Συχνότητα αναφοράς. Σημειώσεις διάλεξης: Μετρολογικά χαρακτηριστικά ηλεκτρονικών παλμογράφων. Οι πρόσθετες επιλογές περιλαμβάνουν

Σύνθεση συχνοτήτων - ο σχηματισμός ενός διακριτού συνόλου συχνοτήτων από μία ή περισσότερες συχνότητες αναφοράς f on. Η συχνότητα αναφοράς είναι μια εξαιρετικά σταθερή συχνότητα ενός αυτοταλαντωτή, συνήθως χαλαζία.

Ο συνθέτης συχνότητας (MF) είναι μια συσκευή που υλοποιεί τη διαδικασία σύνθεσης. Ο συνθεσάιζερ χρησιμοποιείται σε συσκευές ραδιοφωνικής λήψης και εκπομπής συστημάτων ραδιοεπικοινωνίας, ραδιοπλοήγησης, ραντάρ και άλλους σκοπούς.

Οι κύριες παράμετροι του συνθεσάιζερ είναι: το εύρος συχνοτήτων του σήματος εξόδου, ο αριθμός N και το βήμα του δικτύου συχνοτήτων Df w, η μακροπρόθεσμη και βραχυπρόθεσμη αστάθεια συχνότητας, το επίπεδο των πλαστών στοιχείων στο σήμα εξόδου και ο χρόνος μετάβασης από τη μια συχνότητα στην άλλη. Στους σύγχρονους συνθεσάιζερ, ο αριθμός των διακριτών συχνοτήτων που δημιουργεί μπορεί να φτάσει τις δεκάδες χιλιάδες και το βήμα του πλέγματος μπορεί να ποικίλλει από δεκάδες hertz σε δεκάδες και εκατοντάδες kilohertz. Η μακροπρόθεσμη αστάθεια συχνότητας, που προσδιορίζεται από έναν αυτοταλαντωτή χαλαζία, είναι 10 –6 και σε ειδικές περιπτώσεις - 10 –8 ... 10 –9. Το εύρος συχνοτήτων ενός συνθεσάιζερ ποικίλλει ευρέως ανάλογα με το σκοπό του εξοπλισμού στον οποίο χρησιμοποιείται.

Τα πρακτικά σχέδια συνθεσάιζερ συχνότητας είναι πολύ διαφορετικά. Παρά αυτή την ποικιλομορφία, μπορούμε να σημειώσουμε τις γενικές αρχές που διέπουν την κατασκευή των σύγχρονων συνθεσάιζερ:

Όλοι οι συνθεσάιζερ βασίζονται στη χρήση μιας εξαιρετικά σταθερής ταλάντωσης αναφοράς με μια ορισμένη συχνότητα f 0, η πηγή της οποίας είναι συνήθως ένας ταλαντωτής κρυστάλλου αναφοράς.

Η σύνθεση πολλαπλών συχνοτήτων πραγματοποιείται με την εκτεταμένη χρήση διαιρετών, πολλαπλασιαστών και μετατροπέων συχνότητας, διασφαλίζοντας τη χρήση μιας ταλάντωσης αναφοράς για το σχηματισμό ενός πλέγματος συχνοτήτων.

Παροχή συνθεσάιζερ συχνότητας με ρύθμιση δεκαήμερης συχνότητας διεγέρτη.

Με βάση τη μέθοδο δημιουργίας ταλαντώσεων εξόδου, οι συνθεσάιζερ χωρίζονται σε δύο ομάδες: σε αυτούς που κατασκευάζονται με τη μέθοδο της άμεσης (παθητικής) σύνθεσης και σε αυτούς που κατασκευάζονται με τη μέθοδο έμμεσης (ενεργητικής) σύνθεσης.

Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει συνθεσάιζερ στους οποίους οι ταλαντώσεις εξόδου σχηματίζονται με διαίρεση και πολλαπλασιασμό της συχνότητας του ταλαντωτή αναφοράς, ακολουθούμενο από πρόσθεση και αφαίρεση των συχνοτήτων που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα της διαίρεσης και του πολλαπλασιασμού.

Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει συνθεσάιζερ που παράγουν ταλαντώσεις εξόδου σε έναν αυτοταλαντωτή εύρους αρμονικών ταλαντώσεων με παραμετρική σταθεροποίηση συχνότητας, η αστάθεια του οποίου εξαλείφεται από ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου συχνότητας (AFC) που βασίζεται σε συχνότητες αναφοράς (πολύ σταθερές).

Τα συνθεσάιζερ και των δύο ομάδων μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας αναλογικά ή ψηφιακά στοιχεία.

Συνθεσάιζερ κατασκευασμένα με τη μέθοδο της άμεσης σύνθεσης.

Ένας εξαιρετικά σταθερός ταλαντωτής χαλαζία δημιουργεί ταλαντώσεις με συχνότητα f 0, οι οποίες παρέχονται στους διαιρέτες και τους πολλαπλασιαστές συχνότητας των συχνοτήτων MF και HF.

