14.1. Измерители рассогласования положения

Первичные измерительные преобразователи входят в состав измерителей рассогласования угловых положений задающего устройства и исполнительного органа.

Измеритель рассогласования является информационным звеном привода, предназначенным для формирования сигнала пропорционального разности задающей и выходной координаты ЭП, т.е. ошибки.

Основными параметрами, характеризующими ИР, являются точность определения ошибки и крутизна, с которой происходит преобразование ошибки в электрический сигнал. Величина этих параметров определяет в известной мере точность работы всего ЭП.

Функциональная схема ИР

Рис.210. Функциональная схема ИР: ΔU – выходной сигнал ИР (электрический);

g(t), y(t) – угол поворота задающего устройства и вала исполнительного органа

Структурная схема ИР

Рис. 211. Структурная схема ИР: К_ир – коэффициент передачи ИР

Коэффициент К_ир связывает сигнал на входе ИР и сигнал на выходе ИР. Размерность К_ир – В/рад при угловом перемещении и В/м при линейном перемещении.

Математически К_ир определяется как тангенс угла наклона статической характеристики

(369)

х(t)=g(t)-y(t) – ошибка рассогласования.

δ_и - погрешность измерителя рассогласования,

возникающая при преобразовании физической координаты в электрический сигнал.

Рис.212 . Регулировочная характеристика ИР

Ошибка ЭП х складывается из двух составляющих:

х=х_и+х_f , где

х_и=δ_и/k_ир – погрешность, обусловленная измерителем рассогласования

х_f – динамическая погрешность ЭП.

Таким образом, предельно допустимая точность ЭП будет ограничиваться погрешностью измерителя рассогласования, если принять динамическую составляющую погрешности равной нулю, х_f=0.

Компенсационная схема включения ПИП

Рис. 213. Компенсационная схема ИР

Здесь и ПИП1 и ПИП2 исполняют функции инерциальных преобразователей.

Сигналы этих преобразователей сравниваются в суммирующем устройстве (Σ) и их разность передается на вход регулятора положения ЭП.

ΔU=U_g-U_y=k₁g - k₂y где k₁ и k₂– коэффициенты передач ПИП1 и ПИП2 соответственно.

Для компенсационной схемы характерно, что ПИП1 и ПИП2 выбирают по возможности совершенно идентичными, т.е. k₁= k₂= k.

Каскадная схема

Рис. 214. Каскадная схема ИР

В этом случае ПИП1 работает как индивидуальный преобразователь физической величины (угла поворота) в напряжение, получая питание от источника питания, а ПИП2 является зависимым преобразователем и питается от ПИП1.

ΔU=k_ир(g-y). (370)

Отметим, что k_ир не является коэффициентом передачи отдельного ПИП, а определяется для каждой конкретной схемы.

Тип выбираемой для ЭП схемы ИР определяется многими факторами:

- диапазоном углов поворота;

- типом первичных измерительных преобразователей и их точностью;

- требуемой точностью ЭП и т.д.

В большинстве случаев каскадная схема включения ПИП используется тогда, когда выходной угол поворота равен 2πN, где N – число оборотов вала объекта регулирования, т.е. для случая многооборотного вращения.

Компенсационная схема включения ПИП используется при ограниченных углах поворота.

Компенсационная схема на потенциометрах

Сигналы с движков потенциометров подаются на суммирующее устройство, на выходе которого получается разносторонний сигнал ΔU .

R₁, R₂ – сопротивления ПИП1,ПИП2

Для получения статической характеристики ИР на потенциометрах с высокой степенью линейности необходимо выбрать абсолютно одинаковые потенциометры, сопротивления которых R₁= R₂ должно быть существенно меньше входного сопротивления сумматора, т.е.

R₁= R₂<<R_вхΣ.

Коэффициент передачи ИР этой схемы равен коэффициенту передачи датчика или преемника, т.е.

k_up= k_д= k_п=U_п/ φ_н, где φ_н – угол намотки активной зоны потенциометра.

В этом случае напряжение на выходе ИР ΔU=k_up(g -y)= k_up х.

Таким образом, величина выходного сигнала ИР ΔU определяется ошибкой рассогласования х=g-y, а знак ΔU определяется знаком ошибки x.

При согласовании положений датчика и приемника ΔU=0 (g=y).

Недостатком компенсационной схемы является ограничение по величине угла поворота ±φ_н<2π.

Рис.215. Компенсационная схема ИР на потенциометрах

Каскадная схема на потенциометрических ПИП

Каскадная схема не имеет ограничений по углу поворота датчика и приемника и может работать в режиме вращения, т. е при углах поворота g= y= 2πN,

где N - число оборотов.

Напряжение питания подано на движок датчика ПИП1. Выходное напряжение ИР снимается с движка ПИП2, механически соединенным с валом объекта регулирования. Сами потенциометры соединены электрически в 4-х точках, причем количество соединений (связи) может быть различно. Обозначим через m число точек связи.

Согласованному положению, при котором ΔU=0, соответствует поворот движков на 90⁰ по отношению друг к другу.

Крутизна (коэффициент передачи) статической характеристики ИР в этой схеме зависит от количества точек связи между ПИП1 и ПИП2. ₍₃₇₁₎

Для реализации каскадной схемы ИР на потенциометрах, используется ПИП с круговой намоткой. Для повышения линейности статической характеристики ИР целесообразно иметь сопротивление потенциометра ПИП2 на порядок больше сопротивления потенциометра ПИП1.

ИР на любом участке статической характеристики обеспечивает ЭП информацией о величине и знаке сигнала рассогласования, т.е. ЭП будет всегда вырабатывать управляющее воздействие, сводящее к нулю сигнал рассогласования (или к допустимой ошибке).

