4.6. Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы 167

5-10 .\ н выдерживать разность потенциалов более 100 В. Из-за наличия внутреннего сопротивления при прохождении тока транзистор рассеивает некоторую энергию, поэтому, чтобы избежать перегрева, их нужно монтировать с учетом требований охлаждения.

При управлении большими моппюстями (> 100 Вт) между выходом компьютера ii электронным выключателем не должно быть прямых электрических связей, в противном случае выключатель является источником помех, которые могут повлиять на работу компьютера. Кроме того, при пробое выключателя высокое напряжение, предназначенное для питания привода, может повредить компьютер через прямую .электрическую связь. Чтобы избежать указанных проблем, необходима гальваническая развязка, например схема с использованием оптической передачи сигнала управления, вк.лючаюн1ая светодиод и фототранзистор, расположенные вблизи друг друга и исключающие прямой электрический контакт.

Важный класс полупроводниковых выключателей - тиристоры. Типичными представителями этого класса являются симметричный триодный тиристор, или си-мистор (TRIode АС semiconductor - Triacs), и однооперационный триоидный тиристор, или однооперационный тринистор (Silicon-Controlled Rectifier - SCR). Другое название этих полупроводниковых приборов - управляемые твердотельные выпрямители (solid-state controlled rectifiers).

После того как тиристор, включенный управляющим импульсом, "поджигается", он будет оставаться включенным до тех пор, пока через него течет ток. Другими словами, в отличие от силового или полевого транзистора тиристор не выключается, когда исчезает управляющий сигнал. Тиристор не отключается даже если приложенное напряжение падает до нуля. Отключение происходит только в то.м случае, если управляющее напряжение меняет знак - вынужденная коммутация. Тиристоры чаще всего исгюльзуются для отключения переменных токов, потому что изменение полярности через одинаковые промежутки времени, по крайней мере один раз за период, позволяет погасить тиристор при отсутствии управляющего импульса - естественная коммутация.

Тиристоры могут управлять значительно Гюльшими мощностями, чем силовые или полевые транзисторы. В проводящем состоянии внутреннее сопротивление тиристора практически равно нулю, соответственно, падение напряжения и выделение тепла минимальны, и ими можно пренебречь.

4.6.2. Отключение индуктивных нагрузок

Ксли отключать исполнительное устройство с индуктивностью - например, элект-[кивнгатель или обмотки соленоида - с по.монцло обычного выключателя, то могут во.тикнуть проблемы. Напряжение на индукторе исполнительного устройства равно

?; = l • - dt

где/, - И11дуктив1гость, а г - ток исполнительного устройства. Если ток отключается достаточно быстро, напряжение на индуктивности в процессе отключения может стать значительным (рис. 4.29).

выключателя

напряжение на выключателе

время

врет

Рис. 4.29. Броски напряжения, во.э1Н1кающие в индуктивном исполнительном механизме при размыкании выключателя

Броски напряжения могут повредить выключатель, поэтому их необходимо гасить. Для этого можно использовать разрядный (шунтируюнщй) диод (/гее-токеейщ diode), подключенный параллельно нагрузке (рис. 4.,30).

При размыкании выключателя ток индуктивности протекает через диод. Напряжение на исполнительном устройстве ограничено величиной менее 1 В, что соответствует падению напряжения на диоде. Выключатель должен выдерживать только номинальное напряжение, а не перенапряжения. Ток индуктивности через разрядный диод затухает экспоненциально; скорость затухания можно увеличить, включив последовательно с диодом резистор.

индуктивная нагрузка

источник питания

выключатель

- исполнительного -г механизма

Рис. 4.30. Применение шунтирующего диода для гашения бросков напряжения, возникающих нри отключении индуктивных нагру.зок

4.7. Исполнительные механизмы с электроприводом

Термин привод {drive system) обозначает комбинацию двигателя с управляюш? .олектропикой. Применение управляющих схем значительно улучшает функци" нальные свойства электродвигателя, позволяя регулировать скорость и момент вшС роких пределах и с высокой точностью. Большинство исполнительных механизме-используемых в систе.мах управления, являются аналоговыми, например двигате.* постоянного тока, синхронные и асинхронные двигатели переменного тока. llJiipo

применяются и шаговые двигатели, но их системы управления заметно отличаются от приводов непрерывного действия. Привод может быть частью другого механизма, например системы позиционирования клапана, манипулятора робота и т. д. Обычный CD-плейер содержит приводы для врап1ения диска и позиционирования держателя считывающего лазерного датчика. При этом и скорость диска, и положение головки должны выдерживаться с высокой точностью. В этом разделе рассмотрены наиболее важные аспекты точного управления электроприводом.

4.7.1. Усилители мощности

Выходные порты компьютера имеют очень низкую моп{Ность и не мотут непос-редствешю управлять каким-либо физическим устройством. Для того чтобы возбуждать исполнительные механизмы, взаимодействуюп{ие с физическим процессом (двигатели и т. п.), выходной сигнал компьютера необходимо усиливать. Усилители \юп(ности управляюн{их сигналов могут быть выполнены как отдельные устройства, так и входить непосредственно в состав исполнительного механизма. При уровнях мощности до нескольких сотен ватт можно использовать усилители, аналогичные применяемым в аудиосистемах, которые называются операционными усилителями мощности (power operatio?ialamplifiers). При больших моп{Ностях чаще используется название сервоусилитель или программируемый источник энергоснабжения iprograminable power supplies). Конструктивно последние обычно выполнены таким образом, чтобы их можно было монтировать вместе с двигателями или электроклапа-иами. Выходным напряжением программируемых источников можно управлять с помощью аналогового или цифрового сигнала.

- широтно-импульсная модуляция (П1ИМ, pulse-width modulation - PWM). В этом случае выходное напряжение переключается между двумя постоянными значениями с высокой частотой, обычно в диапазоне нескольких килогерц. Средний уровень напряжения поддерживается изменением (модуляцией) ширины импульсов. На рис. 4.31 приведен пример такого сигнала. "Узкие" импульсы соответствуют низко.му, а "широкие" - высокому среднему напряжению. Устройство 111ИМ включается в схему управления моп{Ностью на основе твердотельных выключателей типа транзисторов, Monuibix полевых МОП-транзисторов или тиристоров. В преобразователях для .моииюстей порядка 300 кВт используются так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT). Для больших уровней moujhocth целесообразно применять запираемые тиристоры {Gate Тит Off thyristors ~ СТО thyristors).

Технология ШИМ используется в тех случаях, когда обычный усилитель просто сгорит из-за высокого уровня монщости. Переключения приводят к тому, что твердотельные приборы загружены полной моипюстью лишь короткое время и, соответственно, рассеивание .монщости в них мало, а значит, ШИМ-усилители имеют высокую эффективность. Дополнительным преимуществом ШИМ-усилителей является возмож1гость непосредственного управления переключениями через цифровой выходной порт компьютера.

ШИМ-управление широко используется в технике исполнительных механизмов непрерывного действия, таких как двигатели переменного и постоянного тока и гидропривод. Если частота переключений ШИМ-усилителя достаточно высока но сравнению с постояшюй времени исполнительного .механиз.ма, то ре.зу.пьтирующий сиг-