Вопросы для самопроверки

1. Что является входной и выходной координатами датчика угла поворота?

2. Что является входной и выходной координатами датчика угла рассогласования?

3. В каких системах могут применяться датчики угла и датчики рассогласования?

4. Сколько обмоток и где имеет трехфазный контактный сельсин?

5. Что является входной и выходными координатами сельсина?

6. В каких режимах может работать сельсин?

7. Что такое амплитудный режим работы сельсина?

8. Что такое фазовый режим работы сельсина?

9. Приведите формулу для расчета характеристики управления сельсина в амплитудном режиме работы.

10. Приведите формулу для расчета характеристики управления сельсина в фазовом режиме работы.

11. Какими факторами определяются статические погрешности сельсина, искажающие его характеристику управления?

12. Чем вызвана скоростная погрешность датчика угла поворота на основе сельсина?

13. В каком режиме работают сельсин-датчик и сельсин-приемник в схеме датчика угла рассогласования, если в качестве его выходных координат используются амплитудное значение ЭДС ротора сельсина-приемника и фаза этой ЭДС?

14. Приведите формулу для расчета характеристики управления датчика рассогласования на основе двух сельсинов, работающих в трансформаторном режиме.

15. Что является основными недостатками датчиков угла поворота на основе сельсина?

16. С какой целью на входе датчиков угла поворота используются понижающие измерительные редукторы?

17. С какой целью на входе датчиков угла поворота используются повышающие измерительные редукторы?

18. Как изменяется погрешность измерения угла при использовании понижающих измерительных редукторов?

19. Когда целесообразно использование дискретных датчиков угла?

20. Какие основные элементы присутствуют в конструкции цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска?

21. Почему характеристика управления цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска имеет ступенчатый характер?

22. Приведите формулу для расчета интервала дискретности цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска.

23. Приведите формулу для расчета абсолютной погрешности цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска.

24. Путем каких конструкционных мер можно увеличить разрядность цифрового датчика угла поворота на основе кодового диска?

5.2. Датчики угловой скорости

Тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами (рис. 5.6). Входная координата ТГ- угловая скорость , выход­ная - напряжение U_вых, выделяемое на сопротивлении нагрузки.

Так как

E_тг = kФ = I(R_тг+R_н),

то ,

где

- передаточный коэффициент ТГ, В/рад; k = рN/ (2 а) - конструктивная постоянная; Ф - магнит­ный поток возбуждения; R_тг - сопротивление якор­ной обмотки и щеточного контакта.

П ередаточный 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. 5.6, б). 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 пульсации к выходу ТГ подключают конденсатор (рис. 5.6, а), при этом передаточная функция ТГ при­обретает вид

,

где - постоянная времени фильтра.

Конденсатор выполняет функцию фильтра высокоча­стотных относительно угловой скорости пульсаций. Чем больше T_ф, тем меньше пульсации в выходном напря­жении ТГ. Однако при этом ограничивается частотная полоса пропускания ТГ. При частотах передаваемого сигнала f_п > 1/(2T_ф) амплитудные искажения превышают 3 дБ, а фазные 45°.

Тахогенераторы переменного тока (рис.5.7) наиболее часто выполнены на базе асинхронной двухфазной машины. На статоре имеются две взаимно перпендикулярные обмотки: обмотка воз­буждения, расположенная по оси , и выход­ная управляющая обмотка, расположенная по оси , включенная на сопротивление нагрузки тахогенератора Z_тг. Для уменьшения момента инерции ротор выполняется тонкостенным в виде полого стакана из не­магнитного материала (обычно алюминиевого сплава). Внутри ротора размещается неподвижный стальной шихтованный сердечник, по которому замыкается магнитный поток.

Соотношения для расчета регулировочной характеристики тахогенератора приведены в /1/. Сопротивление нагрузки тахогенератора существенно влияет на амплитуду и фазу выходного напряжения. Потому для снижения амплитудных и фазовых искажений выходного напряжения необходимо использовать тахогенератор в режиме, близком к холостому ходу, то есть соединять тахогенератор с нагрузкой через эмиттерный повторитель, имеющий большое входное сопротивление.

