК R R 0 0 R ПР R 0 R ПР I U I R R ДА ТЧ ИК ДА ТЧ ИК R R 0 ПР R 0 R U I ДА ТЧ ИК R R 0 0 R а) б) в) ДА ТЧ ИК R R 0 ПР R U I ДАТЧ ИК 0 R 0 R I R R 0 ДА ТЧ ИК R R 0 ПР R U I ДА ТЧ ИК 0 R 0 R R R 0 ДА ТЧ ИК R R 0 ПР R U I ДА ТЧ ИК 0 R 0 R R R 0 г) де) ДА ТЧ ИК R R 0 ПР R U I ДА ТЧ ИК R R 0 ДА ТЧ ИК ДА ТЧ ИК R R 0 R R 0 ж |