Аналоговые регуляторы в системах подчиненного управ­ления электроприводов строятся на основе операционных усилителей (ОУ) — усилителей постоянного тока с высоким входным и очень низким выходным сопротивлениями. Техно­логия интегральных микросхем позволяет в настоящее время изготавливать высококачественные и недорогие ОУ. В неко­торой части своего рабочего диапазона ОУ ведет себя как линейный усилитель напряжения с очень большим коэффи­циентом усиления (105 — 106), Если в схеме ОУ не предусмот­рена отрицательная обратная связь с выхода на вход, то из-за высокого коэффициента усиления, он обязательно попадает в режим насыщения. Поэтому схемы регуляторов на базе ОУ содержат отрицательную обратную связь.

Операционный усилитель получил свое название благода­ря тому, что с его помощью могут выполняться различные математические операции, такие как умножение, суммирова­ние, интегрирование и дифференцирование. Типовые регуля­торы строятся на базе инвертирующего усилителя, причем входные и выходные цепи, кроме сопротивлений, могут со­держать емкости.

Поскольку коэффициент усиления ОУ велик [Ку = 105 -т - т106), а выходное напряжение [/вых ограничено напряжением

питания ип, то потенциал точки А (рис. 6.2, а)

Фд = 1/вых/Ку близок к нулю. Т. е. точка А выполняет функцию

кажущейся земли (заземлять точку А нельзя, иначе схема станет неработоспособной).

В связи с изложенным можно записать

^вх(р) — ^о. с(р)

где /вх, /0.с “ ток соответственно входной цепи и цепи обрат­ной связи.

Соотношение (6.1) используется для синтеза регулятора с требуемой передаточной функцией. Синтез сводится к выбо­ру типов и значений входных сопротивлений Zsx(p) и сопро­тивления цепи обратной связи Zoc(p).

Схемы, передаточные функции и переходные функции ре­гуляторов различных типов приведены в табл. 6.2.

Для получения П-регулятора на вход и в цепь обратной связи ОУ включают резисторы; для получения И-регулятора во входную цепь включают резистор, а в цепь обратной связи — конденсатор; для получения ПИ-регулятора во вход­ную цепь включают резистор, а в цепь обратной связи — по­следовательно соединенные резистор и конденсатор. ПИД-регулятор может быть выполнен на одном усилителе с помощью активно-емкостных цепей на входе и в цепи обрат­ной связи.

Промышленностью выпускаются операционные усилители различных типов на интегральных микросхемах (ИМС) как круглой, так и прямоугольной формы. Наибольшее распро­странение для построения регуляторов получили ОУ типов К140УД7, К553УД2, К157УД2 и др.

Уменьшить размеры и повысить надежность устройств аналоговых систем управления электроприводов можно при внедрении гибридной технологии для их изготовления. При изготовлении гибридных интегральных схем (ГИС) активные элементы (ОУ) устанавливаются на печатной плате в твердо­тельном (бескорпусном) исполнении, а конденсаторы и рези­сторы — методом пленочной технологии (напылением пленок из проводящих, полупроводящих и непроводящих материа­лов). Полученный модуль может быть залит компаундом или помещен в корпус.

Ограничение координат электропривода (тока, скорости и др.) осуществляется включением в структуру регулятора внешнего контура регулирования узлов ограничения. По­следние могут быть управляемыми и неуправляемыми. На рис. 6.2, б приведена схема ограничения выходного напряже­ния пропорционального регулятора с отсекающими диодами VD1, VD2 и управляемым опорным напряжением [70П. Схема позволяет получить несимметричную относительно начала координат характеристику вход-выход с различным уровнем ограничиваемого выходного напряжения, (рис. 6.2, в). На рис, 6.2, г приведена схема ограничения выходного напряже­ния регулятора скорости PC с выпрямительным мостом UZ в цепи обратной связи ОУ. Возможны и другие варианты схем управляемого ограничения выходного напряжения ОУ с ис­пользованием транзисторов.

До последнего времени в автоматизированном электро­приводе исполнительных механизмов отечественных буровых установок основное применение получили средства аналого­вой вычислительной техники. За последние годы рядом про­ектных и научно-исследовательских организаций ведутся ра­боты по созданию микропроцессорных систем управления.

По сравнению с аналоговыми системами микропроцессор­ные системы обладают рядом преимуществ. Отметим некото­рые из них.

Гибкость. Возможность путем перепрограммирования из­менения не только параметров системы управления, но и ал­горитмов и даже структуры. При этом аппаратная часть сис­темы остается неизменной. В аналоговых системах потребо­валось бы перекомпоновка аппаратной части.

Программное обеспечение микроЭВМ можно легко кор­ректировать как в предпусковой период, так и в процессе их эксплуатации. Благодаря этому снижаются затраты и сроки проведения наладочных работ и изменяется их характер, по­скольку необходимые эксперименты по определению харак­теристик и параметров, а также настройка регуляторов могут быть проведены автоматически самой микроЭВМ по заранее подготовленной программе.

Снятие всех ограничений на структуру управляющего устройства и законы управления. При этом показатели каче­ства цифровых систем могут значительно превышать показа­тели качества управления непрерывных систем управления.

Путем введения соответствующих программ могут быть реализованы сложные законы управления (оптимизация, адаптация, прогнозирование и др.), в том числе и такие, ко­торые весьма сложно осуществить с помощью аналоговых средств. Появляется возможность решения интеллектуальных задач, обеспечивающих правильность и эффективность веде­ния технологических процессов. На основе микроЭВМ могут быть построены системы любых типов, включая системы с подчиненным управлением, многомерные системы с перекре­стными связями и др.

Самодиагностика и самотестирование цифровых управ­ляющих устройств. Возможность проверки исправности ме­ханических узлов привода, силовых преобразователей, датчи­ков и другого оборудования во время технологических пауз, т. е. автоматическая диагностика состояния оборудования и раннее предупреждение аварий.

Эти возможности дополняются развитыми средствами борьбы с помехами. Главное здесь — замена аналоговых ли­ний передачи информации цифровыми, содержащими галь­ванические развязки, волоконно-оптические каналы, помехо­устойчивые интегральное микросхемы в качестве усилителей и коммутаторов.

Более высокая точность вследствие отсутствия дрейфа ну­ля, характерного для аналоговых устройств. Так, цифровые системы регулирования скорости электропривода могут обеспечить повышение точности регулирования на два по­рядка по сравнению с аналоговыми.

Простота визуализации параметров процесса управления путем применения цифровых индикаторов, индикаторных панелей и дисплеев, организации диалогового режима обмена информацией с оператором.

Большая надежность, меньшие габариты, масса и стои­мость. Высокая надежность микроЭВМ по сравнению с ана­логовой техникой обеспечивается применением больших ин­тегральных микросхем (БИС), наличием специальных систем защиты памяти, помехозащищенности и другими средствами. Благодаря высокому уровню технологии производства БИС снижаются затраты на изготовление систем управления элек­троприводов. Эти преимущества особо проявляются при ис­пользовании одноплатных и однокристальных ЭВМ.