Если ТГ работает в режиме холостого хода, при котором , то характеристика управления в комплексном виде имеет вид

,

где - комплексное значение выходной ЭДС тахогенератора; - комплексное значение коэффициента передачи тахогенератора. Даже в режиме холостого хода комплексный коэффициент передачи тахогенератора достаточно сложно зависит от активных и индуктивных сопротивлений статорных и роторных цепей и от скорости вращения ротора, то есть характеристики управления тахогенератора нелинейны. С ростом скорости ротора ухудшается линейность характеристик управления: уменьшается модуль комплексного коэффициента передачи и уменьшается его фаза, как показано на рис. 5.8 жирными линиями. Чем меньше собственное сопротивление обмотки возбуждения, тем меньшие искажения имеют характеристики ТГ. В пределе, когда сопротивление обмотки возбуждения будет равно нулю, регулировочные характеристики линейны и комплексный коэффициент передачи

;

; ,

где U_ - модуль вектора напряжения возбуждения; K_тг - модуль комплексного коэффициента передачи; _вых - фаза вектора выходной ЭДС; a = R^'_р / x_ - отношение приведенного к обмотке статора активного сопротивления ротора к индуктивному сопротивлению намагничивания; _с - синхронная скорость ротора; j - мнимая единица. Характеристики управления, соответствующие этому случаю приведены на рис. 5.8 тонкими линиями. Погрешности амплитуды ΔE_{вых m} и фазы Δ могут быть существенно уменьшены ограничением диапазона измерения скоростей сверху.

При смене знака угловой скорости ротора фаза _вых выходной ЭДС E_вых изменяется на 180^о. При использовании асинхронного ТГ в обычных системах автоматического регулирования его выходную ЭДС подают на вход фазового детектора, работающего в амплитудном режиме, и с выхода фазового детектора снимают постоянное напряжение, величина которого будет прямо пропорциональна значению скорости ротора тахогенератора, а знак будет определяться направлением вращения ротора.

Технологические неточности изготовления ТГ приво­дят к определенной магнитной и электрической асиммет­рии статора и ротора. Это приводит к появлению оста­точной ЭДС, вызывающей погрешность ТГ в зоне малых скоростей. Если указанная погрешность выходит за рам­ки требуемой точности ТГ, то принимают определенные меры по ее компенсации. В частности, когда остаточная ЭДС характеризуется постоянством амплитуды и фазы, последовательно в цепь выходной обмотки ТГ вво­дится с помощью корректирующего устройства дополни­тельная ЭДС, равная остаточной ЭДС по амплитуде и противопо­ложная ей по фазе.

Полоса пропускания асинхронного ТГ ограничена частотой питающей сети. Поэтому для быстродействующих систем используются ТГ с повышен­ной частотой питания. В целом асинхронные тахогенераторы отличаются высокой точностью. Линейность ха­рактеристик ТГ, применяемых в системах автоматики и счетно-решающих устройствах, характеризуется погреш­ностью менее 0,5 %. По сравнению с ТГ постоянного то­ка, асинхронный тахогенератор обладает существенно меньшим передаточным коэффициентом.

В современных системах автоматики с большими диапазо­нами регулирования скорости и высокими требованиями к ее стабилизации точность ТГ может оказаться недо­статочной. Для таких систем используются цифровые датчики скорости (ЦДС). Такие датчики рассмотрены в /1, 7/. Функционально в ЦДС мож­но выделить две основные части: импульсный преобра­зователь скорости - датчик импульсов (ДИ), преобразу­ющий угловую скорость вала в импульсы с частотой f, пропорциональной скорости, и кодовый преобразова­тель - счетчик импульсов (СИ), формирующий на интер­вале измерения Т цифровой код A_n выходной величины датчика скорости (рис. 5.9).

