Ttl и htl датчики.

Импульсный ОДП преобразует значение перемещения исполнительного механизма в унитарный код, т. е. последовательность импульсов, число которых пропорционально перемещению. Его оптическая шкала является мо­дификацией растровой шкалы и содержит несколько дорожек, разбитых на дискретные (активные и пассивные) участки. Современные импульсные ОДП, как правило, включают следующие основные модули: оптико-механическую систему (первичный преобразователь), электрическую схему считывания и схему определения знака (реверсивную схему).

О птико-механические системы простейших импульсных ОДП выполняли безредукторными и содержали блок осветителя, кодирующую шкалу и фотоэлемент. В датчиках современных конструкций шкала содержит несколько дорожек и смещенных на нецелое число шагов фотоэлементов.

Б азовая конструкция показана на рис.1. Разрешающая способность инкрементного диска зависит от количества щелей.

Устройство и принцип действия, рис.2.

Как правило, такие датчики имеют два сигнальных канала и один индексный канал. С учетом инвертирования сигналов получается всего 6 каналов. Две фотоячейки энкодера, расположенные с интервалом в 90°, выдают на каналы A (K1) и B (K2) две последовательности импульсов. Канал A (K1) при вращении направо (если смотреть на вал двигателя спереди) опережает канал B (K2) на 90°. Через этот сдвиг фаз определяется направление вращения двигателя. Нулевой импульс (один импульс на оборот) контролируется третьей фотоячейкой и используется через индексный канал C (K0) как опорный сигнал для систем позиционирования. Для каналов A (K1), B (K2) и C (K0) в TTL-датчике формируются инвертированные сигналы, которые выдаются через каналы A (K1), B (K2) и C (K0).

Для инкрементных датчиков различают 2 типа сигнала (по выходному напряжению):

• TTL (Transistor-Transistor Logic)

Уровень сигнала составляет U0 ≤ 0,5 В и U1 ≥ 2,5 В. Сигналы передаются симметрично и обрабатываются дифференциально, т. е. для различения между сигналами низкого и высокого уровней используется диапазон изменения напряжения в 5 В. Поэтому они нечувствительны к синфазным помехам и имеют хорошие ЭМС-показатели. Передача сигналов осуществляется по стандарту RS422.

На основании этих свойств TTL-датчики – самые распространенные на рынке инкрементных датчиков.

• HTL (High Voltage Transistor Logic)

У ровень сигнала составляет U0 ≤ 3 В и U1 ≥ (Uпит - 3,5 В). Сигналы HTL-датчиков используются без инвертирования, дифференциальная обработка сигналов невозможна. Поэтому HTL-сигналы подвержены синфазным помехам, что может негативно влиять на ЭМС-показатели. Инвертированные HTL-сигналы, как правило, нельзя подключать к входу датчика на сервоусилителе, поскольку возможна перегрузка по напряжению и, как следствие, повреждение входных каскадов.

Знак направления движения исполнительного органа определяется логической схемой (рис. 3.19, а). В данной схеме используют два канала измерения, связанные с каждой дорожкой кодовой шкалы. Триггеры Шмитта Т₁, Т₂ открыты в то время, когда сигналы с усилителей У₁, У₂ имеют положительную полярность. Это соответствует прозрачному участку кодирующей шкалы. В соответствии с расположением фотоприемников Ф₁ и Ф₂ сигналы с триггеров сдвинуты между собой на 1/4 периода синусоидального сигнала усилителя (рис. 3.19, б). Дифференцирующие цепи G₁,G₂ (для этой цели можно использовать одновибраторы) формируют короткие импульсы в момент переброса триггера Т₂ по переднему и заднему фронту. На выходе схемы совпадения I сигнал появляется только тогда, когда на ее входах есть одновременно сигналы с G₁ и Т₁ (на выходе схемы II — соответственно с G₂ и Т₁). Следовательно, на выходе схемы I сигналы формируются при движении органа управления, например, вперед, а на выходе II — назад. Количество импульсов определяет само перемещение. В качестве накапливающего сумматора используют реверсивный счетчик.

Частотные характеристики импульсного ОДП определяются числом штрихов-сегментов на дорожке и длительностью импульсов одновибратора, которая обычно составляет 1/4 периода штриха. Например, для углового датчика с кодирующей шкалой, формирующей 1250 импульсов за оборот, максимальная угловая скорость составит 400 об/с, а для датчика со шкалой 5000 импульсов за оборот — 100 об/с. Увеличение числа штрихов-сегментов требует соответствующего увеличения размеров шкал. В частности, типовые промышленные импульсные ОДП содержат диск диаметром до 150 мм, на котором размещено 5000 сегментов. Разрешающая способность такого датчика составляет ~ 1'.

