Автоматика. Учебное пособие Ульяновск 2009
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
2. ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.1. Структура датчиков электрических величин С повышением требований к точности регулирования, таких переменных, как ток, момент, скорость, положение, появились замкнутые системы. В этих системах с помощью датчиков необходимо измерять какой-либо контролируемый параметр и вычитать пропорциональный ему сигнал из сигнала задания. Полученный при этом сигнал ошибки используется как управляющий и воздействует на соответствующий регулятор. В системах АЭП контролируемыми и регулируемыми координатами являются не только механические величины угол поворота, скорость, ускорение, но и электрические величины, такие, как ток, напряжение, ЭДС, мощность. Для измерения этих координат используются соответствующие датчики. К числу типовых можно отнести датчики тока (ДТ) и напряжения ДН. Эти датчики наиболее часто применяются, на их основе строятся датчики ЭДС и мощности. Назначение ДН и ДТ – преобразование входной величины – напряжения или тока цепи преобразователя, двигателя в выходной сигнал, пропорциональный входной величине. Датчики могут выполнять одновременно и функции согласующего элемента – потенциального разделителя, усилителя по напряжению, мощности. В зависимости от вида выходного сигнала датчики разделяются на аналоговые и дискретные (цифровые. На рис. 2.1 изображены обобщенные структурные схемы аналоговых (риса) и цифровых (рис. 2.1, б) ДН и ДТ [2]. Рис. 2.1. Структурные схемы аналоговых (аи цифровых датчиков напряжения и тока (б) 47 В составе аналогового датчика с выходным напряжением на постоянном токе можно выделить три части входную цепь ВЦ, потенциальный разделитель ПР и выходной усилитель Вых.У. Собственно датчиком является входная цепь – делитель напряжения, шунт, трансформатор напряжения или тока с выпрямителем. Эта цепь преобразует измеряемые напряжения или ток во входное напряжение постоянного тока ВХ U . Потенциальный разделитель гальванически разделяет входной и выходной сигналы. Для осуществления в данном датчике потенциального разделения с помощью трансформатора необходимо иметь на входе трансформатора модулятор М, а на выходе – демодулятор ДМ, работающие вместе с коммутирующим устройством – генератором тактовых импульсов ГТИ. Выходной усилитель формирует усиленный по напряжению и мощности выходной сигнал датчика ВЫХ U Характеристики управления ДН и ДТ без учета погрешностей прямолинейны U k U k k k U ДН УВ ПР ВЦ ВЫХ ; (2.1) I k I k k k U ДТ УВ ПР ВЦ ВЫХ , (2.2) где U U k ВХ ВЦ ; I U k ВХ ВЦ ; ВХ ДТ ПР U U k ; ДТ ВЫХ УВ U U k передаточные коэффициенты соответственно входных цепей ДН и ДТ, потенциального разделителя и выходного усилителя риса В отличие от безразмерного результирующего коэффициента ДН ДН k коэффициент ДТ ДТ k имеет размерность сопротивления (Ом, поскольку входная цепь представляет собой шунт, с которого снимается напряжение – для измеряемой цепи постоянного тока I R I k U Ш ВЦ ВХ ; (2.3) – для измеряемой цепи переменного тока I R k k I k U Ш В ТТ ВЦ ВХ , (2.4) где ТТ k – коэффициент трансформации трансформатора тока В – передаточный коэффициент выпрямителя. Цифровые ДН и ДТ имеют также в своем составе входную цепь, потенциальный разделитель и усилитель, но для формирования цифрового выходного сигнала ВЫХ N снабжены АЦП (рис. 2.1, б. При дискретном сигнале потенциальный разделитель просто реализуется с помощью оптопар. Характеристики управления цифровых ДН и ДТ описываются выражениями U k U k k k k N ДН АЦП ПР У ВЦ ВЫХ ; (2.5) I k I k k k k N ДТ АЦП ПР У ВЦ ВЫХ , (2.6) где УПР, АЦП – передаточные коэффициенты соответственно входного усилителя, оптронного потенциального разделителя и АЦП. 48 2.2. Датчики Холла и магнитосопротивления Эффект Холла – это физическое явление, которое заключается в следующем. Рассмотрим пластинку (рис. 2.2) из проводящего материала, вдоль которой проходит ток I. Если перпендикулярно плоскости пластинки и направлению тока действует магнитное поле напряженностью Н, тов пластине возникает ЭДС, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля KIH , (2.7) где K=k x /d – коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d; k x – постоянная Холла. Направление этой ЭДС, которая называется ЭДС Холла, перпендикулярно току и полют. е. ее можно измерить между боковыми продольными гранями пластины (рис. 2.2). Причина появления ЭДС Холла в том, что на движущиеся заряды в магнитном поле действует сила Лоренца. Ток в пластине – упорядоченное движение зарядов (в металле – электронов. Под действием магнитного поля они смещаются перпендикулярно направлению своего движения и вблизи одной продольной грани возникает избыток зарядов, а вблизи другой – недостаток. В обычных проводниковых материалах ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью (точнее – подвижностью) носителей тока из-за их большой концентрации. В чистых полупроводниках обеспечивается высокая подвижность носителей тока, поэтому постоянная Холла для чистых полупроводников во много раз больше, чем для металлов. Рис. 2.2. Датчик Холла Эффект магнитосопротивления – физическое явление, заключающееся в изменении сопротивления проводящих тел в магнитном поле. Объясняется это тем, что в присутствии магнитного поляна носители тока действует сила Лоренца, изменяющая траекторию их движения. Если бы не было магнитного поля, то под действием приложенного к проводящему телу напряжения носители тока перемещались бы по кратчайшему направлению. Изменение траектории под действием магнитного поля всегда удлиняет путь носителей тока, что проявляется как увеличение сопротивления. В сильных поперечных магнитных полях некоторые вещества могут иметь относительное увеличение 49 сопротивления - ∆R/R в десятки раз. Чаще всего величина связана с напряженностью магнитного поля Нквадратичной зависимостью Н, (2.8) где k R – коэффициент, зависящий от материала и размеров. Эффекты Холла и магнитосопротивления используются в датчиках, с помощью которых могут быть измерены различные электрические и магнитные величины. 2.3. Датчики тока Датчики относятся к информационной части ЭП. От точности датчиков зависит точность замкнутых систем. Требования, предъявляемые к датчикам - не должны вносить искажения в измеряемую цепь - должны обеспечить заданную точность - должны осуществлять преобразования измеряемого сигнала в электрический сигнал (U, I). Самым распространенным датчиком постоянного тока является шунт комбинированное термостабилизированное сопротивление. Графическое изображение шунта представлено на риса, где RS – его условное обозначение [5]. В соответствии с рис. 2.3, б, передаточная функция шунта Ш Ш Ш R р I р U p W ) ( ) ( ) ( (2.9) а) б) в) г) Рис. 2.3. Шунт и его характеристики 50 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) шунта представлена на рис. 2.3, в. Стандартные шунты имеют падение напряжения U ШН = 0,075 В при номинальном токе I ШН = (1–7500) А. Частотная характеристика (ЛАЧХ) представлена на рис. 2.3, г. Достоинства данного вида датчика тока - простота - точность. Недостатки - низкий уровень выходного сигнала - гальваническая связь с силовой схемой. Датчик тока на базе шунта с усилителями постоянного тока представлен на риса, где принято обозначение – УПТ – усилитель постоянного тока. Усилитель постоянного тока включает в себя - усилитель (разделительный трансформатор, выполняющий роль гальванической развязки - модулятор, преобразующий постоянный входной сигнал в переменный - демодулятор, работая синфазно с модулятором, выпрямляет усиленный сигнал и придает ему соответствующий знак (преобразование на частоте (1–50) кГц. Передаточная функция датчика тока ДТ УДТ Ш ДТ К К К р I р U p W ) ( ) ( ) ( , (2.10) где К Ш – коэффициент шунта К УДТ – коэффициент усиления датчика тока К ДТ – коэффициент датчика тока ВАХ и ЛАЧХ датчика тока представлены на рис. 2.4, б, в, соответственно. Насыщение ВАХ происходит либо за счет усилителя, либо от трансформатора. а) б) в) г) Рис. 