Системы дистанционной передачи угла и датчики углового перемещения

В системах автоматики большую роль играют системы дистанционной передачи угла поворота, которые необходимы в различных технических устройствах. Например, необходимо передать на расстояние угол поворота флюгера, угол открытия шлюзовых ворот, угол поворота управляющего коммутатора или радиолокационной станции, а также по углу поворота вычислить угловое или линейное перемещение.

По характеру движения различают системы шагового действия и непрерывного (плавного) действия. Ниже рассматриваются наиболее распространенные системы непрерывного действия. Различают системы непрерывного действия постоянного и переменного тока.

Основными элементами дистанционной передачи угла являются датчик, воспринимающий передаваемый угол, линия связи и приемник, воспроизводящий передаваемый угол.

Потенциометрический преобразователь угловых перемещений. Датчиком дистанционных передач непрерывного действия на постоянном токе при угловом перемещении в простейшем случае, как и при линейном перемещении, служит потенциометр, в связи с чем эти системы также называют потенциометрическими.

Потенциометрический преобразователь угловых перемещений

Рис. 7.7. Потенциометрический преобразователь угловых перемещений

Конструктивно преобразователь для угловых перемещений представляет собой каркас кольцевой формы с обмоткой из проволоки (рис. 7.7) [8]. Принцип действия такого генераторного датчика такой же, как и преобразователя, показанного на рис. 7.1.

Более совершенная схема потенциометрической дистанционной передачи угла на постоянном токе приведена на рис. 7.8 [8]. Датчиком угла в этой схеме также является кольцевой потенциометр. К двум диаметрально противоположным точкам этого потенциометра подведено напряжение питания U постоянного тока. По потенциометру скользят три контактные щетки, смещенные друг относительно друга на угол 120° и связанные с осью устройства, угол поворота которого необходимо передать на пульт управления. От щеток отходят три провода, образующие линию связи с приемником. В качестве приемника используют тороидальный (кольцевой) магнитопровод, на котором намотаны три обмотки, так же смещенные друг относительно друга на угол 120° и соединенные в звезду или треугольник. Внутри магнитопровода приемника расположен свободно вращающийся постоянный магнит NS с закрепленной на нем стрелкой. При повороте подвижной части датчика его щетки переходят с одних точек потенциометра на другие. При этом меняются потенциалы точек, и происходит перераспределение токов в обмотках приемника. Их МДС изменяются, и изменяется направление результирующего магнитного потока, образованного тремя обмотками приемника. Поток, образованный катушками приемника и направленный по его диаметру, поворачивается на угол, равный углу поворота оси датчика. Свободно вращающийся постоянный магнит устанавливается вдоль оси потока приемника, повторяя тем самым движение оси датчика. Один датчик в потенциометрических системах дистанционной передачи угла может соединяться с несколькими приемниками. Если ось приемника должна преодолевать некоторый момент сопротивления, например, от сил трения, то постоянный магнит будет устанавливаться не точно по оси потока, а с некоторым отклонением или ошибкой. По этой причине описываемая система используется, как правило, только при малых моментах сопротивления, когда ось приемника несет на себе лишь легкую стрелку.

Потенциометрическая система дистанционной передачи угла

Рис. 7.8. Потенциометрическая система дистанционной передачи угла

Сельсинная система дистанционной передачи угла на переменном токе но своему принципу действия в некоторой степени сходна с потенциометрической системой. В потенциометрической системе используется перераспределение разности потенциалов между тремя щетками датчика, а в сельсинной системе используется перераспределение переменных ЭДС, индуктируемых в трех обмотках сельсина-датчика СД в зависимости от угла поворота ротора относительно статора (рис. 7.9).

Сельсин-датчик СД соединен тремя проводами с сельсином-приемником СП. Сельсин-датчик и сельсин-приемник представляют собой совершенно одинаковые электрические информационные микромашины переменного тока, сходные по конструкции с трехфазными синхронными машинами. На статоре сельсина расположена трехфазная обмотка, фазы которой Л, й, С смещены в пространстве на угол 120° и соединены в звезду. Эту статорную обмотку называют синхронизирующей. Явнополюсный ротор сельсина имеет однофазную обмотку. К ротору сельсина-датчика через контактные кольца подводится однофазное питающее напряжение переменного тока.

