6.2. Применение сельсинной связи в следящем приводе

Сельсины по определению являются электромеханическими устройствами, предназначенными для передачи механического движения на расстояние по электрическим проводам. Этот режим работы сельсинов называется индикаторным. В СлПр ААУ сельсины работают в трансформаторном режиме, определяя в форме электрического напряжения величину и знак рассогласования между положением ААО и положением ВУ.

В ААУ в качестве сельсинов-датчиков и сельсинов-приемников находят применение сельсины с однофазными роторными и трехфазными статорными обмотками (рисунок 6.5; для простоты обмотки показаны толстыми линиями). Начала статорных обмоток обозначены С1, С2, С3, роторных - Р1, а концы - Р2.

Статорные обмотки соединены звездой, расположены по окружности статора таким образом, что их магнитные оси сдвинуты между собой на угол . Питание сельсинов осуществляется переменным напряжением с амплитудой и частотой (угловая частота ), подаваемым на ротор СД.

Мгновенное значение тока в цепи ротора СД, имеющей, делаем допущение, только активное сопротивление R_д, будет равно , или , где I_д – амплитуда тока в роторной обмотке СД.

Далее, как это принято в электротехнике, будем оперировать амплитудными значениями соответствующих величин, понимая их «физические» свойств.

Напомним здесь еще раз, что ротор СД механически связан с ВУ, положение которого определяется углом . Ротор СП механически связан с ААО, положение которого определяется углом . Угол рассогласования между положением ВУ и ААО определяется как . С ротора СП снимается напряжение , из которого в ФЧУ формируется сигнальное напряжение .

Переменный ток , проходящий по обмотке ротора СД, создает в ней пульсирующий магнитный поток . Этот магнитный поток наводит в трех обмотках статора СД три электродвижущие силы (э.д.с.) , , частоты , амплитуды которых , , зависят от положения оси обмотки ротора СД относительно каждой из обмоток статора. Для принятого на рисунке 6.5 взаимного расположения обмоток СД будем иметь

где – коэффициент трансформации между статорными и роторной обмотками СД.

Если условно соединить точки трехфазных обмоток сельсинов «нулевым» проводом (на рисунке 6.5 он обозначен пунктиром) и определить токи, протекающие по проводам 0, 1, 2 и 3, то их амплитуды будут равны

где , – соответственно активное и индуктивное сопротивление одной статорной обмотки СД (емкостным сопротивлением пренебрегаем).

П роизводя тригонометрические (или геометрические) преобразования в последнем выражении, убеждаемся, что . Поэтому нулевой провод в сельсинах отсутствует.

Благодаря протеканию тока каждая статорная обмотка СП создает свой магнитный поток, индуцирующий в роторной обмотке СП переменное напряжение частоты . Для принятого на рисунке 6.5 расположения обмоток СП амплитуды этих напряжений будут равны

где – коэффициент трансформации от статорной обмотки СП к его роторной обмотке.

Отметим, что в применяемых на ААУ сельсинах , а . Общий коэффициент трансформации от роторной обмотки СД к роторной обмотки СП и равен . Тогда амплитуда суммарного напряжения на роторной обмотке СП без учета потерь будет равна

.

После преобразований получим закон изменения амплитуды напряжения, снимаемого с роторной обмотки СП:

.

С учетом того, что питающее напряжение изменяется с частотой , напряжение, снимаемое с роторной обмотки СП, изменяется по закону

.

Функция является нечетной. Это обстоятельство используется в ФЧУ для формирования управляющего сигнала , в котором амплитуда напряжения определяет величину рассогласования между положением ААО и ВУ, а знак напряжения – направление рассогласования ААО и ВУ:

.

Техническая реализация этого закона изменения определяется изменением фазы напряжения на роторе СП на 180⁰ при изменении знака угла рассогласования и с фильтрацией несущей частоты 400 Гц питающего напряжения.

При круговом вращении ВУ относительно ААО (или наоборот) сигнальное напряжение дважды достигает максимума при углах рассогласования и дважды становится равным нулю. Это происходит при углах рассогласования, равных и . Положение, когда сигнальное напряжение равно нулю при , называется истинным нулем.

