3.5. Проектування та розрахунок цифрової частини псс

До цифрової частини ПСС входять (рис.3.15):

ОТ - обертовий трансформатор;

ПФК - перетворювач фаза-код;

ПЗ - пристрій зрівнювання;

РРО - регістр різниці та обмеження;

ЦАП - перетворювач цифра-аналог;

Кл - знаковий ключ;

ГІ - генератор імпульсів;

ПЧ - подільник частоти;

Ф - фільтр;

П - підсилювач.

Елементи ГI, ПЧ,Ф та П створюють джерело двохфазної напруги для живлення обмоток ОТ. ПФК є перетворювачем аналогового сигналу зворотного зв’язку в цифровий (АЦП). Елементи ПЗ та РРО утворюють вимірювальний пристрій з цифровим виходом, а разом з ЦАП - з аналого-вим виходом.

Вхідний  та вихідний U₁ сигнали ЦЧ - аналогові. Задане значення регульованої величини N_ вводиться в ПЗ двійковим кодом. Аналоговим є також вихідний сигнал Ф, П та ОТ.

Вихідні сигнали ГI та ПЧ являють собою послідовність однополярних прямокутних імпульсів. Вихідний сигнал ПФК виробляється в унітарному, а сигнали ПЗ та РРО - в двійковому кодах.

Діаграми сигналів показано на рис.3.16.

Генератор імпульсів (Рис.3.17)

Складається з логічних елементв НЕ1-НЕ4 та кварцового резонатора КР. Елемент НЕ1, який працює на ємнісне навантаження, та елемент НЕЗ, що керується пилоподібним сигналом (рис.3.18), повинні бути з відкритим колектором.

Частота ГI f_г не повинна перевищувати допустимої для серії К155 величини 10 МГц. Рекомендується прийняти f_г = 8 МГц.

Подільник частоти (рис.3.19).

Складається з трьох чотирирозрядних двійкових лічильників та логічного елемента НЕ. Вихідні сигнали N_cos та N_sin, що знімаються відповідно з виходів Q₁ та Q₄ третього лічильника (рис.3.20), являють собою послідовність прямокутних імпульсів, які зміщені один відносно другого на четверть періоду.

Рекомендується прийняти число розрядів ПЧ

n_пч = 12 (2)

(три елементи (лічильника) з чотирма виходами кожний). Тоді частота вихідних імпульсів

f_пч = f_г/ 2^nпч = 1,95 кГц (3)

буде знаходитися в межах робочого діапазону ОТ.

Квант кута

_2 2^nпч =2 ^-11 рад = 5,3` (4)

порядку похибки ОТ.

Діюче значення першої гармоніки вихідної напруги ПЧ

U_пч = (2/)(U¹ - U⁰ ) (5)

де U¹ та U⁰ - напруги логічних “1” і “0” на виході ПЧ.

Полосовий фільтр

Застосовується активний фільтр на частоті, найближчої до (З). Вихідна напруга Ф:

U_ф = k_ф U_пч (6)

де k_ф - коефіцієнт підсилення фільтру.

Повинна справджуватися умова U_ф  U_{вих m}

Фільтр складається з двох мікромодулів типу 273 ФЕ1-01133, які включаються в канали синусоїдального та косинусоїдального сигналів.

Обертовий трансформатор

Застосовується безконтактний індукційний ОТ типу БИФ-112 з номінальною частотою f_N=2 кГцf_пч=1,95 кГц і похибкою _О= 4,5` ,який працює у фазовому індикаторному режимі.

Повний опір обмотки збудження ОТ

Z=U_N / I_N (7)

де U_N, I_N - номінальні значення напруги та струму обмотки збудження ОТ .

Похибка вимірювання пристрою

_в =_от + _=10` =2,910^-3 рад

Допустима моментна похибка

_м = _с-_в =_с - 2,910^-3 рад (8)

Підсилювач (рис.3.21)

Від Ф

Рис. 3.21. Підсилювач.

Кожний з двох каналів П складається з операційного підсилювача та емітерного повторювача на транзисторі Т.

Рекомендується вибирати напруги джерела живлення емітерного повторювача та емітерний опір на рівнях

U_ж =+15 В; R_e=Z

Діюче значення вихідної напруги емітерного повторювача повинно задовольняти нерівності:

(9)

яке випливає з умови відсікання транзистора Т ( приймається допущення, що Z активне). Максимальна потужність, яка виділяється на переході к - е транзистора Т

(10)

Транзистор вибирається з умов:

U_{ке доп} > 2U_ж; P_{ке доп}  P_{ке m} (11)

Найбільший струм бази

(12)

Повинна справджуватися нерівність:

I_{б m} U_{вих m} / R_{н min} (13)

де U_{вих m} - напруга насичення ОП; R_{н min} - мінімально допустимий опір навантаження ОП.

Коефіцієнт підсилення П

k_п = U_y / U_ф = R₂ / R₁ (14)

Вихідна напруга ОТ

U_= k_от U_y, (15)

де k_от - коефіцієнт трансформації ОТ.

Перетворювач фаза-код (рис.3.22)

До складу перетворювача входять:

К 1,2 - компаратори;

ФКI 1,2 - формувачі коротких імпульсів;

Т - R-S - тригер;

И - логічний елемент.

Перетворювач виробляє на виході в кожному тактовому інтервалі пакет імпульсів, що являє собою кут в унітарному коді N_. тактова частота (3) визначається генератором ГI з поділь-ником частоти ПЧ. Фронт та зріз пакета відповідають моментам початку додатніх напівхвиль відповідно напруг U_sin та U_ (див. Рис.3.16). Число імпульсів у пакеті

N_= (/2)2^nпч = 4096 (/2) (16)

В якості тригера можна використовувати і J-К- тригер. При цьому входи J,К та С заземлю-ються.Формувачі коротких імпульсів (рис.3.23) виробляють на виході короткі імпульси в моменти появи фронтів на виходах компараторів (рис.3.24). У ФКІ використовуються логічні елементи НЕ та И - НЕ з відкритим колектором. Ємкість С беруть порядку декількох сотень пФ.

Пристрій порівняння (рис.3.25)

Якщо _m < , застосовується 12 - розрядний двійковий реверсивний лічильник, причому старший розряд Q₁₂ застосовується як знаковий. Лічильник складається з трьох чотирирозрядних мікросхем. Задавальний сигнал у вигляді 11- розрядного двійкового коду подається з програмного пристрою на входи Д1Д11 лічильника.

Сигнал N_в унітарному коді подається протягом тактового інтервалу з виходу ПФК на вхід “-1” першого лічильника. Сигнал розузгодження Q_в двійковому коді знімається з вихо-дів Q 1Q11.

Команда на скидання результату і початок нового відрахунку подається на входи С, R у вигляді коротких імпульсів U_y1, що виробляються ПФК в тактові моменти часу (див. рис. 3.22).

Лічильник відпрацьовує додатнє розузгодження в прямому двійковому коді з нулем в знаковому розряді

 >0 Q_=0, Q₁₁,……,Q_і,…….Q₁ (17)

Від’ємне розузгодження відпрацьовується в зворотному двійковому коді з одиницею в знако-вому розряді

< 0 Q_= 1,Q₁₁,….Q_і,…Q₁, (18)

Де

Q_і =1-Q_і (19)

У тому випадку, коли  <_m< 2 , всі 12 розрядів лічильника використовуються як інформа-ційні, а знаковим служить молодший розряд додаткової (четвертої) чотирирозрядної мікросхеми.

Регістр різниці та обмеження (рис.3.26)

Блок РРО запам’ятовує в моменти появи імпульсів U_y2 (з ПФК) сигнал ПЗ і обмежує його рівень при “0” в знаковому розряді ПЗ восьмирозрядним двійковим числом з одиницями у всіх розрядах, якому відповідає число квантів розузгодження N_o =2⁸ -1=255 (рис.3.27). При “1” у знаковому розряді та “0” хоча б в одному з розрядів 911 ПЗ, вихідний сигнал блоку приймає нульові значення в усіх восьми розрядах.