Замечание 7.1

Кроме сельсинов с контактными кольцами на роторе широко применяются и бесконтактные сельсины, в которых неподвижная обмотка возбуждения расположена на статоре, а ротор разделен на две магнитно изолированные части, образующие два полюса.

Переменное пульсирующее магнитное поле, создаваемое ротором, пронизывает фазные обмотки статора и создает в них ЭДС переменного тока той же частоты. При изменении положения ротора сельсина-датчика изменяется и ориентация его магнитного потока относительно фазных обмоток статора, и в них наводятся одинаковые но фазе, но разные по значению и знаку ЭДС. Точный анализ процессов в сельсине-датчике показывает, что ЭДС, наводимые в фазных обмотках статора, пропорциональны косинусам углов между их осями и осью ротора. Наибольшая ЭДС индуктируется в фазе (катушке), ось которой совпадает с осью ротора и соответственно с осью пульсирующего потока.

Сельсинная система дистанционной передачи угла на переменном токе

Рис. 7.9. Сельсинная система дистанционной передачи угла на переменном токе

Сельсин-приемник СП имеет такую же конструкцию и схему, как и сельсин-датчик. Его ротор питается от той же сети переменного тока, что и ротор датчика. Переменное магнитное поле, создаваемое ротором сельсина-приемника, наводит в фазных обмотках статора а, b, с ЭДС переменного тока той же частоты. Синхронизирующие фазные обмотки статора сельсина-приемника а, Ьу с соединены через трехпроводную линию связи с одноименными синхронизирующими фазными обмотками статора А, В, С сельсина-датчика. Нейтральная точка N сельсина-датчика и нейтральная точка п сельсина-приемника могут соединяться нейтральным проводом. В этом случае линия связи становится четырехпроводной.

Если роторы приемника и датчика занимают в пространстве одинаковое (согласованное) положение, т.е. находятся в пространстве под одним и тем же углом (а = Р), то ЭДС, наводимые в одноименных фазных обмотках статоров, т.е. в обмотках, присоединенных к одному и тому же проводу, будут равны. Эти ЭДС направлены навстречу друг другу и уравновешивают друг друга. Поэтому ток в статорных обмотках сельсинов протекать не будет и на роторы сельсинов не будет действовать вращающий момент. Роторы будут находиться в покое. Ток iN в нейтральном проводе, если этот провод есть, всегда равен нулю. Следовательно, свойства такой схемы не зависят от того, есть нейтральный провод или его нет. В обоих случаях схема ведет себя совершенно одинаково.

Если роторы датчика и приемника занимают в пространстве разное (несогласованное) положение (а ф Р), то индуктированные в одноименных фазах датчика и приемника ЭДС не будут равны друг другу и в фазах статорных обмоток датчика и приемника будут протекать токи /л, iB, ic. В результате действия МДС, создаваемых статорными обмотками датчика и приемника, в зазорах датчика и приемника появляется суммарный магнитный поток, который, взаимодействуя с токами обмотки ротора, создает вращающий момент, стремящийся повернуть роторы датчика и приемника так, чтобы роторы заняли одинаковое положение и индуктированные ЭДС совпали по значению. Это произойдет в том случае, когда ротор приемника займет положение, согласованное с положением ротора датчика (а = Р). Величина синхронизирующего момента в датчике и приемнике одинакова, т.е. сельсинная передача полностью обратима и может быть уподоблена электрическому валу. Это значит, что сельсины позволяют осуществить без общего механического вала согласованное (синхронное) вращение или поворот.

Если ротор датчика жестко связан с механизмом, положение которого контролируется, то он не может повернуться, и поворачиваться до согласованного положения будет только ротор приемника. Как только ротор приемника займет согласованное положение с ротором датчика, токи в синхронизирующих обмотках станут равны нулю и синхронизирующий момент также станет равным нулю. При любом отклонении ротора приемника от согласованного положения появится момент, пропорциональный синусу угла рассогласования 0 = а-р. Этот момент называют синхронизирующим моментом, поскольку он приводит ротор приемника в согласованное с ротором датчика положение. Такой режим работы сельсинной системы называют индикаторным режимом. В этом режиме сельсин-приемник используется для передачи на расстояние угла поворота на какой- либо индикатор — прибор со шкалой и стрелкой.

Трансформаторный режим работы. Сельсинная система часто работает в так называемом трансформаторном режиме, когда обмотка ротора сельсина-приемника отключается от источника переменного напряжения и подключается к входу управляющего устройства, воздействующего на исполнительный механизм таким образом, чтобы заставить его отработать заданный угол поворота. Такой режим применяется в синхронно-сле- дящих системах.

