Устройство для моделированияимпульсного датчика частоты вращения

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски к

Социалистическик

Респубпии

< 849245 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12. 11. 79 (21) 2841988/18-24 с присоединением заявки Р1в (23) Приоритет

Опубликовано 23.О7.81,Бюллетень Ж 27

Дата опубликования описания 25.07.8 l (51)M. Кл.

G Об G 7/48

Гесударстввииый квмитет

СССР

II0 делам изобретений и открытий (53) УДК 681.333 (088.8) (72) Авторы изобретения

:3

М. Н. Глазов Э. С. Никулин, В. П. Федоров и В. В. Фроленков 1 т 1,, ( (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО

ДАТЧИКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Изобретение относится к автоматике и предназначено для формирования двух импульсных последовательностей с частотой следования импульсов, пропорциональной входному напряжению, 5 и сдвинутых по фазе на угол, знак которого определяется полярностью входного напряжения.

Оно может использоваться при исследовании и настройке систем автоматического регулирования частоты вращения различных объектов, например .паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и др., в которых в качестве датчиков регулиру- 1 емой угловой скорости используются импульсные тахометрические датчики.

Известно устройство для моделирования импульсных тахопреобразователей которое содержит релейный элемент,днам интегратора с фиксирующими диодами и два инвертора, причем инвертор, включенный на выходе устройства, через управляющий диоды подключен к дополнительным входам интеграторов. В данном устройстве переключение релейного элемента осуществляется поочередно первым н вторым интегратором, на входы которых поступают соответственно входное напряжение и его инверсное значение. На выходе устройства формируется напряжение прямоугольной формы, частота которого пропорциональна входному напряжению (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для моделирования импульсного датчика частоты вращения, которое содержит последовательно соединенные двухвходовой интегрирующий усили тель и гистерезисный релейный элемент., двухвходовой операционный усилитель, соединенный с выходом интегрирующего усилителя, дополнительный релейный элемент, подключенный к .источнику сигнала, и четыре ключа, соединенные по мостовой схеме и подключенные соответствующим образом к другим элемен" рирования.

Таким образом, в известном устройстве не может быть реализовано одно из главных достоинств метода преобразования напряжения в частоту, осно- 25 ванного на изменении направления интег рирования входного сигнала и позволяющего таким путем компенсировать дрейф нуля интегратора. Кроме того, неидеальность частотных характеристик 30 реальных операционных усилителей и в частности запаздывание в переключении релейного элемента, управляющего ключом на входе интегратора, приводит к появлению дополнительной погреш- З5 ности на повьппенных частотах.

В результате известное устройство имеет значительные погрешности в диа пазоне рабочих частот моделируемых датчиков.

Цель изобретения — повьппение точности..

Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования импульсного датчика вращения, содержа- 45 щее интегратор, выход которого подключен к первому входу релейного элемента, источник входного напряжения .и ключ, введены ограничитель и блок выделения модуля, первый вход которого50 соединен с информационным входом ключа, с первым входом интегратора и с первым входом релейного элемента, выход которого подключен к управляющему входу ключа и к блокировочному ss входу интегратбра, выход ключа соединен с вторым входом интегратора и со вторым входом релейного элемента, 40

3 84924 там устройства. Устройство работает с входными напряжениями обеих полярностей и воспроизводит сигнал реального импульсного датчика с учетом направления вращения связанного с ним вала 1 2).

Недостатком устройства является сравнительно низкая точность преобразования напряжения в частоту. Это связано с тем, что при коммутации ключа на инвертирующем входе интегратора нарушается эквивалентность сопротивлений на входах операционного усилителя, а также изменяется постоянная интегрирования, вследствие этого 15 возникает погрешность от токовой потенциальной составляющей смещения нуля операционного усилителя.

Эта погрешность не компенсируется за счет изменения направления интег- 20

5 4 выход интегратора соединен с первым входом ограничителя, выход которого является первым выходом устройства, вторым выходом которого является выход релейного элемента, выход источника входного напряжения соединен с входом блока выделения модуля, второй выход которого подключен к второму входу ограничителя, выход интегратора соединен с третьим входом релейного элемента.

На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2» временные диаграммы его работы.

