Розділ 2 керуючі пристрої на аналогових інтегральних мікросхемах

Лекція 12. Класифікація, побудова, принцип дії та основні параметри і технічні характеристики серійних аналогових інтегральних мікросхем.

Завдання на СРС. Операційні підсилювачі - основні рівняння і галузі застосування в автоматизованому електроприводі.

Література: 1, с.88-92; 1а, с.298-302.

Питання для самоконтролю:

1. Ідеальний операційний підсилювач, його основні параметри і співвідношення, передаточна функція.

2. Промислові серії ІМС ОП.

3. Похибки, пов'язані з неідеальністю ОП.

В розділі розглядаються елементи керуючих пристроїв ЕМСАК безперервної дії – функціональні регулятори, нелінійні функціональні перетворювачі, аналогові компаратори, електричні фільтри.

Керуючі та вимірювальні елементи є складовими керуючого пристрою електропривода і виконують, залежно від їх призначення, наступні основні функції:

• формування сигналу завдання, який надходить до ЕМСАК;

• підсилення та перетворення сигналів (наприклад, цифрового в аналоговий чи навпаки);

• порівняння вихідних сигналів ланок та сигналів зворотних зв’язків;

• забезпеченні заданих статичних та динамічних показників якості регулювання системи за допомогою коректуючої дії ланок;

• вимірювання регульованих координат електропривода (струму, напруги, швидкості, положення) та перетворення їх у електричний сигнал, аналоговий або цифровий в залежності від виду системи керування, з метою реалізації зворотних зв’язків.

В системах керування безперервної дії керуючі та вимірювальні елементи є аналоговими. В цифро-аналогових системах роль задаючого (вхідного) елементу виконує цифрова мікросхема середнього ступеню інтеграції або ЕОМ. Вимірювальні елементи всі або частково також є цифровими. Для перетворення цифрових кодів вхідного та вимірювальних елементів у аналогові сигнали, сприйнятні для безперервної частини системи керування, використовуються цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП). Елементи порівняння в таких системах можуть бути, в залежності від конкретного виконання, як цифровими, так і аналоговими.

В повністю цифрових системах керування функції вхідного елементу, елементів порівняння, корегування покладаються на ЕОМ. Всі вимірювальні елементи в такій системі є цифровими.

Класифікація керуючих та вимірювальних елементів ЕМСАК може бути здійснена за рядом наступних ознак:

• за видом обробляємої інформації – аналогові та дискретні; останні, у свою чергу, поділяються на імпульсні та цифрові;

• за особливостями побудови – електромашинні та статичні; в залежності від елементної бази останні можуть бути напівпровідниковими, резистивними, магнітними, індуктивними, індукційними, ємнісними і т. ін.;

• за призначенням – керуючі (в т.ч. вхідні та коректуючі елементи, суматори, підсилювачі та ін.), вимірювальні, узгоджуючі (функційні перетворювачі, цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі).

Для кожного виду елементів може бути здійснена більш докладна класифікація. Наприклад, вимірювальні елементи в залежності від виду вхідної змінної, поділяються на датчики напруги, струму, швидкості, кутового та лінійного переміщення і т.п.; в залежності від наявності додаткового джерела енергії – на активні та пасивні; за принципом дії - на параметричні та генераторні. Для підсилювача можна визначити його тип: напівпровідниковий інтегральний, транзисторний, магнітний, електромашинний і т.п.

Враховуючи різноманітність керуючих та вимірювальних елементів, їх різну фізичну природу та побудову, сформулюємо лише узагальнені вимоги до них:

• висока швидкодія близька до безінерційності;

• висока точність вимірювання або перетворення сигналів;

• лінійність та симетричність статичних характеристик (для аналогових елементів);

• стабільність статичних та динамічних характеристик в часі та в умовах зміни факторів навколишнього середовища;

• захищеність від радіоперешкод та збурюючих дій типу зміни напруги та частоти живлення і т.п.;

• технологічність при виготовленні, складанні та експлуатації;

• уніфікація, взаємозамінність, ремонтопридатність;

• низька вартість та експлуатаційні витрати;

• висока надійність.

