1. Цель работы

1. Изучить конструкцию, основные свойства и принцип действия импульсных индукционных датчиков скорости.

2. Изучить состав, принципиальные схемы отдельных устройств и характеристики информационного канала с импульсным датчиком скорости.

3. Исследовать характеристики информационного канала с импульсным сенсором и преобразователем частоты в ток.

2. Основные теоретические сведения

Простейшие системы измерения скорости основываются на прецизионных тахогенераторах постоянного и переменного тока. В роботах промышленное применение находят не электромашинные – аналоговые, а дискретные импульсные датчики (ИД). ИД комплектуются усилителями, преобразующими и счётными устройствами, что позволяет выделить информационный канал или канал тахометрического контроля, например, внутреннего состояния элементов манипулятора промышленного робота. В таких каналах информации о скорости вращение несёт не амплитуда сигналов, а их частота, что значительно повышает точность контроля. В конструктивном отношении ИД проще электромагнитных, они имеют существенно меньшие габариты и лучше приспособлены для сочленения с кинематической частью робота.

ИД за один оборот вала создают определённое количество импульсов: частота сигналов пропорциональна скорости вращения . Основное распространение находят индукционные и фотоимпульсные датчики (последние, как правило, в качестве датчиков положения).

Импульсы ИД создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса или вращающиеся ферромагнитные детали машин. Для получения магнитного потока используются постоянные магниты, в некоторых конструкциях применяются обмотки независимого возбуждения.

У наиболее распространённых систем контроля скорости с тахогенераторами постоянного тока нелинейность 0,5-1% считается допустимой. Система с ИД и электромагнитными частотомерами обеспечивает линейность скоростной характеристики 0,1-0,001%. Высокая линейность имеет место при отсчете количества импульсов за целое число оборотов вала. Система контроля скорости с ИД и аналоговым выходом даже при простых преобразованиях позволяет получить высокую точность показаний и сохранить линейность 0,2-0,5%, что выше возможностей тахогенераторов.

Диапазон измерений характеризуется минимальной и максимальной частотами вращения, а также их соотношением . Большинство регулируемых систем нуждаются в относительно узком диапазоне , однако у целого ряда (системы подачи металлообрабатывающих станков, промышленные роботы) . Индукционные ИД при малых оборотах имеют малые мощность и амплитуду выходного сигнала, который становится соизмерим с помехами, создаваемыми магнитными полями, амплитуда сигнала оказывается недостаточной для использования простых типовых преобразователей, поэтому для обеспечения точного измерения скоростей в диапазоне рекомендуется применять фотоимпульсные датчики.

В информационных каналах контроля с ИД требуемая чувствительность, помехоустойчивость, стабильность и другие показатели достигаются за счёт применения типовых полупроводниковых преобразователей. Построение информационных каналов с ИД путем комбинирования унифицированных блоков совпадает с практикой построения САУ современных электроприводов.

Конструктивная схема ИД приведена на рис. 1. Ферромагнитный зубчатый диск 1, закреплённый на рабочем валу, модулирует постоянный поток. Против зубцов 2 диска расположены полюсы 3 индукционного элемента. Для создания магнитного потока служит обмотка 4 с сердечником 5 или постоянный магнит. Сердечник (магнитопровод) охвачен многовитковой индикатор­ной обмоткой 6 индукционного ИД.

Полюсы 3 расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения диска 1. При большом числе зубцов Z полюсы охватывают два и более зубцовых шага . Если диск имеет большую толщину, то полюсы располагаются вдоль оси вращения. При вращении диска I изменяется зазор 8 между полюса­ми 3 и зубцами 2, резко изменяется магнитное сопротивление R_M и магнитный поток Ф. Соотношение величин можно уяснить из следующих выражений:

(1)

(2)

где: - магнитная индукция в воздушном зазоре; - площадь воздушного зазора; - магнитное сопротивление потоку F; F - МДС, создаваемая обмоткой 5 или постоянным магнитом.

При использовании обмотки возбуждения МДС может быть рассчитана по допустимой используемой мощности Р:

(3)

где 1_ср.- средняя длина витка; k - коэффициент заполнения окна катушки (при диаметре провода до 0,2мм k = 0,75).

Пренебрегая магнитным сопротивлением стали R по сравнению с сопротивлением зазоров R приближённо получаем:

Рис. 1. Схема ИД	Рис. 2. Характеристики ИД
Рис. 3. Принцип действия ИД

Таким образом, повышение амплитуды импульсного сигнала с измерительной обмотки возможно за счёт использования постоянных магнитов, имеющих повышенные значения коэрцетивной силы (например, на основе сплавов феррита бария типа 22 БА 220).

Характер изменения потока Ф и ЭДС 1 иллюстрируется осциллограммами, приведёнными на рис. 2. Пульсации потока приводят к появлению ЭДС, индуцируемой в катушке 6. Мгновенное значение ЭДС определяется производной потока по времени:

(4)

где: ψ - потокосцепление; W- число витков измерительной обмотки.

Если датчик имеет катушку подмагничивания, то питающее её напряжение должно быть сглажено и стабилизировано. Значение индукции при расположении зубцов ротора против полюсов в ИД колеблется в пределах от 0,01 до 0,2 Тл. При этом увеличение МДС в рассматриваемом диапазоне В приводит к примерно пропорциональному увеличению выходного сигнала.

При увеличении частоты вращения вала возрастают ЭДС и ток в цепи нагрузки. Изменению потока препятствуют вихревые токи, индуцируемые в массивном магнитопроводе модулирующего диска. Даже при шихтованных магнитопроводах диска и сердечника катушки действие демпфирующих токов сохраняется. На рис.3 показаны зависимости средних Е и амплитудных Е_m значений ЭДС от скорости вращения. Следует отметить, что Е, перестаёт расти после определённого значения n, а Е_m продолжает расти, увеличиваясь по нелинейному закону. Уменьшение зазоров приводит к повышению значений выходного сигнала. Нелинейность амплитудной характеристики при этом возрастает. Опыт показывает, что прямое подключение измерительных приборов к импульсным датчикам нерационально даже при низких предъявляемых требованиях. К недостаткам такого способа подключения следует отнести изменение коэффициента передачи в течение срока службы и нелинейность выходных характеристик.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В состав лабораторного стенда (рис. 4) входит блок питания и двигатель с возбуждением от постоянных магнитов Ml. На полом немагнитном якоре Ml жестко закреплен модулирующий диск с числом зубцов z=60. Для создания магнитного потока в ИД используется постоянный магнит в качестве материала которого применен феррит-бариевый сплав типа 22 БА 220. имеющий линейную характеристику намагничивания и большую коэрцетивную силу, что является существенным достоинством при работе на повышенных немагнитных зазорах (δ = 0,4-0,8 мм). Индикаторная обмотка ИД намотана проводом ПЭВ2 диаметром 0,1 мм и имеет число витков 4000. Конструктивный зазор ИД составляет 0,45 мм. Корпус импульсного датчика жестко закреплен на подшипниковом щите двигателя. Клеммы выхода блока питания подключены к якорной обмотке Ml, клеммы измерительной обмотки ИД ХЗ, Х4 выведены на лицевую панель стенда.

Рис. 4. Схема лабораторного стенда

Однофазная сеть подключается к блоку питания с помощью переключателя Q1. Светодиод VD1, установи энный на лицевой панели стенда, сигнализирует о включении напряжения питания якорной обмотки.

В качестве истинного значения скорости вращения вала во всём диапазон не её изменения используются значения, определённые пропорционально сигналу с импульсного фотоэлектрического датчика, смонтированного в стенде на базе оптопары. Клеммы XI Х2 с фотоприёмника выведены на лицевую панель стенда.

Переключатель Q2 позволяет осуществлять ступенчатое регулирование напряжения якорной обмотки в диапазоне 6 - 28 В. При этом скорость вала Ml изменяется в диапазоне 600 - 12000 об/мин.

Принципиальная схема преобразователя частоты в ток изображена на рис.5. Конденсаторы CI, C2 и сопротивления R распаяны на плате П, размещенной на лицевой панели стенда. Для питания преобразователя используется двухканальный стабилизатор напряжения G ±15В. Переключатель Q3 подключает однофазную сеть к трансформатору Т2 стабилизатора напряжения. Вы­ходные клеммы стабилизатора Х5, Х6, Х7 выведены на лицевую панель стенда Светодиод VD2, установленный на лицевой панели, сигнализирует о включении напряжения питания преобразователя. Входные Х12, XI3, и выходные Х14, Х15 клеммы преобразователя выведены на лицевую панель.

Рис. 5. Преобразователь частоты в ток (двухтактная схема)

Напряжение на входе преобразователя в оговоренном диапазоне изменения скорости вала изменяется, соответственно, от 30 mВ до 6 В. При использовании информационного канала измерения для значений n < 100 об/мин с целью повышения напряжения на входе преобразователя в работе использован компаратор на базе К553УД1. На низких скоростях вращения (5-10 об/мин) амплитуда сигнала с измерительной обмотки ИД составляет соответственно 5-10 mВ. При этом для обеспечения работоспособности усилителя необходима регулировка нулевого уровня К553УД1.