Датчики скорости и положения, применяющиеся в замкнутых системах управления

Для получения информации о скорости и положении вала дви­гателя в замкнутых ЭП применяются аналоговые и дискретные дат­чики скорости и положения.

Датчики скорости(тахогенераторы)предназначены для измерения скорости вращения вала двигателя или исполнительного органа ра­бочей машины. Они представляют собой специализированные элек­трические машины небольшой мощности, выходное напряжение U_вых ко­торых пропорционально скорости вращения их якоря (ротора), т. е. U_вых = k_тгΩ, где k_тг - коэффициент передачи тахогенератора. Основное тре­бование к тахогенераторам заключается в максимальном приближе­нии зависимости U_вых (Ω), к линейной, что определяет точность их работы.

По принципу своего действия и уст­ройству тахогенераторы бывают посто­янного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока представляют собой небольшие генерато­ры постоянного тока с возбуждением от независимого источника (рис. 191, а) или от постоянного магнита.

Рис.191. Тахогенераторы: а – постоянного тока, б – переменного тока

При отсутствии нагрузки выходное напряжение тахогенератора постоянного тока пропорционально измеряемой угловой скорости U_тг=k_тгΩ. Коэффициент пропорциональности (крутизна характеристики) k_тг можно рассчитать, зная номинальные данные для тахогенератора: выходное напряжение и угловую скорость вращения. В реальных условиях тахогенератор работает на некоторую нагрузку. Ток нагрузки обуславливает появление потока реакции якоря, который приводит к некоторому размагничиванию машины и нарушению линейности выходной характеристики тахогенератора. Для уменьшения отклонения выходной характеристики от линейной нагрузка тахогенератора должна быть высокоомной. В том случае, когда напряжение тахогенератора подано на вход операционного усилителя, это условие выполняется наилучшим образом, т.к. входное сопротивление операционного усилителя составляет десятки – сотни килоом. Пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря и принимая индуктивность обмотки якоря тахогенератора равной нулю, запишем уравнение равновесия напряжения цепи обмотки якоря:

U_тг =E_я-I_яR_н,

где E=k_еΩ – ЭДС обмотки якоря; I_я=U_тг/R_нг – ток обмотки якоря.

Отсюда получим передаточную функцию тахогенератора постоянного тока

W(p)= U_тг (p)/Ω(p)= k_е/(1-R_я/R_н)= k_тг.

При R_н>>R_я получим k_тг≈k_е.

Тахогенераторы переменного тока. В основном применяются асин­хронного типа (асинхронные тахогенераторы) и по своему устройству мало отличаются от одно­фазных асинхронных двигателей. Они имеют две обмотки (см. рис. 191, б), одна из которых ОВ подключается к питающей сети и служит для возбуждения тахогенератора, а другая ОИ явля­ется измерительной. Напряжение на зажимах этой обмотки U_вых про­порционально скорости вращения тахогенератора Ω. Передаточная функция асинхронного тахогенератора имеет такой же вид, как и передаточная функция тахогенератора постоянного тока. Крутизна характеристики асинхронного тахогенератора обычно меньше, чем у тахогенератора постоянного тока. Вместе с тем они выгодно отличаются от тахогенераторов постоянного тока отсутствием щеточного аппарата, незначительным моментом сопротивления, малой инерционностью.

Синхронные тахогенераторы представляют собой однофазный синхронный генератор малой мощности с ротором в виде много­полюсного постоянного магнита. При вращении ротора создавае­мое им магнитное поле пересекает витки обмотки статора и наво­дит в ней ЭДС, пропорциональную скорости вращения, поэтому выходное напряжение на зажимах обмотки статора оказывается про­порциональным скорости ротора.

Особенностью синхронных тахогенераторов является зависи­мость частоты их выходного напряжения от скорости ротора.

Кроме аналоговых датчиков скорости в замкнутых схемах все шире применяются цифровые датчики, сигналы которых могут не­посредственно поступать в цифровые схемы управления. Примене­ние таких датчиков позволяет повысить точность регулирования скорости исполнительных органов рабочих машин и механизмов.

Первичными элементами цифровых датчиков скорости и положения, непосредственно устанавливаемых на валу двигателя или рабочей машины, являются индукционные или фотоэлектрические элементы.

Максимальная скорость вращения любого тахогенератора должна быть выше номинальной угловой скорости вращения двигателя. Кроме того, необходимо учитывать следующие обстоятельства: для гибкой стабилизирующей обратной связи чаще применяются тахогенераторы постоянного тока, поскольку напряжение постоянного тока проще дифференцировать с помощью пассивных RC- четырехполюсников; для жесткой стабилизирующей обратной связи (по скорости) чаще применяются асинхронные тахогенераторы. В схемах с усилителями переменного тока выходной сигнал асинхронного тахогенератора не требует последующей модуляции.