Аналогові керуючі елементи. Елементи керуючого пристрою ЕМСАК безперервної дії найчастіше будуються за типовими підсилювальними схемами на базі операційних підсилювачів (ОП) ‑ аналогових інтегральних мікросхем з високим коефіцієнтом підсилення та смугою пропускання. ОП широко застосовуються в лінійних і нелінійних схемах перетворення і генерування сигналів. На їх основі створюються підсумовуючі, інтегруючі, диференціюючі, множні, ділильні, порівнюючі, обмежуючі, фільтруючі та інші пристрої. Останнім часом ОП практично витиснули транзистори з систем керування електроприводів, за винятком пристроїв, де потрібна порівняно велика вихідна потужність.

Незалежно від складності принципової схеми ОП, кожний з них містить такі основні каскади (рис. 2.1): вхідний диференціальний підсилювач, підсилювач напруги, схему зміщення (зсуву) постійного рівня і вихідний підсилювач потужності.

Сучасні інтегральні ОП характеризуються: коефіцієнтом підсилення за напругою в розімкненому стані (без зворотного зв’язку) к › 50000; вхідним опором МОм; вихідним опором Ом; смугою пропускання МГц; опором навантаження < 1 кОм.

Рис. 2.1

Ідеальний операційний підсилювач. Для ідеального операційного підсилювача приймаються такі припущення: коефіцієнт підсилення K_р ∞; вхідний опір R_вх  ∞; вихідний опір R_вих  0; смуга пропускання f  ∞; при нульовому вхідному сигналі вихідна напруга дорівнює нулю. Наведені вище параметри серійних інтегральних мікросхем свідчать про те, що для більшості випадків практичного застосування такі припущення є обґрунтованими і ОП можна вважати ідеальним.

ОП мають, як правило, диференціальний вхід і одиничний вихід. Якщо збільшення вхідної напруги призводить до зменшення вихідної напруги, то такий вхід називається інвертуючим. В іншому випадку вхід - неінвертуючий. Інвертуючий вхід позначається кружком на вході ОП. Загальною особливістю більшості схем ОП є наявність кола негативного зворотного зв’язку з виходу на інвертуючий вхід, яке створюється опором Z_з.з ( див. рис. 2.2).

Рис. 2.2

З прийнятого припущення про те, що R_вх  ∞, випливає, що вхідний струм ОП І_вх = 0, тому струм зворотного зв’язку І₂ дорівнює вхідному струму схеми І₁. Напруга на інвертуючому вході ідеального ОП U₀ = 0.

Одержані умови дозволяють визначити передаточну функцію ідеального інвертуючого ОП. Дійсно, за другим законом Кірхгофа

Якщо врахувати, що U₀=0, І₁=І₂, то отримаємо рівняння , з якого дістанемо вираз для передаточної функції інвертуючого ОП

(2.1)

де Z_з.з ‑ повний опір кола зворотного зв’язку в операторній формі; Z₁ ‑ повний вхідний опір в операторній формі.

Перевагами інвертуючого ОП є незалежність коефіцієнта передачі від зміни параметрів та температури за рахунок стабілізуючої дії негативного зворотного зв’язку за напругою, а також малий вхідний струм схеми І₁, що забезпечує близький до холостого ходу режим роботи пристрою, до якого підключається ОП.

Для зменшення впливу R_вих слід забезпечувати виконання умов R_нR_вих, R_з.зR_вих.

В зв’язку з цим можна рекомендувати таку послідовність вибору елементів вхідних та вихідних кіл ОП. Для конкретного типу ІМС з відомими значеннями R_вх і R_вих вибирають R_з.з, R_н, та R₁ з таких умов:

Одними з найбільш розповсюджених в аналогових системах керування електроприводів є ОП, що працюють в режимах масштабування та підсумовування сигналів. Вказані функції реалізуються за допомогою частотно-незалежних схем.