12.2. Технические средства замкнутых схем управления электропривода

Современные замкнутые системы управления ЭП реализуются, как правило, на основе полупроводниковых элементов и устройств, отличающихся при правильном их выборе и использовании широ­кими функциональными возможностями управления, автоматиза­ции и диагностики, надежностью в эксплуатации, высоким КПД и относительно невысокой стоимостью. Силовая часть замкнутых ЭП реализуется на основе того или иного преобразователя - выпрямителя, инвертора, преобразователя часто­ты, регулятора напряжения постоянного или переменного тока. В этих преобразователях используются диоды, тиристоры, транзисто­ры и различные модули (интегрированные устройства) на их основе. Справочные данные по этим полупроводниковым элементам приведены в [11] и [12].

Диоды - неуправляемые полупроводниковые приборы, обладающие односторонней проводимостью. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении («+» - на аноде, « -» на катоде).

Тиристоры - вентили с неполным управлением.

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле напряжения в прямом направлении («+» - на аноде, «-» на катоде), т.е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток. Переход вентиля из «включено» в состояние «выключено», т.е. запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока, возможен только при смене полярности напряжения на вентиле (на выводах «анод-катод»), т.е. при приложении к нему напряжения обратной полярности («-» - на аноде, «+» на катоде). Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить по цепи управления. В качестве примера характеристик современных однооперационных управляемых вентилей приведем предельные эксплуатационные показатели тиристоров серии Т:

-рабочие токи - до 10000 А;

-рабочее напряжение – до 6500 В;

-ударные токи –до 100 кА;

-коммутируемые мощности до 10 МВт в длительном режиме и до 500 МВт в импульсном режиме.

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления.

Основными вентилями с полным управлением являются запираемые (двухоперационные) тиристоры, которые принято обозначать как GTO - (Gate Turn Off) и силовые транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые как IGBT- (Isolated Gate Bipolar Transistor).

Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого импульса тока обратной полярности в цепь управляющего электрода. Следует отметить, амплитуда этого импульса управления должна быть не менее одной трети импульса анодного тока, протекавшего через вентиль перед его выключением. Такая большая величина импульса тока цепи управления объясняется невысоким коэффициентом усиления то току k_β при запирании тиристора. Поэтому для запираемых тиристоров важны не средние значения прямого тока, а максимальные (мгновенные) значения, по которым они маркируются. Достигнутые предельные параметры запираемых тиристоров: по прямому току - до 2,5 кА, по напряжению - до 6 кВ, по частоте переключения - до 2-3 кГц, по коэффициенту усиления по току выключения k_β до 3-5.

В последние годы GTO- тиристоры были модифицированы и создан новый тип вентиля - тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT- Gate Commutated Thyristor или IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В нем за счет того, что весь ток включения-выключения коммутируется через управляющий электрод, на порядок сокращается время коммутации и коммутационные потери. Это позволило создать IGCT- тиристор на 3 кА, 3,5кВ. Для него в отличие от GTO- тиристора не требуется снабберов - специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора.

В простейшем случае снаббер – это конденсатор, ограничивающий скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре при его выключении. Последовательно с конденсатором включается активное сопротивление для ограничения тока конденсатора.

Транзисторы. Принципиальным отличием транзисторов от обычных и запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых короткими импульсами управления, является то, что для них наличие сигнала управления необходимо в течение всего времени прохождения через транзистор прямого тока. Предельные электрические параметры транзистора, определяющие возможности его применения в устройствах силовой электроники, зависят от типа транзистора.

Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p или p-n-р, в которых имеются два p-n перехода: база-эмиттер и база-коллектор. Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер с напряжением в сотни вольт и максимальными частотами переключения до единиц килогерц.

Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными потерями мощности на управление (током по базе) и невысоким быстродействием.

Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока - электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителя тока. Проводимость канала между истоком и стоком (определенными аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода- затвора (управляющего электрода). Канал может быть двух типов: n-типа или p-типа. Управляющим параметром для выходных характеристик у полевых транзисторов п - типа является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не ток входа, как у биполярного транзисторов. Входная цепь полевого транзистора высокоомна. В динамике (при переключении транзистора) требуются импульсы тока в цепи управления для быстрого заряда (разряда) входной емкости затвор- сток транзистора. У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства и характеристики, только у них при включении в схему изменяют полярности напряжения на стоке и затворе (относительно истока) на обратные.

Вторая разновидность полевых транзисторов - это транзисторы с изолированным затвором (МДП – транзисторы). В отличие от полевых транзисторов с р-п - переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала в МДП – транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП – транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП - транзисторы (структура металл - диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов - МОП - транзисторы (структура металл-окисел-полупроводник).

Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹²—10¹⁴ Ом).

Принцип действия МДП – транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

За рубежом эти транзисторы носят название MOSFET.

Достоинство полевых транзисторов - малые затраты мощности на управление и высокое быстродействие в результате переноса тока в них носителями одного знака (основными носителями), в отличие от биполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) переносится медленными (неосновными) носителями. Но по предельным значениям выходных напряжений и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет их использование в низковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотами процессов преобразования электрической энергии.

Комбинированные транзисторы. В последнее время находят широкое применение комбинированный транзистор, объединяющий в себе полевой транзистор с изолированным затвором и биполярный транзистор (на выходе), названный биполярным транзистором с изолированными затворами IGBT. Он имеет высокое входное сопротивление. Параметры выходных напряжений и тока выше, чем у биполярного транзистора. В настоящее время промышленность выпускает IGBT-транзисторы на токи от 50 до 3600 А и диапазон рабочих напряжений 600/1200/1700/3300/4500/6500 В, что позволяет создать преобразовательные системы с мощностью от 0,5 кВт до 1 ГВт. Конфигурация модулей: от одиночного ключа и чоппера до полного трехфазного моста и однофазной трехуровневой системы IGBT.

Подобно полевым транзисторам IGBT имеют изолированный затвор и управление транзистором осуществляется изменением напряжения на затворе. Ток управления и мощность управления незначительны. Прямое падение напряжения существенно меньше, чем у МОП транзисторов и составляет около полутора вольт, По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам, но значительно превосходят биполярные, Основными преимуществами являются высокая рабочая частота и КПД, а также устойчивость к перегрузкам, благодаря чему, IGBT успешно вытесняют из преобразовательной техники силовые биполярные транзисторы и запираемые тиристоры.

Отметим, что для транзисторов всех рассмотренных типов общим является наличие на их входах сигналов управления на все время протекания тока в выходной цепи вентиля. В то же время для GTO- тиристоров необходимы импульсы управления противоположной полярности только в моменты отпирания и запирания тиристора.

Сравнительная оценка по допустимым диапазонам мощности и частоты силовых полупроводниковых преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, запираемых тиристорах (GTO), полевых транзисторах (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором

(IGBT) приведена в табл.17. в

Таблица 17.Сравнительная оценка характеристик силовых полупроводниковых приборо

Тип полупроводникового прибора	Рабочий диапазон частоты, Гц fmin≤fраб ≤ fmin	Рабочий диапазон мощности, кВт Pmin≤Рраб ≤Рmax
Однооперационный тиристор	От 10 Гц до 3000 Гц	От 0,2 кВт до 104 кВт
GTO	От 100 Гц до 3000 Гц	От 103 кВт до 106 кВт
IGBT	От 1000 Гц до 25 000 Гц	От 0,5 кВт до 106 кВт
MOSFET	От 1000 Гц до 50 000 Гц	От 0,01 кВт до 10 кВт

Управляющие устройства. Для выработки законов управления двигателем, который реа­лизуется силовым преобразователем, замкнутые схемы ЭП содер­жат определенный набор управляющих элементов: задающие (про­граммные) устройства, определяющие уровень и характер изме­нения регулируемой координаты; датчики регулируемых коорди­нат и технологических параметров, дающие информацию о ходе технологического процесса и работе самого ЭП; регуляторы и фун­кциональные преобразователи, вырабатывающие управляющее воздействие на основе сигналов задающих устройств и датчиков координат и параметров; согласующие элементы, позволяющие соединить в единую схему все указанные элементы за счет согла­сования их входных и выходных сигналов по роду тока, уровням и виду сигналов и др.