Положение, когда сигнальное напряжение равно нулю при , называется ложным нулем. В идеале рассогласование между положением ВУ и ААО, равное , может продолжаться как угодно долго. Однако, если вывести систему «ААО – ВУ» из состояния ложного нуля, ААО вернется в положение истинного нуля.

Основными характеристиками сельсинной связи, с точки зрения ее работы в СлПр, являются крутизна сигнального напряжения по углу рассогласования и статическая точность ее действия.

Под крутизной сигнального напряжения от угла рассогласования понимается тангенс угла наклона касательной к кривой при угле рассогласования, равном нулю

.

Вычисляя числовое значение крутизны сигнального напряжения при отсутствии потерь, получим . С учетом потерь в сельсинах числовые значения крутизны сигнального напряжения уменьшаются и реальные значения крутизны сигнального напряжения .

Статическая точность действия сельсинной связи определяет погрешность ее работы в статическом режиме. Передача заданных углов поворота ротора СД к ротору СП в индикаторном режиме или измерение угла рассогласования между роторами СД и СП в трансформаторном режиме связано с некоторыми ошибками. Эти ошибки возникают из-за наличия в реальном сельсине геометрической, магнитной и электрической асимметрии. Используемые в настоящее время в следящих приводах ААУ установок сельсины имеют статическую точность угловых минут. Статическая ошибка сельсинной пары, как одно из слагаемых, входит в суммарную ошибку работы СлПр.

Для использования полных возможностей ААО с точки зрения его эффективности от следящих приводов ААУ требуется значительно более высокая точность работы. Так статическая точность работы СлПр не должна выходить за пределы 1,5 угловых минут, а максимальный угол рассогласования между положением ААО и ВУ (при заданных параметрах движения ВУ, см. п.6.1) не должен превышать 10 угловых минут.

Очевидно, что в системе, в которой передаточные числа от ВУ к ротору СД и от ААО к ротору СП равны единице, общая ошибка в положении ААО относительно ВУ не может быть сделана меньше, чем ошибка, вносимая сельсинной связью, т.е. меньше 30…60 угловых минут.

Повышение точности действия следящих приводов ААУ обеспечивается использованием повышающих (ускоряющих) передач для поворотов роторов сельсинов по сравнению с поворотами ААО и ВУ. Передаточное число редуктора в этом случае должно выбираться, исходя из обеспечения требуемой точности работы СлПр.

При повороте ВУ на угол ротор СД повернется на угол . При повороте ААО на угол ротор СП повернется на угол . Теперь ошибка работы СлПр будет определятся статической ошибкой работы сельсинной связи как . Зная требуемую статическую точность работы СлПр привода, находим

.

Передаточные числа редукторов сельсинов, обеспечивающих потребную точность работы следящих приводов, выбираются из диапазона 29…35. В этом случае при точности работы сельсинной пары , статическая точность работы следящего привода не будет превышать ( ) порядка 2-х угловых минут в худшем случае.

Сельсины, обеспечивающие заданную точность работы следящего привода, называются точными.

Сверху значения передаточных чисел точных сельсинов ограничивается максимально допустимой частотой вращения роторов сельсинов, лежащей в диапазоне 30…100 Гц. Кроме того, надо учитывать, что сами редукторы работают также с погрешностями. При больших передаточных числах редукторов их ошибки будут приводить к снижению суммарной точности работы следящих приводов.

Применение повышающих передач в сельсинных парах обеспечивает заданную точность работы следящих приводов артиллерийских установок. Однако такие следящие приводы приобретают совершенно недопустимый недостаток. Теперь за один оборот визирного устройства относительно оружия или наоборот система имеет электрических нулей, которые она воспринимает как истинные нулевые положения оружия и визирного устройства. Это обстоятельство при включении системы в работу при несогласованном положении оружия и визирного устройства или в процессе работы системы при резких перемещения визирного устройства может приводить к неоднозначному положению оружия и визирного устройства. Неоднозначность положения визирного устройства и оружия будет кратна , так как следящий привод приводит оружие к ближайшему электрическому нулю.