№12. Растровые фотоэлектрические датчики положения Особенности конструкции. Принцип действия. Схема формирования импульсов (преобразование «аналог-код»).

Самый эффективный метод измерения взаимного положения подвижных кинематических пар, входящих в состав цифровых следящих систем, основан на использовании фотоэлектрических, или оптических датчиков положения (ОДП). Современные ОДП обеспечивают более высокую разрешающую способность, надежность и точность, чем резистивные и электромагнитные датчики тех же размеров. Кроме того, в отличие от последних для ОДП характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а также высокая помехозащищенность.

О сновой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источника света используют твердотельные оптронные пары и осветители в виде ламп накаливания с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяют коллимационные линзы (коллиматоры). Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск. Как правило, его изготавливают методом контактной печати с диска-эталона, на котором с высокой точностью выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования. Погрешность измерения углов с использованием современных ОДП составляет менее 10^-5 %.

ОДП подразделяют по двум основным признакам: по принципу считывания сигнала на относительные (накапливающие) и абсолютные (с абсолютным отсчетом), а по способу кодирования на растровые, импульсные, кодовые и комбинированные (прецизионные).

Накапливающие преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются. Абсолютные датчики не содержат репера, они выполняются либо одношкальными, либо содержат системы грубого и точного отсчета.

Растровые ОДП предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растрового сопряжения. Оптический растр представляет собой совокупность однотипных непрозрачных элементов, образующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой энергии как единое целое. Растр формируется при сопряжении кодирующих элементов датчика. Расположенные на них растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к приемнику. Конструктивно растровая решетка представляет собой прозрачную пластину, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.

Растры ОДП подразделяют по двум основным признакам: по характеру воздействия на лучистый поток и по геометрической структуре образующих элементов. В соответствии с первым признаком различают пропускающие и отражающие растры. Пропускающие растры представляют собой решетку из прозрачных и непрозрачных элементов, отражающие — решетку из элементов, зеркально отражающих свет. Растровое сопряжение получается наложением растровых решеток с малым постоянным зазором между ними.

Амплитуда потока Ф зависит от относительного перемещения растров практически синусоидально, во всяком случае выбором параметров сопряжения можно добиться синусоидального характера изменения лучистого потока.

Один из наиболее известных принципов построения растровых ОДП основан на применении однодорожечных пропускающих или отражающих решеток. На рис. 3.16, б представлен пример промышленного растрового ОДП с отражающей решеткой. Это инкрементный датчик (накапливающего типа), поэтому для определения абсолютного значения перемещения необходимо использование счетных импульсов. Здесь же выделена сканирующая головка с четырьмя фотоприемниками. Диафрагма сканирующей головки содержит четыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки.

С ледствием этого смещения является сдвиг по фазе и квазисинусоидальных сигналов фотоприемников. Так, компонента U₂₁ сдвинута на 90 относительно U₁₁, а компоненты U₁₂ и U₂₂ имеют сдвиг на 180° по отношению к U₁₁ и U₂₁ (рис.3.16,в). Фотоприемники соединены между собой попарно и дифференциально, так что в результате образуются двухтактные схемы U₁₁/U₁₂ и U₂₁/U₂₂. Далее сигналы с этих схем поступают на соответствующий электронный каскад, включающий в себя формирователи прямоугольных импульсов (триггеры Шмитта), усилители и инверторы, преобразующие их в противофазные сигналы прямоугольной формы. В результате выходные сигналы схемы U₁₁/U₁₂ имеют фазовый сдвиг на 90°по отношению к выходным сигналам схемы U₂₁/U₂₂ (рис. 3.17, а). На рис. 3.17, б представлена диаграмма выходных напряжений датчика. Кривые А и В — сигналы, формируемые фотоприемниками, С и Е — те же сигналы после триггера Шмитта, а D и F — после инвертирования. Последующие графики отражают временные соотношения между сформированными счетными импульсами.

Особенностью данной схемы является формирование нескольких счетных импульсов за один шаг w решетки. С этой целью применяют одновибраторы, запускающиеся на положительных фронтах прямоугольных импульсов, образуя один, два либо четыре счетных импульса за один шаг. Максимальное быстродействие такого датчика ограничивается скоростью счета реверсивного счетчика импульсов.

Точность растрового ОДП определяется шагом и количеством растровых полос на 1 мм (или рад). У лучших датчиков w достигает 3...5 мкм, а количество полос составляет 10 000 на 1 мм. Разрешающая способность линейных растровых ОДП около (1 ...2)•10^-3 мм.

