Датчики и методы измерения скорости вращения
Назначение
датчиков скорости (ДС) — преобразование
угловой скорости двигателя или скорости
движения рабочего органа механизма в
электрический сигнал. В системах АЭП
ДС используются для реализации обратной
связи по скорости. В качестве ДС нашли
широкое применение тахогенераторы (ТГ)
— микромашины постоянного и переменного
токов.
Высокая производительность
многих технологических процессов и
качество выпускаемой продукции могут
быть обеспечены только при стабильности
всех факторов, определяющих технологический
процесс, в том числе и частоты вращения
электропривода. Часто требуется
регулирование частоты вращения с
погрешностью не более 0,2 %. Чувствительность
систем автоматического управления
(САУ) во многом зависит от величины и
пульсаций сигнала обратной связи датчика
скорости, которые зависят от типа и
исполнения тахогенератора.
Тахогенераторы
подразделяют на индукционные: постоянного
тока, синхронные, асинхронные, индукторные
тахогенераторы и фотоэлектрические:
кодовые и с равномерным растром.
Индукционные тахогенераторы характеризуются
родом напряжения (постоянное или
переменное). Тахогенераторы переменного
тока подразделяются по числу фаз на
однофазные, трехфазные и многофазные.
Основной характеристикой тахогенераторов
является скоростная (внешняя)
характеристика, которая дает зависимость
среднего значения напряжения от частоты
вращения вала.
Измерение частоты
вращения может осуществляться методом
первой обратной разности кода положения,
полученного с датчика положения за
интервал дискретности системы управления.
Возможны цифровые преобразователи
скорости, основанные на измерении
разности частот входного (напряжение
возбуждения) и выходного напряжения
фазовращателя, которая прямо пропорциональна
частоте вращения. Эти методы с электронными
схемами цифрового отсчета описаны,
например, в /186, 199/. Датчик частоты
вращения, основанный на использовании
элементов Холла, описан в /21/.
Разрешающая
способность индукционных датчиков
скорости порядка 2 -12 оборота.
Относительная погрешность тахогенераторов
(класс точности) порядка 0,01 %, а импульсных
фотоэлектрических датчиков до 10-4
%.
Теоретические и экспериментальные
исследования показали, что датчики
скорости при наличии подвижной передачи
становятся сложным звеном с элементами,
создающими тенденцию к автоколебаниям.
В связи с этим во многих случаях используют
двигатели с тахогенераторами на одном
валу. Значительное количество датчиков
частоты вращения различной конструкции
и принципа действия описано в /16,
18/.
Тахогенератор постоянного
тока представляет собой электрическую
машину постоянного тока с независимым
возбуждением или постоянными магнитами
(рис. 6.11,а). Входная координата ТГ —
угловая скорость ω, выходная —
напряжение Uвых, выделяемое на
сопротивлении нагрузки.
Рис.
6.11. Схема (а) и характеристика управления
тахогенератора постоянного тока
(б)
Передаточный коэффициент
ТГ, строго говоря, не остается постоянным
при изменении скорости из-за нелинейности
сопротивления щеточного контакта и
реакции якоря. Поэтому в характеристике
управления наблюдается определенная
нелинейность в зонах малой и большой
скоростей (рис. 6.11,6). Нелинейность в зоне
малой скорости уменьшают применением
металлизированных щеток с малым падением
напряжения. Нелинейность характеристики
из-за реакции якоря снижается ограничением
сверху скорости и увеличением сопротивления
нагрузки. При выполнении указанных
мероприятий характеристику управления
ТГ можно считать практически
прямолинейной.
На работу ТГ
существенное влияние оказывают
конструктивно-технологические
погрешности. Это коллекторные пульсации
напряжения, обусловленные конечным
числом коллекторных пластин, пульсации
из-за зубцовой конструкции якоря,
оборотные пульсации, вызванные
несимметрией воздушного зазора.
Погрешности от указанных пульсаций
сильнее искажают выходной сигнал ТГ в
области низких скоростей. При снижении
скорости уменьшается их частота и
увеличивается амплитуда относительно
уровня передаваемого сигнала. Эти
погрешности ограничивают нижний предел
скорости ТГ. Для уменьшения перечисленных
пульсаций тахогенераторы выполняются
с повышенным числом коллекторных
пластин, со скошенными по винтовой линии
на одно зубцовое деление пазами якоря,
с увеличенным воздушным зазором.
Тахогенераторы высокой точности
выполняются с полым беспазным якорем.
Для дополнительного снижения пульсаций
к выходу ТГ подключают конденсатор
(рис. 6.11,а),
Конденсатор выполняет
функцию фильтра высокочастотных
относительно угловой скорости пульсаций.