Οι διαιρέτες συχνότητας μειώνουν τη συχνότητα των καυσαερίων f 0 κατά ακέραιο αριθμό φορές (d) και οι πολλαπλασιαστές συχνότητας την αυξάνουν κατά ακέραιο αριθμό φορές (k). Οι συχνότητες που λαμβάνονται ως αποτέλεσμα της διαίρεσης και του πολλαπλασιασμού της συχνότητας του ταλαντωτή αναφοράς (f 0) χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό συχνοτήτων αναφοράς σε ειδικές συσκευές που ονομάζονται αισθητήρες συχνότητας αναφοράς. Ο συνολικός αριθμός των αισθητήρων συχνότητας αναφοράς σε έναν συνθεσάιζερ συχνότητας μεσαίου εύρους εξαρτάται από το εύρος των συχνοτήτων που παράγονται από το συνθεσάιζερ και το διάστημα μεταξύ γειτονικών συχνοτήτων: όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος συχνοτήτων μεσαίου εύρους και όσο μικρότερο το διάστημα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των απαιτούμενων συχνοτήτων. Με μια ρύθμιση συχνότητας δέκα ημερών, κάθε DFC δημιουργεί δέκα συχνότητες αναφοράς με ένα συγκεκριμένο διάστημα μεταξύ γειτονικών συχνοτήτων. Ο συνολικός αριθμός των απαιτούμενων αισθητήρων καθορίζεται από τον αριθμό των ψηφίων (bit) στην εγγραφή της μέγιστης συχνότητας του συνθεσάιζερ.

Οι συχνότητες αναφοράς που παράγονται στους αισθητήρες τροφοδοτούνται στους αναμικτήρες. Τα φίλτρα με δυνατότητα μεταγωγής ζώνης που περιλαμβάνονται στην έξοδο των μίξερ υπογραμμίζουν τη συνολική συχνότητα σε αυτό το παράδειγμα: στην έξοδο του πρώτου f 1 + f 2 , στην έξοδο του δεύτερου f 1 + f 2 + f 3 , στην έξοδο του τρίτη f 1 + f 2 + f 3 + f 4 .

Η συχνότητα στην έξοδο του διεγέρτη με ρύθμιση δεκαημέρου καθορίζεται από τις θέσεις των διακοπτών κάθε δεκαετίας.

Η σχετική αστάθεια συχνότητας στην έξοδο του συνθεσάιζερ είναι ίση με την αστάθεια των καυσαερίων. Το μειονέκτημα αυτού του τύπου συνθεσάιζερ είναι η παρουσία μεγάλου αριθμού συνδυαστικών συχνοτήτων στην έξοδό του, γεγονός που εξηγείται από την ευρεία χρήση μίξερ.

Συσκευές σύνθεσης συχνότητας κατασκευασμένες με τη μέθοδο της έμμεσης σύνθεσης

Σε συνθεσάιζερ που κατασκευάζονται με τη μέθοδο της έμμεσης σύνθεσης, η πηγή των ταλαντώσεων εξόδου είναι ένας αυτοταλαντωτής εύρους αρμονικών ταλαντώσεων, που ρυθμίζεται αυτόματα σε εξαιρετικά σταθερές συχνότητες που παράγονται στο μπλοκ συχνοτήτων αναφοράς του BOCH.

Η ουσία της αυτόματης ρύθμισης συχνότητας του AFC είναι ότι οι ταλαντώσεις του ταλαντωτή που χρησιμοποιούν πολύ σταθερές συχνότητες μετατρέπονται σε μια ορισμένη σταθερή συχνότητα f του AFC, η οποία συγκρίνεται με την τιμή της συχνότητας αναφοράς. Εάν οι συγκρίσιμες συχνότητες δεν ταιριάζουν, δημιουργείται μια τάση ελέγχου, η οποία εφαρμόζεται στο ελεγχόμενο ενεργό στοιχείο και αλλάζει την τιμή της αντιδραστικότητάς του (χωρητικότητα ή επαγωγή).

Στο κύκλωμα που καθορίζει τη συχνότητα του AG περιλαμβάνονται ελεγχόμενα αντιδραστικά στοιχεία. Η συχνότητα AG αλλάζει έως ότου η f AFC πλησιάσει τη συχνότητα αναφοράς με έναν αρκετά μικρό υπολειπόμενο αποσυντονισμό.

Ανάλογα με τη συσκευή σύγκρισης, όλα τα συστήματα AFC μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους:

Συστήματα με έλεγχο συχνότητας κλειδωμένης συχνότητας, στα οποία χρησιμοποιούνται ανιχνευτές συχνότητας μαύρων οπών ως συσκευή σύγκρισης.

Συστήματα με βρόχο κλειδώματος φάσης βρόχου κλειδώματος φάσης, που χρησιμοποιούν ανιχνευτές φάσης PD ως συσκευή σύγκρισης.

Συστήματα με αυτόματο έλεγχο συχνότητας παλμικής φάσης (IFAP), στα οποία η συσκευή σύγκρισης είναι οι ανιχνευτές παλμικής φάσης IPD.

Συνθεσάιζερ με κλείδωμα φάσης βρόχου κλειδώματος φάσης, σε αντίθεση με

οι συνθεσάιζερ με CAP δεν έχουν υπολειπόμενο αποσυντονισμό. Στο σύστημα PLL, η συσκευή σύγκρισης είναι ο ανιχνευτής φάσης PD. Η τάση ελέγχου στην έξοδο PD είναι ανάλογη με τη διαφορά φάσης μεταξύ των δύο ταλαντώσεων που εφαρμόζονται σε αυτήν, οι συχνότητες των οποίων είναι ίσες σε σταθερή κατάσταση.

Δύο ταλαντώσεις στενών συχνοτήτων παρέχονται στο PD: η μία είναι μια αναφορά με συχνότητα f 0 που δημιουργείται στον κύλινδρο, η δεύτερη είναι προϊόν μετατροπής των ταλαντώσεων του ταλαντωτή στο μίξερ χρησιμοποιώντας ένα πλέγμα συχνοτήτων f 01 με την κάννη

f PR = f UG – f 01.