2.4. Датчик тока на основе шунта и его характеристики 51 Коэффициент усиления датчика тока Ш ДТ УДТ К К K ; max max I U I U K ДТ ДТ ДТ , где U ДТ max = 10 В, I max = (2 2,5) I Н ШН ШН Ш Ш Ш I U I U K , при I ШН = I ДН ДН ШН Ш I U K ; 6 , 666 0075 , 0 2 10 2 2 max max ШН ДТ ДН ШН ДН ДТ Ш ДТ УДТ U U I U I U К К K Шунт используется для подключения к амперметру (рис. 2.4, г. В настоящее время широко используются датчики тока на основе элементов Холла. В основе таких датчиков тока лежит измерение индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника стоком, с помощью датчика Холла. В качестве элемента, регистрирующего магнитное поле, используется ферромагнитное кольцо с намотанными на него двумя обмотками первичной и вторичной. Через первичную обмотку протекает ток силовой цепи. Для датчика тока она имеет один виток. Вторичная обмотка может иметь несколько тысяч витков. В кольце имеется поперечный разрез. В нем установлен датчик Холла, который измеряет поток в воздушном зазоре. Схематический вид датчика тока представлен на рис. 2.5 [6]. Источник питания + - 0 R изм первичная цепь вторичная цепь датчик Холла первичный ток выходной ток Рис. 2.5. Схема датчика тока с элементом Холла 52 Работа датчика основана на принципе компенсации магнитного поля. При протекании измеряемого тока по первичной обмотке возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. На появление потока реагирует датчик Холла, и на его выходе появляется сигнал, который усиливается и подается на катушку вторичной цепи таким образом, чтобы создаваемый ею поток был направленна размагничивание сердечника. Величина тока устанавливается такой, чтобы суммарный поток в сердечнике был равен нулю, при этом ампер-витки вторичной обмотки равны ампер-виткам первичной обмотки. Выходное напряжение снимается с измерительного сопротивления ИЗМ R . Форма выходного тока точно повторяет форму тока силовой цепи (первичной. Функциональная схема устройства представлена на рис. 2.6. Более подробно работу датчика тока можно пояснить, используя осциллограммы (рис. 2.7–2.10). Любой незначительный выходной сигнал датчика Холла усиливается микросхемой A до максимума. Во вторичной цепи создается поток, который регистрируется датчиком Холла. Датчик выдает отрицательный сигнал на вход усилителя, в результате чего напряжение микросхемы меняет свой знак. Таким образом, выходной сигнал микросхемы колеблется от минимума до максимума рис. 2.7). Частота колебаний определяется быстродействием микросхемы и равна примерно 100 кГц. Благодаря индуктивности катушки вторичной цепи и большой частоте колебаний сигнал с выхода операционного усилителя меняет форму и сильно ослабляется и на нагрузочном резисторе Н принимает вид, показанный на рис. 2.8. Очевидно, в описанном процессе осуществляется релейное регулирование тока, которое происходит тем точнее, чем выше частота переключений микросхемы и чем больше витков во вторичной обмотке. При наличии в первичной цепи постоянной составляющей тока положительного знака на выходе усилителя увеличивается ширина импульсов в положительной части осциллограммы (рис. 2.9). При этом уровень сигнала на нагрузочном резисторе повышается (рис. 2.10). Если сигнал на входе отрицательный, то увеличивается ширина импульсов в отрицательной части осциллограммы напряжения. Рис. 2.6. Функциональная схема датчика тока с элементом Холла I 1 – ток, который должен быть измерен (первичный I 2 – выходной ток (вторичный N 1 – число первичных витков N 2 – число вторичных витков Vh – сигнал ошибки, вырабатываемый датчиком Холла А – коэффициент усиления усилителя 53 Рис. 2.7. Внутренний сигнал Рис. 2.8. Выходной сигнал датчика при условии I 1 =0 датчика при условии I 1 =0 Рис. 2.9. Внутренний сигнал Рис. 2.10. Выходной сигнал датчика при условии I 1 ≠0 датчика при условии I 1 ≠0 В цепях переменного тока для измерения широко применяется трансформатор тока. Этот датчик может применяться в схемах с ТП риса ф ( = 0). Передаточная функция датчика тока 1 ) ( р T K p W ф ДТ ; (2.11) Н d ДТ d ДТ ДТ I I U I U K 2 10 max max (2.12) Временные зависимости выходных напряжений и ЛАЧХ датчика тока представлены на рис. 2.11, б, в, соответственно. Такой датчик применяется в станочном приводе типа БПУ, ЭПУ. Его достоинства - сигнал гальванически развязан 54 - высокий коэффициент усиления. Недостатком такого датчика является инерционность. 2.4. Специальные датчики тока Рассмотренные ДТ имеют сложную структуру, состоящую из различных функциональных блоков. Сложность структуры ДТ сохраняется ив цифровых датчиках. Однако имеются более простые дискретные датчики без усилителей и многоразрядных АЦП. Эти датчики дают информацию только о факте наличия или отсутствия тока вцепи или превышения его выше допустимого уровня. Выходная величина таких датчиков представляет собой одноразрядный двоичный сигнал, принимающий одно из двух значений 0 или 1. а) б) в) Рис. 2.11. Трансформатор тока и его характеристики 55 2.4.1. Датчик проводимости Примером первого типа датчика может служить датчик наличия тока в вентильной группе ВГ ТП (рис. 2.12) [1]. Принцип действия датчика таков, что он реагирует на состояние тиристоров VS1, VS3, VS5 – проводящее или непроводящее. Поэтому он называется датчиком проводимости вентилей ДПВ. Если тиристоры VS1, VS3, VS5 заперты, то мостовая вентильная группа не проводит тока вентильные мосты VI, V2, V3, напротив, пропускают ток через диоды оптопар V4, V5, V6. Этот ток обусловлен трехфазным напряжением источника питания ВГ и ограничен сопротивлением резисторов Rl, R2, R3. Оптопары пропускают ток от источника с напряжением +15 В через резистор R4, при этом напряжение на базе транзистора VT1 близко к нулю и транзисторы VT1 и VT2 заперты. Рис. 2.12. Схема дискретного датчика проводимости вентилей преобразователя 56 Выходное напряжение ВЫХ U максимально, и его значение соответствует логической единице. Если хотя бы один из тиристоров VS1, VS3, VS5 проводит ток, то соответствующая цепь, состоящая из резистора и однофазного моста, оказывается замкнутой накоротко. Ток через диод оптопары обращается в нуль, и оптопара запирается, в результате чего ток через резистор R4 не проходит. На базе VT1 появляется большое положительное напряжение, переводящее VT1 в режим насыщения. Падение напряжения на R6 полностью открывает транзистор VT2, и выходное напряжение приобретает минимальное значение, близкое к нулю и соответствующее логическому нулю. Таким образом, рассмотренный ДПВ дает в инверсной форме надежную дискретную информацию о состоянии вентильной группы ТП: при пропускании тока хотя бы одним тиристором на выходе ДПВ выделяется нулевой сигнала при отсутствии тока во всех тиристорах на выходе имеет место единичный сигнал. Высокая надежность и точность информации ДПВ обусловливают его широкое применение как датчика нулевого тока в ЛПУ реверсивных ТП с раздельным управлением. 2.4.2. Полупроводниковые ключи сдатчиком тока Для оперативного контроля тока через силовой ключ разработано семейство силовых MOSFET транзисторов с возможностью считывания измерения) тока, протекающего через них [7]. Особенности такого MOSFET транзистора заключаются в том, что его кристалл состоит из множества транзисторных ячеек, работающих параллельно. Следовательно, ток стока может определяться измерением тока, протекающего через небольшое количество ячеек и умножением его на коэффициент, который известен для конкретного типа прибора. Практически, прибор состоит из двух параллельных MOSFET транзисторов с изолированными истоками (рис. 2.13), обычно называемыми как силовой прибор и считывающий прибор. Ключевым параметром этой комбинации является коэффициент считывания тока (r). Это отношение между током, протекающим через вывод истока, и током, протекающим через вывод датчика. Это отношение будет слегка отличаться сточки зрения тока стока, который является суммой обоих токов При идеальных условиях равного усиления всех ячеек MOSFET транзистора коэффициент считывания тока будет равен отношению числа ячеек в