Устройство для моделирования им— пульсного датчика содержит интегратор 1 с резисторами 2 и 3, образующие делитель на неинвертирующем входе, резистором 4 и параллельным ключом 5 на инвертирующем входе, релейный элемент 6 на операционном усилителе 7 и ограничитель 8 на операционном усилителе, на одном .из входов которого включен ключ 9, выполненный на транзисторе, а на другом входе — резисторы 10 и 11, образующие делитель. Ограничитель 8 подключен к выходу интегратора 1 через диодный ограничйтель, выполненный на резисторе 12 и диодах 13 и 14. Кроме того, устройство содержит блок 15 выделения модуля с диодным ключом 16 на операционном усилителе 17 с входным резистором 18, Усилитель 17 охвачен основной обратной связью через диод 19 и резистор 20 и дополнительной обратной связью через диод 21 и стабилитрон 22, который с помощью источника(не показан)и резистора 23 смещен в направлении, соответствующем закрытому состоянию диода 21

Выход усилителя 17 диодного ключа

16 через ограничительный резистор 24 ! подключен к базе транзистора 9. Наряду с диодным ключом 16 в блок 15 выделения модуля входит суммирующий усилитель 25 с входными резисторами 26, 27 и резистором 28 обратной связи .

В устройство моделирования введены также ключ 29> выполненный на полевом транзисторе, цепь управления которого (затвор 30) подключена к выходу релейного элемента 6, а выход сток 31)и выход (сток 32) через резисторы 33 и 34 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирую5 8492 щнм входами операциойного усилителя

7 релейного элемента 6.

15

В качестве ключей 5 и 29 исполь-. зуются 110П-транзисторы с каналами од ной проводимости, поэтому в цепь управ- 5 ления одного из транзисторов включается инвертор 35(при использовании транзисторов с каналами противоположной проводимости необходимость в инверторе отпадает).

Источник 36 входного напряжения через блок 15 выделения модуля и ключ 29 соединен с резистором 4 на инвертирующем входе интегрирующего усилителя 1.

Выходные сигналы устройства сии " маются с выходов 37 и 38 соответственно релейного элемента 6 и ограничителя 8, Кроме того, схема ограничителя содержит диод 39,усилитель

40, резистор 41, релейный элемент содержит резисторы 42, интегратор выполнен на усилителе 43, в обратную связь которого включен конденсатор 44.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при нулевом

Входном сигнале напряжения Ц, и 0„5

ЭО на выходах диодного ключа 16 и блока

15 выделения модуля (суммирующего усилителя 25)равны нулю(Ц, =13,,5= О) . Поз тому независимо от состояния релейного элемента 6 и соответственно положений ключей 5 и 29 на обоих входах

35 интегратора l отсутствуют напряжения и устройство находится в заторможенном состоянии. При этом операционный усилитель 7 релейного элемента 6, как и ограничитель 8 находятся в сос аяниях насьпцения того.или иного знака и напряжения (J 11 на выходах 37

38 не изменяются(импульсы на выходах 37,38 отсутствуют Это сос" тояние схемы соответствует нулевой ,скорости вращения (неподвижному вал®

Рассмотрим работу устройства при наличии входного сигнала.

Пусть напряжение Ug> )0. Под действием этого напряжения на выходе усилителя 17 возникает отрицательное напряжение, смещающее диод 1Ф в непроводящее состояние, в результате 55 этого основная обратная связь, oxsaтывающая операционный усилитель 17, разрывается.

45 6

В то же время происходит замыкаИ ние дополнительной обратной связи через диод 21 и стабилитрон 22. Поэто. му на.выходе операционного усилителя

17 устанавливается отрицательное напряжение — Ц, определяемое порогом стабилизации стабилитрона 22 и практически не зависящее от величины U@, источника 36 напряжения. Напряженйе

-U0 открывает транзистор 9, и выходной сигнал U> интегратора 1 поступает только на неинвертирующий вход ограничителя 8. Поскольку при U> 70 диод

19 не проводит, напряжение U„ остается равным нулю и выходное напряжение О блока 15 выделения модуля определяется выражением

U =- 0 2

Р2.1 Ьх t где R2> R28- сопротивления резисторов 27 и 28.

Отрицательное напряжение 0„5 через делитель 2 и 3 поступает на неинвертирующий вход интегратора 1. При равенстве сопротивлений резисторов 2 и 3 (R = R ) напряжение на неинвертирующем входе 0 = 0,5 0„5

Предположим, что релейный элемент

6 находится в состоянии положительного насьпцения (U 7O),при котором ключ 5 замкнут, а ключ 29 разомкнут.

При этом резистор 4 подключен к общей точке схемы и выходное напряженые интегратора 1 изменяется под действием отрицательного сигнала, приложенного к неинвертирующему входу операционного усилителя 43. В результате. выходное напряжение Uö интегратора 1 уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой током заряда 1 конденсатора 44 в обратной связи усилителя 43.