Импульсный индукционный датчик скорости включает в себя зуб­чатый диск 1 (рис. 192), соединенный с валом двигателя или рабо­чей машины. Напротив зубцов этого диска располагается индук­тор 2, представляющий собой постоянный магнит с расположен­ной на нем измерительной обмоткой 3, подключенной к источнику питания U_п. Напряжение, снимаемое с обмотки, подается через конденсатор С на вход усилителя У, выполняющего одновременно роль формирователя импульсов. При вращении диска изменяется зазор между его зубцами и полюсами индуктора 2. Вследствие это­го резко изменяются магнитное сопротивление воздушного зазора и магнитный поток, проходящий через зубцы диска 1 и индуктор. Изменяющийся магнитный поток индуцирует в обмотке 3 ЭДС, ча­стота которой f=NΩ/(2π),

где N - чи­сло зубцов диска; Ω - скорость диска (вала двигателя).

Созданное этой ЭДС напряжение переменного тока U_вх через конденса­тор С подается на вход усилителя, ко­торый, усиливая этот сигнал, формиру­ет из него последовательность выход­ных прямоугольных импульсов, часто­та которых пропорциональна измеря­емой скорости. Далее эти импульсы при помощи цифрового блока «частота - код», имеющегося, на­пример, в УБСР-ДИ, преобразуются в двоичное число посредством их подсчета за определенный интервал времени с запоминанием полученного числа на время последующего интервала. При необхо­димости этот переменный по частоте сигнал можно преобразовать и в напряжение постоянного тока (например, с помощью интегри­рующего операционного усилителя) для использования в аналого­вых схемах управления ЭП.

Рис.192. Импульсный индукционный датчик скорости

Импульсный индукционный датчик скорости хорошо работает при высокой скорости вращения двигателя, когда за один интервал квантования на счетчик поступает большое количество импульсов. Абсолютная ошибка измерения Δ связана с пропуском одного импульса, а относительная ошибка обратно пропорциональна их общему числу. В качестве примера рассмотрим датчик, который за один оборот выдает Z=1000 импульсов. Период квантования Т=0,01с. При скорости вращения n=1000 об/мин за время Т =0,01с на счетчик поступает

N_и= n Z Т/60 =1000·1000·0,01/60=167 импульсов.

Ошибка в измерении на 1 импульс дает относительную ошибку измерения скорости:

Δ=100/N_и=0,6 %.

Точность измерения скорости будет очень высокой. Однако уже при скорости вращения 10 об/мин на счетчик поступит только один импульс, измерение станет неточным, так как погрешность составит 50-60%. Вполне очевидно, что для повышения точности датчика следует увеличивать число импульсов за один оборот, что неизбежно требует усложнения конструкции датчика и повышает его стоимость.

Датчики положения применяются для получения электрическо­го сигнала, пропорционального положению исполнительного орга­на или вала двигателя. Датчики положения применяются в замкнутых схемах управле­ния ЭП и выполняются аналоговыми или цифровыми. В таких датчиках используются потенциометры, вращающиеся трансформаторы и сельсины, работающие в трансформаторном режиме.. Основное требование к датчикам положения заключается в том, что точность датчика (она определяется в зависимости от класса точности) должна быть по меньшей мере не ниже точности, предъявляемой к системе, δ_д.п<δ_max, поскольку ошибка δ_д.п, вносимая в систему датчиком, не может быть устранена такими техническими средствами, как, например,введение коррекции. Если точность датчиков ниже точности, предъявляемой к системе, то используют многоканальные измерительные схемы, например, двухотсчетную схему, состоящую из двух одинаковых датчиков, связанных между собой приборными редукторами.

Существенным недостатком потенциометров при использовании их в следящем приводе является невозможность получения кругового вращения, а также возникновение шумов, т.е. помех для сигнала, получающихся вследствие нарушения контакта при переходе движка с витка на виток, загрязнения контактной поверхности и т.п.

Основным требованием, которым должен отвечать потенциометр, является достаточная крутизна (значительное снимаемое напряжение, приходящееся на единицу угла ошибки) и линейность характеристики (строгая пропорциональность между напряжением и углом поворота подвижного контакта).

Потенциометры преобразуют сигнал ошибки в напряжение постоянного тока. При питании следящей системы от сети переменного тока в качестве датчиков положения применяются вращающиеся трансформаторы и сельсины.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы, являющиеся ана­логовыми датчиками положения (угла поворота) вала двигателя или рабочей машины, представляют собой информационную электричес­кую машину индукционного типа. Их работу рассмотрим на примере наиболее распространенного синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ). Этот трансформатор (рис. 193, а) имеет четыре обмотки, две из которых (возбуждения ОВ и компенсационная ОК)расположены на статоре и две (измерительные ОИ1и ОИ2), назы­ваемые вторичными, - на роторе. Ротор соединяется с валом двигате­ля или рабочей машины, К обмотке возбуждения ОВ подводится однофазное напряжение переменного тока U₁. Протекающий под его действием ток создает в воздушном зазоре СКВТ магнитный поток, который наводит во вто­ричных (роторных) обмотках ЭДС. Значение этой ЭДС в обмотке ОИ1 (синусной) пропорционально синусу, а в обмотке ОИ2 (косинусной) - косинусу угла φ поворота ротора относительно статора. Напряже­ния U₁=U_maxsinφ и U₂=U_maxcosφ на нагрузках z₁, и z₂ являются инфор­мацией об угле поворота φ вала двигателя или рабочей машины, угловое положение которых должно измеряться.

Рис.193. Электромашинные датчики углового положения: а – вращающийся трансформатор, б – магнесин

Компенсационная обмотка OK, которая обычно закорачивает­ся, служит для компенсации вредного действия магнитного поля тока обмоток ротора, обеспечивая тем самым снижение погреш­ности вращающихся трансформаторов.

В замкнутых схемах ЭП применяются также линейные вращаю­щиеся трансформаторы, у которых выходное напряжение обмотки ротора прямо пропорционально углу φ.

Сельсин, также широко применяющийся в замкнутых схемах уп­равления ЭП в качестве аналогового датчика положения, представ­ляет собой информационную электрическую машин, которая обес­печивает преобразование угла поворота вала в электрический сиг­нал. Сельсинное устройство может выполнять функции задатчика, датчика положения и измерителя рассог­ласования (ошибки).

В следящем ЭП сельсины всегда работают в паре (сельсин – датчик и сельсин – приемник) и служат или для передачи на расстояние угловых перемещений, или для преобразования сигнала углового рассогласования в зависящее от него напряжение. В соответствии с этими функциями различают два возможных режима работы сельсинной пары – индикаторный и трансформаторный.

При трансформаторном режиме обмотка ста­тора одного сельсина (задатчика) подсоединяется к источнику пи­тания, а со статорной обмотки другого сельсина (датчика) снимается напряжение, значение и фаза которого опре­деляются углом рассогласования между положением их роторов. Далее этот сигнал подается на фазочувствительный выпрямитель.

По конструкции сельсины подразделяются на контактные и бесконтактные.

Магнесин (см. рис. 193, 6) является бесконтактным электроме­ханическим датчиком угла поворота, имеет более простое по срав­нению с сельсином и вращающимся трансформатором устройство, меньшие массу и габаритные размеры и высокую точность измере­ния (ошибка менее 2,5°).

Магнесин состоит из торроидального сердечника 2 без пазов, на котором намотана спиральная обмотка 3. Обмотка имеет зажимы С1, С2 для подключения ее к однофазной питающей сети перемен­ного тока и выводы СЗ, С4, расположенные под углом 120° относи­тельно друг друга, для снятия выходного напряжения. Ротор магнесина представляет собой постоянный магнит 1 цилиндрической формы, соединяемый с валом двигателя. При подаче на зажимы С1, С2напряжения питания U₁ на выводах обмотки С3, С4 появится выходное напряжение U_вых, пропорциональное углу поворота ро­тора магнесина φ, которое поступит в схему управления ЭП.

Индуктосин используется для измерения линейных перемещений механических элементов ЭП или исполнительных органов рабочих машин. По своему устройству он напоминает линейный асинхрон­ный двигатель и имеет плоские статор и подвижный ротор. Пер­вичная обмотка, расположенная на статоре, подключается к одно­фазной сети переменного тока, при этом на вторичной обмотке при перемещении ротора будет наводиться ЭДС, зависящая от его по­ложения. Точность индуктосинов может достигать несколько мик­рометров.

Цифровой фотоэлектрический датчик положения (рис.194) состоит из первичного элемента, представляющего собой кодирующий диск (рис.194, а), соединенный с валом двигателя или рабочей машины. Он имеет несколько концентрических колец (дорожек), каждое из которых состоит из сегментообразных прозрачных и непрозрачных участков. Кольцо с наименьшим радиусом (т.е. расположенное ближе всего к оси диска) имеет два участка - прозрачный и непрозрачный, и относится к старшему разряду выходного числа. В каждом следующем от центра кольца участков удваивается, что соответствует в двоичном представлении чисел переход к следующему разряду. Диск, показанный на рис. 194, а имеет три таких кольца, что позволяет сформировать с его помощью трехразрядное двоичное число.