Д атчик импульсов может быть выполнен, например, на основе фотоэлектрического кодового диска. В любом варианте датчик импульсов реверсивного ТГ вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на  /2, которые используются для определения угловой скорости и ее знака. На рис. 5.10 изображен кодовый диск фотоэлек­трического датчика импульсов. На двух дорожках расположены пропускающие свет щели. Свет от источников ИС1 и ИС2 через щели попадает на фотодиоды BL1 и BL2, которые при этом открыты и пропускают ток. Ког­да щель выходит из луча света, фотодиоды запирают цепь. При вращении диска с угловой скоростью  BL1 и BL2 дают чередование максимального и минималь­ного сигналов с частотой

,

где N_ди - импульсная емкость кодового диска - число импульсов на один оборот диска.

Т оковый сигнал фотодиода изменяется по форме и амплитуде при изменении скорости вращения. Поэтому для получения стабильных сигналов с неизменными ам­плитудой и продолжительностью в состав датчика им­пульсов входит узел формирования выходных импульсов (рис. 5.11). В усилителе У1 токовый сигнал фотодиода BL1 усиливается и симметрируется по полярности U_у1. Усилитель, собранный на транзисторах VT1 и VT2 и работающий с использованием положительной связи в релейном режиме, дает на выходе прямоугольные им­пульсы U₁ с постоянной амплитудой, равной напряжению питания U_п, но с переменной продолжительностью. Выходной импульс U_вых с неизменными амплитудой и продолжительно­стью  формируется с помощью одновибратора S. Диа­грамма работы описанного узла приведена на рис. 5.12. Аналогичный узел имеется и для импульсов второй до­рожки кодового диска с фотодиодом BL2. Для каждого направления вращения в датчике импульсов имеется свой выходной канал.

Выделение импульсов на каналах положительной скорости (направление «вперед», U_выхВ) или отрица­тельной скорости (направление «назад», U_выхН) осуще­ствляется логической схемой, одно из возможных исполнений которой приведено на рис. 5.13. На первом выходном канале импульсы U_выхВ появляются при та­ком направлении вращения, при котором сигнал U₂ опе­режает по фазе на  /2 сигнал U₁, и элемент совпадения И открыт для импульсов U_вых1. При другом направле­нии вращения, когда U₂ отстает по фазе на  /2 от U₁, элемент совпадения И открыт для импульсов U_вых2, которые поступают на второй выходной канал U_выхН.

Формирование цифрового кода на выходе датчика скорости с помощью счетчика может выполняться двумя способами. В соответствии с первым способом на заданном периоде измерения Т счетчик подсчитывает число импульсов, которое будет характе­ризовать среднее значение скорости:

.

Так как младшему разряду датчика соответствует один импульс, то разрешающая способность ЦДС со­ставляет N: 1, а точность измерения  =1/N. Очевидно, дискретность по скорости датчика, об/с, определится величиной

Δn_o = 1/(N_диT).

Таким образом, точность ЦДС тем выше, чем боль­ше измеряемая скорость и период измерения.

Увеличение значения Т для уменьшения погрешности при низких скоростях нежелательно, так как при этом возрастает дискретность по времени и увеличивается расхождение между средним и мгновенным значениями скорости, что может затруднить использование ЦДС в системах управления.

Второй способ формирования цифрового кода ско­рости состоит в определении интервала времени между двумя импульсами путем подсчета числа высокочастот­ных опорных импульсов, умещающихся на измеряемом интервале. Данный способ имеет, напротив, максимальную разрешающую способность на самых низких скоро­стях, когда период следования импульсов максимален и содержит наибольшее число опорных импульсов. Однако высокая точность датчика при низких скоростях отно­сится также лишь к среднему за измеряемый интервал значению скорости. При повышении скорости точность данного ЦДС снижается.

Рассмотренные варианты ЦДС обеспечивают высо­кую точность измерения скорости, и тем большую, чем продолжительней период измерения. Однако данный пе­риод измерения вносит в систему автоматики с ЦДС дис­кретность по времени, которая вносит искажения в ра­боту высокодинамичных систем. Поэтому для снижения дискретности по времени в быстродействующих систе­мах с управлением по интегралу сигнала рассогласова­ния интегрирование разности скоростей выполняется подсчетом разности непосредственно числа импульсов с задающего устройства и с датчика импульсов с помощью реверсивного счетчика.