Техническая реализация управляющих устройств современного ЭП весьма разнообразна. Они различаются по своей элементной базе, роду тока, мощности, конструктивному исполнению и мно­гим другим признакам. По характеру преобразования сигналов ус­тройства управления подразделяются на аналоговые и дискретные.

Аналоговые устройства и элементы характеризуются наличием функциональной (линейной или нелинейной) зависимости между входным и выходным сигналами, при этом выходной сигнал может принимать любое значение. Примером силовых аналоговых уст­ройств могут служить управляемые выпрямители и преобразовате­ли частоты, у которых напряжение и частота на выходе могут регу­лироваться в широких пределах в зависимости от уровня входного управляющего сигнала.

Дискретные элементы и устройства могут иметь только нулевой или максимальный выходной сигнал, который появляется или ис­чезает при достижении входным сигналом определенного значения. Примерами дискретных элементов могут служить реле и бескон­тактные логические элементы. На основе дискретных элементов микропроцессорных контроллеров создаются цифровые схемы управления ЭП.

Все рассмотренные выше силовые и управляющие устройства на­ходят применение в автоматизированных ЭП. До относительно недавнего времени задающие, регулирующие, согласующие и функциональные устройства, а также датчики ко­ординат ЭП выпускались отдельными сериями, «россыпью», что затрудняло проектирование схем управления, их наладку и эксплу­атацию. Прогрессивным явлением в создании технических средств управления стала разработка микропроцессорных систем управления, выполняемых с использованием микропроцессорных контроллеров.

Важной характеристикой схем управления ЭП является наличие или отсутствие в них возможности изменения (перенастройки) ал­горитма функционирования. По этому признаку они подразделя­ются на схемы с жестким (неизменным) алгоритмом и схемы с изме­няемым (программируемым) алгоритмом.

В схемах с жестким алгоритмом преобразование сигналов осуще­ствляется в соответствии со схемой соединения и характеристиками элементов. Для изменения алгоритма функционирования такой схе­мы необходима замена (перемонтаж) соответствующих элементов.

Схемы с программируемым алгоритмом позволяют менять уп­равление за счет изменения программы, управляющей работой ап­паратной части этих устройств. Реализация таких устройств осу­ществляется с использованием средств компьютерной (микропро­цессорной) техники управления и характеризует собой одну из важ­нейших тенденций развития современных ЭП. Использование этих систем обеспечивает широкую унификацию производства комплектных средств управ­ления, упрощает проектирование, наладку и эксплуатацию ЭП, улуч­шает их технико-экономические показатели.

Аналоговые элементы и устройства управления электропривода [1]

Работу таких элементов и устройств рассмотрим на примере си­стем УБСР.

Аналоговая ветвь УБСР-А выполняется из набора транзистор­ных усилителей постоянного тока, командных и задающих уст­ройств, функциональных преобразователей, датчиков координат, устройств согласования и блоков питания и рассчитана на уни­фицированный сигнал постоянного тока (0±10) мА, (0 ± 24) В, что позволяет использовать в ней транзисторы общего назна­чения.

Развитием аналоговой ветви УБСР явилась разработка серии УБСР-АИ на интегральных микросхемах, применение которых по­зволило улучшить технические характеристики схем управления и расширить их функциональные возможности. Блоки УБСР-АИ раз­мещаются на сменных ячейках со штепсельными разъемами и име­ют печатный монтаж. Эта серия рассчитана на унифицированный электрический сигнал ±10 В, ±5 мА, позволяющий соединять ее эле­менты с дискретными элементами УБСР-ДИ и другими устройства­ми автоматизации технологических процессов.

Командные (задающие) устройства реализуются на базе сельсинного командоаппарата типа СКА. Они выпускаются в трех испол­нениях - с приводом от рукоятки (СКАР), педальным приводом (СКАП) и маховичковым приводом (СКАЗ).

