Потенциометрических датчиков.

Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой включенный по схеме делителя напряжения резистивный ЧЭ, информативный параметр которого – сопротивление – регулируется положением подвижного контакта. РДП относятся к преобразователям с абсолютным отсчетом, так как их функция преобразования монотонна и непрерывна. Датчики этого типа имеют один цикл измерения, благодаря чему кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности.

Конструктивно РДП выполнен в виде потенциометра с движком, который в большинстве случаев механически связан с потенциометром и представляет собой подвижный (скользящий) контакт. В некоторых моделях контакт заменен оптической или магнитной связью.

При местном управлении может использоваться один потенциометр, в этом случае корпус потенциометра соединяют с исполнительным валом (угол поворота α), а движок (угол поворота β) с входным (рис.2.1,а). Однако такая схема используется редко. При дистанционном управлении используют два потенциометра (рис.2.1, в). Потенциометры могут использоваться как на постоянном, так и на переменном токе (рис.2.1,б). При сопротивлениях нагрузок, значительно превышающих сопротивления потенциометров, схемы, приведенные на рис.2.1, обеспечивают линейную выходную функцию U_δ относительно рассогласования δ= β – α:

U_δ = k_δδ.

В ыходное напряжение потенциометра U_δ→U_н на рис.2.2,а зависит от нагрузки R_Н, т.е. от входного сопротивления электронного усилителя. Форма статической характеристики потенциометра с учетом его нагрузки представлена на рис.2.2, б. Зависимость будет линейной только в том случае, когда п=R/R_н= 0, что соответствует R_н→ ∞. В противном случае k_δ ≠ const, появляется погрешность, величина которой ∆U_н максимальна в середине шкалы (x=x*). На практике принимают n ≤ 0,1. Если требуется обеспечивать высокую линейность, то принимают n ≤ 0,01.

По точности потенциометры, применяемые в следящих системах, делятся на классы в зависимости от их погрешности в пределах (0,25…1)%. Такая погрешность может быть приемлема в следящих системах невысокой точности.

Потенциометры имеют зону нечувствительности из-за дискретности намотки, так как в измеряемом диапазоне перемещений размещается конечное число витков. При этом относительная разрешающая способность потенциометра, обусловленная дискретностью намотки, определяется выражением (рис.2.3).

∆U = r_в/R,

где r_в = l/s – сопротивление одного витка;

 – удельное сопротивление;

l – длина витка;

s – площадь поперечного сечения проволоки.

Н а погрешность потенциометра влияют и другие факторы: неравномерность намотки, люфт в механических соединениях, колебания напряжения питания.

Шумы потенциометров представляют собой быстрые флуктуации выходного напряжения, вызываемые изменением переходного сопротивления щеточного контакта. Помехи, создаваемые ступенчатым характером изменения сопротивления при перемещении движка, имеют пилообразный вид. Значение этой помехи по напряжению пропорционально сопротивлению одного витка и току, проходящему через потенциометр ∆U = r_в/I. Для уменьшения помех выбирают потенциометры с высокой разрешающей способностью и уменьшают ток питания.

Сигналы, полученные с помощью потенциометров, на практике сглаживают на входных фильтрах усилителей. Дифференцированию в цепях коррекции следящих систем эти сигналы не поддаются.

№6. Резистивные датчики положения. Алитудный метод преобразования, использование программируемого контроллера для преобразования непрерывного сигнала в цифровой код.

Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой включенный по схеме делителя напряжения резистивный ЧЭ, информативный параметр которого – сопротивление – регулируется положением подвижного контакта. РДП относятся к преобразователям с абсолютным отсчетом, так как их функция преобразования монотонна и непрерывна. Датчики этого типа имеют один цикл измерения, благодаря чему кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности.

Конструктивно РДП выполнен в виде потенциометра с движком, который в большинстве случаев механически связан с потенциометром и представляет собой подвижный (скользящий) контакт. В некоторых моделях контакт заменен оптической или магнитной связью.

Для построения цифрового датчика положения, у которого в качестве ЧЭ применяется РДП, используют амплитудный метод преобразования, рис.1,а. Реализация метода производится с помощью схемы АЦП с поразрядным уравновешиванием на резисторных матрицах, рис. 1,б.

К оммутатор аналоговых сигналов КА является основным источником погрешностей. Уравновешивающие напряжения, формируемые на выходе ЦАП в компараторе (блок К) сравниваются с измеряемыми напряжениями, а устройство управления (УУ) в зависимости от результата сравнения переключает разряды ЦАП.

