Глава 3 (Учебник - информационные системы), страница 5

Для получения вращающегося магнитного поля статорные обмотки Р запитываются двумя синусо­идаль­ными напряжениями одинаковой ам­плитуды U_{в max} и сдвигом по фазе p/2 радиан (рис. 3.22). Сдвиг формируется фазовым расщепителем:

U₁ = U_{в max} sin wt

U₂ = U_{в max} sin (wt + p/2) = U_{в max} cos wt

Напряжение на роторе будет равно:

U_вых = U_c = k (U₁ cos q + U₂ sin q)

Подставляя значения U₁ и U₂, получим:

U_вых = k U_{в max} sin (wt + q)

Таким образом, при изменении q фаза U_вых вращается относительно одного из на­пряжений (U₁) синхрон­но с поворотом ротора на угол q.

Полученное выражение функции преобразования справедливо, если амплитуды напряжений питания равны, и сдвиг фаз между ними равен p/2. Так, для получения фазовой погрешности ~ 0,1 % фазовый сдвиг не должен отличаться от p/2 более чем на (3 ... 5)‘, а разность амплитуд не должна превышать 0,3 … 0,5 %.

Принцип действия схемы с фазосдвигающим устройством (рис. 3.23) основан на получении сигнала несущей частоты, фаза которого сдвинута по отношению к опорному сигналу на угол, совпадающий с угловым отклонением вращающегося вала.

Учитывая, что

U₁ = k₁ U_в sin (wt + a₁) sin q,

U₂ = k₂ U_в sin (wt +a₂) cos q.

Тогда, при равенстве k₁ и k₂, а также wRC = 1, получим:

U_a = kU_в [sin wt cos q + sin (wt +p/2) cos q]

или U_a = kU_в sin (wt +q).

Параметры фазосдвигающей цепочки выбираются из условия: R = 1/wC >> r, где r - активное сопротивление роторной обмотки.

При R_н > 2R будем иметь окончательно

U_вых = U_а » k U_в sin (wt -y),

где y = q - a ; a - погрешность, связанная с постоянным сдвигом фаз, зависящим от асимметрии обмоток, температуры и т.п.).

Следовательно, фаза U_вых пропорциональна фазе q с точностью до параметра a. В целом, такие схемы не позволяют достичь высокой точности. Суммарная погрешность, как правило, достигает 0,5⁰ или 0,1%.

Частота сети (частота напряжения питания статора) f_с = w/2p, и составляет 400 ... 4000 Гц.

С помощью триг­гера Шмитта опорное синусоидальное напряжение U_в и напряжение U_а преобразуются в прямоугольные сигналы и использу­ются для формирования старт - и стоп-им­пульсов счетчика (рис. 3.24).

На основе Р строятся разнообразные индукционные ДПП. Рассмотрим в качестве примера датчик угла, разработанный фирмой Muir­head, Англия (рис. 3.25). Измерительная схема датчика - двух­шкальная, т.е. она содержит каналы грубого (ГО) и точного (ТО) отсчетов. Канал ГО служит для подсчета количество полных оборотов ротора, ТО - для определения величины угла в пределах одного оборота. Генератор, делитель и низкочастотный фильтр формируют синусоидальный сигнал возбуждения с несущей частотой 1 кГц. Выходом Р является роторная обмотка, на которой образуется сигнал той же частоты, сдвинутый по фазе относительно исходного на угол q. Точностные характеристики датчика зависят от частоты магнитного поля и скорости вращения ротора. В стандартном режиме час­тота вращения кругового поля составляет 1 кГц. Поэтому, если Р содержит одну пару полюсов, то за 1 мс ротор повернется на 1 оборот, или 360^о, и за это время в счетчике накопится 360 импульсов. (Это значит, что выходной код - девятиразрядный). Таким образом, разрешающая способность датчика Dq составит 1⁰. Следовательно, для поддер­жа­ния такой точности, необходимо, чтобы изменение угла поворота ротора не превышало 1⁰ за 1 мс, что накла­дывает ограничение на скорость вращения вала N_max - не более 15 об/мин. Погрешность линейности схемы e_нл = 0,28%. Частота среза f_ср Р определяется той же формулой, что и для РДП:

f_ср = 360⁰ N_max/2p a₁

(При N_max = 15 об/с, a₁ = 2^о, получим f_ср = 430 Гц).

Промышленно выпускаются и другие датчики, использующие ту же схему. Существенно, что них также справедливо ограничение на скорость вращения вала.

Схема Р, использующая преобразование «фаза-код» и основанная на принципе фазовращателя представлена на рис. 3.26.

Делитель частоты ДЧ фор­мирует меандр частотой f_n = f_ген/2ⁿ. Формирователь Ф₁ пре­об­разует его в синусоидальный си­­г­нал той же ча­стоты. Выход­ное напря­жение U_вых с фазой про­­­­пор­циональной углу поворота ротора q подается на бло­кинг-ге­не­ра­тор (триггер Шми­тта) Ф₂, снова формирующий меандр в момент изменения знака напряжения U_вых. RS-три­г­гер, эле­ме­нт & (логическое «И») и линия задержки ЛЗ используются для синх­ро­низации с генератором Г и ликвида­ции не­одноз­на­чности счи­­ты­вания (им­пу­ль­сы не по­­­­па­да­ют на фро­нты пе­рек­лю­чения триггеров T₁, ... T_n). Разрешаю­щая спосо­бность схе­мы зависит от числа пар полюсов p:

Dq = q_max/2ⁿ = 360⁰/p 2ⁿ

Так, при p = 512, n = 8, Dq » 10” и диапазон преобразо­вания сос­та­­вит 360´ 60´60/10 = 1,3 10⁵.

Р широко используются в качестве ДПП с системах уп­равления оборудованием, роботов и манипуляторов.. Пример использования Р в системе уп­рав­ления копирующим манипулятором представлен на рис. 3.27, где система управления построена по принципу двухстороннего действия.

Системы двустороннего действия изначально разрабатывались для манипулирования удаленными объектами в экстремальных условиях, например, в экологически вредном производстве. Затем они нашли широкое применение и в других задачах ди­с­­тан­ци­он­ного уп­равления. (В частности, такие устройства используются при управлении концертными телекамерами). В системе уп­равления, представленной на рис. 3.27 обеспечивается двунапра­вленная передача положений и усилий, что позволяет оператору ощущать то, что он делает на расстоянии. Такой подход существенно повышает эффективность работы оператора при значительно меньших физических и умственных нагрузках. Копирующий манипулятор пре­дставляет собой сочетание двух пространственных механизмов, образующих задающий и исполнительный органы. По каждой степени под­виж­ности i копирующего манипулятора в системе двусто­роннего действия имеются четыре функциональные координаты: координаты вала на задающей q_зi и исполнительной q_иi стороне и соответствующие координаты моментов М_зi и М_иi. В задачу системы ДСД входит обеспечение согласованного дви­жения органов и поддержание соответствия между мо­ментами на стороне оператора и стороне нагрузки. Включение Р в кинематическую цепь копирующего манипулятора позволяет согласовать движения задающего и исполнительного органов. Расмотренная схема получила название индикаторной синхронной передачи. Обозначено: J_оп, J_н - моменты инерции роторов Р и подвижных частей на стороне оператора и нагрузки; M_н - момент нагрузки, вызванный переносимым грузом.

Характеристики промышленных Р приведены в табл. 3.7

Таблица 3.7. Примеры промышленных Р

Примечания.

1. Модель TS-152 - разработана фирмой Tama­gawa, Япония.

1. СКТД-6465 - многополюсный СКР, с р = 16.

В целом, погрешности Р с одной парой полюсов в режиме фазовращателя составляют 15 ... 25', мно­го­полюсного СКР ~ 5 … 10".

В завершение раздела подведем некоторые итоги. Достоинства Р: малые габариты, высокая надежность и помехозащищенность, высокий уровень выходного сигнала и умеренная стоимость привели к тому, что в течение почти семидесяти лет на основе этих датчиков строятся измерители углов разного назначения. В то же время Р не лишены недостатков. К ним относятся: необходимость симметрирования обмоток и использования измерительных схем, высокие требования к точности сборки пакетов ма­г­нитопроводов, наличие щеточного узла, зависимость точности от скорости вращения ротора, а также чувствительность к изменению внешних факторов - температуры среды, частоты и амплитуды напряжения возбуждения. Все это требует разработки других измерительных схем и поиска более точных решений.

В последнее время в связи с резко возросшими требованиями к точностным и динамическим характеристикам систем управления в различных мехатронных устройствах все чаще стали использоваться высокоточные и малоинерционные ДПП. Они имеют бесконтактную конструктивную схему и применяют электрическую редукцию, причем статор и ротор содержат зубцовые сопряжения определенных типов. Среди таких преобразователей наибольшую извес­тность получили растровые ЭДП, редусины (РД) и индуктосины (И).

3.1.2.2. Растровые электромагнитные датчики положения

Системы, использующие растровые сопряжения широко распространены в прецизионных средствах измерения линейных и угловых перемещений. Первоначально, растры разрабатывались применительно к различным оптическим системам для модуляции светового потока. Оптический растр представлял собой некоторую периодическую структуру, обладающую различной пропускающей или отражающей способностью. Позже данный подход нашел применение и в магнитных системах, с той лишь разницей, что растровое сопряжение модулировало магнитный поток. Аналогом различной пропускающей способности в оптическом растре служит различное магнитное сопротивление - в магнитном. Самым известным решением, позволяющим формировать магнитные растры, стало использование зубцовых сопряжений. В этом случае, тип растрового сопряжения зависит от формы, количества зубцов статора Z_с и ротора Z_р, а также их взаимного расположения. Именно по этому принципу построены бесконтактные растровые ЭДП (РЭДП), широко используемые в качестве датчиков линейных и угловых перемещений в системах управления станков.

Наиболее известны зубцовые растры двух типов: нониусные и комбинационные (муаровые).

В общем случае, нониусное сопряжение - это совокупность двух шкал с различной ценой деления, одна из которых смещается относительно другой в процессе измерения. Эффективность таких систем обусловлена тем, что дискретность преобразования определяется не ценой деления шкал, а их нониусным соотношением. (Приме­ром нониусных сопряжений являются шкалы штангенциркуля и микрометра). Цена деления нониусной шкалы а_н связана с ценой деления опорной шкалы а₀ зависимостью вида: