ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

Схема формирования цифрового сигнала СКВТ в фазовом режиме.

111

Генератор тактовых импульсов ГТИ формирует импульсы постоянной ча-

стоты Nf, в N раз выше, чем f – частота напряжения питания СКВТ. Импульсные сигналы U1 и U2 подаются соответственно на входы S и R триггера ТГ. Передний фронт импульса U1 устанавливает ТГ в состояние «1», а передний фронт им-

пульса U2 сбрасывает ТГ в «0». На выходе триггера ТГ формируется импульс длительностью t. Этот импульс с помощью логической ячейки «И» (ключа) от-

крывает доступ импульсов тактового генератора ГТИ на счетчик импульсов СЧ.

За время t на счетчик пройдет количество импульсов равное

n = t N , T

где Т – период напряжения питания СКВТ (рис.69б).

Полная схема формирования цифрового сигнала содержит еще средства

передачи полученного двоичного кода в специальный регистр хранения и обну-

ления содержимого счетчика в конце периода Т для начала нового цикла измере-

ния.

Как и в случае амплитудного режима работы СКВТ необходимо фиксиро-

вать переход фазы через границы 00 и 3600 для подсчета количества полных обо-

ротов вала.

7.3 Электрическая редукция

СКВТ как датчик угла поворота имеет ограниченную точность. Основная составляющая погрешности обусловлена неизбежным отклонением зависимости формы выходных напряжений от синусоидальной. В тоже время количество полных оборотов вала определяется целым числом и поэтому не содержит оши-

бок. Для повышения точности измерения при построении систем управления, в

которых применен редукторный привод был разработан прием, позволяющий получить несколько периодов изменения выходного сигнала за время одного оборота вала нагрузки. Учитывая, что обычно в таких системах применяются

112

понижающие редукторы, в которых вал двигателя совершает в i раз больше обо-

ротов, чем вал нагрузки (i- передаточное число редуктора) с помощью СКВТ из-

меряется угол поворота входного (в некоторых случаях промежуточного) вала редуктора (рис.69а). В этом случае погрешность измерения положения выходно-

го вала может быть уменьшена практически в i (i- передаточное число редуктора от оси СКВТ до оси нагрузки) раз, т.к. подсчет полных оборотов ошибки не вно-

сит. График изменения сигнала СКВТ показан на рис.69б для случая i=5.

При использовании редукции возникает проблема неоднозначности полу-

чаемого сигнала, т.к. одному значению угла, определенному по сигналу СКВТ отвечает i1 значений угла поворота вала нагрузки. Один из способов исключения этой неоднозначности – установка «грубого канала» измерения, в котором дру-

гой СКВТ установлен на валу нагрузки (показано пунктиром на рис.69а). Сигнал

«грубого канала» позволяет однозначно определить положение вала нагрузки, но с ограниченной точностью. Сигнал «точного» СКВТ обеспечивает повышение точности определения углового положения вала нагрузки.

СКВТ нов.

СКВТ стар.

3600

φ

Рис.70

Получение редуцированного сигнала.

113

Использование принципа редукции сигнала ограничивается тем, что при больших величинах передаточного числа на точность начинают влиять погреш-

ности редуктора – кинематическая погрешность и люфт редуктора. Дальнейшее развитие принципа редукции сигнала потребовало создания датчиков устанавли-

ваемых на валу нагрузки, но формирующих сигнал с большим числом периодов за один оборот вала. В таких датчиках реализуется принцип «электрической ре-

дукции».

Первая попытка реализации электрической редукции – создание многопо-

люсных СКВТ. На рис.71 показаны схематично СКВТ с одной, двумя и четырь-

мя парами полюсов на статоре и на роторе. Коэффициент электрической редук-

ции многополюсных СКВТ равен числу пар полюсов. С увеличением числа пар полюсов уменьшается размер каждого полюса, что приводит повышению слож-

ности изготовления деталей статора и ротора и выполнения обмоток. Поэтому число пар полюсов и, соответственно коэффициент электрической редукции, у

многополюсных СКВТ ограничено и не превышает значений р=4÷8 .

Рис.71

Многополюсные СКВТ.

Поскольку изготовление деталей ротора и особенно роторных обмоток в силу меньшего диаметра сложнее, чем статора, была разработана схема датчика,

названная индукционный редуктосин. Основная идея индукционного редукто-

сина – отсутствие обмоток на роторе и размещение и обмоток возбуждения и сигнальных обмоток на статоре. Ротор имеет явно выраженные полюса и в про-

114

цессе поворота ротора перераспределяет магнитные потоки, создаваемые обмот-

кой возбуждения, на сигнальные обмотки, генерируя в них ЭДС, амплитуда ко-

торых имеет практически синусоидальную зависимость от угла поворота.

Схематически редуктосин показан на рис.72.

Рис.72

Редуктосин.

Более простая в изготовлении конструкция редуктосина позволяет увели-

чить число пар полюсов до значений р=8÷12 .

Структура сигналов многополюсного СКВТ и редуктосина соответствует сигналам классического СКВТ. В этих датчиках можно реализовать как ампли-

тудный, так и фазовый режим работы за счет соответствующего включения об-

моток возбуждения и сигнальных обмоток. Для упрощения конструкции в них иногда уменьшают число обмоток, что приводит к утрате универсальности и ис-

пользуется в основном амплитудный режим работы, не требующий создания вращающегося магнитного поля в магнитной системе датчика.

7.4 Индуктосин

Дальнейшее увеличение электрической редукции стало возможным с со-

зданием нового типа датчика, получившего название индуктосин. Принципи-

альное отличие индуктосина от многополюсного СКВТ и редуктосина заключа-

115

ется в отказе в конструкции датчика от магнитопроводов из ферромагнитных материалов и применении печатных обмоток на роторе и статоре. Индуктосин представляет собой воздушный трансформатор с распределенными обмотками.

Он состоит из двух плоских пластин или дисков из изоляционного материала, на которых нанесены печатные проводники. Внешний вид такого диска показан на рис.73.

Рис. 73.

Вид ротора индуктосина.

На рис.74 показано сечение статора и ротора плоскостью перпендикуляр-

ной направлению печатных проводников.

Обмотка статора подключена к источнику переменного тока и по ней про-

текает синусоидальный переменный ток. В соседних печатных проводниках ста-

тора ток протекает в противоположных направлениях, что отмечено знаками «х» и «.» на рис.73.

Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг себя магнитное поле.

Это поле наводит в проводниках ротора ЭДС, величина которой зависит от рас-

стояния между проводниками

116

Здесь eij – ЭДС, наведенная в j-м проводнике ротора током, протекающим по i – му проводнику статора. Суммарная ЭДС в j-м проводнике ротора обуслов-

лена воздействием всех проводников статора, но фактически только нескольки-

ми ближайшими проводниками, т.к. с увеличением расстояния между проводни-

ками rij их взаимодействие ослабевает обратно пропорционально квадрату рас-

стояния между ними.

e j = ∑eij i

Величина и фаза суммарной ЭДС всей роторной обмотки складывается из ЭДС отдельных проводников ротора и существенно зависит от положения рото-

ра относительно статора.

Ротор

Статор

d

Рис.74

Формирование сигнала в индуктосине.

Если проводники ротора расположены точно над проводниками статора,

величина суммарной ЭДС в роторе будет максимальной, а фаза ЭДС будет опре-

деляться направлением тока в ближайшем проводнике статора. Если проводники ротора расположены точно посередине между проводниками статора, то ампли-

туда суммарной ЭДС в обмотке ротора будет равна нулю.

Зависимость амплитуды ЭДС в обмотке ротора от перемещения ротора от-

носительно статора показана на рис.75. Изменение знака амплитуды соответ-

ствует фазы напряжения на 1800. Зависимость близка к синусоидальной, период

117

равен d – двойному шагу проводников статора и ротора. Недостатком индукто-

сина является малая величина полезного сигнала. Типичное значение макси-

мальной величины амплитуды ЭДС в роторной обмотке – порядка 20÷50 милли-

вольт, что требует применения усилительных звеньев, увеличивает ошибку пре-

образования сигналов и влияние шумов на точность измерения.

Ε

α

d

Рис.75.

Зависимость выходного сигнала индуктосина от угла поворота ротора.

Оценим возможное число пар полюсов индуктосина, которое равно числу пар печатных проводников ротора или статора. Это число определяется разме-

ром (диаметром) ротора (статора) и минимальным шагом размещения проводни-

ков d/2. Современные технологии позволяют изготовлять печатные проводники с шагом в десятые доли миллиметра. Примем, что средний диаметр ротора

Dср=50 мм, а минимальный шаг печатных проводников d/2=0,2 мм. В этом слу-

чае число пар полюсов индуктосина будет равно

p = πDÑÐ = π ×50 = 392 d 0,4

Современные технологии позволяют изготавливать индуктосины с числом пар полюсов до нескольких сотен, что дает возможность иметь точность измере-

ния углов поворота в единицы и доли градуса.

Ограничение по числу пар полюсов (количеству печатных проводников)

индуктосина определяется не только возможностью изготовления печатных про-

118

водников с малым шагом (в микросхемах расстояние между проводниками до-

ходит до долей микрометра) но и тем, что расстояние между дисками (ротором и статором) (рис.74) должно быть значительно меньше шага печатных провод-

ников d (рис.74). Амплитуда синусоидального сигнала индуктосина сильно зави-

сит от соотношения и d. С увеличением амплитуда результирующего сигнала в обмотке индуктосина уменьшается пропорционально примерно квадрату уве-

личения этого отношения, поскольку уменьшается разность расстояний между ближайшими проводниками ротора и статора.

Если проводники ротора и статора располагаются точно друг над другом,

то расстояние от проводника ротора до соседних проводников статора составит

ная ЭДС будет равна нулю.

При уменьшении размера уменьшаются допуски на отклонения от плос-

костности поверхности дисков, на соосность сопряжения отверстия диска и по-

верхности вала, эксцентриситет вала и его опор, повышаются требования к до-

пустимым перекосам диска при установке его на вал и другие конструктивные и технологические параметры. Это приводит к усложнению конструкции и суще-

ственному увеличению стоимости датчика.

Сигналы индуктосина получают большие искажения от воздействия внеш-

них магнитных полей, что снижает достижимую точность измерения.

Дальнейшее увеличение коэффициента электрической редукции (числа пар полюсов) с целью повышения точности измерения угловых и линейных переме-

щений требует использования других физических явлений, поскольку возмож-

ности использования явления электромагнитной индукции практически исчер-

паны.

119

Тема 8. Оптоэлектронные дискретные датчики перемещения.

8.1 Оптико-электронный датчик перемещения накапливающего типа

(инкрементный энкодер)

Работа оптико-электронного датчика перемещения накапливающего типа основана на модуляции светового потока от источника света к фотоприемнику при перемещении подвижной части датчика. Основными элементами конструк-

ции датчика являются (рис.76):

1

2

3

4

Рис.76.

Схема оптоэлектронного датчика перемещения накапливающего типа.

1 – источник света,

2 – неподвижная растровая решетка,

3 – подвижная растровая решетка,

4 – фотоприемник.

Растровые решетки 2,3 имеют чередующиеся в виде полос с постоянным шагом прозрачные и непрозрачные участки. Излучение от источника света 1

проходит через неподвижную 2 и подвижную 3 растровые решетки на фотопри-

120