До складу РРО входять чотирирозрядні буферні регістри БР1 та БР2 і логічні елементи. При “0” на знаковому розряді і двійковому числі Q_, що не виходить за границі восьми розрядів, на виході елемента 2И-1 буде “0”, а на виході елемента 2ИЛИ-3 -“1”.Сигнали розрядів 18 Q_ через елементи 4х2ИЛИ та 4х2И будуть передані на входи Д1Д8 БР1 та БР2.

Якщо з’явиться “1” в одному з розрядів 911, то на виході 2И-1 буде “1” і через елементи 4х2 ИЛИ та 4х2И на входи Д1Д8 поступлять одиниці. При “1” на знаковому розряді та розрядах 911 на виході 2И-1 буде “0”, а на виході 2ИЛИ-3 -“1”. Через елементи 4х2ИЛИ та 4х2И на входи Д1Д8 буде передано код Q_. При появі “0” в одному з розрядів 911 на виході 2ИЛИ-3 буде “0”, елементи 4х2И розірвуть ланки входів Д1Д8 і на виходах Q₁Q₈ встановляться нулі.

Команда на зчитування у вигляді вузького імпульсу U_y2 поступає в тактові моменти часу від ПФК.

Якщо в ПЗ є 12-й інформаційний розряд, то в логічну схему РРО добавляються елементи 2ИЛИ-4 та 2И-2.

Цифро-аналоговий перетворювач (рис.3.28)

Перетворює вихідний двійковий код РРО Q_0 в аналоговий сигнал-ступінчасту напругу U₁. До складу ЦАП входять:

РМК - резистивна матриця з комутуючими ключами;

ОП - операційний підсилювач;

Кл - ключ (переривач).

Вихідний сигнал РРО Q_0 у восьмирозрядному двійковому коді подається на входи

Q₁Q₈ РМК. Крім того, на РМК подається від’ємна опорна напруга, а на інверсний вхід ОП через Кл, що комутується знаковим розрядом ПЗ Q_зн, та резистор R1 - додатня опорна напруга.

Q_0

При Q_зн =0 в деякому масштабі U₁ повторює праву вітку (див. рис.3.27). В якості РМК застосовується 10-розрядний мікромодуль К 572 ПА1, в якому заповнюються тільки вісім розрядів

(20)

Максимальний вихідний сигнал при Q_i=1 та i=18 дорівнює

(

^-10

21)

Величина кванта вихідної напруги

_U₁ =U_оп 2^-10 (22)

При Q_зн =1 з виходу РРО поступає сигнал в оберненому двійковому коді Q_0, а ключ Кл замкнений і

де R=5 кОм - опір елемента резистивної матриці.

При опорі

R₁=4R/(1-2^-8) (23)

який забезпечує симетрію додатньої та від’ємної віток характеристики (рис.3.29),

(24)

Коефіцієнт підсилення цифрової частини ПСС

k₁=_U₁/_ (25)

Для резистивної матриці К 572 ПА1 |U_оп |_доп =17 В. В ЦАП , який виробляє сигнал на постійному струмі, рекомендується

U_оп = 10 15 В (26)

У ПСС з двофазними асинхронними двигунами ЦАП є одночасно і модулятором. В якості опорного використовується напруга змінного струму на частоті обмотки збудження двигуна. Амплітуда опорної напруги не повинна перевищувати |U_оп| _доп. Для К 572 ПА1 рекомендується

U_оп =7-10 В, діюче (27)

Якщо необхідно підвищити U_1m, то можна використовувати в якості інформаційних 9 або 10 розряди РМК. У цьому випадку РРО повинен бути зроблений на таке ж число розрядів:

(28)

Слід замітити, що U_оп повинна вибиратися так, щоб U_1m (або його амплітуда у випадку змінного струму ) не була більшою U_{вих m} ОП.