Таким образом, рассмотренная выше и называемая точной сельсинная связь не обеспечивает однозначного положения оружия и визирного устройства. Наряду с точной необходимо иметь другую, называемую грубой сельсинную связь, предназначенную обеспечить однозначное положение оружия и визирного устройства. Для этой цели используются такие же сельсины, как и для точной сельсинной связи, но передаточные числа редукторов от визирного устройства к сельсину-датчику и от оружия к сельсину-приемнику равны .

Обеспечение высокоточной работы следящего привода при однозначном положении оружия и визирного устройства обеспечивается путем своевременного автоматического переключения сельсинных связей при достижении определенной величины угла рассогласования (угол переключения). Если угол рассогласования меньше угла переключения, система работает по так называемому точному каналу, обеспечивая заданные точности слежения оружия за визирным устройством. Если угол рассогласования становится больше угла переключения, система работает по так называемому грубому каналу, задача которого состоит в том, чтобы наискорейшим образом перевести систему на точный режим работы. Переключение каналов управления возлагается на фазочуствительный усилитель.

Угол переключения должен быть меньше . В том случае, если угол переключения будет больше этой величины, то при достижении угла рассогласования , точные сельсины «поведут» ААО к следующему согласованному положению точных сельсинов: ААО и ВУ не будут находиться в однозначном положении.

При выборе передаточного числа редукторов точных сельсинов решается также задача исключения ложного нуля ААУ кругового вращения. При четном значении происходит совпадение и ложных нулей грубых и точных сельсинов, и знаков их производных. Это обстоятельство, если возник ложный нуль, приводит при некоторых условиях к достаточно устойчивому его существованию. При нечетном значении этого не происходит. По этим причинам выбираются нечетные значения из диапазона их возможных значений (29…35). В типовом следящем приводе принято, что .

Дифференциальные сельсины (ДС), как уже отмечалось, используются для ввода поправок стрельбы. Они должны быть включены в грубый и точный каналы сельсинных связей. Величина передаточного числа редуктора от грубого ДС_Г к точному ДС_Т должна быть ровна . Конструктивно дифференциальный сельсин от СД и СП отличается в основном только конструкцией якоря, который выполнен трехполюсным. Такая конструкция якоря ДС позволяет легко включать дифференциальный сельсин в цепь сельсинной связи между СД и СП.

Дифференциальные сельсины входят в состав вычислителей прицельных систем. Привод дифференциальных сельсинов вычислителя поворачивает их роторы относительно статоров на угол суммарной поправки стрельбы в грубом канале управления и, соответственно, на угол в точном канале управления.

Повороты роторов ДС относительно их статоров приводят к повороту векторов суммарного потока на углы и соответственно в грубом и точном каналах управления. Таким образом, выходной сигнал сельсинной пары зависит не только от угла рассогласования , но и от суммарной угловой поправки стрельбы . Повторяя вывод выражения для сигнального напряжения сельсинной пары с учетом включения ДС, легко показать, что теперь выражение для сигнального напряжения будет иметь вид

.

Следящий привод, отрабатывая теперь сигнал рассогласования, остановит ААО в определенном, упрежденном положении относительно ВУ (цели).

Сельсины как электромеханические устройства обладают определенными инерционными свойствами. Однако по динамическим свойствам сельсинный измеритель угла рассогласования в следящих приводах ААУ принимается усилительным звеном. Это определяется тем, что его инерционные свойства малы по сравнению с инерционными свойствами других электромеханических устройств СлПр (см. п.п. 6.4, 6.5).

При более точном рассмотрении динамических свойств сельсинного измерителя угла рассогласования он может рассматриваться усилительным звеном с запаздыванием на периода питающего напряжения. При частоте питающего напряжения 400 Гц запаздывание составляет приблизительно 0,0006с. Запаздывание определяется путем линейной аппроксимации статической характеристики сельсинной связи.

Таким образом, передаточная функция сельсинной связи в математических моделях СлПр ААУ рассматривается как усилительное звено с коэффициентом усиления :

,

где , - изображения Лапласа сигнального напряжения сельсинной пары и угла рассогласования между ВУ и ААО .

Рассматриваемый коэффициент усиления относится к точному каналу сельсинной связи и определяется выражением

.

Размерность коэффициента усиления сельсинной пары точного канала управления показывает прирост напряжения в вольтах на единицу углового рассогласования между положеним ААО и ВУ. Числовое значение коэффициента усиления сельсинной пары точного канала управления с учетом потерь равно (при и ).

Отметим здесь следующее. Характеристики точности работы СлПр определяются в угловых величинах. Однако измерение углового рассогласования между положением ВУ и положением ААО является относительно простой задачей только в статике. В динамике при движении ВУ и ААО определение углового рассогласования между ними, т.е. определения кинематической и динамической ошибок работы СлПр, является технически сложной задачей.

По этой причине, наряду с геометрическим углом рассогласования, вводят понятие электрического угла рассогласования: электрическое напряжение, пропорциональное единице углового рассогласования. Связь между геометрическим и электрическим углами рассогласования носит вероятностный характер. Поэтому электрический угол рассогласования является косвенной характеристикой точности работы СлПр. Однако измерение электрического угла рассогласования не представляет трудностей при любых режимах работы СлПр и эта характеристика точности работы СлПр широко применяется на практике.

Отметим также, что с точки зрения нормального функционирования сельсинной пары для отдельно взятого ВУ и ААУ роторы СД и СП должны располагаться только лишь взаимно перпендикулярно. Однако для обеспечения однозначности управления несколькими ААУ от нескольких ВУ необходимо обеспечить для всех сельсинов некоторое стандартное расположение роторов относительно их статоров. По этим причинам приняты две базовые схемы включения сельсинных пар.

Схема включения сельсинов, представленная на рисунке 6.5 (при и ), является первой базовой схемой. Она применяется для горизонтальных каналов ВУ и ААУВУ, направленных вперед по полету ЛА, и для вертикальных каналов всех ВУ и всех ААУ.

Вторая базовая схема включения сельсинов (рисунок 6.6) используется для горизонтальных каналов ВУ и ААУ, направленных назад относительно ЛА.

С опоставляя приведенные базовые схемы включения сельсинов, можно легко видеть, что они обеспечивают однозначное управление любой одной или несколькими ААУ от одного ВУ.

Очевидно, что для каждой ААУ вычисляются свои поправки стрельбы, которые и вводятся соответствующими дифференциальными сельсинами.

Конструктивно сельсины, использующиеся в настоящее время в качестве измерителей рассогласования в следящих приводах СУНО, состоят из неподвижных статоров и подвижных роторов. Для подачи (снятия) электрических сигналов с роторов используются токосъемники, состоящие из контактных колец и щеток. Такие токосъемники подвержены истиранию, коррозии, загрязнению и, как следствие, могут приводить к нестабильной работе СлПр и появлению характерных неисправностей в них. Кроме того, из-за возможных пробоев между соседними контактными кольцами и щетками в разряженном воздухе применение таких сельсинов ограничивается высотами в 6000…8000 м.

Для применения ААУ на больших высотах необходимо использовать так называемые бесконтактные сельсины. Принцип действия бесконтактных сельсинов тот же, что и однофазных контактных сельсинов. Отличие состоит главным образом в конструкции ротора бесконтактного сельсина, обмотка которого неподвижна. При этом отпадает необходимость в щетках и кольцах для подвода и съема напряжений. Поворотная часть таких бесконтактных сельсинов представляет собой магнитопровод переменного сечения, изменяющего напряженность магнитного потока на полюсах статора сельсина. Однако технология изготовления бесконтактных сельсинов сложнее и исторически они появились позже. А так как большая часть ААУ используются на относительно небольших высотах и с учетом вопросов стандартизации и унификации, продолжается широкое использование контактных сельсинов.

Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы обладают более высокими характеристиками точности работы, и находят применение на ААУ, разработанных в последнее время.

Переход на новые типы индикаторов рассогласования следует ожидать с более широким применением вычислительной техники в следящих приводах ААУ. В этом случае будет оправданным применение цифровых датчиков углового рассогласования (цифровые сельсины).