В трансформаторном режиме переменный ток, питающий обмотку ротора сельсина-датчика, создает пульсирующий магнитный поток, который индуктирует в фазных обмотках статора сельсина-датчика ЭДС, совпадающие по фазе, но отличающиеся по амплитуде. Эти ЭДС вызывают токи, протекающие в статорных обмотках датчика и приемника. Токи, протекающие в статорных обмотках сельсина-приемника, создают, в свою очередь, пульсирующие магнитные потоки с одинаковыми фазами, но сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 120°. Эти три пульсирующих магнитных потока образуют один результирующий пульсирующий магнитный поток, ось которого совпадает с осью ротора сельсина-датчика. Пульсирующий в сельсине-приемнике магнитный поток индуктирует в однофазной обмотке его ротора ЭДС. Следовательно, сельсин-приемник работает как трансформатор, первичной обмоткой которого является трехфазная обмотка статора, а вторичной обмоткой — однофазная обмотка ротора. Значение индуктированной ЭДС зависит от положения ротора сельсина-приемника, а точнее сказать, от угла рассогласования 0 положения датчика и приемника: е — Ет^ cos0. Если угол рассогласования 0 = 0, то значение ЭДС максимальное. Обычно на практике стремятся к тому, чтобы при 0 = 0 ЭДС также была равна нулю. Это достигается легко: в исходном положении системы создают постоянный угол рассогласования 0 = 90°. Тогда угловая зависимость принимает вид e = ?maxcos(0 + 9O°) = ?maxsin0, и напряжение на выходе обмотки ротора сельсина-приемника будет пропорционально синусу угла рассогласования. При повороте ротора влево или вправо от согласованного положения меняется знак ЭДС, т.е. фаза смещается на 180°. Следовательно, следящее устройство измеряет угол рассогласования и определяет направление, в котором произошло рассогласование.

В синхронно-следящей системе угол поворота задается положением ротора сельсина-датчика. Сигнал с датчика-приемника подается через усилитель мощности на исполнительный двигатель, который устанавливает производственный механизм в положение, заданное сельсином-датчиком. Таким образом, с помощью сельсина-приемника контролируется положение исполнительного механизма.

В зависимости от точности работы сельсины делят на три класса. Сельсины первого класса в паре «датчик — приемник» имеют погрешность без нагрузки на валу 0,75°, сельсины второго класса — 1,5°, сельсины третьего класса — 2,5°. При наличии нагрузки на оси приемника погрешность сель- синной передачи возрастает.

Поворотный, или вращающийся, трансформатор — это информационная электрическая микромашина, амплитуда выходного напряжения которой является функцией углового положения ротора, поэтому вращающиеся трансформаторы служат датчиками угла поворота или датчиками угловых перемещений. Поворотные трансформаторы конструктивно сходны с асинхронными машинами с фазным ротором и контактными кольцами. Они имеют на статоре и роторе по две одинаковые обмотки, расположенные под углом 90° (рис. 7.10). Если на одну из обмоток статора подать переменное напряжение и поворачивать ротор на угол а, то ЭДС, наводимые в обмотках ротора, будут пропорциональны синусу и косинусу угла поворота а.

На рис. 7.10 представлена принципиальная схема поворотного трансформатора с двумя взаимно перпендикулярными обмотками на статоре и роторе.

Принципиальная схема поворотного трансформатора

Рис. 7.10. Принципиальная схема поворотного трансформатора

с двумя взаимно перпендикулярными обмотками на статоре и роторе:

а — в исходном положении; б — при повороте на угол а

Назовем оси обмоток статора соответственно продольной d и поперечной <7 осями поворотного трансформатора. Статорную обмотку А подключим к источнику переменного напряжения. Обмотка создает продольное пульсирующее магнитное поле, которое будет индуктировать в роторных обмотках 1 и 2 ЭДС. Значения электродвижущих сил зависят от угла поворота ротора а.

При синусоидальном распределении поля вдоль окружности ротора напряжение на обмотке 1 будет меняться при повороте ротора пропорционально sin а, а напряжение на обмотке 2 — пропорционально cos а. При использовании обеих обмоток ротора получим синус-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ).