Рассмотрим электрическую схему сельсинного командоаппара­та (рис. 188, а). Однофазная обмотка статора сельсина ОС подклю­чается к сети переменного тока напряжением U_c = 110 В частотой 50 Гц. Выходное напряжение переменного тока U_вых снимается с двух фаз обмотки ротора и далее выпрямляется с помощью неуправляе­мого выпрямителя VD или фазочувствительного выпрямителя ФЧВ. В первом случае выходное напряжение U_вых1 будет иметь постоянную полярность, а во втором случае полярность сигнала U_вых2 будет за­висеть от сдвига фаз напряжений статора и ротора. Таким обра­зом, ФЧВ является по существу выпрямителем, полярность сигнала на выходе которого определяется фазой входного напряжения пе­ременного тока.

При повороте ротора сельсина амплитуда наводимых в его об­мотках ЭДС и соответственно выходного напряжения U_вых изме­няется от нуля в начальном положении ротора (φ = 0) до макси­мального значения при φ = 90° (см. рис. 188, б) по кривой U_вых1(φ). Для получения примерно линейной зависимости выходного сиг­нала командоаппарата в функции угла поворота ротора исполь­зуется зона φ = ± 60°.

На основе сельсинного командоаппарата выполняются и задатчики интенсивности УБСР типов БЗС и БСШД. В задатчике интен­сивности БЗС ротор перемещается однофазным реверсивным ис­полнительным двигателем типа РД-09, а в задатчике БСШД - с по­мощью шагового двигателя типа ШДР 711.

В схемах управления, в том числе и в УБСР, широко использу­ются и потенциометрические задающие устройства (задатчики) с линейным и вращательным движением ползунка. Схема, приведен­ная на рис. 189, а, обеспечивает получение двухполярного сигнала на выходе, а схемы на рис. 189, б, в - однополярного.

Если ползунки потенциометров перемещать с помощью испол­нительных двигателей, то они смогут выполнять функции задатчиков интенсивности. По такому принципу в УБСР выполнен блок скорости реостатный (БСР), в котором двигатель РД-09 через ре­дуктор перемещает ползунки двух потенциометров типа РПП. Угол поворота валиков потенциометра от 0 до 300⁰, крайние их положений ограничиваются микровыключателями.

В УБСР предусмотрен и статический (без применения двига­теля) задатчик интенсивности типа ЗИ-2АИ. В этом устройстве, предназначенном для преобразования ступенчатого входного сигнала в линейно изменяющееся во времени выходное напряже­ние, применяются четыре ОУ, один из которых работает в режи­ме управляемого ограничения, второй - в режи­ме интегратора, а третий и четвертый - в режиме инвертора. Ячейка ЗИ-2АИ операционного усилителя обеспечи­вает изменение своего выходного напряжения в пределах ± 10 В за время 0,5-120 с.

В схемах управления ЭП применяются также задатчики интен­сивности, построенные на эффекте протекающего во времени заря­да конденсатора. При подаче на вход цепочки R - С ступенчатого входно­го сигнала U_вх сигнал на ее выходе U_вых будет изменяться по экспо­ненте. Изменяя постоянную времени Т = RС, мож­но получать различный темп изменения выходного сигнала.

Датчики координат электрических приводов

В замкнутых ЭП, как уже говорилось, для формирования требуемых статических и динамических характеристик применяются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению, реализуемые с помо­щью соответствующих датчиков. Рассмотрим и некоторые дру­гие датчики, применяемые в аналоговых схемах управления зам­кнутых ЭП.

Датчики напряжения для ЭП с ДПТ выполняются на основе по­тенциометра, включаемого на зажимы якоря М двигателя, как это показано на рис. 190, а. Уровень сигнала обратной связи по на­пряжению U_оп, снимаемого с потенциометра RP, а значит, и коэф­фициент обратной связи по напряжению определяются положени­ем движка потенциометра.

Для получения сигнала обратной связи по напряжению в ЭП с двигателями

переменного тока используются трансформаторные схемы (см. рис. 190, б).

Рис.188. Схема (а) и выходная характеристика (б) сельсинного командоаппарата

Рис.189. Потенциометрические задающие устройства (а, б, в)

Рис. 190. Потенциометрический (а) и трансформаторный (б) датчик напряжения

Аналогичные схемы применяются в систе­ме УВ - ДПТ, где трансформаторы напряжения подключаются к цепям переменного тока управляемого выпрямителя УВ.

В настоящее время находят широкое применение изолированные датчики тока и напряжения фирмы LEM (Швейцария). Перечислим достоинства этих датчиков:

- возможность применения в цепях как переменного, так и постоянного или импульсного токов (напряжений);

- аналоговый выходной сигнал;

- высокая точность преобразования: до 0,1 % от входного тока;

- высокий уровень изоляции между первичной и вторичной цепями;

- нелинейность выходной характеристики: до 0,05 %;

- широкий диапазон преобразования, высокая перегрузочная способность, отличные динамические характеристики;

- надежность (среднее время наработки на отказ превышает 10⁶ часов), стабильность параметров;

- простота применения, малые размеры и вес;

- гарантия изготовителя: 5 лет.

Приведем параметры некоторых датчиков тока и напряжения.

1. Датчик тока (датчик прямого усиления на эффекте Холла): HY 0,5…25-Р:

- номинальное значение входного тока: ± 5; 10; 15; 20; 25 А;

- точность в процентах к номинальному значению тока: 2,5 %;

- диапазон преобразования: 3·I_N А;

- выходной сигнал: 4 В;

- рабочая частота: 0…25 кГц;

- напряжение питания: ± 15 В;

- потребляемый ток: 20 mА;

- рабочая температура: -10…+75^оС;

- габаритные размеры: 36 * 33 * 12.

2. Датчик напряжения (датчик компенсационного типа со встроенным первичным резистором. Тип «С». СV3-VOLTAGE:

- номинальное значение входного напряжения:70- 1400 В;

- точность: ±2% (к номинальному напряжению);

- выходной сигнал: 10 В;

- напряжение питания: ± 15 В;

- рабочая частота: 0-800 кГц;

- время задержки: 0,3-0,4 мкс;

- рабочая температура: -40…+85 ^оС;

- габаритные размеры: 113 * 64 * 77.

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 ОИ1 и 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, С2 напряжения 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.

Выбор датчика положения и определение передаточного отношения редуктора для датчика положения

Датчики положения выбирают с учетом требований по обеспечению заданных погрешности позиционирования и диапазона перемещения исполнительного органа рабочего механизма.

Передаточное отношение редуктора, установленного между выходным валом исполнительного органа рабочего механизма и датчиком положения выбирают в такой последовательности:

- находят перемещение исполнительного органа рабочего механизма S_i;

- выбирают датчик положения;

- определяют величину перемещения и скорость исполнительного органа рабочего механизма;

- вычисляют передаточное отношение редуктора к датчику положения.

Диапазон перемещения исполнительного органа рабочего механизма обычно указан в техническом задании на проектирование.

Параметры некоторых типов датчиков положения для следящих систем ЭП приведены в табл. 18.

Датчик положения выбирают исходя из оценки достижимой погрешности позиционирования, которая определяется по формуле

SK_Δ/(D_пΔ_доп), (311)

где S – перемещение исполнительного органа рабочего механизма, мм;

D_п– число дискрет датчика (см. табл.18); 1/D_п –разрешающая способность датчика;

K_Δ=1,5-3 - коэффициент, учитывающий качество измерительных цепей системы управления, причем бóльшие значения K_Δ соответствуют аналоговым системам управления;

Δ_доп – допустимая по техническому заданию погрешность позиционирования исполнительного органа рабочего механизма, мм.

При использовании импульсных датчиков положения, с помощью которых можно получить очень высокую точность позиционирования, платы системы управления должны быть выполнены с энергозащищенной памятью, сохраняющей информацию о положении исполнительного органа в момент аварийного отключения питания системы управления.

При выборе места установки датчика положения необходимо выполнение следующих условий:

- величина приведённого от ЭД к датчику положения люфта должна быть меньше дискреты датчика положения;

- в кинематической цепи, связывающей ЭД и датчик положения, должны отсутствовать элементы с пониженной механической жёсткостью.

