14.3. Регуляторы и датчики

В электроприводе в основном применяют стандартные регуляторы, выполненные на базе операционных усилителей (ОУ). ОУ постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Интегральная схема ОУ имеет несколько каскадов усиления. Входной дифференциальный каскад выполнен по мостовой схеме, два плеча которой образованы транзисторами, а два других – резисторами.

Коэффициент усиления ОУ лежит в диапазоне 10⁸...10⁶. При практическом применении ОУ необходима коррекция частотных характеристик, так как в противном случае возможны автоколебания, когда ОУ охватывается обратной связью. Регуляторы привода строят на основе ОУ, охваченных обратной связью. В системах регулируемого электропривода наибольшее применение находят несколько типовых регуляторов, представленных в табл. 14.1.

Таблица 14.1.

Регуляторы в схемах управления электроприводом

В электроприводе применяют многочисленные измерительные устройства (датчики) для введения в систему управления приводом необходимой информации о электрических и неэлектрических величинах (параметрах движения).

Наибольшее распространение в регулируемом электроприводе имеют датчики тока и скорости, необходимые для формирования замкнутых контуров в системе регулирования. Известны две основные системы образования токовой обратной связи: по переменному току на первичной обмотке трансформатора и по постоянному току цепи якоря двигателя.

В первом случае в рассечку первичной обмотки силового трансформатора включают трехфазный трансформатор тока ТА (рис. 14.10,а). Трансформатор нагружен низкоомными резисторами, чтобы сохранить режим, близкий к режиму короткого замыкания. Далее напряжение вторичной обмотки трансформатора тока выпрямляется, сглаживается фильтром (конденсатор С) и поступает в систему управления приводом. Достоинством этой схемы является высокая чувствительность, поскольку номинальное напряжение на выходе трансформатора тока составляет десятые доли вольта или даже несколько вольт.

Во втором случае измерительное напряжение снимается с шунта, включенного в цепь якоря двигателя (рис. 14.10, б). При этом отпадает необходимость в выпрямлении напряжения, однако чувствительность схемы невелика. Номинальное напряжение, снимаемое со стандартного шунта, составляет 75 или 100 мВ и нуждается в последующем усилении. Для увеличения чувствительности желательно применять индивидуальные шунты с увеличенным сопротивлением. Однако при этом возрастают потери в цепи якоря и уменьшается естественная жесткость механических характеристик.

Самым распространенным датчиком обратной связи в регулируемом электроприводе является тахогенератор. Обратная связь по скорости совершенно необходима для создания широкорегулируемого электропривода, поскольку статизм разомкнутой электромеханической системы имеет недопустимо большое значение в нижнем диапазоне регулирования.

В контуре скорости в электроприводе станков и роботов в подавляющем большинстве случаев применяют тахогенераторы постоянного тока. Однородность тока тахогенератора и двигателя создает определенные удобства при эксплуатации привода.

Стремление уменьшить оборотные пульсации требует встройки тахогенератора в двигатель и установки его якоря на том же валу. Подавляющее большинство двигателей постоянного тока для станков выпускаются с встроенным тахогенератором. В современных моделях используют тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Чувствительность тахогенераторов постоянного тока лежит в пределах 20 ... 30 В на 1000 об/мин, что вполне достаточно для большинства приводов, класс точности 0,2 ... 1.

При работе тахогенератора возникают низкочастотные оборотные и полюсные пульсации, величина которых 0,25 ... 1% от выходного напряжения. Фильтрация подобных пульсации связана с особыми трудностями и они вызывают неравномерность вращения привода.

Высокочастотные зубцовые и коллекторные пульсации имеют примерно такую же величину, однако устранение их трудностей не вызывает. Динамические характеристики тахогенераторов постоянного тока связаны с инерционностью электромагнитных переходных процессов, происходящих в цепи якоря.

Импульсные датчики скорости работают в двух режимах. Чаще всего определяют угол поворота и подсчитывают число импульсов, поступающих с датчика за фиксированный интервал времени Т.

При этом средняя скорость

,

где N – число импульсов, поступивших за время Т, Z – общее количество дискретных отметок (выступов или прорезей) на модулирующем диске.

Таким образом, скорость пропорциональна числу импульсов. Обработка такой информации удобна, что и обусловливает популярность этого режима. Однако на низких скоростях угол поворота за время Т оказывается слишком малым и возникает большая методическая погрешность.

Второй режим работы импульсного датчика скорости связан с измерением времени поворота вала на определенный угол Для этого промежуток времени между двумя импульсами датчика заполняют вспомогательными импульсами опорного генератора, имеющего частоту . Среднее значение скорости

,

где N – число импульсов, поступившее от опорного генератора. Такой режим дает лучшие результаты в диапазоне низких скоростей, однако и он имеет большие погрешности, поскольку измеряется не мгновенная, а только средняя скорость