Εάν τα f PR και f 0 είναι κοντά σε τιμές, τότε η τάση ελέγχου από την έξοδο PD αντισταθμίζει τον αποσυντονισμό της μονάδας ελέγχου και f PR = f 0, και δημιουργείται μια σταθερή λειτουργία στο σύστημα. Ωστόσο, το σύστημα PLL λειτουργεί σε μια πολύ στενή ζώνη συχνοτήτων, που δεν υπερβαίνει τα λίγα kHz. Για να εξασφαλιστεί ο συντονισμός της κυματομορφής υπερήχων σε όλο το εύρος συχνοτήτων της, χρησιμοποιείται ένα σύστημα αυτόματης αναζήτησης σε έναν συνθεσάιζερ με βρόχο κλειδώματος φάσης, ο οποίος, αλλάζοντας τη συχνότητα της κυματομορφής υπερήχων σε όλο το εύρος συχνοτήτων, διασφαλίζει ότι εμπίπτει στη ζώνη κάλυψης του συστήματος βρόχου κλειδώματος φάσης. Το σύστημα αυτόματης αναζήτησης είναι ένας αυτοταλαντωτής τάσης πριονωτή, ο οποίος ξεκινά όταν δεν υπάρχει τάση ελέγχου στην έξοδο του φίλτρου χαμηλής διέλευσης. Μόλις οι συχνότητες του UG πέσουν στη ζώνη λήψης του συστήματος PLL, η γεννήτρια αναζήτησης απενεργοποιείται, το σύστημα εισέρχεται στη λειτουργία αυτόματου συντονισμού με δυναμική ισορροπία f PR = f 0.

Η χρήση λογικών στοιχείων στη μεσαία κατηγορία οδήγησε στην εμφάνιση νέων τύπων συνθεσάιζερ, τα οποία ονομάζονται ψηφιακά. Έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των αναλογικών. Είναι πιο απλά, πιο αξιόπιστα στη λειτουργία και έχουν μικρότερες διαστάσεις και βάρος.

Η χρήση λογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στον ψηφιακό μετατροπέα συχνότητας κατέστησε δυνατή την εξάλειψη σχεδόν πλήρως της μετατροπής συχνότητας του UG, αντικαθιστώντας τους μετατροπείς με έναν διαιρέτη συχνότητας με έναν μεταβλητό συντελεστή διαίρεσης DPKD.

Μπλοκ διάγραμμα ενός συνθεσάιζερ με έναν βρόχο βρόχου κλειδωμένου φάσης

Στο διάγραμμα DPKD - ένας διαιρέτης με μεταβλητό συντελεστή διαίρεσης - ένας προγραμματιζόμενος ψηφιακός μετρητής K-bit. Ο σκοπός των άλλων συνδέσμων στο κύκλωμα είναι ξεκάθαρος από τις επιγραφές που έγιναν σε αυτούς. Η μονάδα ελέγχου λαμβάνει και αποθηκεύει δεδομένα προγραμματισμού και παράγει ένα σήμα κωδικού, το οποίο ορίζει την τιμή του συντελεστή διαίρεσης N ανάλογα με την εντολή που λαμβάνει ο συνθεσάιζερ. Ως αποτέλεσμα της δράσης του ελέγχου συχνότητας κλειδώματος φάσης, καθορίζεται η ισότητα των συχνοτήτων των σημάτων που φτάνουν στην είσοδο του διαχωριστή παλμικής φάσης: f 1 = f 2, η οποία μας επιτρέπει να γράψουμε την ακόλουθη σχέση για το συχνότητες των σταθεροποιημένων και αναφοράς αυτοταλαντωτών, λαμβάνοντας υπόψη τις τιμές των συντελεστών διαίρεσης:

Σύμφωνα με το βήμα του πλέγματος συχνοτήτων Df w =f fl /M. Με την αλλαγή της ελεγχόμενης τιμής N, ρυθμίζεται η απαιτούμενη τιμή συχνότητας της σταθεροποιημένης γεννήτριας, η οποία, με τη βοήθεια ενός στοιχείου ελέγχου, μπορεί να συντονιστεί στην απαιτούμενη περιοχή συχνοτήτων.

Επί του παρόντος, κατά την ανάπτυξη ηλεκτρονικού εξοπλισμού, δίνεται μεγάλη προσοχή στη σταθερότητα των χαρακτηριστικών του. Οι κινητές ραδιοεπικοινωνίες, συμπεριλαμβανομένων των κυψελοειδών επικοινωνιών, δεν αποτελούν εξαίρεση. Η κύρια προϋπόθεση για την επίτευξη σταθερών χαρακτηριστικών των εξαρτημάτων ηλεκτρονικού εξοπλισμού είναι η σταθερότητα της συχνότητας του κύριου ταλαντωτή.

Οποιοσδήποτε ηλεκτρονικός εξοπλισμός, συμπεριλαμβανομένων των δεκτών, των πομπών και των μικροελεγκτών, συνήθως περιέχει μεγάλο αριθμό γεννητριών. Αρχικά, έπρεπε να γίνουν προσπάθειες για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα της συχνότητας όλων των γεννητριών. Με την ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας, οι άνθρωποι έμαθαν να σχηματίζουν μια ταλάντωση οποιασδήποτε συχνότητας από μια αρχική συχνότητα. Ως αποτέλεσμα, κατέστη δυνατό να διατεθούν πρόσθετα κεφάλαια για να αυξηθεί η σταθερότητα συχνότητας του ONE ταλαντωτή και έτσι να ληφθεί ένα εύρος συχνοτήτων με πολύ υψηλή σταθερότητα. Αυτή η γεννήτρια συχνότητας ονομάζεται γεννήτρια αναφοράς

Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν ειδικές μέθοδοι σχεδιασμού για τη λήψη σταθερών ταλαντώσεων γεννητριών LC:

• Η αλλαγή στην επαγωγή λόγω της διαστολής του μεταλλικού σύρματος αντισταθμίστηκε με την επιλογή ενός υλικού πυρήνα, το αποτέλεσμα του οποίου ήταν το αντίθετο από αυτό των αγωγών επαγωγής.
• το μέταλλο κάηκε σε κεραμικό πυρήνα με χαμηλό συντελεστή διαστολής θερμοκρασίας.
• Στο κύκλωμα συμπεριλήφθηκαν πυκνωτές με διαφορετικούς συντελεστές χωρητικότητας θερμοκρασίας (TKE).

Με αυτόν τον τρόπο, ήταν δυνατό να επιτευχθεί σταθερότητα της συχνότητας ταλαντωτή αναφοράς 10 -4 (σε συχνότητα 10 MHz η μετατόπιση συχνότητας ήταν 1 kHz)

Ταυτόχρονα, έγιναν εργασίες για τη χρήση εντελώς διαφορετικών μεθόδων για τη λήψη σταθερών ταλαντώσεων. Αναπτύχθηκαν χορδές, πιρούνια συντονισμού και μαγνητοσυσταλτικές γεννήτριες. Η σταθερότητά τους έφτασε σε πολύ υψηλές τιμές, αλλά ταυτόχρονα οι διαστάσεις, η πολυπλοκότητα και η τιμή τους εμπόδισαν την ευρεία διανομή τους. Μια επαναστατική σημαντική ανακάλυψη ήταν η ανάπτυξη των γεννητριών που χρησιμοποιούν. Ένα από τα πιο κοινά κυκλώματα ταλαντωτή χαλαζία, κατασκευασμένο σε διπολικό τρανζίστορ, φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σε αυτό το κύκλωμα ταλαντωτή αναφοράς, η ισορροπία πλάτους παρέχεται από το τρανζίστορ VT1 και η ισορροπία φάσης παρέχεται από το κύκλωμα Z1, C1, C2. Η γεννήτρια συναρμολογείται σύμφωνα με το πρότυπο. Η διαφορά είναι ότι αντί για επαγωγέα χρησιμοποιείται αντηχείο χαλαζία Z1. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε αυτό το σχήμα δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε . Συχνά αποδεικνύεται αρκετά. Ένα παρόμοιο διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα 2.

Τα κυκλώματα ταλαντωτή χαλαζία που φαίνονται στα σχήματα 1 και 2 καθιστούν δυνατή τη λήψη σταθερότητας της συχνότητας ταλάντωσης αναφοράς της τάξης του 10 -5 Η βραχυπρόθεσμη σταθερότητα των ταλαντώσεων του ταλαντωτή αναφοράς έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο φορτίο. Εάν υπάρχουν εξωτερικές ταλαντώσεις στην έξοδο του ταλαντωτή αναφοράς, οι ταλαντώσεις του μπορούν να αποτυπωθούν. Ως αποτέλεσμα, ο κρυσταλλικός ταλαντωτής θα παράγει ταλαντώσεις στη συχνότητα παρεμβολής. Για να αποφευχθεί η εκδήλωση αυτού του φαινομένου στον ταλαντωτή αναφοράς, συνήθως εγκαθίσταται ένας ενισχυτής στην έξοδο του, ο κύριος σκοπός του οποίου είναι να μην επιτρέψει στις εξωτερικές ταλαντώσεις να περάσουν στον ταλαντωτή χαλαζία. Ένα παρόμοιο διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα 3.

Μια εξίσου σημαντική παράμετρος που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τον θόρυβο φάσης του ταλαντωτή (για ψηφιακά κυκλώματα - jitter του σήματος συγχρονισμού) είναι η τάση τροφοδοσίας, επομένως οι κρυσταλλικοί ταλαντωτές αναφοράς τροφοδοτούνται συνήθως από μια εξαιρετικά σταθερή πηγή τάσης χαμηλού θορύβου και η ισχύς είναι φιλτραρισμένο από κυκλώματα RC ή LC.

Η μεγαλύτερη συμβολή στην αστάθεια συχνότητας του ταλαντωτή χαλαζία έχει η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της συχνότητας συντονισμού του συντονιστή χαλαζία. Στην κατασκευή αντηχείων ταλαντωτή αναφοράς κρυστάλλου, συνήθως χρησιμοποιούνται κοπές AT, οι οποίες παρέχουν την καλύτερη σταθερότητα συχνότητας ανάλογα με τη θερμοκρασία. Είναι 1*10 -5 (10 εκατομμυριοστά ή 10 ppm). Ένα παράδειγμα της εξάρτησης της συχνότητας των συντονιστών χαλαζία με κοπή AT από τη θερμοκρασία σε διαφορετικές γωνίες κοπής (βήμα γωνίας κοπής 10") φαίνεται στο Σχήμα 4.

Μια αστάθεια συχνότητας 1*10 -5 είναι επαρκής για τις περισσότερες ραδιοηλεκτρονικές συσκευές, επομένως οι ταλαντωτές χαλαζία χρησιμοποιούνται ευρέως χωρίς ειδικά μέτρα για την αύξηση της σταθερότητας συχνότητας. Οι σταθεροποιημένοι με κρύσταλλο ταλαντωτές αναφοράς χωρίς πρόσθετα μέτρα σταθεροποίησης συχνότητας ονομάζονται XO.

Όπως φαίνεται από το Σχήμα 4, η εξάρτηση της συχνότητας συντονισμού ενός συντονιστή χαλαζία κομμένου ΑΤ από τη θερμοκρασία είναι πολύ γνωστή. Επιπλέον, αυτή η εξάρτηση μπορεί να αφαιρεθεί πειραματικά για κάθε συγκεκριμένη περίπτωση ενός συντονιστή χαλαζία. Επομένως, εάν μετράτε συνεχώς τη θερμοκρασία του κρυστάλλου χαλαζία (ή τη θερμοκρασία μέσα στον ταλαντωτή αναφοράς χαλαζία), τότε η συχνότητα ταλάντωσης του ταλαντωτή αναφοράς μπορεί να μετατοπιστεί στην ονομαστική τιμή αυξάνοντας ή μειώνοντας την πρόσθετη χωρητικότητα που συνδέεται με τον αντηχείο χαλαζία .

Ανάλογα με το κύκλωμα ελέγχου συχνότητας, αυτοί οι ταλαντωτές αναφοράς ονομάζονται TCXO (αντισταθμιζόμενοι με τη θερμοκρασία κρυσταλλικοί ταλαντωτές) ή MCXO (κρυσταλλικοί ταλαντωτές ελεγχόμενοι από μικροελεγκτή). Η σταθερότητα συχνότητας τέτοιων ταλαντωτών αναφοράς χαλαζία μπορεί να φτάσει το 0,5*10 -6 (0,5 εκατομμυριοστά ή 0,5 ppm)

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ταλαντωτές αναφοράς παρέχουν τη δυνατότητα προσαρμογής της ονομαστικής συχνότητας παραγωγής εντός μικρών ορίων. Η ρύθμιση της συχνότητας πραγματοποιείται με την τάση που εφαρμόζεται σε ένα varicap συνδεδεμένο με έναν συντονιστή χαλαζία. Το εύρος ρύθμισης συχνότητας της γεννήτριας δεν υπερβαίνει ένα κλάσμα του ποσοστού. Μια τέτοια γεννήτρια ονομάζεται VCXO. Μέρος του κυκλώματος ταλαντωτή αναφοράς (χωρίς κύκλωμα θερμικής αντιστάθμισης) φαίνεται στο Σχήμα 5.

Επί του παρόντος, πολλές εταιρείες παράγουν ταλαντωτές αναφοράς με σταθερότητα συχνότητας έως 0,5 * 10 -6 σε περιβλήματα μικρού μεγέθους. Ένα παράδειγμα σχεδίου μιας τέτοιας γεννήτριας αναφοράς φαίνεται στο Σχήμα 6.

Βιβλιογραφία:

Μαζί με το άρθρο "Ταλαντωτές αναφοράς" διαβάστε:

http://site/WLL/KvGen.php

http://site/WLL/synt.php

Σύμφωνα με τα τελευταία στατιστικά στοιχεία, περίπου το 70% του συνόλου της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στον κόσμο καταναλώνεται από ηλεκτροκινητήρες. Και κάθε χρόνο αυτό το ποσοστό αυξάνεται.

Με μια σωστά επιλεγμένη μέθοδο ελέγχου ενός ηλεκτροκινητήρα, είναι δυνατό να επιτευχθεί μέγιστη απόδοση, μέγιστη ροπή στον άξονα της ηλεκτρικής μηχανής και ταυτόχρονα θα αυξηθεί η συνολική απόδοση του μηχανισμού. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες που λειτουργούν αποτελεσματικά καταναλώνουν ελάχιστη ηλεκτρική ενέργεια και παρέχουν μέγιστη απόδοση.

Για ηλεκτρικούς κινητήρες που τροφοδοτούνται από μετατροπέα, η απόδοση θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από την επιλεγμένη μέθοδο ελέγχου της ηλεκτρικής μηχανής. Μόνο με την κατανόηση των πλεονεκτημάτων κάθε μεθόδου μπορούν οι μηχανικοί και οι σχεδιαστές συστημάτων οδήγησης να έχουν τη μέγιστη απόδοση από κάθε μέθοδο ελέγχου.
Περιεχόμενο:

Μέθοδοι ελέγχου

Πολλοί άνθρωποι που εργάζονται στον τομέα του αυτοματισμού, αλλά δεν συμμετέχουν στενά στην ανάπτυξη και εφαρμογή συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης, πιστεύουν ότι ο έλεγχος ηλεκτροκινητήρα αποτελείται από μια σειρά εντολών που εισάγονται χρησιμοποιώντας μια διεπαφή από πίνακα ελέγχου ή υπολογιστή. Ναι, από την άποψη της γενικής ιεραρχίας ελέγχου ενός αυτοματοποιημένου συστήματος, αυτό είναι σωστό, αλλά υπάρχουν και τρόποι ελέγχου του ίδιου του ηλεκτροκινητήρα. Αυτές οι μέθοδοι είναι που θα έχουν τον μέγιστο αντίκτυπο στην απόδοση ολόκληρου του συστήματος.

Για ασύγχρονους κινητήρες που είναι συνδεδεμένοι σε μετατροπέα συχνότητας, υπάρχουν τέσσερις κύριες μέθοδοι ελέγχου:

• U/f – βολτ ανά hertz;
• U/f με κωδικοποιητή.
• Διανυσματικός έλεγχος ανοιχτού βρόχου.
• Διανυσματικός έλεγχος κλειστού βρόχου.

Και οι τέσσερις μέθοδοι χρησιμοποιούν διαμόρφωση πλάτους παλμού PWM, η οποία αλλάζει το πλάτος ενός σταθερού σήματος μεταβάλλοντας το πλάτος των παλμών για τη δημιουργία ενός αναλογικού σήματος.

