Д.т.н. Хасцаев Б.Д.

 

Северо-Кавказский горно-металлургический институт, Россия

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  АНАЛОГОВЫХ ФАЗОАМПЛИТУДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ПОНИЖАЮЩИМ ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

 

В состав современных систем управления входят разнообразные первичные преобразователи информации (ППИ), каждый из которых выполняет вполне определенную функцию. В число ППИ входят и фазовые преобразователи, которые разделяются на аналоговые и цифровые. Оба вида фазовых преобразователей могут с достаточно высокой эффективностью                          применяться в системах управления технологическими процессами. В то же время, указанные преобразователи отличаются между собой, а именно, техническими характеристиками, исполнением, вопросами проектирования, реализации и эксплуатации. Рассмотрение этих вопросов представляет собой большой труд, выполнить который в одной работе невозможно, поэтому в предлагаемой работе рассматриваются только аналоговые фазовые преобразователи, чаще всего называемыми аналоговыми фазоамплитудными преобразователями и то, рассматриваются лишь особенности проектирования этих ППИ.

Известно, что аналоговые фазоамплитудные преобразователи               (далее - АФАП) обеспечивают преобразование угла сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами одной частоты в амплитуду постоянного напряжения [1, 2]. Значимость этих устройств, в первую очередь,  определяется тем, что угол сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами одной частоты часто несет богатейшую информацию о состоянии и о свойствах исследуемого или управляемого объекта [3, 4]. Для получения этой информации через исследуемый объект пропускается переменный электрический ток и измеряется задержка этого тока. Задержка определяет собой угол сдвига фаз между сигналом на входе объекта и сигналом на его выходе. Величина угла определяется электрическими свойствами объекта и один из путей измерения его основывается на преобразовании этого угла в унифицированный сигнал постоянного тока на основе АФАП. Отмеченное и позволяет утверждать, что АФАП могут применяться в качестве ППИ в АСУ ТП и, вообще, в системах управления, используемых для автоматизации различных технологических процессов в промышленном производстве. АФАП также применимы с целью повышения информационных свойств и возможностей систем автоматизации научных исследований в области естественных наук и пр. [4]. 

Даже краткий анализ аналогов АФАП показывает необходимость дальнейшего совершенствования последних и важность разработки АФАП с улучшенными характеристиками. Понятно, что это наиболее вероятно на основе новых принципов проектирования АФАП. Таким образом, настоящая работа, посвященная этим  принципам, обеспечивающим построение АФАП с улучшенными свойствами и возможностями, является актуальной работой.   

 Для значимого сокращения аппаратурных затрат и повышения характеристик АФАП целесообразнее всего использование в схеме АФАП операционных усилителей, в связи с чем часть схемы АФАП, как будет показано ниже, разработана на базе операционных усилителей. Эта часть схемы АФАП обеспечивает решение подзадачи, связанной с преобразованием угла сдвига фаз сигналов в длительность импульса. Решение же подзадачи преобразования длительности импульса, пропорционального углу сдвига фаз, в амплитуду постоянного напряжения предлагается здесь на основе понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения (ПИРН). Одновременно ПИРН предложен с целью формирования широкого спектра значений амплитуд постоянного напряжения (это существенно повышает качество автоматизации многих технологических процессов) и с целью улучшения нагрузочных способностей АФАП.

         Важно отметить, что результативность проектирования АФАП во многом зависит от алгоритма проектирования, поэтому в работе приведена блок-схема алгоритма на рис. 1, на основе которого была разработана схема АФАП. Не приводя результатов анализа возможностей предложенного алгоритма и возможностей реализации его этапов, в тексте работы рассмотрены лишь отдельные аспекты проектирования АФАП.

Так как угол сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами одной частоты проще определять на основе прямоугольных импульсов, то в число первоначальных процедур проектирования включена процедура, предусматривающая преобразование входных синусоидальных сигналов в прямоугольные импульсы. Остальные процедуры и шаги алгоритма проектирования легко видны из рис. 1.

Принципы преобразования угла сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами в напряжение иллюстрируются схемой АФАП, разработанной автором и приведенной  на рис. 2. Так рис. 2 (участок 1) показывает применение инвертирующих усилителей DA1 и DA2, выполненных на основе операционных усилителей с глубокой обратной связи, для преобразования двух входных синусоидальных сигналов в прямоугольные импульсы. Соотношением сопротивлений R2/R1 и R4/R3 добивается необходимое усиление усилителей DA1 и DA2. В результате усиления на выходах DA1 и DA2 формируются прямоугольные импульсы с амплитудой, равной напряжению источника питания DA1 и DA2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

Проверка

выполнения задачи

проектирования

 

 

 

Рис. 1. Блок-схема алгоритма проектирования АФАП с понижающим импульсным регулятором постоянного напряжения

 

Формирование прямоугольных импульсов с длительностью,  пропорциональной фазовому сдвигу между прямоугольными импульсами с выходов DA1 и DA2, осуществлено применением дифференциального усилителя DA3, показанного на участке 2 рис. 2. В усилителе DA3, построенного также на основе операционного усилителя, подбором резисторов R5…R8 обеспечиваются единичные коэффициенты усиления по входам DA3.

Мостовой выпрямитель (МВ), приведенный на участке 3 рис. 2,  формирует импульсы одной полярности. Длительность t этих импульсов  пропорциональна углу сдвига фаз Δφ синусоидальных сигналов на входе АФАП. Поэтому справедлива функция - t=f(Δφ). В работе показана возможность использования этих импульсов для реализации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и возможность преобразования Δφ в амплитуду постоянного напряжения в результате использования в оконечном каскаде преобразователя ПИР, приведенного на участке 4  рис. 2 [5].

 

        

Рис.2. Схема  АФАП с мостовым выпрямителем и понижающим импульсным регулятором напряжения

На управляющий элемент ПИР подаются выходные импульсы МВ с длительностями, пропорциональными углу сдвига фаз сигналов, подаваемых на входы АФАП. В результате на выходе ПИР, а значит на выходе АФАП, формируется сигнал, соответствующий углу сдвига фаз сигналов, т.е. ПИР реализует функцию: U= f(Δφ, UDC1),  где UDC1 – напряжения источника питания ПИР.  Отсюда следует, что одна из функций используемого ПИРН - преобразование длительности прямоугольных импульсов в унифицированные сигналы постоянного напряжения.

Возможно применение на выходе ПИРН фильтров, к примеру, фильтра типа LC. Такой фильтр и показан на рис. 2 [5]. Понятно, что применение фильтра определяется необходимостью исключения остаточных пульсаций.

Основными элементами ПИРН, как видно из рис. 2, являются: источник питания DC; регулирующие ключи, реализованные на основе транзисторов VT1, VT2;  катушка индуктивности L1; конденсатор C1; диод VD1; резисторы R9…R11. 

Алгоритм работы АФАП включает в себя следующие процедуры:

- прием от объекта контроля или управления сигналов синусоидальной формы одинаковой частоты, но отличающихся друг от друга по фазе;

- усиление и преобразование принятых сигналов в импульсы прямоугольной формы;

- реализация функции формирования импульсов с длительностью, соответствующей величине угла сдвига фаз, на основе прямоугольных импульсов и выпрямление этих импульсов;  

- подача однополярных импульсов на вход ПИРН;

- формирование на выходе ПИРН напряжений постоянного тока с амплитудами, пропорциональными углам сдвига фаз между сигналами на входе АФАП.

Последний шаг алгоритма связан с созданием сигналов управления с унифицированными значениями. Диапазон изменения этих сигналов (имеющих разные значения), как следует из выше отмеченного, определяется значением напряжения питания ПИР. Отметим то, что широкий диапазон этих сигналов предопределяет рост популярности АФАП и повышение их значимости для систем управления.

В заключении важно подчеркнуть, что разработанное устройство по сравнению с аналогами отличается большей точностью, более широким диапазоном преобразования углов сдвига фаз, меньшими габаритными размерами, большей экономичностью.

Работа должна вызвать интерес у научных работников, студентов и аспирантов, занимающихся проектированием автоматизированных систем управления как для научных исследований, так и для промышленного производства.

 

Литература

1. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: Учебник для вузов / Г.Г. Раннев, А.П. Тарасенко. – 2-е изд., стереотип. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 336 с.

2. Ратхор Т.С.  Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. Москва, Техносфера, 2006. –392 с.

3. Хасцаев Б.Д., Мустафаев Г.А. Повышение точности и достоверности контроля в ТП производства изделий микроэлектроники // Известия КБГУ. Вып.1. 2012.

4. Хасцаев Б.Д., Хасцаев М.Б. Применение информационных свойств электрического импеданса биообъектов в медицине и биологии. Изд-во: LAMBERT Academia Publishing, Германия, 2013. 98 с.

5. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учебник для вузов.  2-е изд.,  стереотипное - М.:  Издательский дом МЭИ. 2009. - 612 с.:  ил.