силовом приборе к числу ячеек в считывающем приборе. Схема, которая дает лучшие характеристики в смысле быстродействия, точности и помехозащищенности, показана на рис. 2.14. Для совместной работы с подобными транзисторами были разработаны специальные управляющие схемы (драйверы, которые используют сигнал с внутреннего датчика тока транзистора для его защиты путем снятия управляющего сигнала с затвора транзистора. На рис. 2.15 приведена схема 57 включения силового ключа (Т) и соответствующего драйвера (МС. Внутренняя структура драйвера приведена на рис. 2.16 [8]. Конденсаторы 1 C , 3 C предназначены для фильтрации цепей питания. Сопротивление 1 R ограничивает ток вцепи затвора ключа. Сопротивление 2 R задает напряжение вцепи обратной связи потоку. Конденсатор 2 C определяет время срабатывания защиты потоку сигнальный силовой Рис. 2.13. Полевой транзистор с внутренним датчиком тока Рис. 2.14. Схема измерения тока транзистора 58 Vcc Vcc IN OUT ERR CS COM Рис. 2.15. Схема включения транзистора с внутренней цепью измерения тока UV detect Error timing Pre driver Filter Amplifier Comparator 500 ns Рис. 2.16. Структура драйвера с функцией защиты потоку. Комбинированные датчики с потенциальным барьером Датчики тока являются необходимым функциональным элементом систем электропривода. Информация о мгновенных значениях токов, протекающих в фазах ЭМ позволяет формировать требуемые электромагнитные процессы преобразования энергии, управлять моментом и частотой вращения двигателей, обеспечивать безопасную работу силовых ключей. 59 На практике датчики тока устанавливают либо в шину постоянного тока, либо в фазы электродвигателя. В первом случае сигнал, снимаемый сдатчика, будет содержать модулируемые по ширине импульсы с огибающей, повторяющей форму фазного тока (одно- или двуполярность импульсов зависит от принятого алгоритма коммутации силовых ключей. Этот сигнал содержит информацию о частоте ШИМ, о коммутируемом транзисторами токе, о мгновенном токе двигателя. Эти данные легко использовать для реализации различных защити формирования процессов коммутации в инверторе. Однако сигнал этого датчика нуждается в сложной обработке для получения информации о действующем значении фазных токов и другой информации, необходимой для решения собственно задач управления приводом. Для этих целей наиболее важной является информация сдатчиков тока, установленных в фазах двигателя. Разработана микросхема, которая измеряет ток в фазе электродвигателя по падению напряжения на шунте, преобразует этот аналоговый сигнал в цифровой и передает его в низковольтную управляющую часть привода [9]. Схема включения микросхемы представлена на рис. 2.17. Vcc V+ PO Vs COM Vb OC Рис. 2.17. Схема включения датчика Питание схемы осуществляется по бутстрепной схеме. У микросхемы два выхода цифровой и сигнальный. Сигнал цифрового выхода представляет собой 60 широтно-модулированный сигнал с регулированием в паузе. Сигнальный выход выдает информацию о токовой перегрузке и служит для организации защиты силовых транзисторных ключей. Время выработки сигнала о перегрузке составляет 2,0 мкс, что заметно меньше, чему оптронных датчиков или датчиков на эффекте Холла. Развитием рассмотренной микросхемы явилось создание схемы, адаптированной для работы с микроконтроллером. Такая схема осуществляет измерение тока непосредственно в фазе двигателя. В качестве входного сигнала используется напряжение на токовом шунте, которое преобразуется в ШИМ- переменной скважности, сдвигается по уровню и преобразуется в цифровой код. Синхронизируемый цифровой фильтр отсекает высшие гармоники и уменьшает чувствительность к помехам. Максимальная частота выборок составляет 40 кслов/с, что соответствует частоте 20 кГц, а задержка при обнаружении аварийной ситуации на этой частоте 7,5 мкс. ШИМ и аналоговые выходные сигналы могут быть непосредственно поданы в микроконтроллер. Таблица 2.1. Сравнение различных датчиков тока Тип развязки Холл Опто Потенциальная Погрешность, % 0,2 5 2 дрейф погр. |