Устройство для моделирования импульсного датчика частоты вращения Советский патент 1986 года по МПК G06G7/48 

ляющим входом второго ключа. Повьш1е.- ние помехоустойчивости достигается за счет того, что при малых входных сигналах интегратор охватывается глубокой отрицательной обратной

1

Изобретение относится к автоматике, предназначено для формирования двух импульсных последовательностей с частотой следования импульсов, про порциональной входному напряжению, и сдвинутых по фазе на угол, знак которого определяется полярностью входного напряжения, и является усовершенсвованием устройства по авт.св. . № 849245.

Изобретение может использоваться при исследовании и настройке систем автоматического регулирования частоты вращения различных объектов, например турбин, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и др в которых в качестве датчиков регулируемой частоты вращения используются импульсные тахометрические датчики.

Цель изобретения - повьшение помехоустойчивости.

На фиг. представлена схема устройства для моделирования импульсного датчика частоты вращения-, на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

В состав устройства входят интегратор 1 с резисторами 2 и 3 на неинвертирующем входе, резистором 4 и параллельным ключом 5 на инвертирующем входе, релейньй элемент 6 на операционной усилителе 7, ограничитель 8 на операционном усилителе, на одном из входов которого включен ключ 9, вьшолненньй на транзисторе; а на другом входе - резисторы 10 и II, образующие делитель. Ограничитель 8 подключен к выходу интегратора 1 через диодный ограничитель на резисторе 12 и диодах 13 и 14. Устройство содержит также блок 15 вы- .деления модуля с диодным ключом 16 на операционном усилителе 17 с входг

связью и его выходное напряжение падает до нуля, благодаря чему исключаются переключения ограничителя, даже при наличии помехи, коммутирующей ключ на входе ограничителя. 2 ил.

ным резистором 18. Усилитель 17 охвачен основной обратной связью через диод 19 и резистор 20 и допол- нительной обратной связью через диод 21 и стабилитрон 22, который с помощью источника +Е 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. В блок 15 выделения модуля входит так-; же суммирующий усилитель 25 с входными резисторами 26, 27 и резистором 28 обратной связи.

Наряду с указанными элементами .устройство содержит ключ 29, цепь

30управления которого подключена к выходу релейного элемента 6, а вход

31и выход 32-через резистор 33 и 34 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя 7 релейного

элемента 6.

В качестве ключей 5 и 29 используются МОП-транзисторы с каналами одной проводимости, поэтому в цепь управления 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 Kj6o4 29 соединен с резистором 4 на инвертирующем входе интегратора 1. Выходные сигналы устройства ся с выходов 37 и 38 соответственно

релейного элемента 6 и ограничителя 8.

Кроме того, ограничитель содержит защитный диод 39, операционный усилитель 40 и резистор 41, релейный

31

элемент содержит резисторы 42, интегратор выполнен на операционном усилителе 43, в обратную связь которого включен конденсатор 44, Кроме того, устройство включает резистор 45,поро- говый элемент 46,усилитель 47 и ключ 48

Резистор 45, соединяющий выход ограничителя 8 с неинвертирующим входом операционного усилителя 40 ограничителя 8, осуществляет положительную обратную связь для достижения релейного режима работы ограничителя

Пороговый элемент может быть выполнен на операционном усилителе 49 с резисторами 50 и 51 на входах и резистором 52 в цепи положительной обратной связи, а усилитель 47 построен на операционном усилителе 53 с .. входным резистором 54 и с цепью отрицательной обратной связи на резисторах 55 и 56.

Принцил действия устройства заключается в следующем.

В исходном состоянии при нулевом входном сигнале (Ug 0) напряжения |б и, j на выходах диодного ключа 16 и блока 15 выделения модуля (суммирующего усилителя 25) равны нулю (и,.- и.., 0) . Поэтому независи

МО от состояния релейного элемента 6 и положений ключей 5 и 29 на обоих входах интегратора отсутствуют напряжения. Операционный усилитель 49 порогового элемента 46 находится в состоянии отрицательного насьщения за счет источника смещения -Е, при котором ключ 48 замкнут, и интегратор охватывается глубокой отрицательной обратной связью через усилитель 47. Выходное напряжение U, интегратора 1 принимает нулевое значение (Uj,fO) , и устройство находится в заторможенном состоянии. При этом операционньй усилитель 7 релейного элемента 6, как и ограничитель 8, находятся в состоянии насьщения того или иного знака и напряжения у , на выходах 37 и 38 не изменяются и (импульсы на выходах 37, 38 отсутствуют). Это состояние схемы соответ- ствует нулевой скорости вращения (неподвижному валу). Поскольку U- 0, коммутация ключа 9 напряжением помехи, поступающим с выхода диодного ключа 16, не изменяет выходного сиг- нала ограничителя 8.

Рассмотрим работу устройства при наличии входного Сигнала.

0

5

0

5

1

5

П

. 5

184

Пусть . Под действием этого напряжения на выходе усилителя 17 возникает отрицательное напряжение, смещающее диод 19 в непроводящее состояние, в результате чего основная обратная Связь, охватывают щая операционный усилитель 17, разрывается. В то же время происходит замыкание доп олнительной обратной связи через диод 21 и стабилитрон 22. Поэтому на выходе операционного усилителя 17 устанавливается отрицательное напряжение (-U), определяемое порогом стабилизации стабилитрона 22 и практически не зависящее от величины Ugj. Напряжение -UQ открывает транзистор 9, и выходной сигнал U интегратора 1 поступает только на неинвертирующий вход ограничителя 8. Поскольку при диод 19 находится в непроводящем состоянии, напряжение U/r, остается равным нулю и выходное напряжение и,5 блока 15 вьщеления модуля определяется выражением

IT тт

и 5R77-U5X .

где R , - сопротивления резисторов 27, 28.

Отрицательное напряжение U вызывает опрокидывание порогового элемента 46, в результате чего ключ 48 размыкается и обратная связь, охватывающая интегратор 1 через усилитель 47, разрывается. Напряжение U,5 через делитель 2, 3 поступает на неинвертирующий вход интегратора 1. При равенстве сопротивлений резисторов 2, 3 () напряжение на неинвертирующем входе ,5 и,;.

Предположим, что релейный элемент 6 находится в состоянии положительного насыщения (), при котором ключ 5 замкнут, а ключ 29 разомкнут. При этом резистор 4 подключен к общей точке и выходное напряжение U| интегратора 1, изменяется под действием отрицательного напряжения иц., приложенного к неинвертирующему входу операционного усилителя 43. Поэтому напряжение Uj, уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой током заряда i и емкостью конденсатора 44 в об- ра тной связи усилителя 43.

Ток заряда i ,5 .;u ..

Rn- 4

R,

где К - коэффициент иередачи блока

,„ R га выделения модуля (К „; ,

R

гг

Напряжение на выходе интеграто- ра

U, - „ - ,

где UH - напряжение начальных ус-

ловий;

, C - постоянная интегрирования (С - емкость конденсатора 44) ;

t - текущее время.

В момент времени , (фиг.2) напряжение Un достигает отрицательного уровня и,, при котором происходит опрокидывание релейного элемента 6, Релейный элемент перехо- дит в состояние отрицательного на- сьщения, что приводит к открыванию ключа 29 и закрьшанию ключа 5. При этом выходное напряжение U, блока 15, поступая на оба входа интегра- тора 1, оказывает превалирующее воздействие по инвертирующему входу, так как на неинвертирующем входе имется делитель 2, 3. Это вызывает изменение направления интегрирования входного напряжения, и выходной сигнал интегратора начинает возрастать по линейному закону. Скорость нарастания напряжения ll, определяется током разряда ip конденсатора 44 Поскольку при токи заряда i и разряда „ конденсатора 44 одинаковы

, Uji. ,5. .

Р R, R/ г

спад и нарастание напряжения U, происходят с одинаковой скоростью. Напряжение и во время разряда конденсатора 44 током ip изменяется по закону

и -и, . .-yeit ,

в момент времен напряжение Uy принимает положительное значе- )кие Uj, при котором релейный элемент 6 переходит в исходное состояние, после чего начинается новый цикл ра-д

0

5 о

5

5

боты устройства. В установившемся .режиме при U const напряжение начальных условий ,j. Поэтому выходное напряжение и интегратора 1 спадает по линейному закону от и„ до -и, в интервале Т, и возрастает по линейному закону от -U, до и, в интервале Т, причем этот процесс периодически повторяется.(фиг.2). Полное изменение напряжения ди на выходе интегратора 1 определяется суммой

ли и, + и - (иЧ и:) - - 4- -К,, К и,,).

где 1 - коэффициент деления напряжения U| на неинвертирующем входе усилителя 7;

коэффициент передачи цепи, образованной резисторами 34- и 42 на инвертирующем входе операционного усилителя 7;

и,, напряжение положительной обратной связи на неинвертирующем входе операционного усилителя 7 соответственно при положительном и отрицательном насыщениях этого усилителя.

В выражении для ди первое слагаемое uUp(U +U ) характеризует статическую ширину петли гистерезиса релейного элемента 6, а второе слагаемое ,5- отражает сужение этой петли с ростом частоты (напряжения Ug,) за счет опережения моментов срабатывания и отпускания, которое обеспечивается цепями коррекции (резисторы 33 и 34J. При одинаковых токах заряда i и разряда in конденсатора 44, равенстве напряжений насьпцения U, U и подлежащем выборе сопротивлений корректирующих резисторов 33 и 34 в сх;еме имеют NiecTO симметричные, колебания с равными интервалами Т, 1. При этом частота колебаний

f

1ccK-Ue.

Т,Т, 41(AUp-K,,-K.Up)Если вьтолняется неравенство К Ug « ftUp , то частота

г i «iK UaK ft , KM К UB ч к, и + - -7т1

ди

р

Поправочный член, обусловленный корректирующими цепями, обеспечивает.

улучшение лине шости устройства при повышении частоты за счет компенсации запаздывания, возникающего из- за неидеальности интегратора 1 и релейного элемента 7. .

