Глава 3 (Учебник - информационные системы), страница 7

Для двухфазных обмоток пространственные сдвиги групп должны составлять электрический угол 0⁰, 90⁰, 180⁰ … и т.д., что достигается их смещением на расстояние ~ ¼ W. Тогда, соединенные последовательно-встречно нечетные группы образуют первую фазу, четные - вторую. Следовательно, число секторов в фазе N должно быть четным.

Каждый проводник ротора соответствует полюсу, а совокупность двух дифференциально включенных про­водников устанавливает угловой или линейный шаг W. Так, ротор из 720 проводников (2n = 720), имеет угловой шаг . Следовательно, для поворотного И справедливо: W = 360⁰/n, где n - число пар проводников.

В линейных И статор получил название линейки, а ротор - скользящего нониуса. Шаг каждой из обмоток линейного И обычно не превышает 1мм.

Наиболее популярная схема включения И - схема фазовращателя в режиме с вращающимся магнитным полем. Обмотки нониуса запитываются двумя синусоидальными напряжениями U₁ и U₂, частотой 2 ... 20 Кгц, фазы напряжений в ОВ смещены друг относительно друга на угол p/2 радиан. При таких час­тотах емкостные сопротивления достаточно малы и обеспечивается необходимый уро­вень выходного сигнала. Заметим что на частотах свыше 10 Кгц обмотки И можно рассматривать как чисто активное сопротивление.

Имеем:

U₁ = E sin wt, U₂ = E sin (wt + p/2) = E cos wt.

Тогда в обмотке линейки индуцируется синусное напряжение U_вых, фаза которого линейно зависит от смещения сканирующей головки в пределах одного шага обмотки нониуса:

U _вых = k (U₁ cos 2p x/W + U₂ sin 2 px/W) = k E cos( wt - 2 px/W).

где x - смещение головки.

Функция преобразо­вания И (в пределах шага) имеет вид:

здесь j - фаза выходного напряжения. Следовательно, фаза j является линейной функцией перемещения х.

Для получения абсолютных значений перемещений в И также как и в других ЭДП используются двухотсчетные измерительные системы. При построении такой системы в канале ГО производится подсчет числа шагов с помощью реверсивного электронного счетчика, а непосредственное измерение осуществляется в пределах шага.

Для уменьшения погрешности преобразования, связанной с наличием в выходном сигнале гармонических составляющих высших порядков в И применяют специальные меры. Типичным решением является использование распределенных статорных обмоток, т.е. таких, у которых шаг статорной обмотки отличается от шага роторных. Также разрабатываются многослойные обмотки, которые позволяют наряду с увеличением точности поднять и мощность выходного сигнала. Каждый слой представляет собой однофазную бессекторную обмотку. Например, в четырехслойной схеме обмотки выполняют таким образом, чтобы фазовые сдвиги между слоями составляли электрический угол 0, 90, 180, и 270⁰. Двухфазная роторная обмотка получится при соответствующем соединении слоев. Так, соединенные дифференциально (встречно) внешний и внутренний слои образуют первую фазу, а средние - вторую.

Современные двухотсчетные линейные И имеют измерительную линейку длиной свыше 2500 мм. Погрешность таких систем достигает 10^-4 %. (Это соответствует абсолютной погрешности в 1 мкм при измерении перемещения в диапазоне 1 м).

Рассмотрим пример использования И в следящей системе (рис.3.33). Функцию формирования потока возбуждения выполняют роторные об­мотки. (Такое включение, из­ве­стно как схема с вра­щаю­щи­м­ся маг­нит­ным полем). Выходной си­г­нал И U_вых зависит от фазы измеряемого перемещения q:

U_вых = k U_{в max} sin (wt + q)

Исполнительная следящая си­стема включает силовой усилитель, двигатель со встроенным редуктором и датчик обратной связи на базе фазочувствительного выпря­ми­те­ля. Вал двигателя жестко связан с валом фазовращателя.

Один из входов фазочувствительного выпря­ми­те­ля питается непосре­дственно от задающего ге­нератора, на другой поступает сигнал, пропорциональный фазе U_вых. Следовательно, величина оши­бки DU будет зависеть от разности фаз двух сигналов (wt + q) и wt и окажется пропорциональной q.

И обладают наивысшей точностью по сравнению со всеми ранее рассмотренными ЭДП. Это обусловлено как технологическими особенностями таких ДПП, так и конструктивными решениями (использованием многослойных обмоток, значительным количеством полюсов, что, кроме прочего, «усредняет» отдельные погрешности, связанные с каждым полюсом и др.). В И достигнуты следующие метрологические показатели:

• для поворотных: разрешающая способность (аддитивная погрешность) D_a = ± 0,05”, воспроизводимость (повторяемость) = ± 0,1”, e ~ 0,00005% (D = ± 0,5” на диапазоне измерения 360⁰);

• для линейных: D_a = ± 0,1 мкм, воспроизводимость = ± 0,25 мкм, e ~ 0,0001% (D = ± 1 мкм на диапазоне измерения 1 м).

В таблице 3.10 приведены характеристики некоторых известных моделей И. D - абсолютная погрешность.

Таблица 3.10. Примеры промышленных И

Примечание.

1. Датчики модели HD разработаны фирмой Hei­denhain, Германия, количество полюсов - 2000.

2. Модель IC изготовлена фирмой Inductosyn Corp., США. Этот И имеет 512 полюсов.

Достоинствами И являются наивысшая из всех ЭДП точность измерений, высокая технологичность и малый вес. Недостатки те же, что и для всех ЭДП.

3.1.3. Фотоэлектрические датчики положения

Наиболее эффективный метод измерения взаимного положения подвижных кинематических пар, входящих в состав цифровых следящих систем основан на использовании фотоэлектрических (оптических) ДПП. Современные оптические ДПП (ОДП) обеспечивают более высокую разрешающую способность, надеж­­ность и точность, чем ПДП и ЭДП тех же размеров.

Лучшие из существующих ОДП измеряют абсолютное угловое положение с разрешением 10^-6 относительно полного оборота входного вала. Это позволяет получить 20 - 21 разрядный выходной цифровой сигнал, что соответствует разрешению по углу менее 1". В отличие от аналоговых датчиков, требующих стабилизации питающих напряжений и ЭДП, чувствительных к электромагнитным помехам цифровые ОДП значительно проще в эксплуатации. Так, например, для обеспечения допустимой погрешности ПДП ~ 10^-5 (0,01%) требуется, обеспечить стабильность опорного напряжения номиналом 10 В в пределах ± 0,05 мВ. При оцифровке аналогового сигнала с такого датчика без потери точности требуется прецизионный АЦП с погрешностью не более 0,002%.

ОДП обладают и другими достоинствами. Так, в отличие от ПДП и ЭДП для них характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а также высокая помехозащищенность.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются твердотельные оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы (коллиматор). Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск. Большинство дисков изготавливается фотоспособом, с использованием метода контактной печати с диска-эталона, на котором с высокой точностью выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.

Диски-эталоны изготавливаются круговой делительной машиной, наносящей на него радиальные линии с погрешностью до 0,067" [ ]. Точность ОДП с кодирующими дисками, использующими эти эталоны, достигает ~ 10^-6 %. Машина может прог­раммироваться на создание эталонов как с наиболее распространенными унитарными кодами и двоичными кодами Грея, так и с циклическими кодами, а также синусно-коси­нусными, логарифмическими и двоично-десятич­ными кодами. (Наиболее известны де­лительные машины фирм Baldwin Elec­tronics Inc., США и Vactric Con­trol Equipment, Ан­г­­лия). Технология изготовления дисков обеспечивает не только высокую точность выполнения заданной геометрии кодовых масок, но и резкие границы переходов от непрозрачных участков к прозрачным. Для обеспечения четких переходов на границах и ограничения шума в допустимых пределах при выполнении кодовых масок используются фотоэмульсии с ничтожной зернистостью структуры.

При построении оптических систем применяют две основные схемы (рис. 3.34).

1. В соответствии с первой (рис. 3.34а), оптическая система содержит лампу и линзу, через которую освещается одна сторона диска. Приемники подсве­чиваются через узкую щель диафрагмы, установ­ленную строго по линии считывания.

2. Оптическая система второго типа (рис. 3.34б), формирует один линейный пучок, проецируемый по линии считывания диска (диафрагма располагается перед диском).

Как показывает опыт при использовании стандартных светодиодов, обе системы позволяют применять кодирующие диски, на дорожках которых по окружности размещается до 2500 оптических сегментов. Если же использовать лампы со специальной тонкой нитью накаливания, то на диске с диаметром 100 мм можно различать свыше 5000 таких сегментов. Дальнейшее увеличение разрешения достигается электрическими способами. Каждая дорожка диска имеет свой оптический канал: источник, например, электролюминесцентный диод и приемник - фототранзистор. Выходной сигнал с приемника напряжением до 100 мВ при нагрузке 10 кОм служит для формирования логического сигнала заданного уровня. С этой целью обычно применяются триггеры Шмитта на базе операционных усилителей, создающие на выходной шине напряжения логического 0 или 1. Диапазон допустимых изменений выходного напряжения с приемников, при котором сохраняется требуемый уровень срабатывания, составляет ~ 5 ... 80 мВ.

ОДП классифицируются по двум основным при­знакам.

1. По форме выходного сигнала: накапливающие (преобразователи пе­ре­меще­ний) и абсолютные (преобразователи счи­тывания).

1. По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.

Накапливающие (циклические) преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.