УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СИГНАЛ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области автоматического регулирования и управления и может быть использована в навигационной технике, устройствах управления углом перекладки руля, в том числе в системах автоматического движения судна.
При реализации систем автоматического управления возникает необходимость в преобразовании сигнала управления постоянного ток в сигнал управления переменного тока. А именно, сигнал управления, в котором абсолютная величина сигнала управления кодируется напряжением постоянного тока, а знак - полярностью тока, необходимо преобразовать в сигнал управления, в котором абсолютная величина сигнала управления кодируется амплитудой синусоидального напряжения, а знак - сдвигом фазы синусоидального напряжения относительно опорного синусоидального напряжения на 0 или 180 градусов.
Известен модулятор для преобразования сигнала управления постоянного тока в сигнал управления переменного тока, выполненный на кремниевом транзисторе, работающем в ключевом режиме (Мордовченко Д.Н., Панякин Л.Г., Таратин А.Ф., Куропаткин П.В. Техническая эксплуатация авторулевых, М., Транспорт, 1980. - с.37).
На фиг.1 приведена принципиальная схема модулятора.
вх
оп
вх
При наличии на базе отрицательного импульса опорного напряжения транзистор закрыт и конденсатор С заряжается. В момент подачи положительного импульса транзистор открывается и конденсатор разряжается. Таким образом, появляется прямоугольный импульс напряжения на входе фильтра низкой частоты. Фаза импульса зависит от полярности входного напряжения U, частота - от частоты опорного напряжения U, a амплитуда - от величины входного напряжения U. Фильтр низкой частоты
обеспечивает преобразование прямоугольного импульса в синусоидальное напряжение на нагрузке.
Недостатками известного устройства являются:
1) отклонение формы выходного от синусоиды,
2) сдвиг фазы выходного напряжения относительно опорного отличается от 0 и 180 градусов,
3) зависимость амплитуды выходного напряжения от входного не является линейной в рабочем диапазоне.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении качества выходного сигнала управления. А именно, выходной сигнал повторяет форму опорного напряжения, сдвиг фазы выходного сигнала относительно опорного напряжения строго равен 0 или 180 градусам. Зависимость амплитуды выходного напряжения от входного напряжения симметрична относительно вертикальной оси.
Технический результат достигается тем, что устройство для преобразования сигнала управления постоянного тока в сигнал управления переменного тока, содержит последовательно соединенные катушку индуктивности и делитель напряжения, умножитель напряжения, один вход которого соединен с делителем напряжения, другой предназначен для подачи опорного напряжения, а выход умножителя напряжения соединен с входом усилителя напряжения с переменным коэффициентом усиления
На фиг.2 представлена схема устройства для преобразования сигнала управления постоянного тока в сигнал управления переменного тока.
Устройство содержит катушку индуктивности 1, делитель напряжения 2, умножитель напряжения 3, усилитель напряжения 4 и переменный резистор 5.
Катушка индуктивности 1 последовательно соединена с делителем напряжения 2. Один вход умножителя напряжения соединен с делителем напряжения, а другой вход предназначен для подачи управляющего напряжения. Выход умножителя напряжения соединен с входом усилителя
напряжения 4 с переменным коэффициентом усиления, который регулируется с помощью переменного резистора 5.
вх
оп
вых
вых
На один из входов умножителя напряжения 3 подается постоянное управляющее напряжение U. На другой вход умножителя напряжения 3 через последовательно включенные индуктивность 1 и делитель напряжения 2 подается переменное опорное напряжение U. Выходное напряжение умножителя U' подается на вход усилителя напряжения 4. Выходное напряжение усилителя 4 U является выходным напряжением устройства для преобразования сигнала управления постоянного тока в сигнал управления переменного тока.
вх
оп
вх
оп
вых
вх
оп
оп
оп
Устройство работает следующим образом. Текущее значение сигнала управления в форме постоянного напряжения U в умножителе напряжения 4 умножается на текущее значение опорного синусоидального напряжения U' и на выход умножителя поступает текущее значение произведения k*U*U'=U', где k - коэффициент, который определяется типом умножителя. Перемножение напряжений выполняется с учетом знаков входных напряжений U и U'. Необходимая амплитуда напряжения U' относительно U устанавливается индуктивностью 1. Для настройки амплитуды выходного синусоидального сигнала управления используется усилитель напряжения 4 с коэффициентом усиления, регулируемым с помощью переменного резистора 5.
Были проведены испытания устройства для преобразования сигнала управления постоянного тока в сигнал управления переменного тока.
t
оп
вых
Графики, представленные на фиг.3 и 4, построены при следующих напряжениях: сигнал управления постоянного тока U=1.5 B, опорное синусоидальное напряжение U'=0.4 B, выходное напряжение устройства U=4.85 В. Для обеспечения минимального сдвига фазы выходного напряжения устройства относительно опорного используется обмотка реле РЕН 17.
На фиг.3 показаны зависимости опорного и выходного напряжений устройства от времени.
Графики фиг.3 показывают, что форма выходного напряжения точно повторяет форму опорного напряжения.
На фиг.4 показана фигура Лиссажу, полученная при подаче на вход 1 и вход 2 двухлучевого осциллографа опорного и выходного напряжений, показанных на графиках фиг.3.
С помощью эллипсоидальной фигуры Лиссажу можно определить сдвиг фазы между двумя синусоидальными величинами одинаковой частоты. Сдвиг фазы в градусах вычисляется по формуле φ=2*(180/π)*arctg(a/b)
где а и b длины полуосей эллипса.
График на фиг.4 показывает, что сдвиг фазы выходного напряжения устройства относительно опорного напряжения практически равен нулю. Следовательно, используя катушки индуктивности, можно добиться практически нулевого сдвига фазы между опорным и выходным напряжениями.
На фиг.5 показана зависимость выходного напряжения устройства от сигнала управления. Видно, что в рабочем диапазоне зависимость амплитуды выходного напряжения от сигнала управления является линейной
Графики на фиг.6 и 7 получены при испытании блока модуляции без использования катушки индуктивности. На фиг.6 показаны зависимости опорного и выходного напряжений от времени.
Графики на фиг.6 показывают, что между опорным напряжением и выходным существует заметный сдвиг фазы.
На рисунке 7 приведена фигура Лиссажу, полученная при подаче на вход 1 и вход 2 двухлучевого осциллографа опорного и выходного напряжений, показанных на графиках фиг.64.
По данным графика фиг.7 можно вычислить сдвиг фазы φ выходного напряжения относительно опорного.
φ=2*(180/π)*arctg(5/35)=16.3 град.
При испытании модулятора для преобразования сигнала управления постоянного тока в сигнал управления переменного тока, выполненном на кремниевом транзисторе, работающем в ключевом режиме, получены следующие результаты.
На фиг.8 показана фигура Лиссажу, полученная при подаче на вход 1 и вход 2 двухлучевого осциллографа опорного напряжения и выходного напряжения модулятора, выполненного на кремниевом транзисторе.
По фиг.8 видно, что между опорным напряжением и выходным напряжением существует значительный сдвиг фазы. Т.к. фигура Лиссажу не эллипс при синусоидальном входном напряжении, то значит выходное напряжение не синусоидальной формы.
На фиг.9 показана зависимость выходного напряжения от сигнала управления. Существует заметная не симметрия графика относительно оси ординат. То есть зависимость амплитуды выходного напряжения от сигнала управления не является линейной в рабочем диапазоне.
Следовательно, модулятор, выполненный на кремниевом транзисторе, работающем в ключевом режиме, вырабатывает выходное напряжение низкого качества.