10.2.2. Датчики угла и линейного перемещения

Эти датчики также представляют собой сочетание измерительного преобразователя с электронным блоком-интерфейсом. Измерительный преобразователь вырабатывает совокупность электрических сигналов, зависящих от углового положения ротора. Эти сигналы могут быть представлены в дискретной или аналоговой ферме. Электронный блок преобразует эти сигналы в цифровую форму. Точность преобразователя определяется ценой младшего разряда

(10.1)

h=A/2N,

где A – диапазон измеряемых углов. Обычно выбирают h=δ/2, где δ – заданная статическая погрешность следящего привода. При заданной статической погрешности и известном диапазоне углов легко определить требуемое число разрядов преобразования

(10.2)

N=log2(2A/δ).

Датчики углового перемещения можно разделить на две группы: накапливающие и считывающие. В накапливающих датчиках измеряемый угол или перемещение делятся на одинаковые участки (импульсные маски) и определяется как число этих участков. Крупным недостатком таких датчиков является систематическая погрешность, возникающая при сбоях, и необходимость проводить измерения от нулевой точки каждый раз после отключения. В считывающих датчиках измеряемый угол или перемещение делятся на неодинаковые участки (кодовые маски) и определяются по комбинации этих участков. Как накапливающие, так и считывающие датчики могут выполняться в двух модификациях: с прямым использованием сигналов измерительного преобразователя или с использованием предварительно преобразованных, например, во временной интервал сигналов. Последняя система иногда называется системой циклического преобразования и отличается повышенной точностью и помехозащищенностью. Как датчики угла наиболее перспективными являются двухотсчетные (каналы грубого и точного отсчета) циклические датчики с фазовыми индукционными преобразователями, а также с амплитудными (синусно-косинусными и линейными) индукционными преобразователями.

На рис. 10.3.а показана функциональная схема датчика угол-фаза-код, осуществляющего преобразование угла поворота или перемещения в унитарный код. Схема содержит фазовый преобразователь ФП. Формирователи импульсов 1 и 2, триггер Т, счетчик импульсов 4, схему совпадения 5, генератор импульсов 6 и устройство памяти 7.

На рис. 10.3.б показана временная диаграмма работы датчика. В соответствии с принципом действия ФП, который может быть выполнен как поворотный трансформатор в режиме фазовращателя, на его статор подается переменное напряжение uс, а с ротора снимается переменное напряжение uр, сдвинутое по фазе относительно uс на угол φ, пропорциональный угловому перемещению ротора относительно исходного положения. Напряжения uс и uр поступают на входы формирователей импульсов, которые в момент, перехода этих напряжений через ноль от минуса к плюсу формируют короткие импульсы, поступающие на вход триггера. При этом относительная длительность импульсов на единичном выходе триггера будет пропорциональна φ. Единичный выход триггера управляет схемой совпадения 5, которая пропускает на счетчик 4 импульсы от генератора 6. Содержание счетчика, соответствующее угловому положению вала (SСУ), т.е. число импульсов, записанное на считчике, определяется соотношением

(10.3)

n=fзφ/(2πpfс),

где fз и fс – соответственно частота заполнения счетчика и частота напряжения uс, p – число пар полюсов фазового преобразователя. С нулевого выхода триггера осуществляется обнуление счетчика с предварительной перезаписью его содержания в устройство памяти 7. Нетрудно заметить, что частота тактирования в таких датчиках равна fс и к концу каждого периода Tс мы имеем информацию в виде кода о величине угла.

Рис. 10.3. Функциональная схема и диаграмма работы преобразователя "Угол-Напряжение-Код" на основе фазовращателя

Можно отметить, что в виде отдельного интерфейса данная схема может содержать формирователи сигналов 1, 2 и триггер 3. Последовательность импульсов с выхода 1 триггера может быть заведена на микропроцессор, который с помощью внутреннего генератора осуществит преобразование длительности этих импульсов в код, соответствующий угловому положению ротора датчика относительно статора.

Теперь покажем, как на основе фазового индукционного преобразователя реализовать датчик скорости. Для этого необходимо на ортогональные обмотки статора вращающегося трансформатора подать два синусоидальных напряжения uс, сдвинутых на 90 эл. градусов. В результате образуется магнитное поле статора, вращающееся со скоростью ωс=2πfс/p. На обмотке ротора при этом наводится переменное напряжение uр, фаза которого зависит от углового положения ротора относительно статора и используется для дальнейшего преобразования в код по схеме рис. 10.3, как это было описано выше. Частота напряжения uр определяется соотношением ωр=ωс−ω, где ω – скорость вращения ротора. Измеряя длительность периода Tр=1/fр, и, зная длительность периода Tс=1/fс, мы можем вычислить скорость вращения ротора индукционного преобразователя по выражению

ω=2π(Tр−Tс)/(pTрTс).

Так как подобные датчики применяются главным образом в следящих системах, где информация по скорости используется для формирования корректирующего воздействия в переходных режимах, то для относительно небольших скоростей вращения можно при вычислении ω исключить операции умножения и деления, воспользовавшись приближенным соотношением

(10.4)

ω≈2π(Tр−Tс)/(pTс2).

Здесь частота тактирования приближенно равна 1/Tс. К концу каждого периода мы имеем информацию о Tр, но необходимо еще время для вычисления на ее основе ω.