Автоматика. Учебное пособие Ульяновск 2009
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
1.13. Дискретные датчики положения Использование сельсина в качестве аналогового датчика угла имеет ограниченные возможности в отношении точности. Практический диапазон измерения углов составляет ±60°. Если требуется измерять большие углы ( 60 max ), то сельсин соединяется с рабочим валом через понижающий редуктор с передаточным отношением 3 max P i (1.69) 35 Точность измерения угла при этом снижается враз. Для измерения углов в больших диапазонах и с высокой точностью используются дискретные датчики. Их функциональной выходной величиной является число, представленное в двоичной системе счисления с помощью электрических дискретных сигналов. Необходимая точность достигается соответствующим числом разрядов датчика. Простейший цифровой датчик угла – контактный с кодовым барабаном или кодовым диском. Диск жестко соединен с валом, угол поворота которого подлежит преобразованию в цифровой код. Кодовый рисунок диска состоит из концентрических колец (дорожек, каждое из которых имеет чередующиеся электрически проводящие и непроводящие участки. Кольцо с наименьшим радиусом, имеющее два участка, относится к старшему разряду выходного числа, а кольцо с наибольшим радиусом – к младшему разряду. В каждом последующем от центра кольце число участков удваивается, что соответствует в двоичном коде переходу от одного разряда к другому. К токопроводящим участкам подводится напряжение через внешнее кольцо. Считывание осуществляется с помощью токосъемных щеток. Положению щетки на проводящем участке соответствует цифра 1, а на непроводящем – 0. На границе смены участков из-за конечной ширины щеток и их неточной установки по одной прямой появляется неоднозначность считывания, приводящая к ложным значениям выходной величины датчика. Для устранения указанной неоднозначности применяют для каждого разряда, кроме младшего, две щетки, симметрично раздвинутые относительно прямой считывания. Выбор щетки для считывания выполняет логическая схема в зависимости от цифры предыдущего, более младшего разряда. При нулевом сигнале на щетке Щ ( 0 0 1 a y ) считывание осуществляется с опережающей щетки Щ' ( 2 1 y a ), а при единичном сигнале ( 1 0 a ) – с отстающей щетки – Щ' ( 2 1 y a ). Аналогично выполняется считывание и на последующих разрядах в соответствии с алгоритмом 1 1 1 i i i i i y a y a a (1.70) Любому углу поворота кодового диска в пределах 360° однозначно соответствует определенное сочетание единиц и нулей в выходных каналах датчика, те. определенный числовой эквивалент угла. При повороте трехдорожечного кодового диска на 360° выходная величина изменяется от 000 до 111, что в десятичной системе счисления означает изменение числа от 0 до 7. В пределах интервала дискретности n 2 360 0 (1.71) датчик не реагирует на изменение входной величины и его характеристика управления приобретает ступенчатый вид. Погрешность, вызванная дискретностью, 2 0 , (1.72) 36 тем меньше, чем больше число разрядов n в датчике. Так как на одном кодовом диске трудно реализовать число разрядов более трех-четырех, то для повышения точности датчика применяют несколько кодовых дисков (КД1 – КД3), соединенных с входным валом через редуктор и поворачивающихся с различными скоростями. Контактная система и погрешности измерительных редукторов лимитируют точностные показатели датчика. Практически реализуемое число разрядов в цифровом датчике угла данного типа не превосходит 9–10, что соответствует интервалу дискретности 21–42'. Поэтому в высокоточных системах с допустимыми погрешностями менее 1' контактный датчик применяется для грубого отсчета угла. Точный отсчет выполняется с помощью цифрового датчика угла, в котором основным преобразовательным элементом служит многополюсный СКВТ – индуктосин. Ротор индуктосина, имеющий двухфазную обмотку, жестко, без редуктора, соединен с исполнительным валом. Неподвижный статор имеет однофазную обмотку. Разрешающая способность датчика угла при одном и том же числе разрядов повышается с увеличением числа пар полюсов p индуктосина: n n p 2 360 2 max 0 (1.73) Так, для 512 p и 8 n измеряемый угол 1 , 42 max , дискретность датчика угла 0 1 2 : 60 1 , 42 8 0 , и разрешающая способность в целом для датчика угла с двухотсчетной системой составит 6 10 3 , 1 10 60 60 Из двух цифровых датчиков угла может быть составлен цифровой датчик рассогласования. Для этого цифровые выходы датчиков подаются на входы сумматора, выполняющего операцию вычитания. Датчик задающего угла подключается ко входам уменьшаемого n A , а датчик исполнительного угла – ко входам вычитаемого n B . Оба датчика должны быть синхронизированы тактовыми импульсами общего задающего генератора. На выходе сумматора выделяется разностный цифровой сигнал n D . Заранее известный закон изменения задающего угла может быть сформирован в цифровом коде с помощью только вычислительных узлов без использования сложного электромеханического устройства – индуктосина. В этом случае цифровое задающее устройство, синхронизированное по моментам считывания с цифровым датчиком угла, вводит свой выходной сигнал на входы сумматора для уменьшаемого числа. Сигнал рассогласования между цифровым задающим устройством и ЦДУ выделяется на выходе сумматора. В цифро-аналоговых системах управления выходной цифровой сигнал преобразуется в аналоговый с помощью ЦАП. 37 1.14. Вращающиеся трансформаторы Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ) применяют в автоматических устройствах для получения выходных напряжений электрических сигналов, пропорциональных функциям угла поворота ротора , например sin , cos или самому углу В автоматических устройствах ВТ работают как в режиме поворота ротора в пределах определенного ограниченного угла, таки при непрерывном вращении [3]. Для всех этих случаев может быть использован один и тот же тип ВТ при различном включении его обмоток. Конструктивно ВТ выполняют также, как асинхронный двигатель с фазным ротором. Как правило, на статоре и роторе размещено по две обмотки, сдвинутые между собой на 90 эл. град (риса, где СГ 1 –СГ 2 – главная статорная обмотка СВ 1 –СВ 2 – вспомогательная статорная обмотка А – синусная роторная обмотка Б 1 –Б 2 – косинусная роторная обмотка. Ротор поворачивают с помощью точного редукторного механизма. Для уменьшения числа выводных зажимов с 8 до 6 применяют одностороннее соединение статорных и роторных обмоток внутри машины (рис. 1.18, б. Принцип действия ВТ основан на том, что при повороте ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора, а следовательно, и ЭДС в обмотках последнего, наведенные пульсирующим потоком возбуждения, изменяются по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота ротора . Для этого необходимо получить в воздушном зазоре машины распределение индукции по закону, близкому к синусоидальному. Однако наличие зубцов статора и ротора обусловливает ступенчатое распределение МДС обмоток и, следовательно, неизбежное содержание в них высших гармоник. Вследствие зубчатого строения статора и ротора периодически изменяется проводимость магнитной цепи ВТ, что вызывает появление зубцовых гармоник. Кроме того, из-за нелинейности кривой намагничивания возникают гармоники насыщения. Все эти факторы приводят к отступлениям от синусоидального пространственного распределения индукции, что вызывает погрешности в кривой зависимости ЭДС ротора от угла поворота. Для повышения точности ВТ высшие гармоники по возможности уничтожают или ослабляют. Выполнение на статоре и роторе обмоток с укороченным шагом позволяет уничтожить или ослабить высшие гармоники. Обычно на роторе помещают обмотки с укорочением шага на 3 1 полюсного деления , а на статоре – на 5 1 , что устраняет третью и пятую гармоники. Зубцовые гармоники ослабляют, осуществляя скос пазов статора или ротора. По технологическим соображениям удобнее производить этот скос на роторе, причем он должен быть равным одному зубцовому делению статора. 38 В этом случае магнитная проводимость воздушного зазора вдоль окружности остается постоянной. Рис. 1.18. Обозначение обмоток (аи схема включения (б) вращающегося трансформатора Во избежание появления погрешностей от гармоник насыщения при изготовлении статорных и роторных сердечников применяют листы пермаллоя, работают при малых насыщениях магнитной цепи и изготовляют ВТ с достаточно большим воздушным зазором. Все это позволяет создать ВТ высокого класса точности. Класс точности ВТ определяется относительной погрешностью u , выраженной в процентах, те. разностью ординат в любой точке действительной кривой ) ( f u и идеальной синусоидальной кривой ) ( f u i , отнесенной к амплитуде ВТ подразделяют на четыре класса точности нулевой ( % 05 , 0 u ); первый ( % ) 1 , 0 05 , 0 ( u ); второй ( % ) 25 , 0 1 , 0 ( u ); третий ( % 25 , 0 u ). В системах, в которых требуется более точное измерение угловой координаты вместо сельсинов, применяются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (CKBT). По своему устройству СКВТ двухфазная микромашина переменного тока. Неявнополюсные статор и ротор имеют по две взаимно перпендикулярные обмотки обмотку возбуждения и 39 квадратурную на статоре, синусную и косинусную обмотки на роторе (риса. В амплитудном режиме обмотка возбуждения, расположенная по оси , получает питание от источника переменного тока t U u Bm B sin (1.74) Тогда в разомкнутых обмотках ротора наводятся ЭДС, амплитуды которых зависят от угла поворота ротора – для косинусной обмотки, расположенной по оси d, cos cos m Bm T dm E U k E , (1.75) – для синусной обмотки, расположенной по оси q, sin sin m Bm T qm E U k E , (1.76) где T k – коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и каждой роторной обмоткой при их соосном положении. Рис. 1.19. Схема (аи векторная диаграмма СКВТ (б) Характеристики управления, определяемые (1.75) и (1.76), претерпевают определенные искажения в режиме нагрузки СКВТ, когда его роторные обмотки включены на сопротивления Hd Z ириса. Возникающие токи в обмотках ротора ( dm I и qm I ) создают МДС реакции по осями (рис. 1.19, б cos P d j m P d d W Z e E W I F d ; (1.77) 40 sin P q j m P q q W Z e E W I F q , (1.78) где d , q – фазы отставания токов d I и q I от ЭДС в цепях роторных обмоток Hd P d Z Z Z – модуль суммарного сопротивления цепи косинусной обмотки, Ом Hq P q Z Z Z – тоже, синусной обмотки, Ом m E – амплитуда ЭДС роторной обмотки при соосном положении с обмоткой возбуждения в режиме нагрузки, В P W – число витков обмотки ротора. Результирующие МДС по осям статора 2 2 sin cos P q j m P d j m B W Z e E W Z e E F F q d ; (1.79) cos sin P q j m P d j m K W Z e E W Z e E F F q d , (1.80) где B F , K F – МДС обмотки возбуждения и квадратурной обмотки, А. Из (1.79) и (1.80) следует, что при несимметричной нагрузке ротора ( q d Z Z ) в его обмотках возникают дополнительные ЭДС от потока, создаваемого МДС реакции по оси . При повороте ротора эти ЭДС изменяются в функции угла и вносят искажения в синусоидальную и косинусоидальную зависимости выходных ЭДС СКВТ. Искажения, вносимые реакцией по оси , существенно меньше. Хотя МДС данной реакции зависит от угла поворота, однако изменение величины МДС компенсируется соответствующим изменением B F . При достаточно малом сопротивлении обмотки возбуждения Следовательно, магнитные потоки по осями остаются практически неизменными и искажения от реакции по оси близки к нулю. При выполнении условия Z Z Z q d , которое называется вторичным симметрированием, МДС реакции по оси обращается в нуль, так как при q d Z Z q d и слагаемые в скобках (1.80) равны и противоположны по знаку, при этом МДС реакции по оси оказывается постоянной величиной, независящей от угла поворота ротора const Z W E Z W E P m P m ) cos (sin 2 Таким симметрированием полностью устраняются искажения характеристик управления СКВТ в режиме нагрузки. В тех случаях, когда по условиям применения СКВТ не удается выполнить вторичное симметрирование, используют так называемое первичное симметрирование, при этом МДС реакции по оси компенсируются замыканием накоротко квадратурной обмотки и 0 F . Полная компенсация данной реакции имеет 41 место при условии равенства сопротивлений контуров обмотки возбуждения и квадратурной обмотки. СКВТ превосходят по классам точности сельсины. В пределах от нулевого до третьего классов точности допустимые погрешности СКВТ составляют 4–22'. В режиме фазовращателя обмотки статора получают питание от источника двухфазного напряжения. Образующееся при этом круговое поле наводит ЭДС в обмотке ротора, фаза которой линейно изменяется при повороте ротора. Данный режим можно получить в более простой схеме с использованием источника однофазного напряжения (рис. 1.20). В этой схеме принимаем следующие условия R C x C ) ( 1 ; сопротивление обмотки ротора R Z P ; сопротивление нагрузки R Z H . При подключении обмотки возбуждения к напряжению в обмотках ротора наводятся ЭДС t E e m Pd sin cos ; t E e m Pq sin sin , где Рис. 1.20. Однофазная схема включения СКВТ для режима фазовращателя В соответствии со схемой t E e e m Pq Pd sin 4 cos 2 ; (1.81) 4 sin 4 cos 4 sin 4 cos 2 2 2 t E t x x R E u m C C m C . (1.82) 42 Так как C Pd ВЫХ u e U , то с учетом (1.81) и (1.82) после простых тригонометрических преобразований получим 4 cos 4 sin t E U m ВЫХ (1.83) Если ось отсчета угла переместить напротив часовой стрелки, то относительно углов 4 в новой системе отсчета ) sin( 2 2 t U k U Bm T ВЫХ (1.84) Таким образом, при const U Bm и вращении ротора амплитуда выходного напряжения const U k U Bm T ВЫХm 2 2 , а фаза равна углу поворота, при этом характеристика управления СКВТ в данной схеме фазовращателя имеет вид . (1.85) 1.15. Датчики крутящего момента Принцип работы датчиков основан на измерении угла скручивания упругого торсиона под действием крутящего момента P K GJ L M , (1.86) где – угол скручивания упругого торсиона на измерительной базе длины, рад K M – крутящий момент, Нсм; L – длина измерительной базы, см G – модуль упругости второго рода, Н см -2 ; P J – полярный момент инерции, см 4 Конструктивно механическая часть этого типа датчиков преобразователь крутящего момента – представляет собой упругий вал-торсион 1 (риск двум сечениям которого 2 на измерительной базе 3 прикрепляются зубчатые индукторы, светомодулирующие диски или магнитные барабаны [4]. При вращении индукторов в чувствительных элементах (катушках с постоянными магнитами, фотоэлементах или магнитных головках) наводятся две импульсные последовательности Д , Д переменных ЭДС, фаза которых пропорциональна относительному углу поворота 4 между сечениями 2, и, следовательно, измеряемому крутящему моменту, передаваемому торсионом 1. Сигналы от чувствительных элементов Д , Д (рис. 1.22) поступают на входы формирователей 1 и 10, на выходах которых образуются прямоугольные импульсы с фронтами, соответствующими повремени моменту перехода амплитуды переменной ЭДС через нуль. 43 Рис. 1.21. Угловая деформация вала под действием момента Выходы формирователей 1 и 10 соединены со входами схемы формирования временных интервалов 2, представляющей собой триггер. Переключение триггера из единичного состояния в нулевое и обратно происходит каждый раз при поступлении на его входы импульсов от формирователей 1 и 10. 1 Д U 2 Д U K M Рис. 1.22. Блок-схема вторичного электронного блока аналогового вычисления крутящего момента K M , частоты вращения и мощности Р При нулевом крутящем моменте импульсные последовательности формирователей сдвинуты относительно одна другой на 180° и, следовательно, на выходе триггера 2 образуются прямоугольные импульсы типа меандра со скважностью, равной двум. При приложении крутящего момента ширина импульсов изменяется пропорционально моменту, причем положительному значению момента соответствует большая длительность импульса, чему меандра, а отрицательному – меньшая. Этим обеспечивается реверсивный режим работы преобразователя крутящего момента в электрический сигнал. Выход триггера 2 соединен со входом схемы преобразователя 3, выделяющей среднее значение напряжения постоянного тока, пропорциональное площади входных импульсных сигналов. После масштабирования усилителем 4 сигнал напряжения, пропорционального измеряемому моменту, с соответствующим знаком подается на индикатор крутящего момента K M . Одновременно сигнал с выхода формирователя 10 поступает на вход одновибратора 9, который 44 формирует импульсы с постоянной вольт-секундной