Получение сигнала производится фотоэлектрическим способом. Для этого с одной стороны диска устанавливаются по числу его колец источники света - светодиоды, а с другой - приемники света - фотодиоды. Когда между ними находится прозрачный участок дис­ка, светодиод освещает фотодиод, электрическое сопротивление последнего резко изменяется, что и является входным воздействи­ем для последующей работы датчика положения.

Схема одного канала датчика положения, соответствующего од­ному разряду, показана на рис. 194, б. Фотодиод VD включен на вход операционного усилителя ОУ, работающего в режиме релей­ного элемента. В исходном положении усилитель «закрыт» отрица­тельным опорным напряжением U_оп. При освещении фотодиода VD светодиодом усилитель «открывается» и на его выходе появляется электрический сигнал, соответствующий единице двоичного чис­ла. Число усилителей определяет разрядность датчика положения.

Любому положению кодирующего диска в пределах 360° (од­ного оборота) соответствует определенное сочетание нулей и еди­ниц на выходах усилителей, т.е. определенное числовое выраже­ние угла. Из диаграммы работы рассматриваемого трехразрядно­го датчика (см. рис. 194, в) видно, что при повороте диска на 360° имеет место восемь комбинаций сигналов с выходов усилителей от ООО до 111. Это соответствует изменению числа в десятичной системе от 0 до 7.

Из приведенной диаграммы также видно, что сигнал с выхода датчика положения изменяется через каждые 45°=π/4, что определяет его дискретность (точность). В общем случае дискретность цифро­вого датчика положения определяется выражением Δφ = 360°/(2ⁿ), где n - число его разрядов.

Рис.194. Цифровой фотоэлектрический датчик углового положения: а - устройство, б - электрическая схема одного канала, в – временная диаграмма следования импульсов

Для повышения точности цифровых датчиков положения исполь­зуется несколько кодирующих дисков, соединяемых с валом двига­теля через редуктор.

Вместо фотоэлектрических первичных элементов в датчиках по­ложения могут применяться индуктивные датчики с индуктосинами, позволяющие получать выходные сигналы более высокой точ­ности. Разрешающая способность таких датчиков, характеризую­щая их точность, определяется выражением Δφ = 360°/(2р_п), где р_п - число пар полюсов индуктосина. Поскольку это число может со­ставлять несколько сотен, то точность может быть обеспечена в не­сколько единиц (или десятков единиц) угловых секунд. В последнее время в замкнутых схемах ЭП применяются комп­лексные датчики скорости и положения вала двигателя. К ним от­носятся датчики типов ПДФ-8 и ПДФ-9, включающие в себя дат­чик скорости (бесконтактный тахогенератор постоянного тока) и фотоимпульсный датчик положения ротора, выдающий от 125 до 2500 импульсов за один оборот вала. Такие датчики применяются, в частности, в ЭП типов ЭПБ-1 и ЭПБ-2 с вентильными двигателями. В цифровых системах управления ЭП нашли применение импуль­сные датчики типов ПДФ-3 и ДИФ-5. Первый из них имеет выход­ной сигнал в виде двух серий импульсов, сдвинутых друг относи­тельно друга на четверть периода. Число импульсов за один обо­рот вала двигателя составляет 600. Датчики типа ДИФ-5 различ­ной модификации позволяют получать за один оборот вала датчи­ка от 45 до 1800 импульсов.

В настоящее время также находят широкое применение бесконтактные датчики углового положения типа AS5040 (магнитный экодер). Датчик представляет собой «систему на кристалле», включающую в себя элементы, принцип работы которых основывается на эффекте Холла. Датчик имеет аналоговый вход и модуль обработки цифровых сигналов. Для измерения углового перемещения требуется только двухполюсный магнит, вращающийся над центром датчика. Он может быть размещен как над, так и под микросхемой. Точное измерение углового перемещения обеспечивается мгновенной фиксацией положения магнита с точностью до 0,0875^о, что равняется 4096 положениям на один оборот. Числовые значения передаются в виде периодического цифрового потока данных или сигнала широтно-импульсной модуляции. Период модулирующего сигнала выбирается равным 1 мкс на один шаг, или 2 мкс на один шаг, что соответствует 244 Гц или 122 Гц. Допустимое напряжение питания датчика: 3,3 и 5 В. Датчик практически является самым миниатюрным по своим габаритным размерам по сравнению со всеми рассмотренными выше датчиками. Размер корпуса микросхемы: 5,3 мм · 6,2 мм.

Достоинствами датчика являются также:

- бесконтактное измерение угловых перемещений с высокой точностью при повороте на 360^о;

- использование синхронного последовательного интерфейса для точного позиционирования;

-наличие функции самотестирования;

- некритичность к несоосности магнита и микросхемы датчика;

- широкий диапазон допустимых рабочих температур: от -40 ^оС до +125 ^оС.

- допустимая скорость вращения – до 10 000 об/мин.