Η διαμόρφωση πλάτους παλμού εφαρμόζεται στον μετατροπέα συχνότητας χρησιμοποιώντας μια σταθερή τάση διαύλου DC. με το γρήγορο άνοιγμα και κλείσιμο (πιο σωστά, μεταγωγή) παράγουν παλμούς εξόδου. Μεταβάλλοντας το πλάτος αυτών των παλμών στην έξοδο, προκύπτει ένα «ημιτονοειδές» της επιθυμητής συχνότητας. Ακόμα κι αν το σχήμα της τάσης εξόδου των τρανζίστορ είναι παλμικό, το ρεύμα εξακολουθεί να λαμβάνεται με τη μορφή ημιτονοειδούς, καθώς ο ηλεκτροκινητήρας έχει μια αυτεπαγωγή που επηρεάζει το σχήμα του ρεύματος. Όλες οι μέθοδοι ελέγχου βασίζονται στη διαμόρφωση PWM. Η διαφορά μεταξύ των μεθόδων ελέγχου έγκειται μόνο στη μέθοδο υπολογισμού της τάσης που παρέχεται στον ηλεκτροκινητήρα.

Σε αυτήν την περίπτωση, η φέρουσα συχνότητα (εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα) αντιπροσωπεύει τη μέγιστη συχνότητα μεταγωγής των τρανζίστορ. Η φέρουσα συχνότητα για μετατροπείς είναι συνήθως στην περιοχή 2 kHz - 15 kHz. Η αναφορά συχνότητας (εμφανίζεται με μπλε χρώμα) είναι το σήμα εντολής συχνότητας εξόδου. Για μετατροπείς που χρησιμοποιούνται σε συμβατικά συστήματα ηλεκτροκίνησης, κατά κανόνα, κυμαίνεται από 0 Hz έως 60 Hz. Όταν τα σήματα δύο συχνοτήτων υπερτίθενται το ένα πάνω στο άλλο, θα εκδοθεί ένα σήμα για το άνοιγμα του τρανζίστορ (υποδεικνύεται με μαύρο χρώμα), το οποίο παρέχει τάση ισχύος στον ηλεκτροκινητήρα.

Μέθοδος ελέγχου U/F

Ο έλεγχος Volt-per-Hz, που συνήθως αναφέρεται ως U/F, είναι ίσως η απλούστερη μέθοδος ελέγχου. Χρησιμοποιείται συχνά σε απλά συστήματα ηλεκτροκίνησης λόγω της απλότητάς του και του ελάχιστου αριθμού παραμέτρων που απαιτούνται για τη λειτουργία. Αυτή η μέθοδος ελέγχου δεν απαιτεί την υποχρεωτική εγκατάσταση κωδικοποιητή και υποχρεωτικές ρυθμίσεις για έναν ηλεκτροκινητήρα μεταβλητής συχνότητας (αλλά συνιστάται). Αυτό οδηγεί σε χαμηλότερο κόστος για βοηθητικό εξοπλισμό (αισθητήρες, καλώδια ανάδρασης, ρελέ, κ.λπ.). Ο έλεγχος U/F χρησιμοποιείται αρκετά συχνά σε εξοπλισμό υψηλής συχνότητας, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται συχνά σε μηχανές CNC για την κίνηση της περιστροφής του άξονα.

Το μοντέλο σταθερής ροπής έχει σταθερή ροπή σε όλο το εύρος στροφών με τον ίδιο λόγο U/F. Το μοντέλο μεταβλητού λόγου ροπής έχει χαμηλότερη τάση τροφοδοσίας σε χαμηλές στροφές. Αυτό είναι απαραίτητο για να αποφευχθεί ο κορεσμός της ηλεκτρικής μηχανής.

Το U/F είναι ο μόνος τρόπος ρύθμισης της ταχύτητας ενός ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος επιτρέπει τον έλεγχο πολλών ηλεκτρικών μονάδων κίνησης από έναν μετατροπέα συχνότητας. Αντίστοιχα, όλα τα μηχανήματα ξεκινούν και σταματούν ταυτόχρονα και λειτουργούν στην ίδια συχνότητα.

Αλλά αυτή η μέθοδος ελέγχου έχει αρκετούς περιορισμούς. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε τη μέθοδο ελέγχου U/F χωρίς κωδικοποιητή, δεν υπάρχει καμία απολύτως βεβαιότητα ότι ο άξονας μιας ασύγχρονης μηχανής περιστρέφεται. Επιπλέον, η ροπή εκκίνησης μιας ηλεκτρικής μηχανής σε συχνότητα 3 Hz περιορίζεται στο 150%. Ναι, η περιορισμένη ροπή είναι υπεραρκετή για να χωρέσει τον περισσότερο υπάρχοντα εξοπλισμό. Για παράδειγμα, σχεδόν όλοι οι ανεμιστήρες και οι αντλίες χρησιμοποιούν τη μέθοδο ελέγχου U/F.

Αυτή η μέθοδος είναι σχετικά απλή λόγω των πιο χαλαρών προδιαγραφών της. Η ρύθμιση της ταχύτητας είναι συνήθως στην περιοχή 2% - 3% της μέγιστης συχνότητας εξόδου. Η απόκριση ταχύτητας υπολογίζεται για συχνότητες άνω των 3 Hz. Η ταχύτητα απόκρισης του μετατροπέα συχνότητας καθορίζεται από την ταχύτητα απόκρισής του σε αλλαγές στη συχνότητα αναφοράς. Όσο υψηλότερη είναι η ταχύτητα απόκρισης, τόσο πιο γρήγορα θα ανταποκριθεί ο ηλεκτροκινητήρας στις αλλαγές στη ρύθμιση ταχύτητας.

Το εύρος ελέγχου ταχύτητας όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος U/F είναι 1:40. Πολλαπλασιάζοντας αυτόν τον λόγο με τη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα, λαμβάνουμε την τιμή της ελάχιστης συχνότητας στην οποία μπορεί να λειτουργήσει η ηλεκτρική μηχανή. Για παράδειγμα, εάν η μέγιστη τιμή συχνότητας είναι 60 Hz και η περιοχή είναι 1:40, τότε η ελάχιστη τιμή συχνότητας θα είναι 1,5 Hz.

Το μοτίβο U/F καθορίζει τη σχέση μεταξύ συχνότητας και τάσης κατά τη λειτουργία μιας μονάδας μεταβλητής συχνότητας. Σύμφωνα με αυτήν, η καμπύλη ρύθμισης της ταχύτητας περιστροφής (συχνότητα ηλεκτρικού κινητήρα) θα καθορίσει, εκτός από την τιμή της συχνότητας, και την τιμή της τάσης που παρέχεται στους ακροδέκτες της ηλεκτρικής μηχανής.

Οι χειριστές και οι τεχνικοί μπορούν να επιλέξουν το επιθυμητό μοτίβο ελέγχου U/F με μία παράμετρο σε έναν σύγχρονο μετατροπέα συχνότητας. Τα προεγκατεστημένα πρότυπα είναι ήδη βελτιστοποιημένα για συγκεκριμένες εφαρμογές. Υπάρχουν επίσης ευκαιρίες να δημιουργήσετε τα δικά σας πρότυπα που θα βελτιστοποιηθούν για μια συγκεκριμένη κίνηση μεταβλητής συχνότητας ή σύστημα ηλεκτροκινητήρα.

Συσκευές όπως ανεμιστήρες ή αντλίες έχουν ροπή φορτίου που εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής τους. Η μεταβλητή ροπή (εικόνα παραπάνω) του σχεδίου U/F αποτρέπει σφάλματα ελέγχου και βελτιώνει την απόδοση. Αυτό το μοντέλο ελέγχου μειώνει τα ρεύματα μαγνήτισης σε χαμηλές συχνότητες μειώνοντας την τάση στο ηλεκτρικό μηχάνημα.

Μηχανισμοί σταθερής ροπής, όπως μεταφορείς, εξωθητές και άλλος εξοπλισμός χρησιμοποιούν μια μέθοδο ελέγχου σταθερής ροπής. Με σταθερό φορτίο, απαιτείται πλήρες ρεύμα μαγνήτισης σε όλες τις ταχύτητες. Αντίστοιχα, το χαρακτηριστικό έχει ευθεία κλίση σε όλο το εύρος στροφών.

Μέθοδος ελέγχου U/F με κωδικοποιητή

Εάν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ακρίβεια του ελέγχου ταχύτητας περιστροφής, προστίθεται ένας κωδικοποιητής στο σύστημα ελέγχου. Η εισαγωγή της ανάδρασης ταχύτητας με χρήση κωδικοποιητή σάς επιτρέπει να αυξήσετε την ακρίβεια ελέγχου στο 0,03%. Η τάση εξόδου θα εξακολουθεί να προσδιορίζεται από το καθορισμένο μοτίβο U/F.

Αυτή η μέθοδος ελέγχου δεν χρησιμοποιείται ευρέως, καθώς τα πλεονεκτήματα που παρέχει σε σύγκριση με τις τυπικές λειτουργίες U/F είναι ελάχιστα. Η ροπή εκκίνησης, η ταχύτητα απόκρισης και το εύρος ελέγχου ταχύτητας είναι όλα πανομοιότυπα με τα τυπικά U/F. Επιπλέον, όταν αυξάνονται οι συχνότητες λειτουργίας, ενδέχεται να προκύψουν προβλήματα με τη λειτουργία του κωδικοποιητή, καθώς έχει περιορισμένο αριθμό στροφών.

Διανυσματικός έλεγχος ανοιχτού βρόχου

Ο διανυσματικός έλεγχος ανοιχτού βρόχου (VC) χρησιμοποιείται για ευρύτερο και πιο δυναμικό έλεγχο ταχύτητας μιας ηλεκτρικής μηχανής. Κατά την εκκίνηση από έναν μετατροπέα συχνότητας, οι ηλεκτροκινητήρες μπορούν να αναπτύξουν ροπή εκκίνησης 200% της ονομαστικής ροπής σε συχνότητα μόνο 0,3 Hz. Αυτό επεκτείνει σημαντικά τη λίστα των μηχανισμών όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια ασύγχρονη ηλεκτρική κίνηση με διανυσματικό έλεγχο. Αυτή η μέθοδος σας επιτρέπει επίσης να ελέγχετε τη ροπή του μηχανήματος και στα τέσσερα τεταρτημόρια.

Η ροπή περιορίζεται από τον κινητήρα. Αυτό είναι απαραίτητο για την αποφυγή ζημιών σε εξοπλισμό, μηχανήματα ή προϊόντα. Η τιμή των ροπών διαιρείται σε τέσσερα διαφορετικά τεταρτημόρια, ανάλογα με την φορά περιστροφής της ηλεκτρικής μηχανής (εμπρός ή πίσω) και ανάλογα με το αν ο ηλεκτροκινητήρας εφαρμόζει . Μπορούν να οριστούν όρια για κάθε τεταρτημόριο ξεχωριστά ή ο χρήστης μπορεί να ορίσει τη συνολική ροπή στον μετατροπέα συχνότητας.

Η λειτουργία κινητήρα μιας ασύγχρονης μηχανής θα παρέχεται έτσι ώστε το μαγνητικό πεδίο του ρότορα να υστερεί σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο του στάτορα. Εάν το μαγνητικό πεδίο του ρότορα αρχίσει να ξεπερνά το μαγνητικό πεδίο του στάτορα, τότε το μηχάνημα θα εισέλθει σε λειτουργία αναγεννητικής πέδησης με απελευθέρωση ενέργειας, με άλλα λόγια, ο ασύγχρονος κινητήρας θα μεταβεί σε λειτουργία γεννήτριας.

Για παράδειγμα, μια μηχανή κάλυψης φιάλης μπορεί να χρησιμοποιεί περιορισμό ροπής στο τεταρτημόριο 1 (προς τα εμπρός με θετική ροπή) για να αποτρέψει την υπερβολική σύσφιξη του πώματος της φιάλης. Ο μηχανισμός κινείται προς τα εμπρός και χρησιμοποιεί τη θετική ροπή για να σφίξει το καπάκι της φιάλης. Αλλά μια συσκευή όπως ένας ανελκυστήρας με αντίβαρο βαρύτερο από το άδειο θάλαμο θα χρησιμοποιεί το τεταρτημόριο 2 (αντίστροφη περιστροφή και θετική ροπή). Εάν η καμπίνα ανέβει στον τελευταίο όροφο, τότε η ροπή θα είναι αντίθετη από την ταχύτητα. Αυτό είναι απαραίτητο για να περιοριστεί η ταχύτητα ανύψωσης και να αποτραπεί η ελεύθερη πτώση του αντίβαρου, καθώς είναι βαρύτερο από την καμπίνα.

Η ανάδραση ρεύματος σε αυτούς τους μετατροπείς συχνότητας σάς επιτρέπει να ορίσετε όρια στη ροπή και το ρεύμα του ηλεκτροκινητήρα, καθώς καθώς αυξάνεται το ρεύμα, αυξάνεται και η ροπή. Η τάση εξόδου του μετατροπέα μπορεί να αυξηθεί εάν ο μηχανισμός απαιτεί περισσότερη ροπή ή να μειωθεί εάν επιτευχθεί η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του. Αυτό καθιστά την αρχή ελέγχου διανυσμάτων μιας ασύγχρονης μηχανής πιο ευέλικτη και δυναμική σε σύγκριση με την αρχή U/F.

Επίσης, οι μετατροπείς συχνότητας με διανυσματικό έλεγχο και ανοιχτό βρόχο έχουν ταχύτερη απόκριση ταχύτητας 10 Hz, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση του σε μηχανισμούς με φορτία κρούσης. Για παράδειγμα, στους βραχοθραυστήρες, το φορτίο αλλάζει συνεχώς και εξαρτάται από τον όγκο και τις διαστάσεις του πετρώματος που επεξεργάζεται.

Σε αντίθεση με το μοτίβο ελέγχου U/F, ο διανυσματικός έλεγχος χρησιμοποιεί έναν διανυσματικό αλγόριθμο για τον προσδιορισμό της μέγιστης αποτελεσματικής τάσης λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα.

Ο διανυσματικός έλεγχος VU λύνει αυτό το πρόβλημα λόγω της παρουσίας ανάδρασης στο ρεύμα του κινητήρα. Κατά κανόνα, η ανάδραση ρεύματος δημιουργείται από τους εσωτερικούς μετασχηματιστές ρεύματος του ίδιου του μετατροπέα συχνότητας. Χρησιμοποιώντας την λαμβανόμενη τιμή ρεύματος, ο μετατροπέας συχνότητας υπολογίζει τη ροπή και τη ροή της ηλεκτρικής μηχανής. Το βασικό διάνυσμα ρεύματος κινητήρα χωρίζεται μαθηματικά σε ένα διάνυσμα ρεύματος μαγνήτισης (I d) και ροπής (I q).

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα και τις παραμέτρους της ηλεκτρικής μηχανής, ο μετατροπέας υπολογίζει τα διανύσματα του ρεύματος μαγνήτισης (I d) και της ροπής (I q). Για να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση, ο μετατροπέας συχνότητας πρέπει να διατηρεί τα Id και I q διαχωρισμένα κατά γωνία 90 0. Αυτό είναι σημαντικό γιατί sin 90 0 = 1, και η τιμή 1 αντιπροσωπεύει τη μέγιστη τιμή ροπής.

Γενικά, ο διανυσματικός έλεγχος ενός επαγωγικού κινητήρα παρέχει αυστηρότερο έλεγχο. Η ρύθμιση ταχύτητας είναι περίπου ±0,2% της μέγιστης συχνότητας και το εύρος ρύθμισης φτάνει το 1:200, το οποίο μπορεί να διατηρήσει τη ροπή όταν λειτουργεί σε χαμηλές ταχύτητες.

Διανυσματικός έλεγχος ανάδρασης

Ο διανυσματικός έλεγχος ανάδρασης χρησιμοποιεί τον ίδιο αλγόριθμο ελέγχου με το VAC ανοιχτού βρόχου. Η κύρια διαφορά είναι η παρουσία ενός κωδικοποιητή, ο οποίος επιτρέπει στον οδηγό μεταβλητής συχνότητας να αναπτύξει 200% ροπή εκκίνησης στις 0 σ.α.λ. Αυτό το σημείο είναι απλώς απαραίτητο για τη δημιουργία μιας αρχικής στιγμής κατά την απομάκρυνση από ανελκυστήρες, γερανούς και άλλα ανυψωτικά μηχανήματα, προκειμένου να αποφευχθεί η καθίζηση του φορτίου.

Η παρουσία ενός αισθητήρα ανάδρασης ταχύτητας σάς επιτρέπει να αυξήσετε τον χρόνο απόκρισης του συστήματος σε περισσότερο από 50 Hz, καθώς και να επεκτείνετε το εύρος ελέγχου ταχύτητας σε 1:1500. Επίσης, η παρουσία ανάδρασης σάς επιτρέπει να ελέγχετε όχι την ταχύτητα της ηλεκτρικής μηχανής, αλλά τη ροπή. Σε ορισμένους μηχανισμούς, είναι η τιμή της ροπής που έχει μεγάλη σημασία. Για παράδειγμα, μηχανή περιέλιξης, μηχανισμοί απόφραξης και άλλα. Σε τέτοιες συσκευές είναι απαραίτητο να ρυθμιστεί η ροπή του μηχανήματος.