площадкой, частота которых равна частоте вращения торсиона, умноженной на постоянный коэффициент. Выход схемы 9 соединен через схему выделения среднего уровня 8, аналогичную схеме 3, и через второй масштабирующий усилитель 7 с индикатором частоты вращения Одновременно аналоговые сигналы с выходов усилителей 4 и 7 подаются на входы аналогового умножителя 5 и через третий масштабирующий усилитель 6 – на индикатор мощности Р. При цифровом исполнении вторичного электронного блока узлы 3...6, 8, 9 отсутствуют. Выходной сигнал триггера фазового сдвига 2 стробирует повремени счетные импульсы стабильной частоты, поступающие на вход счетчика. Количество импульсов, записанных в счетчике за измерительный интервал, выработанный триггером 2, пропорционально измеряемой величине крутящего момента. Канал измерения оборотов построен по принципу электронного частотомера здесь зафиксированный промежуток времени производится подсчет импульсов с частотой, пропорциональной частоте вращения торсиона. Структура некоторых моментомеров отличается от блок-схемы, показанной на рис. 1.22. Например, моментомер, описанный в [4], содержит третье индукторное колесо и третий измерительный канал Д . В этом канале вырабатывается корректирующий сигнал, учитывающий ошибки, вызванные неправильной установкой оси чувствительных элементов относительно торсиона, а также ошибки, обусловленные действием неизмеряемых компонентов нагрузки изгибающего момента, осевой силы и т. п. Сформированный третьим каналом сигнал вычитается из сигнала «моментного» канала, например, на выходе или входе усилителя 4. Компенсация температурных изменений упругих свойств вала, вызванная изменением модуля упругости материала торсиона от изменения окружающей температуры (например, для стали 40ХНМА температурный коэффициент равен 0,03 C % ) осуществляется, как правило, от терморезистора, размещенного в блоке чувствительных элементов. Термозависимая цепь включается также в «моментном» канале на входе или выходе усилителя 4. Фазометрические датчики имеют по сравнению с магнитоупругими повышенный класс точности ±0,2...1 %, большую надежность, лучшую линейность, меньшие гистерезис и температурную погрешность. Они могут эксплуатироваться в тяжелых условиях, например на борту летательных аппаратов, судов, вблизи от газотурбинных двигателей и т. п. Существенным недостатком этих датчиков является невозможность их работы в статике. Кроме того, для проверки функционирования таких моментомеров и их калибровки необходимы специальные устройства [4]. 45 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Условие равенства моста постоянного тока. Формула чувствительности мостовой схемы с одним датчиком. Формула чувствительности мостовой схемы с двумя датчиками. Формула чувствительности мостовой схемы с четырьмя датчиками. Сравнить дифференциальную измерительную схему с мостовой по чувствительности. Работа компенсационной измерительной схемы. Чувствительность компенсационной измерительной схемы. Принцип действия тензодатчиков. Коэффициент Пуассона. 10. Чувствительность тензодатчика. 11. Принцип действия терморезистора. 12. Типы терморезисторов и их отличия. 13. Чувствительность металлического терморезистора. 14. Чувствительность полупроводникового терморезистора. 15. Типы датчиков скорости. 16. Принцип работы тахогенератора постоянного тока. 17. Принцип работы тахогенератора переменного тока. 18. Принцип работы цифрового датчика скорости. 19. Схема и работа формирователя выходных импульсов ЦДС. 20. Конструкция и работа сельсинов. 21. Трансформаторный режим работы сельсинов. 22. Индикаторный режим работы сельсинов. 23. Статические и динамические моменты сельсинов. 24. Режим равномерного вращения сельсинов. 25. Режим неравномерного вращения сельсинов. 26. Конструкция и работа дискретных датчиков положения. 27. Конструкция и работа вращающегося трансформатора. 28. Первичное симметрирование вращающегося трансформатора. 29. Вторичное симметрирование вращающегося трансформатора. 30. Схема и работа фазовращателя на основе ВТ. 31. Принцип работы датчика момента. 32. Схема блока вычислителя датчика момента. |