Токи в роторных обмотках создают продольную составляющую магнитного потока, направленную встречно магнитному потоку статорной обмотки А, и поперечную составляющую потока, направленную перпендикулярно магнитному полю обмотки А. Вследствие появления поперечной составляющей будут нарушены синусоидальный и косинусоидальный законы изменения ЭДС от угла поворота ротора а. Для компенсации полученной составляющей магнитного поля роторных обмоток на статоре размещается компенсационная обмотка В под углом 90° к обмотке А, замкнутая накоротко или на сопротивление. Эта обмотка создает магнитный поток, направленный встречно поперечной составляющей магнитного потока ротора, и ослабляет ее. В результате погрешность поворотного трансформатора уменьшается.

При наличии на роторе только одной обмотки, напряжение на которой изменяется по закону синуса или косинуса, невозможно однозначно определить угол в пределах от 0 до 360°, так как одна функция нечетная, а вторая четная. При наличии двух ортогональных сигналов угол в пределах от 0 до 360° определяется однозначно. Погрешность большинства современных двухполюсных синусно-косинусных вращающихся трансформаторов находится в пределах ±0,005—0,2%. Выходное напряжение вращающихся трансформаторов с помощью специализированных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) преобразуется в цифровой код угла.

За рубежом специализированные микромашины, используемые в качестве датчиков угловых перемещений, созданные на базе принципа работы вращающегося трансформатора, называют резольверами.

Круговой индуктосин — новый тип датчика, к созданию которого привело дальнейшее совершенствование вращающихся трансформаторов. Принципиальное отличие индуктосина от многополюсного синусно-косинусного вращающегося трансформатора заключается в отказе в конструкции датчика от магнигопроводов из ферромагнитных материалов и применении печатных обмоток на роторе и статоре. Индуктосин представляет собой воздушный трансформатор с распределенными обмотками. Он состоит из двух плоских изоляционных дисков (ротора и статора), один из которых неподвижен, а другой вращается на валу. На торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, нанесены печатные обмотки в виде «меандра» с постоянным шагом. Внешний вид такого диска показан на рис. 7.11.

Внешний вид диска кругового индуктосина

Рис. 7.11. Внешний вид диска кругового индуктосина

Выходное напряжение кругового индуктосина так же, как и выходное напряжение вращающихся трансформаторов, с помощью АЦП преобразуется в цифровой код угла.

Эпкодеры — импульсные вращающиеся растровые датчики. Такие датчики применяют в качестве датчиков угловых перемещений в станках с ЧПУ. Как правило, энкодеры выполняются инкрементальными, т.е. угловое перемещение соответствует прибавлению импульса на выходе.

Тахогенератор — это информационная электрическая машина, предназначенная для выработки электрических сигналов, пропорциональных частоте вращения ротора. Тахо генераторы могут быть постоянного и переменного тока. Тахо генераторы постоянного тока представляют собой маломощные генераторы постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Выходное напряжение тахогене- ратора пропорционально частоте вращения ротора.

Асинхронный тахогенератор по конструктивному исполнению подобен асинхронному двигателю с полым немагнитным ротором. Он состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, выполненного в виде тонкого полого немагнитного цилиндра. Принципиальная схема асинхронного тахогенератора показана на рис. 7.12.

Принципиальная схема асинхронного тахогенератора

Рис. 7.12. Принципиальная схема асинхронного тахогенератора

На статоре генератора размещены две обмотки, пространственно смещенные относительно друг друга на 90°. Одна из них, обмотка возбуждения В, подключена к источнику синусоидального напряжения иь другая обмотка, являющаяся генератором Г, включается на измерительный прибор или на измерительную схему.

Обмотка возбуждения создает пульсирующий магнитный поток Фв. При неподвижном роторе ЭДС в генераторной обмотке равна нулю, так как вектор магнитного потока Фв перпендикулярен оси этой обмотки.

При вращении цилиндра с частотой пх пульсирующий магнитный поток индуктирует в нем ЭДС вращения. Под действием ЭДС в цилиндре появляются токи, направления которых указаны на рис. 7.12. Токи создают по оси генераторной обмотки пульсирующий поперечный поток Фи. Этот поток индуктирует в генераторной обмотке ЭДС, пропорциональную частоте вращения цилиндра.

Асинхронные тахогенераторы, как и тахогенераторы постоянного тока, используются для измерения угловой скорости вращения валов, а также для вырабатывания ускоряющих или замедляющих сигналов в автоматических устройствах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >