5.3.4. Тахометрический мост

Вместо тахогенераторов для двигателей постоянного тока в качестве датчиков скорости используют тахометрические мостовые схемы (тахомосты). На рис. 5.25 изображена простая и распространенная схема тахомоста. В одно из плеч тахомоста включен якорь двигателя, имеющий сопротивление . Другие плечи моста образованы сопротивлением обмотки дополнительных полюсов и потенциометров . Конденсатор С вместе с сопротивлениями схемы образуют фильтр. На рис. 5.26 показано эквивалентная схема тахомоста без учета индуктивности якорной цепи двигателя. Установившейся режим работы схемы описывается следующими уравнениями:

, (5.47)

где

; (5.48)

, (5.49)

откуда

. (5.50)

Если , (5.51)

т.е. при

мост уравновешен и . (5.52)

При постоянном магнитном потоке двигателя

. (5.53)

Согласно схеме на рис. 5.26 дифференциальное уравнение тахомоста имеет вид

, (5.54)

где постоянная времени фильтра.

С учетом соотношения получим

. (5.55)

К недостатком тахомоста относятся малый коэффициент передачи и невысокая точность измерения скорости (из-за непостоянства сопротивления щеточного контакта и изменения сопротивления обмотки двигателя при их нагреве).

Рис. 5.25. Тахометрический мост Рис. 5.26. Эквивалентная схема тахомоста

5.3.5. Цифровые датчики скорости

В современных системах АЭП с большими диапазо­нами регулирования скорости и высокими требованиями к ее стабилизации точность ТГ может оказаться недо­статочной. Для таких систем используются цифровые датчики скорости (ЦДС). 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. 5.27).

Датчик импульсов может быть выполнен на основе индуктосина или фотоэлектрического кодового диска. В любом варианте датчик импульсов вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на , которые используются для определения угловой скорости и ее знака. На рис. 5.28 изображен кодовый диск фотоэлек­трического датчика импульсов. На двух дорожках рас­положены пропускающие свет щели. Свет от источников ИС1 и ИС2 через щели попадает на фотодиоды ВL1 и BL2, которые при этом открыты и пропускают ток. Ког­да щель выходит из луча света, фотодиоды запирают цепь. При вращении диска с угловой скоростью ВL1 и BL2 дают чередование максимального и минималь­ного сигналов с частотой

Рис. 5.27. Структурная схема цифрового датчика скорости

Рис. 5.28. Кодовый диск фотоэлектрического

датчика импульсов

, (5.56)

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

Токовый 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. 5.29). В усилителе А токовый сигнал фотодиода ВL1 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 U_n, но с переменной продолжительностью. Выходной импульс с неизменными и амплитудой, и продолжительно­стью t формируется с помощью одновибратора. Диа­грамма работы описанного узла приведена на рис. 5.30. 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», ) или отрица­тельной скорости (направление «назад», ) осуще­ствляется логическим узлом (рис. 5.31). На первом выходном канале импульсы появляются при та­ком направлении вращения, при котором сигнал U₂ опе­режает по фазе на сигнал U₁, и элемент совпадения И₁ открыт для импульсов . При другом направле­нии вращения, когда U₂ отстает по фазе на от U₁, элемент совпадения И₂ открыт для импульсов ,которые поступают на второй выходной канал .

Рис. 5.29. Схема датчика импульсов

Рис. 5.30. Диаграмма формирования выходного сигнала

датчика импульсов

Рис. 5.31. Схема разделения по времени

импульсов двух каналов в датчике скорости

Формирование цифрового кода на выходе датчика скорости с помощью счетчика может выполняться двоя­ко. На заданном периоде измерения Т счетчик может подсчитывать число импульсов, которое будет характе­ризовать среднее значение скорости:

. (5.57)

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

. (5.58)

Таким образом, точность ЦДС тем выше, чем боль­ше измеряемая скорость и период измерения. Например, при импульсов/об, , с погрешность ЦДС составит для а для .

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.

Другой вариант 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 управления 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.