К достоинствам растровых ОДП можно отнести простоту и технологичность конструкции, малые габаритные размеры и массу, к недостаткам — накопление ошибок от сбоев и помех в цепях реверсивного счетчика, потерю информации о перемещении при отказе в цепи питания, а также необходимость периодичного определения начала отсчета (для получения достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).

Растровый ОДП под названием sin/cos датчика широко применяется в ме5хатронных системах как инкрементный датчик или инкрементный канал комбинированных датчиков абсолютного отсчета.

№13. Контроль частоты вращения (скорости перемещения) инкрементными датчиками и датчиками абсолютного отсчета

Как датчики абсолютного отсчета, так и инкрементные датчики характеризуются тем, что предоставляют информацию только о положении. По одной этой информации сервоусилитель определяет частоту вращения, считывая положение через равные промежутки времени. Частота вращения определяется путем расчета разности двух считанных значений положения и деления этой разности на известное изменение времени. Отсюда очевидно, что частота вращения используется не как мгновенное значение в определенный момент времени, а скорее представляет собой среднее значение по интервалу дискретизации. Для получения высокой динамики при регулировании частоты вращения требуется максимально быстрое определение действительного значения частоты вращения. Поэтому интервал дискретизации следует выбирать коротким. При этом решающую роль играет разрешающая способность датчика.

Вышеназванные датчики имеют следующие значения разрешения на оборот вала двигателя:

• резольвер: современные методы контроля обеспечивают 15-битовую обработку сигнала резольвера, т. е. разрешение составляет 2¹⁵ = 32768 инкрементов /оборот;

• TTL-датчик: при дискретности 1024 импульсов / оборот за счет сдвига двух каналов датчика на 90° в сервоусилителе получается разрешение в 4 × число импульсов датчика на оборот, т. е. 4 x 1024 = 4096 инкрементов / оборот.

Таким образом, для такого датчика вполне достаточна 12-битовая обработка сигналов в сервоусилителе (2¹² = 4096).

• Sin/cos-датчик, (Hiperface, EnDat): Разрешение составляет 2¹⁰ × число импульсов датчика на оборот, т. е. 2¹⁰ × 1024 = 1048576.

Если частота вращения рассчитывается по интервалу времени, например, 500 мкс, то с учетом позиционного разрешения различных датчиков для частоты вращения получаются следующие значения разрешения:

резольвер:

TTL-датчик (1024имп/об):

sin/cos датчик:

Для разных датчиков очевидны различия в дискретизации значения частоты вращения. За счет этой дискретизации возникает так называемая "пульсация частоты вращения". На рис. 7.19. показана пульсация стандартного TTL-датчика с разрешением 1024 имп/об при периоде дискретизации регулятора частоты вращения в 500 мкс.

Такая "пульсация" действительного значения частоты вращения через регулятор частоты вращения передается на уставку вращающего момента. При этом появляются такие большие значения, которые уже не остаются в пределах допустимого отклонения. Как правило, пульсация в 10 % от номинального момента двигателя является недопустимой.

№14. Аналоговые датчики угловой скорости (тахогенераторы)

Небольшие электрические машины, предназначенные для преобра­зования частоты вращения вала в электрический сигнал называются тахогенераторами (ТГ). Тахогенераторы различаются в зависимости от вида выходного напряжения и конструкции. Входной величиной ТГ является измеряемая частота вращения его ротора, выходной величиной – напряжение генераторной обмотки.

К оллекторный тахогенератор постоянного тока представляет со­бой малогабаритный генератор постоянного тока с независимым возбуждением (рис.2.12, а) или с возбуждением от постоянных магнитов (рис.2.12, б).

Конструктивно ТГ данного типа не отличаются от других машин постоянного тока малой мощности. При вращении якоря ТГ с частотой n с его щеточных выводов снимается ЭДС, равная

Е_r = C_EФn,

где С_е – коэффициент, зависящий от конструкции и электрических параметров якоря;

Ф – поток возбуждения.

Так как Ф = const, то ЭДС Е_г зависит только от частоты вращения:

Е_r = k_En.

С учетом активной нагрузки от входной цепи электронного усили­теля для цепи якоря ТГ найдем

U_r = E_r – I_rR_r – ΔU_щ

где ∆ – падение напряжения на щеточном контакте.

