Устройство формирования сигнала рассогласования

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСОУБЛИН (19) (И), 3(Я) Н 03 К 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTGPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ I (21) 3355262/18-21 (22) 17.11.81 (46) 15.11.83. Бюл. И 42 (72) М.Н. Глазов и Л.11. Леонтьева. (53) 621.373(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

4" 464936, кл. Н 03 K 5/00, 1975.

2 Авторское свидетельство СССР

И 601814, кл. Н 03 К 5/153, 1978. (54) (57) УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ

СИГНАЛА РАССОГЛАСОВАНИЯ, содержащее аналоговый задатчик, частотный датчик, соединенный с входом счетного триггера, и усилитель сравнения, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьаения точности и быстродействия, в него введены преобразователь период " код, блок пороговых элементов, переключаемый источник опорного напряжения, группа элемен" тов совпадения, регистр и множитель.ный цифроаналоговый преобразователь, ;причем прямой выход счетного триггера соединен с информационным входом преобразователя период - код, а инверсный выход счетного триггера соединен с первыми входами группы weментов совпадения, выходы блока по" . роговых устройств соединены с управляющими входами преобразователя пери" од .- код и входами переключаемого источника опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом усилителя сравнения, выходы преобразователя период - код соединены с вторыми входами элементов совпадения группы, выходы которых через регистр соединены с дискретными входами множи- с- тельного. цифроаналогового преобразовае теля, выход .которого соединен с вторым входом усилителя сравнения, а выход аналогового задатчика соединен с аналоговым входом множительного циф" роаналогового преобразователя и входом блока пороговых устройств.

4 >oS48

Изобретение относится к автоматике и предназначено для выделения сигнала рассогласования в системах автоматического регулирования частоты вращения, в которых информация о регули 5 руемом параметре вырабатывается в частотной форме, а сигнал задания формируется в виде напряжения постоянного или переменного тока. Данное устройство может быть использовано, в 1© частности, в системах автоматического .регулирования скорости электродвигате" лей и других механизмов и машин, на валу которых устанавливаются импульс- ные датчики частоты вращения, а в ка- 35 честве эадатчиков используются, например, потенциометрические датчики,, линеиные вращающиеся трансформаторы и др. 1

Известно устройство сравнения час 1 20 тотных и аналогового сигналов, содержащее интегратор, фильтр и схему сравнения f i $

Недостаток известного устройстваниэкая точность сравнения,входных 25 сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство Формирования сигнала рассогла"

:.сования, содержащее аналоговый задат" « 6 чик, частотный датчик, соединенный с входом счетного триггера, усилитель сравнения, интегрирующий усилитель со схемой установки начальных условий, запоминающее устройство. и устройство управления. При равенстве регулируемой частоты заданному значению выходное напряжение интегратора в конце периода интегрирования равно напряжению начальных условий и сигнал,4 поступающий на запоминающее устройство, равен нулю. При отклонении регулируемой величины от заданного эначе" ния возникает сигнал рассогласования, знак которого определяется знаком отклонения 2 ).

Недостатком данного устройства является его сравнительно низкие точность и быстродействие. Ограниченная точность устройгтва определяется в основном погрешностями интегрирующего усилителя, в частности, его дрейфом нуля и неидеальностью динамических характеристик, которые оказывают заметное влияние на работу устройства в верхней части частотного диапазона регулируемой скорости. Что касается быстродействия устройства, то оно ограничено скоростью работы запоми96 нающего устройства в режиме записи.

Учитывая необходимость длительного охранения сигнала при малых регулируемых частотах, запоминающее устройство требует конденсаторов большой емкости, что ведет к увеличению. постоянной времени в режиме записи.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство формирования сигнала рассогласования, содержащее анало" говый задатчик, частотный датчик, соединенный с входом счетного триггера, и усилитель сравнения, введены преобразователь период - код, блок ïîроговых элементов, переключаемый источник опорного напряжения, группа элементов совпадения, регистр и множительный цифроаналоговый преобразователь, причем прямой выход счетного:. триггера соединен с информационным входом преобразователя период - код а инверсии выход счетного триггера соединен с первыми входами группы элементов совпадения, выходы блока пороговых устройств соединены с управляющими входами преобразователя период - код и входами переключаемого источника опорного напряжения, вы- . ход которого соединен с первым входом усилителя сравнения, выходы преобразователя период - код соединены с вторыми входами элементов совпадения группы, выходы которых через регистр соединены с дискретными входа-. ми множительного цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом усилителя сравнения, а выход аналогового задатчика соединен с аналоговым входом множительного цифроаналогового преобразователя и входом блока пороговых устройств.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит частотный датчик 1, аналоговый задатчик 2, представленный в форме напряжения U, счетный триггер 3, переключаемый источник 4 опорного напряжения (Цц ) и усилитель 5 сравнения, преобразователь б период код, содержащий счетчик 7 импульсов с управляемым делителем 8 частоты на входе. В состав преобразователя период - код входят так)ие генератор 9 опорной частоты У элемент 1Î совпадения и ждущий муль-! тивибратор 13. Кроме того, в устрой3 10548 ство введены блок пороговых элементов 12, множительный цифроаналоговый преобразователь 13, подключенный к выходам счетчика 7 через группу элементов 14 совпадений и регистр 15, обеспечивающий хранение кода.

Устройство работает следующим образом.

В.исходном состоянии, когда имеет место соответствие сигнала аналогово- 10 го задатчика.2 и сигнала обратной связи частотного датчика 1, т.е. при равенстве регулируемого параметра заданному значению, выходное напряжеН е устроис ва %Ь! 0 В нечетные 15 периоды частотного сигнала Ю счетный триггер 3 устанавливается в положение, при котором на его прямом выходе действует единичный логический сигнал (фС 1 ) и преобразователь периодкод 6 работает в режиме измерения периода Т частотного сигнала. Процесс измерения периода происходит по методу заполнения интервала времени Т импУльсами ОбРазЦОвОй частОты fa ° пО- у5 ступающей через элемент 10 совпадения и делитель 8 частоты на-счетчик 7; При этом в начале каждого нечетного периода при появлении логической единицы на прямом выходе счетного триггера ждущий мультивибратор 11 формирует короткий импульс сброса, устанавливающий делитель 8 частоты и счетчик 7 в нулевое положение. Поэтому к концу нечетных периодов в счетчике 7 фиксируется код 8, опреде- 5 ляемый периодом Т образцовой частотой и коэффициентом деления KS делителя частоты 8: уо Т

1,1. о в

В режиме измерения периода Т счетчик @

7 отключен от регистра 15,поскольку группа элементов 14 совпадения блокирована нулевым логическим сигналом с инверсного выхода счетного триггера 3 (ф 0 ). 45

В четные периоды частотного сигнала триггер 3 переключается в противоположное состояние, при котором Ы = О, а 0 = 1. Под действием нулевого логического сигнала о элемент 10 cosna- 50 дения отключает генератор 9 образцовой частоты от счетчика 7, и счетчик 7 работает в режиме хранения. В четные периоды единичный логический сигнал

at, подготавливает группу элемен- 55 тов 14 совпадения, благодаря чему код Й из счетчика 7 поступает в регистр 15, который в свою очередь пе-

96 редает его на множительный преобразователь 13. В результате в четные периоды частотного сигнала Ю на выходе преобразователя 13 формируется . напряжение, пропорциональное произведению сигнала задания 0 и кода й, т.е, И =К ив= К u .т= К—

4 и

1Ъ 1э 13 КВ Х где К8 и К „- коэффициенты пропорциональности.

В нечетные периоды частотного сигнала f выходное напряжение ÖÄÏ (дэне из . меняется, так как счетчик 7 отключен от регистра 15 и в регистре 15 сохра- . няется код Й .