Как видно из временных диаграмм на фиг.2, напряжение U интегратора 1 опережает выходное напряжение U

релейнрго элемента 6 на угол

Напряжение на выходе ограничителя 8 при Uj О и замкнутом транзисторном ключе 9 совпадает по фазе с напряжением U| и опережает U,

7

на -о поскольку сигнал с интегратора 1 поступает на неинвертирующий вход ограничителя 8 (фазовым сдвигом ограничителя 8 при достаточно большом сопротивлении резистора 45 и уз- кой петле гистерезиса релейного элемента на операционном усилителе 40

пренебрегаем) , Фазовый сдвиг --:- между напряжениями на выходах 38 и 37 ; сохраняется постоянным практически во всем диапазоне частот данного устройства.

Таким образом, при на выходах 38 и 37 формируются импульсные . напряжения с частотой следования, пропорциональной U, и сдвинутые по

Т фазе на угол . Это соответствует

прямому вращению вала с импульсным датчиком.

При снятии сигнала U, (момент времени tj) пороговый элемент 46 замыкает ключ 48 и интегратор 1 охватывается глубокой отрицательной обратной связью через усилитель 47, в результате чего его выходное напряжение падает до нуля (°см. фиг. 2). Благодаря гистерезису релейного элемента 6 и ограничителя 8 выходные напряжения U и сохраняют значения, которые они имели в момент отклонения Ugjj . Поэтому снятие входного сигнала не приводит к появлению ложных импульсов на выходах устрой- ства.

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 через открытый диод 19 и резистор 20. При этом выходное

5

2511188

напряжение диодного ключа 16 определяется выражением

IT - TI

R- .

и напряжение на выходе блока 15 вЫде- ления модуля

5Ж IT +&1.S..5JO т, R,, йх R R,g

вх

При выполнении условия

R:

25 .3

2г

имеем

Кга

R

я.О.

2Т

ЧТО совпадает с полученным вьш1е выражением для напряжения при . Поэтому напряжение U

5

поступающее

на интегратор 1 и пороговый элемент 46, не зависит от полярности Ug и процессы в схеме имеют тот же характер, что и при положительном входном сигнале. Отличие состоит в том, что при ключ 9 разомкнут, поскольку положительное напряжение с выхода усилителя 17 закрывает тран- зистор 9. Для надежного запирания этого транзистора в схеме предусмотрен диодный ограничитель на диодах 13, 14 и резисторе 12, снижающий напряжение на коллекторе транзистора 9 до уровня, цримерно равного напряжению на его базе. При разомкнутом ключе 9 выходное напряжение U интегратора 1 поступает на оба входа ограничителя 8. Однако благодаря резистивному делителю напряжения 10, 11 сигнал на инвертирующем входе усилителя 40 преобладает над сигналом на неинвертирующем входе, вследствие чего ограничитель 8 работает в режиме инвертора. Б этом случае фазовый сдвиг между напряжениями

7

и, и . составляет - s что соответствует обратному вращению вала, связанного с частотным датчиком.

При снятии отрицательного входного сигнала в схеме протекает процесс, аналогичный рассмотренному выше случаю снятия положительного , поскольку пороговый элемент 46 устанавливается в состояние, при котором замыкается ключ 48 и интег.ратор охватывается глубокой обратной связью через усилитель 47.

Таким образом, при наличии входного сигнала на выходах устройства формируются два напряжения прямоугольной формы с частотой, пропорциональной входному напряжению, и с

- --- в зафазовьм сдвигом - или

висимости от знака входнога напряжения, что воспроизводит сигнал реального импульсного датчика с учетом т направления вращения связанного с ним вала. При отключении входного сигнала схема переходит в заторможенное состояние при котором выходное напряжение интегратора принимает нулевое значение, а выходные сигналы релейного элемента и ограничителя

т

Редактор И.Рыбченко

Составитель И.Дубинина

Техред о,Сопко Корректор Е.Рошко

Заказ 4414/48 Тираж 671Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

полделам изобретений и открытий П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная, 4

сохраняют значения, предшествующие моменту снятия входного сигнала.

Формула

изо б. ре. тения

Устройство для моделирования импульсного датчика частоты вращения по авт.св. № 8А9245, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены пороговый элемент, второй ключ и усилитель, выход которого соединен с информационным входом второго ключа, выход которого подключен к входу сброса в О интегратора, выход которого соединен с входом усилителя, выход блока выделения модуля подключен к входу порогового элемента, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа.

tc

out

фие.2

Изобретение относится к области автоматики. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости. Устройство содержит блок выделения модуля 15 с суммирующим усилителем 25 и диодным ключом 16 на .операционных усилителях, интегра тор 1 с резис- тивным делителем на неинвертирующем входе и ключом 5 на инвертирующем . входе, релейный элемент 6, ограничитель 8 с ключом на инвертирующем входе. Новым в устройстве является введение порогового элемента, второго ключа и усилителя, выход которого соединен с информационным входом второго ключа, выход которого подключен к входу сброса в О интегратора, выход которого соединен с входом усилителя, выход блока выделения модуля подключен к входу порогового элемен-- та, выход которого соединен с управо О) 47 to ел 00 1Ч qjufi