Ток заряда

0 5Ug 0 SR К

"Ъ P 12 00х где К вЂ” коэффициент передачи блока выделения модуля

/К = 0,5 — - /

Я

Напряжение на выходе интегратора к V t

Ои Цн- ° где U — напряжение начальных условий; и„-о,ьи,, иди,д

4 4

25 то уменьшение и нарастание напряжения происходит с одинаковой скоростью. .Напряжение и во время разряда конденсатора 44 током р изменяется по закону

U =-и, — — ьк —, и

В момент времени t=t напряжеЯ

> ние принимает положительное значение и> при котором релейный элемент 6 переходит в исходное состояние, после этого начинается новый 4О цикл работы устройства. В установившемся режиме при U> const напряжение начальных условий U равно

13 /Ц =Ц„/.Поэтому выходное напряжение интегратора 1 убывает по линейному закону в пределах от 0 до — U< в интервале Т и возрастает по тому же закону от -U äî Ug в интервале

Т> причем этот процесс периодически т повторяется (фиг. 2) .

Найдем пороги переключения и Ц

4) релейного элемента 6. При замкнутом ключе 5, когда релейный элемент 6 находится в состоянии положительного насыщения, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 7 равно нулю, а потому условие переключения

7 84924 постоянная интегрирования; текущее время.

В момент времени =й„ (временные диаграммы на фиг. 2)напряжение L1„ достигает отрицательного уровня И„ при котором происходит опрокидывание релейного элемента 6. Релейный элемент переходит в состояние отрицательного насыщения, что приводит к открыванию ключа 29 и закрыванию ключа 5. При ip этом выходное напряжение U< блока 15 поступая на оба входа интегратора 1, оказывает превалирующее воздействие по инвертирующему входу, так как на неинвертирующем входе усилителя имеет-1 ся делитель 2-3. Это вызывает изменение направления интегрирования входного напряжения и выходной сигнал интегратора возрастает по линейному закону.

Скорость нарастания напряжения и> о определяется током разряда р. Поскольку. при К = И токи заряда и раз2 ряда равны

5 8 релейного элемента 6 имеет следующий, вид

5 0.,5 1 -о и и-(0-k U ) где u — напряжение положительной обратной связи на неинвертирующем входе усилителя

7 при положительном насьпцении этого усилителя;

Ж - коэффициент деления напряжения U на неинвертии рующем входе усилителя 7;

К вЂ” коэффициент передачи цепи, образованной резистором 33 и резисторами на инвертирующем входе усилителя 7.

При разомкнутом ключе 5, когда релейный элемент. 6 находится в противоположном состоянии, на инвертирующий вход усилителя 7 поступает напряжение

К 4 0 (Kэ„--коэффициент передачи

Ъ4 15 цепи, образованной резистором 34 и резистором на инвертирующем входе операционного усилителя 7). В момент переключения релейного элемента имеет место равенство напряжений на входах усилителя 7, т;е.

ЗЬ 45 М 151 где u — напряжение положительной обратной связи на неинвертирующем входе операционного усилителя 7 при отрицательном насыщении этого усилиСледовательно, 2- (э) 45j

Полное изменение напряжения 6 и на выходе интегратора 1 в инверторах Т1 и Х определяется суммой и=и, и Ни и7-k „U„,)=(üî-к киl

Здесь первое слагаемое характеризует ширину петли гистерезиса релейного элемента 6, а второе отражает сужение этой петли за счет опережения моментов срабатывания и отпускания, которое обеспечивается с помощью введенных корректирующих связей через резисторы 33 и 34.

Для получения симметричных колебаний (без постоянной составляющей на выходе интегратора 1)необходимо, чтобы выполнялись равенства кй =0 н К „— 2ê

3 3

Второе равенство достигается при

К. „ =0,5 R . Что касается ус9 84 ловия U+ = U, то оно обеспечивается известными способами стабилизации уровней ограничения операционных усилителей.

При одинаковых токах заряда. и разряда конденсатора 44 в обратной связи усилителя 43 интервалы времени равны и определяются выражениями о("0,5 К U рав2

U,-- Я0

Р„в вх

35 и напряжение на выходе блока 15 выде-

:ления модуля

4Р 2в >и <2о

U + L)

) 2 ) Рх 1 26 ")В Вх

+so

26 %9 27

1 2 имеем )1 - - ) со

Ю 27 Х

Соответственно период колебаний

4(АО -k к1)

T=T1+T2сскU

Вх

) (Xku Х и частота

4 (6 U - k K U s„) При К KU „С(6ЫР частота

3)) Ьм на

1 ex (К =4ьь0 (4+ ац

P p

Таким образом, наряду с основной составляющей)линейно зависящей от входного напряжения U <, выражение

У(US„ ) имеет дополнительную квадратичную составляющую. Благодаря:этому в значительной мере компенсируется погрешность, обусловленная неиде.альными частотными свойствами реальных операционных усилителей, в том числе и запаздывание релейного элемента 6. Наряду с уменьшением погрешности на повышенных частотах уст ройство обладает более высокой линейностью при весьма малых частотах, Это обеспечивается за счет введения ключа 29 1 с помощью которого достигается постоянство сопротивления резистора, подключенного к инвертирующему входу интегратора 1. Действительно на этом входе интегратора независимо от состояния релейного элемента 6 всегда включен постоянный резистор 4, что осуществляет симметрирование входов операционного усилителя, выполнив условие

%2. Р

Одновременно обеспечивается неизменность постоянной интегрирования l при заряде и разряде конденсатора 44.

