Устройство и принцип действия

Резольвер работает по принципу вращающегося трансформатора и состоит из 2 функциональных узлов – ротора с обмоткой возбуждения и полюсами, и статора с тремя обмотками: одной первичной (для подачи напряжения на ротор) и двух измерительных (для определения угла поворота).

С ервоусилитель подает высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой и постоянной частотой на первичную обмотку статора. Через воздушный зазор этот сигнал передается на обмотку возбуждения ротора.

В измерительных обмотках статора индуцируется напряжение, амплитуда которого зависит от угла поворота полюсов ротора относительно полюсов статора.

Благодаря прогрессу в области полупроводниковой техники сегодня широко

доступны недорогие и высококачественные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Они позволяют создавать высококачественные внешние устройстваобработки сигналов резольвера и при этом добиваться еще более высокого разрешения измеряемого сигнала, чем на применявшихся в прошлом встроенных модулях обработки сигналов резольвера.

Современные устройства обработки сигналов резольвера больше не используют так называемый метод слежения, а работают по принципу считывания. При этом прямоугольный сигнал, формируемый цифровым сигнальным процессором (ЦСП), с помощью схемы возбуждения преобразуется в синусоидальное опорное напряжение, которое подается на резольвер, см. Рис. 60.

В зависимости от положения ротора изменяются амплитуды напряжения Usin и Ucos, которые через дифференциальный усилитель подаются на АЦП.

Дифференциальные усилители фильтруют высокочастотные наводки на изолированные канальные сигналы Usin и Ucos выдают на входы АЦП соответствующие напряжения с привязкой к массе.

АЦП считывает обе огибающие кривые синхронно с напряжением возбуждения в точках максимума, преобразует эти аналоговые сигналы в цифровую информацию и передает ее на ЦСП, см. Рис. 59. ЦСП определяет текущее положение по считанным канальным сигналам Ucos и Usin.

Текущее механическое положение по считанным канальным сигналам определяется легко:

p × α = arctan (Usin / Ucos)

Таким образом, при каждом периоде сигнала возбуждения определяется новое значение положения. Рассчитанные данные через интерфейс двухпортовой памяти (DPR) передаются на микроконтроллер осевого регулятора, который нуждается в этой информации для управления осевым приводом. На следующем рисунке показана принципиальная схема системы обработки сигналов резольвера, работающей по методу считывания.

№ 9. Редуктосины. Особенности конструкции и применения. Принцип действия.

Одним из наиболее распространенных угловых ЭДП, используемых в станкостроении, является редуктосин. Его принцип действия напоминает многополюсный резольвер. Однако при этом редуктосин обычно выполняют бескорпусным (так называемая встраиваемая конструкция), что позволяет строить мехатронные модули, объединяющие двигатель, датчик и систему управления двигателем. Такие схемы применяют в бесконтактных момент-ных приводах, где редуктосин служит для контроля положения ротора двигателя. С этой целью его устанавливают непосредственно на валу ротора без применения повышающих редукторов.

Статор редуктосина собран из пластин электротехнической стали с большим числом зубцов, а ротор представляет собой зубчатое кольцо и подобен ротору асинхронного двигателя с неявно выраженными полюсами. Соотношение между числом зубцов статора и ротора может быть различным (в наиболее распространенной схеме 4:3). Как первичная обмотка возбуждения 1— 2, так и две вторичные обмотки считывания 3— 4, 5—6 собраны на статоре, поэтому в конструкции редуктосина отсутствует щеточный узел (рис. 3.14). Так как в этом датчике используются многополюсные секционные обмотки, то обмотки возбуждения и считывания соединяют между собой определенным образом. Обычно в обмотке возбуждения секции соединены таким образом, чтобы полярности соседних полюсов чередовались (в этом случае образуется одна однофазная обмотка). В обмотках считывания секции связаны последовательно через полюс (вторичные обмотки оказываются двухфазными). Благодаря такому соединению амплитуды напряжений на обмотках считывания изменяются в зависимости от угла поворота 6. При этом пространственный сдвиг фаз между напряжениями равен 90° или 1/4 зубцового деления ротора. Следовательно, повороту ротора на угол, равный зубцовому делению, соответствует полный период изменения выходного напряжения U_вых с каждой обмотки считывания, а при одном обороте ротора число периодов изменения амплитуды выходного сигнала равно числу зубцов ротора. Форма кривой U_вых зависит от угловых размеров зубцов и зазора между ними, поэтому при определенных соотношениях этих параметров удается получить функцию преобразования практически синусоидальной формы. Для устранения гармоник высшего порядка в функции преобразования зубцы статора выполняют фасонными. Обмотки считывания редуктосина также можно соединить по схеме фазовращателя, получив при этом близкую к линейной зависимость фазы выходного напряжения от θ.

Современные редуктосины, используемые в прецизионных станках и роботах, содержат от 64 до 256 пар полюсов, а сама измерительная система

в ыполнена двухотсчетной (с каналами точного и грубого отсчета), что позволяет достичь абсолютной погрешности измерения углов 3...5". Наиболее распространенные числа электрической редукции р = 2⁵ ...2⁸ , однако с ростом р увеличиваются габаритные размеры датчика.