Рис. 216. Каскадная схема ИР на потенциометрах (а) и выходная характеристика его (б)

Компенсационная схема на вращающихся трансформаторах Вращающиеся трансформаторы являются информационными электромеханическими устройствами. Они имеет четыре обмотки. Две обмотки (возбуждения и компенсационная) размещены в пазах магнитопровода статора. Причем оси этих обмоток находятся в квадратуре, т.е. сдвинуты в пространстве на 90^о. Две другие обмотки (синусная и косинусная) размещены в пазах магнитопровода ротора. Оси этих обмоток также имеют пространственный сдвиг равный 90^о.

В компенсационной схеме обмотки возбуждения датчика и приемника запитаны от одного и того же источника питания переменного тока, частота напряжения которого как правило составляет 400 Гц. Синусные обмотки ротора датчика и приемника соединены последовательно встречно между собой как это показано на рис.217. Квадратурные обмотки датчика и приемника как правило, замкнуты накоротко для компенсации поперечных составляющих намагничивающих сил, создаваемых, токами, протекающими по синусным обмоткам ВТ. Косинусные обмотки датчика и приемника следует замкнуть на сопротивление Z_к=Z_{нг. ир,} где Z_{нг. ир} - сопротивление нагрузки измерителя рассогласования – это входное сопротивление устройства, на которое подается сигнал от ИР.

ΔU=k_ирх=k_ир(g-y).

k_ир=k_трU_п – крутизна ИР.

k_тр=k_трI=k_тр2 – обязательное условие выполнения компенсационной схемы на ВТ

k_тр – коэффициент трансформации ВТ.

Рис. 217. Компенсационная схема на ВТ

Определим зависимость крутизны статической характеристики от параметров ИР.

Напряжение, снимаемое с синусной обмотки датчика u_д=U_ck_тр.дsing.

Напряжение, снимаемое с синусной обмотки приемника u_п=U_ck_тр.пsinу. Так как обмотки включены встречно, то напряжение на выходе ИР

u_х=U_ck_тр.п (sing-sinу).

k_тр.д, k_тр.п – коэффициенты трансформации датчика и приемника соответственно. Так как датчик и приемник должны быть полнстью идентичными, то k_тр.д= k_тр.п= k_тр.

Представим Угол поворота как датчика так и приемника суммой двух составляющих

g=g₀+Δg ; y=y₀+Δy,

где g₀ и y₀ - основные угловые перемещения валов датчика и приемника соответственно; Δg и Δy - отклонения от основных перемещений датчика и приемника соответственно.

С учетом принятых обозначений сигнал рассогласования ИР

u_х=U_ck_тр[sin(g₀+Δg) - sin (y₀+Δy)]= U_ck_тр[sing₀cosΔg+ cosg₀ sinΔg- siny₀cosΔy- cosy₀ sinΔy]= U_ck_тр(sing₀ - siny₀+ Δg cosg₀- Δy cosy₀)= U_ck_трcosg₀(Δg- Δy)= U_ck_тр xcosg₀.

(372)

При выводе этой зависимости учтено, что g₀= y₀, а из-за малости отклонений Δg и Δy можно принять cosΔg= cosΔy=1, sinΔg=Δg, sinΔy=Δy.

Определим крутизну статической характеристики

k_и= ∂u_x/∂x=U_ck_трcosg₀. (373)

Анализируя полученное выражение крутизны статической характеристики можно отметить, что при увеличении g₀ крутизна k_и падает, а при g₀=90^о становится равной нулю.

Схема может быть использована при углах поворота не превышающих 90^о.

Каскадная схема на ВТ. В этой схеме напряжение питания подается на обмотку возбуждения датчика. Квадратурные обмотки датчика и приемника замкнуты накоротко. Роторные обмотки датчика и приемника соединены между собой. Выходной сигнал ИР ΔU снимается с обмотки возбуждения приемника. Часто эту обмотку называют генераторной обмоткой.

ΔU=k_иsin(x+π/2); x=g- y; (374)

k_и=U_сk_тр.п/k_тр.д;

В согласованном положении валы даичика и приемника должны быть развернуты на 90^о. Угол поворота вала исполнительного органа неограничен. Эта схема надежна, проста в эксплуатации, наладке и находит широкое применение в позиционных и следящих ЭП.

Каскадная схема не предъявляет столь высоких требований к индивидуальным характеристикам датчика и приёмника.

Каскадная схема на ВТ часто называют схемой с трансформаторным режимом ПИП.

Рис.218. Каскадная схема на ВТ

Каскадная схема на сельсинах . Эта схема относится к схемам с трансформаторным режимом. Часто эту схему называют трансформаторной синхронной передачей.

k_ир=k_трmax рад/В;

ΔU = k_ир(g-y);

k_ир – коэффициент передачи ИР;

Рис. 219. Каскадная схема на сельсинах

В заключении следует отметить, что потенциометрические ИР находят широкое применение в ЭП постоянного тока, а ИР, выполненые на ВТ и СС – в ЭП, работающих на переменном токе.

Преобразователи цифро-аналоговые (ЦАП) и аналога - цифровые (АЦП)

Для согласования отдельных функциональных узлов систем ЭП, работающих на разных принципах, аналоговом или цифровом, применяется ЦАП и АЦП.

Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП преобразуют цифровую информацию в аналоговую постоянного или переменного тока.

Аналога - цифровой преобразователь АЦП преобразует сигнал постоянного тока в цифровой сигнал различной разрядности.

ЦАП и АПЦ используется в тех случаях, когда в контуре привода работают или элементы цифровой техники, или когда ЭП работает от цифровой вычислительной машины.

ЦАП и АЦП используется для сопряжения с элементами схемы управления ЭП.