Устройство для моделированияиМпульСНОгО дАТчиКА чАСТОТы ВРАщЕНия Советский патент 1981 года по МПК G06G7/48 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ДАТЧИКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Изобретеиие относится к автоматике к предназначено для формирования двух импульсных последовательностей с частотой следования импульсов, пропорциональной входному напряжению, 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 внутреннег сгорания, электродвигателей и др., в которых в качестве датчиков регулируемой угловой скорости используются им пульсные тахометрические датчики. Известно устройство для моделирования импульсных тахопреобразователей которое содержит релейный элемент,два интегратора с фиксирующими диодами и два инвертора, причем инвертор,включенный на выходе устройства, через управляюпщй диоды подключен к дополниаельным входам интеграторов. В данном устройстве переключение репейного элемента осуществляетЁя поочередно первым и вторым интегратором, на входы которых поступаиот соответственно входное напряжение и его инверсное значение. На выходе устройства формируется напряжение прямоугольной формы, частота которого пропорциональна входному напряжению П. 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, подкаченный к .источнику сигнала, и четыре ключа, соединенные по мостовой схеме и подключенные соответствукицим образом к другим элемен там устройства. Устройство работает с входными напряжениями обеих полярностей и воспроизводит сигнал реального импульсного датчика с учетом направления вращения связанного с ним вала

t2.

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 возникает погрешность от токовой потенциальной составляющей смещения нуля операционного усилителя. Эта погрешность не компенсируется за счет изменения направления интегрирования.

Таким образом, в известном устройстве не может быть реализовано одн 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 реальных операционных усилителей и в частности запаздывание в переключении релейного элемента, управляющего ключом на входе интегратора, приводит к появлению дополнительной погрешности на повышенных частотах.

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

Цель изобретения - повышение точности..

Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования импульсного датчика вращения, содержащее 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 входу интегратбра, выход ключа соединен с вторым входом интегратора и со вторым входом релейного элемента.

выход интегратора соединен спервым входом ограничителя, выход которого является первым выходом устройства, вторьм 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. 2временные диаграммы его работы.

Устройство для моделирования импульсного датчика содержит интегратор 1 с резисторами 2 и 3, образующие делитель на неинвертирующем входе, резистором 4 и параллельным

ключом 5 на инвертирующем входе, JgJeлeйный элемент 6 на операционном усилителе 7 и ограничитель 8 на операционном усилителе, на одном .из входов которого включен ключ 9, выполвходе - резисторы 10 и 11, образующие делитель. Ограничитель 8 подключен к выходу интегратора 1 через диодный ограничитель, выполненный на резисторе 12 и диодах 13 и 14. Кроме того, устройство содержит блок 15 вьщеления модуля с диодным ключом 16 на операционном усилителе 7 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. Наря- ду с диодным ключом 16 в блок 15 выделения модуля входит суммирующий усилитель 25 с входными резисторами 26,