К достоинствам редуктосинов можно отнести их высокую точность на большом диапазоне измерений, отсутствие щеточного узла и сравнительно малые габаритные размеры (табл. 3.7). Они имеют те же недостатки, что и все ЭДП. Отметим, что резольверы и редуктосины являются поворотными ЭДП, т. е. на их основе можно строить только измерители угла. Датчиками, позволяющими измерять также и линейные перемещения, являются индуктосины.

№9. Индуктосины. Особенности конструкции и применения. Принцип действия.

Среди ЭДП с электрической редукцией особое место занимают индуктосины — многополюсные резольверы с плоскими печатными обмотками. Индуктосины были разработаны для использования в специальных устройствах автоматики, однако получили широкое применение, и в настоящее время являются самыми перспективными прецизионными ЭДП. Более 30 % станков с ЧПУ оснащены индуктосинами. Главное достоинство индуктосинов — возможность тиражирования магнитопроводов при использовании одного комплекта фотошаблонов. Обмотки индуктосина выполнены на соосных изоляционных (обычно керамических) пластинах путем высокоточного химического травления. Такая технология обеспечивает одинаковые реактивные сопротивления в цепях.

По виду входного сигнала различают линейные и угловые (поворотные) индуктосины.

В угловых индуктосинах обмотки располагаются на торцевых поверхностях дисков, обращенных один к другому, и имеют вид радиального растра из плоских проводников. Воздушный зазор между дисками составляет 0,1...0,2 мм..

В простейших схемах первичная обмотка — статор имеет 2n_с проводников, последовательно соединенных на внутренней и внешней части диска с помощью лобовых шин. Вторичная обмотка — ротор имеет 2n_г групп проводников по 2n_р проводника в группе. Шаг w между проводниками на статоре и роторе обычно одинаковый. Деление на группы необходимо для образования многофазной системы. Вторичная обмотка индуктосина, как правило, двухфазная (рис. 3.15, а). Для двухфазных обмоток пространственные сдвиги групп должны составлять 0, 90°, 180° и т. д., что достигается их относительным смещением на расстояние l=(т + 1/4)w, где т — целое число. При этом соединенные последовательно нечетные группы образуют первую фазу, четные — вторую, т. е. число групп в фазе должно быть четным.

Каждый проводник ротора соответствует полюсу, а совокупность двух дифференциально включенных проводников устанавливает угловой или линейный шаг w. Так, если ротор индуктосина содержит 720 проводников (2n_р = 720), то угловой шаг w=360°/720/2 = 1°.Следовательно, для поворотного индуктосина w=360°/n_p. В линейных индуктосинах статор получил название линейки, а ротор — скользящего нониуса. Шаг каждой из обмоток линейного индуктосина обычно не превышает 2,54 мм.

Наиболее популярная схема включения индуктосина — схема фазовращателя в режиме с вращающимся магнитным полем. На обмотки нониуса подают два синусоидальных напряжения — U₁ и U₂ с частотой 2...20 кГц; фазы напряжений в обмотках возбуждения смещены одна относительно другой на угол π/2. При таких частотах емкостные сопротивления достаточно малы и обеспечивается необходимый уровень выходного сигнала. Заметим, что на частотах свыше 10 кГц обмотки индуктосина можно рассматривать как чисто активное сопротивление. Имеем U₁=U_вsinωt; U₂=sin(ωt+π/2)=U_вcos. Ωt. Тогда в обмотке линейки индуцируется синусное напряжение U_вых, фаза которого линейно зависит от смещения x нониуса в пределах одного шага обмотки: U_вых = k[U₁cos(2π/w)+U₂sin(2π/w)=kU_вsin(ωt+2π/w). Функция преобразования индуктосина (в пределах шага) имеет вид φ=2π/w,а следовательно, фаза φ выходного напряжения является линейной функ-цией перемещения х.

Абсолютные значения перемещений в индуктосинах, как и в других ЭДП, получают с помощью двухотсчетных измерительных систем. При построении такой системы в канале грубого отсчета с помощью реверсивного электронного счетчика подсчитывается число шагов, а непосредственное измерение осуществляется в пределах шага.

Для уменьшения погрешности преобразования, связанной с наличием в выходном сигнале гармонических составляющих высших порядков, в индуктосинах применяют специальные меры. Типичным решением является использование распределенной статорной обмотки, у которой шаг отличается от шага роторных обмоток. Также разрабатывают многослойные обмотки, которые позволяют наряду с увеличением точности поднять мощность выходного сигнала. Каждый слой представляет собой однофазную обмотку. Например, в четырехслойной схеме обмотки выполняют таким образом, чтобы фазовые сдвиги между слоями составляли 0, 90,180 и 270°. В двухфазной роторной обмотке соединенные дифференциально (встречно) внешний и внутренний слои образуют первую фазу, а средние — вторую. Современные двухотсчетные линейные индуктосины имеют измерительную линейку длиной более 2500 мм. Относительная погрешность измерения таких систем достигает 10^-4% (это соответствует абсолютной погрешности в 1 мкм при измерении перемещения в диапазоне 0... 1 м).

Рассмотрим пример использования индуктосина в следящей системе (рис. 3.15, б). Функцию формирования потока возбуждения выполняют роторные обмотки. Выходной сигнал (U_ВЫХ зависит от фазы θ измеряемого перемещения: Uвых=kUвsin(ωt+θ).

Исполнительная следящая система включает силовой усилитель, двигатель со встроенным редуктором и датчик обратной связи на базе фазочувстви-тельного выпрямителя. Вал двигателя жестко связан с валом фазовращателя. На фазочувствительный выпрямитель поступают два сигнала. На один вход непосредственно от задающего генератора, на другой — с фазовращателя, сигнал которого пропорционален фазе U_вых. Следовательно, ошибка ΔU, поступающая на силовой усилитель, зависит от разности фаз (ωt+θ) и ωt и пропорциональна . θ

Индуктосины обладают наивысшей точностью по сравнению со всеми ранее рассмотренными ЭДП. Это обусловлено как технологическими особенностями таких ДПП, так и конструктивными решениями (использовани- ем многослойных обмоток, значительным количеством полюсов и др.). В индуктосинах достигнуты следующие метрологические показатели: в угловых: разрешающая способность ± 0,05"; воспроизводимость ± О,1"; ε~ 0,00005 %; в линейных: разрешающая способность ± 0,1 мкм; воспроизводимость ± 0,25 мкм; ε~ 0,0001 %.

Достоинстваиндуктосинов — наивысшая из всех ЭДП точность измерений, высокая технологичность и малый вес, недостатки те же, что и у всех ЭДП

№10.. Кодовые оптические датчики (абсолютного отсчета) положения.

В большинстве случаев ДПП являются элементами цифровых систем управления, что требует преобразования выходного сигнала в цифровую форму. Именно такой сигнал формируется в кодовых ОДП. Оптическая система у кодового ОДП построена так же, как у импульсного ОДП, а его кодирующая шкала представляет собой стеклянное основание с кодовой маской, выполненной в виде нескольких (обычно до 20) дорожек с прозрачными и непрозрачными сегментами. Число дорожек, как правило, определяет ра­рядность выходного двоичного кода. Осветитель создает лучистый поток, падающий на шкалу. В момент съема информации луч, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек шкалы и ограничивающую щелевую диафрагму, освещает фотоприемники (фотодиодные линейки), усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигнала с фотоприемника соответствует двоичному нулю. В результате каждому перемещению соответствует определенная комбинация двоичных единиц и нулей, являющаяся его цифровым кодом.

В ид конструктивной схемы кодового ОДП определяется главным обра­зом числом разрядов шкалы, а также способом кодирования и считывания. Наиболее часто в кодовых ОДП используют два типа шкал: с прямым дво­ичным кодом и с кодом Грея (рис. 3.20). Большинство выпускаемых промышленно кодовых ОДП используют именно этот код, при котором ошибка считывания не превышает младшего значащего разряда независимо от того, в каком из разрядов она произошла.

Недостатком датчиков, использующих шкалы с кодом Грея, является необходимость последующей их дешифрации в стандартный двоичный код.

Промышленно выпускаются одношкальные и двушкальные кодовые ОДП (с системами грубого и точного отсчета). Самые современные одношкальные датчики имеют 12... 16-разрядную шкалу, двушкальные — две 7...9-разрядные шкалы. И та и другая схемы позволяют получить 16-разрядный двоичный код и гарантировать разрешающую способность до 20".

К роме однооборотных существуют еще и многооборотные датчики, определяющие абсолютное положение в пределах нескольких оборотов (рис.53). Многооборотные датчики кроме кодирующего диска для контроля углового положения имеют дополнительные кодирующие диски для определения абсолютного количества оборотов. Эти кодирующие диски связаны друг с другом через редукторную ступень с передаточным отношением i = 16. В случае 3 дополнительных кодирующих дисков (стандартное количество) возможное абсолютное разрешение составляет 16 x 16 x 16 = 4096 оборотов. Число 16 определяется 16-битным двоичным форматом (слово)

Для однооборотных датчиков информация об абсолютном положении всегда относится только к одному обороту. Многооборотный датчик с помощью последовательно соединенных через понижающий редуктор кодирующих дисков способен регистрировать еще и количество выполненных оборотов (до 4096) относительно абсолютной 0-позиции. После 4096 оборотов происходит переполнение датчика (рис.55), которое все же учитывается в постоянной памяти контроллера. Сохраняется до 256 переполнений датчика. Если на контактах питания напряжение падает ниже предельного значения (например, при отказе сети), постоянная статическая память это распознает и сохраняет данные.

В настоящее время самые современные системы измерения перемещений строятся на основе кодовых ОДП. Их достоинства — возможность непосредственного получения двоичного кода и высокая точность измерений, недостатки — технологическая сложность и высокая стоимость, а также значительные габаритные размеры.

№11. Импульсные (инкрементные) оптические датчики положения. Устройство и принцип действия.