С татическая характеристика ТГ имеет нерабочую зону при малых скоростях и зону насыщения при больших скоростях (). Кру­тизна характеристики зависит от значения сопротивления нагрузки R_н, причем линейность характеристики выше при больших значениях R_н. Обычной является частота вращения 100...3000 мин^-1, при этом Е_г=10...24В. Тахогенераторы с постоянными магнитами не имеют обмотки возбуждения, поэтому их температурные погрешности будут меньшими.

Недостатком ТГ постоянного тока является наличие пульсации (рис.2.13, б) выходного напряжения из-за якорных несимметрий (зазоров), зубцовых неравномерностей магнитного потока, дискретности коллекторов, обмоток, вибрации щеток и т.д. Для ТГ с независимым возбуждением значительны температурные не­стабильности, для ТГ с посто­янными магнитами проявляется влияние старения материалов.

Н изкооборотные бесколлекторные ТГ постоянного то­ка обладают способностью работать на низких скоростях, оцениваемых отношением помехи к крутизне выходной характеристики. В частности в высокоточных ЭГСП крупных антенных установок для наблюдения за космическими объектами требуются ТГ с крутизной до 10 мВ на оборот за сутки и остаточным напряжением на уровне единиц милливольт. Рассмотренные выше ТГ такими свойствами не обладают. Для асинхронных ТГ это отношение, кроме того, характеризует минимальную частоту вращения ТГ, на которой он способен выдать сигнал. Эта частота имеет значения 2,5...10 мин^-1. Бесколлекторные ТГ, рассматриваемые ниже, обладают принципиально более высокой крутизной.

Расчетная схема бесколлекторного ТГ представлена на рис.2.14.

Выходные напряжения первичного датчика – синхронного генератора (СГ) определяются зависимостями:

где α – угол поворота ротора;

θ – фазовая погрешность СГ.

Множительные устройства МУ1 и МУ2 умножают эти сигналы на функции k_муsin(α – θ) и k_муcos(α – θ), где k_му - коэффициент передачи множительных устройств. При этом имеем:

U_му1 = U_A1k_муsin(α – θ) = с_Ek_rk_му(dα/dt)sin²(α – θ);

U_му2 = U_A1k_муcos(α – θ) = с_Ek_rk_му(dα/dt)cos²(α – θ).

Выходное напряжение при малых значениях θ является суммой напряжений U_му1 и U_му2:

U = с_Ek_rk_му(dα/dt)[sin²(α – θ) + cos²(α – θ)] = с_Ek_rk_му(dα/dt).

Т аким образом, выходное напряжение имеет вид постоянного сигнала, пропорционального мгновенному значению частоты вращения вала СГ. При этом в принципе отсутствуют пульсации, нет остаточного напряжения, отсутствует зона нечувствительности. В реальных системах появляются погрешности, определяемые неидеальностью передаточных свойств элементов системы.

Схема ТГ данного типа с множительным устройством в виде датчи­ка ЭДС Холла представлена на рис.2.15.

Выходное напряжение датчика Холла и его знак определяются алгебраическим произведением мгновен­ных значений питающего тока I_х и индукции магнитного поля В, вектор которого перпендикулярен плоскости датчика: U = kI_xB.

Если питать датчик Холла постоянным током, то он выполняет функцию датчика положения магнитного потока, изменяя при повороте ротора СГ свое напряжение по закону изменения индукции. Это позво­ляет использовать датчики Холла в качестве множительного устройства в схемах ТГ данного типа. При использовании двух датчиков Холла X1 и Х2, закрепленных на статоре СГ, имеем:

B_X1= B_макс sin(α – θ); B_X1= B_макс cos(α – θ)

Учитывая выражения для u_ai и u_bi, найдем токи, питающие дат­чики Холла:

I_X1 = U_A1/R_Σ = (с_Ek_r/ R_Σ)(dα/dt)sin(α – θ);

I_X2 = U_B1/R_Σ = (с_Ek_r/ R_Σ)(dα/dt) cos(α – θ),

где R_Σ – сумма сопротивлений фазы СГ;

R_д – сопротивление до­бавочного резистора и входного сопротивления датчика Холла. В ре­зультате имеем

U_X1 = k_XB_макс(с_Ek_r/ R_Σ)(dα/dt)sin²(α – θ);

U_X2 = k_XB_макс(с_Ek_r/ R_Σ)(dα/dt)cos²(α – θ),

где k_х - коэффициент пропорциональности.

После суммирования найдем

U_тr = U_X1 + U_X2 = k_XB_макс(с_Ek_r/ R_Σ)(dα/dt).

При реверсе полярность меняется за счет изменения фаз напряжения СГ.

№ 15. Локационные информационные системы. Модуляция и детектирование сигналов.