В устройство моделирования введены также ключ 29, выполненный на полевом транзисторе, цепь управления которого (затвор зо)подключена к выходу релейного элемента 6, а выход сток 31) и выход (сток 32) через резисторы 33 и 34 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертируюненный на транзисторе, а на другом 27 и резистором 28 обратной связи. щим входами операционного усилител 7 релейного элемента 6. В качестве ключей 5 и 29 используются МОП-транзисторы с каналами од ной проводимости,поэтому в цепь упра ления одного из транзисторов включае ся инвертор 35 (.при использовании транзисторов с каналами противоположной, проводимости необходимость в инверторе отпадает). Источник 36 входного напряжения через блок 15 вьщеления модуля и ключ 29 соединен с резистором 4 на инвертирующем входе интегрирующего усилителя 1. Выходные сигналы устройства сни 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 на выходах диодного ключа 16 и блока 15 вьщеления модуля (суммирующего уси лителя 25 равны нулю( ) тому независимо от состояния релейного элемента 6 и соответственно по ложений ключей 5 и 29 на обоих вход интегратора J отсутствуют напряжени и устройство находится в заторможенном .состоянии. При этом операцио ный усилитель 7 релейного элемен та как и ограничитель 8 находятся в со тояниях насьпцения того, или иного зуа и напряжения Uii,U-),Q на выходах 37 38 не изменяются импульсы на выходах 37,38 отсутствуют). Это состояние схемы соответствует нулевой .скорости вращения (неподвижному вал Рассмотрим работу устройства при наличии входного сигнала. Пусть напряжение /О. Под действием этого напряжения на выходе усилителя 17 возникает отрицательное напряжение, смещающее диод 1§ в непроводящее состояние, в результате этого основная обратная связь, охватьшающая операционный усилитель 17, юазрывается. В то же время происходит замыкаУ ние дополнительной обратной связи через диод 21 и стабилитрон 22. Поэтому на.выходе операционного усилителя 17 устанавливается отрицательное напряжение -Ug, определяемое порогом стабилизации стабилитрона 22 и практически не зависящее от величины Un,, источника 36 напряжения. Напряжение -UQ открывает транзистор 9, и выходной сигнал U| интегратора 1 поступает только на неинвертирующий вход ограничителя 8. Поскольку при Диод 19 не проводит, напряжение U. остается равным нулю и выходное напряжение U блока 15 вьщеления модуля определяет- .. ся выражением .Im., 27 где R.j, 28 сопротивления резисторов 27 и 28. Отрицательное напряжение Ц через делитель 2 и 3 поступает на неинвертирующий вход интегратора 1. При равенстве сопротивлений резисторов 2 и 3 (.) напряжение на неинвер- . тирующем входе U 0,5 Предположим, что релейный элемент 6 находится в состоянии положительного насьпцения (U,,-, 7О), при котором ключ 5 замкнут, а ключ 29 разомкнут. При этом резистор 4 подключен к общей точке схемы и вьпсодное напряжение интегратора 1 изменяется под действием отрицательного сигнала, приложенного к неинвертирующему входу операционного усилителя 43. В результате . выходное напряжение U, интегратора I уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой током заряда -1- конденсатора 44 в обратной связи усилителя 43. ок заряда °.. 0.5 - -/, ат г « де К - коэффициент передачи блока выеления модуля .S 47 апряжение на выходе интегратора 11 -и Х-Цм и„-и„ -:g- де и„ - напряжение начальных условий;t - постоянная интегрирования; Ь - текущее время. В момент времени (временны диаграммы на фиг. 2)напряжение U достигает отрицательного уровня U пр котором происходит опрокидывание релейного элемента 6. Релейный элемент переходит в состояние отрицательного насьщения, что приводит к открыванию ключа 29 и закрыванию ключа 5. При этом выходное напряжение блока 1 поступая на оба входа интегратора 1, оказывает превалирующее воздействие по инвертирующему входу, так как на неинвертирующем входе усилителя имее ся делитель 2-3. Это вызывает измене ние направления интегрирования входн го напряжения и выходной сигнал инте ратора возрастает по линейному закон Скорость нарастания напряжения U определяется током разряда ip. Поскольку, при 2. ЕТ токи заряда и разряда равны /; -bl 5lSlEHi5- LyLl5 - / /V л R., ./ ТО уменьшение и нарастание напряжения происходит с одинаковой скоростью -Напряжение U, во время разряда конденсатора 44 током -tp изменяется по закону . момент времени напряже) ние принимает положительное значение Urj7 при котором релейный элемент 6 переходит в исходное состояние, после этого начинается новый цикл работы устройства. В установившемся режиме при ие,у const напряжение начальных условий Уц равно Uj/Uj 0u/. Поэтому выходное напряжение интегратора 1 убывает по линейному закону в пределах от Uj до - U в интервале возрастает по тому же закону от -U доUx в интервале fjt причем этот процесс периодически повторяется (фиг,2). Найдем пороги переключения U. U релейного элемента 6. При замкнутом ключе 5, когда релейный элемент 6 находится в состоянии положительного насыщения, напряжение на инвертирующе входе операционного усилителя 7 равно нулю, а потому условие переключения релейного