Исходя из этих условий, предпочтительно осуществлять связь вала датчика с валом ЭД непосредственно или через специальный редуктор (мультипликатор).

Тип датчика	Разрешающая способность D, дискрет или импульс/оборот	Диапазон перемещения, оборот	Скорость, об/мин	Долговечность, цикл
Потенцио-метр ППМЛ	10 000	20	200	106
Кодовый ФЭП-15	215	16	900	109
Импульсный ПИКП2-1Ф	(1000;2500;5000)	не ограничивается	6000	10000

Таблица 18. Паспортные данные датчиков положения

В случае установки датчика положения на выходе кинематической цепи ЭД-исполнительный орган рабочего механизма необходим редуктор, передаточное отношение которого i_дп определяется по формуле

i_дп=φ_м /φ_д ;

φ_д ≤ φ_дп

где φ_м- диапазон перемещения исполнительного органа рабочего механизма, с которого передаётся движение на датчик;

φ_д - диапазон перемещения датчика;

φ_дп– диапазон перемещения датчика по паспорту.

Необходимо выполнить проверку частоты вращения датчика.

n_дат=n_дв/(i_дпi_м) n_{дат. п},

где n_дат– частота вращения датчика, об/мин;

n_дв– мксимальная частота вращения ЭД, об/мин;

i_м– предаточное отношение от ЭД до звена механизма, с которого передается вращение на датчик;

n_{дат. п}–допустимая частота вращения датчика по паспорту;

i_дп– передаточное отношение датчика.

Если датчик положения соединен непосредственно с валом ЭД через редуктор с передаточным отношением i_дп, то скорость вращения датчика положения определяется по формуле

n_дат=n_дв/i_дп n_{дат. п}

Задача 42:

Выбрать датчик и определить передаточное отношение механизма поворота робота “Универсал 60”, если дано: угол поворота равен 360⁰, вылет схвата от оси поворота 2000 мм, погрешность позиционирования 3мм; скорость вращения двигателя n_дв=800 об/мин; передаточное отношение редуктора, установленного между ЭД и исполнительным органом рабочего механизма i_м =80.

Решение:

Примем кинематическую схему ЭП, в которой датчик положения соединен с валом ЭД через редуктор с передаточным отношением i_дп.

Исполнительный органа рабочего механизма перемещается по окружности, длина которой составляет его путь перемещения: S=2πR=2π∙2000=12560 мм.

Выбираем датчик ППМЛ с разрешающей способностью 10000 дискрет. Примем значение K_Δ=1,5.

Определяем погрешность позиционирования, которая будет обеспечена при применении этого датчика, и сравниваем её с заданной точностью позиционирования

Δ=SK_Δ/D_п=12560∙1,5/10000=1,88 <3мм.

Датчик ППМЛ удовлетворяет требованиям по точности позиционирования.

Угол поворота входного вала редуктора датчика положения равен углу поворота вала ЭД

φ_дв=φ_выхi_пм=360^о·80=28800^о=80 полных оборотов.

Предельный диапазон перемещения датчика положения типа ППИЛ составляет 20 оборотов. Принимаем рабочий диапазон перемещения датчика положения равным 19 оборотов. В этом случае передаточное отношение редуктора для датчика положения равно

i_дп= φ_дв/φ_дп=80/19=4,21.

Далее следует определить частоту вращения датчика положения

n_дат=n_дв/i_дп=800/4,21=190 об/мин.

Допустимая частота вращения датчика положения типа ППМЛ (см. табл.18) составляет 200 об/мин.

Вывод: выбранный датчик положения удовлетворяет требованиям по обеспечению точности измерения перемещения и допустимой скорости вращения.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные типы полупроводниковых вентилей, которые применяются в силовых схемах усилителей мощности современных ЭП, дайте краткую характеристику их параметров.

2. Перечислите основные типы датчиков напряжения, проведите сравнительную оценку их характеристик.

3. Перечислите основные типы датчиков скорости, дайте сравнительную оценку их характеристик.

4. Перечислите основные типы датчиков углового положения, дайте сравнительную оценку их характеристик.