Пример использования контроллера программируемого интерфейса для связи с аналоговым датчиком. На рис.1,в показано подключение цифро-аналогового преобразователя и аналогового компаратора к выходному и входному портам КПИ.

Опишем программу измерения значения аналогового сигнала у.

1. Установить в 0 выходы D.

2. Программная задержка в 100 мкс.

3. Прочитать информацию с входа z.

4. Если z=0, то перейти к п.5, иначе – к п.7.

5. Прибавить единицу младшего разряда к копии кода D.

6. Переслать копию из памяти в выходной порт и перейти к п.2.

7. Выход из подпрограммы.

Копия кода D представляет собой кодированное значение аналоговой величины у. В данном примере не ставилась задача минимизации времени измерения.

Потенциометрические датчики могут применяться в преобразователях с относительно низкой точностью. Их особенностями являются значительные статические погрешности, неравномерность или дискретность линейных характеристик, зависимость выходного сигнала от электрической нагрузки, наличие динамических погрешностей при применении сглаживающих фильтров. В следящих системах высокой точности наибольшее распространение получили индукционные датчики.

№7. Резольверы. Конструкция. Функция преобразования в режиме фазовращателя. Преобразование «аналог-код».

Резольвер — это четырехобмоточная двух- и более полюсная электриче­ская машина с индукционным взаимодействием роторных и статорных обмоток. В зависимости от формы выходного сигнала различают синусно-косинусные, линейные и резольверы-построители. Для получения резольве-ров различных типов можно использовать одну и ту же машину с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включения. Конструктивно резольвер выполнен подобно асинхронному двигателю с фазным ротором, который, как и статор, представляет собой многополюсный сердечник из листов электротехнической стали или пермаллоя. В пазах ротора и статора размещены по две распределенные обмотки, сдвинутые на 90 одна относительно другой. В общем случае пазов может быть больше, чем полюсов. Концы обмоток выведены на разъем, причем статорные непосредственно, а роторные с помощью четырех токосъемных колец ротора и щеток. Выпускают также бесконтактные резольверы с подключением р­торных обмоток посредством плоских пружин с углом поворота до 700° и резольверы со вспомогательными переходными трансформаторами.

Для получения линейной зависимости выходного сигнала от угла поворота резольверы обычно включают в измерительную цепь по схеме фазовращателя. В этой схеме информативным параметром является не амплитуда, а фаза выходного напряжения. Отметим, что фазовращатель представляет собой самостоятельный вид ЭДП, но традиционно также используют резольверы.

Для получения функции преобразования резольвера в виде φ = f(θ), где θ — фаза выходного напряжения, существуют два подхода:

• формируют поток возбуждения в виде вращающегося магнитного поля;

• и суммируют выходные напряжения при помощи фазосдвигающих цепочек.

Для создания вращающегося магнитного поля на статорные обмотки резольвера подают два синусоидальных напряжения с одинаковой амплитудой U_в и сдвигом по фазе на π/2(рис. 3.11, а). Сдвиг формируется фазорасще-пителем: U₁=U_вsinωt; U₂=U_вcosωt.

Напряжение на роторе

U_вых = Uс = k(U₁cosθ+U₂sinθ).

Подставляя в это выражение U₁ и U₂, получаем

U_вых = kU_вsin(ωt+ θ).

Т аким образом, при повороте ротора на угол θ фаза U_вых синхронно вращается относительно одного из напряжений (например, U₁).

П ринцип действия схемы с фазосдвигающим устройством (рис. 3.11, б) основан на получении сигнала несущей частоты, фаза которого сдвинута по отношению к фазе опорного сигнала на угол, совпадающий с угловым отклонением вращающегося вала. Учитывая, что

U₁ = kU_вsinωt·sinθ; U₂=kU_вsinωt·cosθ, при ωRC=1 имеем U_вых=kU_вsin(ωt+θ)

Резольверы-фазовращатели позволяют сформировать выходной сигнал в цифровом виде. Для этого с помощью триггера Шмитта опорное синусоидальное напряжение и напряжение c резольвера преобразуют в прямоугольные сигналы, которые используют для получения старт- и стоп-импульсов счетчика (рис. 6.7, 6.8).

№8. Резольверы в качестве датчика для серводвигателей. Устройство и принцип ействия.Система обработки сигналов резольвера в микропроцессоре.

В качестве датчика для синхронных серводвигателей чаще всего используется резольвер. Абсолютное положение вала двигателя в пределах одного оборота способен определять 2-обмоточный резольвер. По сигналу резольвера определяются частота вращения и абсолютное положение при каждом обороте.