элемента 6 имеет следующий , вид -c6u,, и и;(,и,5)5 где и - напряжение положительной обратной связи на неинвертирующем входе усилителя 7 при положительном насьпцении этого усилителя; СХ- - коэффициент деления напряжения и на неинвертирующем входе усилителя 7; К „ - 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 и (К, -коэффициент передачи 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. ,5-U-SAU,5. где и - напряжение положительной обратной связи на неинвертирующем входе операционного усилителя 7 при отрицательном насьщении этого усилителя . Следовательно, Полное изменение напряжения &.U на выходе интегратора 1 в инверторах Т и Х2 определяется суммой - 1 - SA u.sjK V .xU Здесь первое слагаемое характеризует щирину 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 и К,2К, торое равенство достигается при -0,5 R,. Что касается условия U U , то оно обеспечива ся известными способами стабилизации уровней ограничения операционн усилителей. При одинаковых токах заряда. и разряда конденсатора 44 в обратной связи усилителя 43 интервалы време равны и определяются выражениями т-т-, . СС0,5 К-и Соответственно период колебаний .A(,) . , CXkUg и частота (Up-kj KUg,) частота f ПриК„,.1 на /. vi-t- ли. Л . Таким образом, наряду с основной составляющей,линейно зависящей от входного напряжения U , выражение (Ug) имеет дополнительную квадр тичную составляющую. Благодаря .этому в значительной мере компенсирует ся погрешность, обусловленная неиде .альными частотными свойствами реаль ных операционных усилителей, в том числе и запаздывание релейного злемента 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 J 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 постоянньш резистор 4, что осуществляет симметрирование входов операционного усилителя, выполнив условие -E5LRb p , Одновременно обеспечивается неизмен ность постоянной интегрирования t/ при заряде и разряде конденсатора 4 В результате при изменении направле ния интегрирования погрешность, обусловленная смещением нуля интегр тора 1, компенсируется и устройство обладает повышенной линейностью при малых входных напряжениях. Как видно из временных диаграмм (фиг. 2) напряжение интегратора Uj опережает выходное напряжение и., релейного элемента 6 на уголТЧ2. Напряжение U на выходе ограничителя 8при замкнутом транзисторном ключе 9совпадает по фазе с напряжением Уц, поскольку сигнал с интегратора 1 поступает на неинвертирующий вход ограничителя 8. Фазовый сдвиг Ф-ТСЦ между напряжениями „,0 на выходах 38 и 37 сохраняется постоянным во всем рабочем диапазоне частот устройства. Таким образом, при положительном напряжении Ue,x на выходах 38 и 37 формируются импульсные напряжения с частотой следования, пропорциональной Ufiv 5 и сдвинутые по фазе на угол 1и/2 . Это соответствует прямому вращению вала с импульсным датчиком. Рассмотрим теперь работу устройства при отрицательном входном напряжении. В этом случае операционный усилитель 17 диодного ключа I6 работает в линейном режиме благодаря основной обратной связи, охватывающей этот усилитель через открытый диод 19 и резистор 20. При этом выходное напряжение диодного ключа 16 определяется выражением .Ьа. .6 и напряжение на выходе блока 15 выделения модуля iaa, u.. аб -1В IS ат ри выполнении условия 27 т -л Ue., то совпадает с полученным выше выраением для напряжения при ипу ОПоэтоу напряжение , поступающее на . нтегратор 1, не зависит от полярноси Ua)( и процессы в схеме имеют от же характер, что и при положиельном входном сигнале. Отличие состоит лишь в том, что ри ключ 9 разомкнут, поскольу положительное напряжение U с

n

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 диодного 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 на неинвертирующем входе, вследствие чего ограничитель 8 работает в режиме инвертора. В этом случае, как видно из временных диаграмм(фиг.2) фазовый сдвиг мея5ду напряжениями .,0 соетавляет - , 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 - и-ги в зависимости 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 бопее высокой точностью в расширенном диапазоне частот.

12

849245 Формула изобретения

Устройство для моделирования импульсного датчика частоты вращения, содержащее интегратор, выход которог подключен к первому входу релейного элемента, источник входного напряжения и -КЛЮЧ, отличающееся тем, что с целью повышения точности, в него введены ограничитель и блок выделения модуля, первый вход которо LJ- - 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 элемента, выход интегратора соединен с первьм входом ограничителя, выход которого является первым выходом устройства, вторым выходом которого является выход релейного элемента, выход источника входного напряжения соедине с входом блока выделения модуля, второй выход которого подключен к второму входу ограничителя, выход интегратора соединен с третьим входом релейного элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 524197, кл. G 06 С 7/48, 1974.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2483178/18-24,

кл. G 06 3 7/48, 1977 (прототип).

«п

Ц 4

-tf,

VH