Напряжение 0 сравнивается на входе усилителя рассогласования 5 с опорным напряжением U<. Если Uo 0 „ 3, то напряжение на выходе О ь,равно йулю. (Г

При этом К -U =К вЂ” -U =О

Я О

К частота Х = К в

Таким образом, при Va Const каж" дому напряжению задания U соответст.вует определенная частота g, при которой устройство находится в состоя-нии баланса (его выходное напряжение,„равно нулю, причем частота ф прямо пропорциональна напряжению

;(К/Ц - коэффициент пропорциональнос,ти .

Рассмотрим теперь работу устройства при отклонении частоты от заданно- . го значения. В этом случае на выходе усилителя 5 возникает напряжение рас согласования 3 Ч - Чо 1ь О. Пусть, например, f Const, а напряжение Ч получает приращение,йЧ. Тогда

Х(0 +4И Kdlf

Ку- у . Аналогич- . но, если Ч Con5tq а частота f полу" чает приращение М, то напряжение

Е=

KU

В результате при неравенстве ре" гулируемой частоты заданному значение на выходе усилителя рассогласо- вания Формируется сигнал оаибки 0 „„ величина которой определяется откло нениями сигнала задания Q и регулиру- емого параметра К от согласованных значени, а также коэффициентом передачи усилителя 5 и коэффициентами про порциональности при приращениях Я/и, 4f в выражениях для f . Как видно из этих выражений, коэффициенты про порциональности и -я- в функциях

-й . f

Следует отметить, что возможные и другие подходы к выбору порогов сравнения. Например, при неравномерном законе распределения регулируемой частоты может оказаться целесообразным другое деление на поддиапаэоны. Таким образом, введение блока пороговых элементов управляемого преобразователя период - код и переключаемого источника опорного напряжения обеспечивает линеаризацию статической характеристики устройства сравнения.

Наряду с линеариэацией использование управляемого преобразователя периодкод позволяет уменьшить разрядность множительного ЦАП, входящего в состав устройства. При отсутствии такого делитепя для получения погрешности дискретности на максимальной частоте порядка 0,33 и динамическом див максс пазоне ®О множительный ЦАП ювм должен иметь 16 двоичных разрядов.

Такие преобразователи являются весьма сложными и дорогостоящими устройствами и их применение для рассматриваемых целей практически нецелесообразно. Использование же в йредлагаемом устройстве управляемого делителя частоты позволяет при тех же погрешностях ограничиться 9-разрядным множительным ЦАП, что вполне приемлемо.

Таким образом, предлагаемое устройство простыми средствами и с достаточной точностью (погрешности порядка 0,33 ) обеспечивает формирование сигнала рассогласования в системах автоматического регулирования частоты с заданием в форме напряжения и обратной связью в виде частоты следования импульсов, причем сравнение сигналов осуществляется без применения промежуточных преобразователей часто" та — напряжение или:напряжение - час.тота.

Ио сравнению с известными устройствами аналогичного назначения предлагаемое устройство обладает сущест- венно более высоким быстродействием, так как оно не требует сглаживающих 4и льтров с большими постоянными времени. Предлагаемое устройство обладает быстродействием, близким к пре- . дельно возможному, так как получение информации о сигнале ошибки обеспечивается в нем за два периода дат-; чика. частотного сигнала (предельное быстродействие соответствует одному периоду ).

1054896

F.(Ü×) и Е(df) обратно пропорциональны регулируемой частоте f. Эта особенность предлагаемого устройства приводит к существенной нелинейности системы регулирования, в которой оно 5 используется. Для устранения указанного недостатка в устройство введены блок пороговых элементов 32 и управляемый делитель частоты 8. При уменьшении напряжения задания У (и со" тО ответственно регулируемой частоты fJ элемент 12 увеличивает коэффициент деления частоты делителя 8, в результате чего происходит уменьшение числа импульсов, накапливаемых в счетчике 7, и отношение-Кф сохраняет,ся приблизительно постоянным во всем диапазоне сравниваемых сигналов. Од-, новременно с увеличением коэффициен-, та деления делителя 8 блок пороговых 20 элементов 12 перестраивает источник опорного напряжения Ф так, что напряжение О уменьшается во столько же раз. во сколько увеличивается Кэ.

Поэтому отношение@/Етакже сохраня- 25 ется практически постоянным во всем диапазоне сравниваемых сигналов. уровни сравнения задающего сигна-. ла в блоке пороговых, элементов выбираются в соответствии с заданным ди-, ЗО намическим диапазоном изменения частоты К, допустимым изменением коэффициента передачи устройства срав" нения и разрядностью цифроаналогового преобразователя.

Пусть, например, динамический диа

nasoH Nake =100t т.е. Устройств иии ао срааиаииа работает а систеие,обеспечивающей автоматическое регулиро" . 4О вание частоты от 1 до 1903 f .Если: не принять специальных мер, то в ука-, занном диапазоне частот коэффициент передачи К устройства сравнения из" меняется в 300 раз, что во многих случаях неприемлемо. Кроме того, тако изменение частоты при допустимой погрешности 0,13 требует t6-разрядного цифроаналогового преобразователя.:

Задаваясь допустимым изменением коэффициента передачи о 2 (вмес- ®О то (00 ), весь диапазон изменения разбиваем на 7 поддиапазонов. При этом уровни сравнения пороговых элементов должны иметь следующие значения:

8 каждом поддиапазоне сГ не превы" шает 2.

305489

Наряду с повышением быстродействия предлагаемое устройство обеспечивает расширение диапазона изменения регулируемого параметра. В иэВестных устройствах непосредственного 5 сравнения (беэ промежуточных преобразователей J достигается устойчивая

;работа обычно в пределах 5-1003 мак;симального значения регулируемой частоты . (в диапазоне 0-5В иэ-за нали 30 чия усредняющих фильтров обеспечить . устойчивость. систем регулирования

:практически черезвычайно трудно ).

Предлагаемое устройство имеет несомненные преимущества и по сравне- И .нию с устройствами, в которых преобразование частоты в напряжение осу- . ществляется цифровыми методами. Так .при непосредственном преобразовании частоты в код и последующем сравне- 2О нии,полученного кода с уставкой возникают большие запаздывания, в осо-: бенности на низких частотах. При частотах порядка единиц Гц и точности преобразования порядка 0,)3 время щ запаздывания достигает нескольких сот секунд, что неприемлемо. для систем автоматического регулирования.

Если же в устройстве сравнения прв = меняются методы преобразования периода в код, то возникает необходи- : мость введения в схему последователь но с эадатчиком специального обратного гиперболического преобразовате" ля. йогрешности таких гиперболических преобразователей черезмер :о велики (порядка одного - двух процентов, что также неприемлемо для систем ав". томатического регулирования частоты..

Таким образом, предлагаемое уст" ройство имеет сущестаенные преимущества как перед прототипом, так и перед другими устройствами аналогич» ного назначения. Учитывая, что основные узлы предлагаемого устройства (s том числе и наиболее сложный узел - множительный ЦДЙ) в настоящее время реализуются в виде (линейиых -; и цифровых f интегральных схем широкого применения, устройство найдет применение в различных системах автома- тического регулирования частоты и других физическик параметров, кото= рые могут быть преобразованы в частоту, >о54896

Составитель В, Иясников

Редактор Т Иитейко Техреду И.Кузька Корректор Ае Дзятко

Заказ 91i8/57 Тираж 93Г йодписное

ВНИИПИ Государственного коиитетв CCCP по делан изобретений и открытий

11303Б Иосква Ж-35 Раииская наб. д. Ф/5

4 «в» и «юемэ йюйй Ле е а ° е Лют ь Ве е юа юмеююювейвъаемееева а у юавеею

Филиал 1ШП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, й