В результате при изменении направления интегрирования погрешность, обусловленная смещением нуля интегратора 1, компенсируется и устройство

9245 1О обладает повышенной линейностью при малых входных напряжениях.

Как видно из временных диаграмм (фиг. 2) напряжение интегратора

U опережает выходное напряжение

U релейного элемента 6 на угол1Ц2.

Напряжение L1 на выходе ограничителя

8 при замкнутом транзисторном ключе

9 совпадает по фазе с напряжением 0 11 ð поскольку сигнал с интегратора I поступает на неинвертирующий вход ограничителя 8. Фазовый сдвиг Ф=ЩЯ между напряжениями U,,U „на выходах

38 и 37 сохраняется постоянным во всем рабочем диапазоне частот устройства.

Таким образом, при положительном напряжении Ц „ на выходах 38 и 37 формируются импульсные напря2р жения с частотой следования, пропорциональной Овх, и сдвинутые по фазе на угол Ъ1Я . Это соответствует прямому вращению вала с импульсным датчиком.

Рассмотрим теперь работу устройства при отрицательном входном напряжении. В этом случае операционный усилитель 17 диодного ключа 16 работает в линейном режиме благодаря основной обратной связи, охватывающей этот уси" литель через открытый диод 19 и резистор 20. При этом выходное напряжение диодного ключа 16 определяется выражением

При выполнении условия что совпадает с полученным выше выражением для ианряжения при 0 40,ПоэтоЬХ му напряжение U,, поступающее на интегратор 1, не зависит от полярнос- ти U< и процессы в схеме имеют тот же характер, что и при положительном входном сигнале.

Отличие состоит лишь в том, что при U1),„<0 ключ 9 .разомкнут, поскольку положительное напряжение U c

Формула изобретения

245

11 849 выхода усилителя 17 запирает транзис тор 9. Для обеспечения надежного закрывания транзистора 9 при малых положительных напряжениях напряжение на коллекторе этого транзистора ограничи вается на уровне, примерно равном напряжению на его базе. Это достигается с помощью диолного ограничителя на диодах 13,14 и резисторе 12. При разомкнутом ключе 9 выходное напряжение интегратора 1 поступает на оба входа ограничителя 8. Однако благодаря резистивному делителю 10-11 напряжения сигнал на инвертирующем входе усилителя преобладает над сигналом йа неинвертирующем входе, вследствие чего ограничитель 8 работает в режиме инвертора. В этом случае, как видно из временных диаграмм(фиг.2),фазовый сдвиг между напряжениями U>>,0 . сос— тавляет -ф 1 что соответствует обратному вращению вала, связанного с частотным датчиком, Таким образом, при наличии входного сигнала на выходах устройства формируются два напряжения прямоугольной формы с частотой, пропорциональной входному напряжению, и с фазовым сдвигом, равным — или -я- в зависи в мости от полярности входного напряжения, что воспроизводит сигнал реального импульсного датчика с учетом направления вращения связанного с ним вала.

По сравнению с известным устройством моделирования импульсных датчиков частоты вращения предлагаемое устройство обладает более высокой точностью в расширенном диапазоне частот.

Устройство для моделирования импульсного датчика частоты вращения, содержащее интегратор, выход которого подключен к первому входу релейного элемента, источник входного напряжения и.ключ, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью повышения точности, 1р в него введены ограничитель и блок выделения модуля, первый вход которого соединен с информационным входом ключа, с первым входом интегратора и с.первым входом релейного элемента, выход которого подключен к управляющему входу ключа и к блокировочному входу интегратора, выход ключа соединен с вторым входом интегратора и со вторым входом релейного элемент та, выход интегратора соединен с первым входом ограничителя, выход которого является первым выходом устройства, вторым выходом которого является выход релейного элемента, выход

25 источника входного напряжения соединен с входом блока выделения модуля, второй выход которого подключен к второму входу ограничителя, выход интегратора соединен с третьим входом реЗО лейного элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ф 524197, кл. G 06 Я 7/48, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 2483178/18-24, кл. G 06 G 7/48, 1977(прототип).

849245

Э вммю(е Юмавраиююм уу мщр gg

Фмаf .

ВНИИПИ Заказ 6096/65

Тирах 745 Подписное филиал ППП Патент,, г. Ухгород, ул. Проектная,4