Глава 3 (Учебник в электронном виде), страница 5

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:

а_н = а₀ g ± С

здесь С - значение дискретности нониуса, g - модуль нониусной шкалы.

Для получения подобных сопряжений статор и ротор РЭДП делают с различным количеством зубцов. Системы этого типа используются при построении измерителей линейных перемещений.

В муаровом сопряжении растров деления шкалы формируются не отдельными зубцами статора и ротора, а их совокупностью, так называемой, комбинационной полосой. При этом, как правило, шаг и количество зубцов статора и ротора одинаково, а сами зубцы располагаются под углом друг к другу. Муаровое сопряжение применяют в измерителях угла.

В обеих схемах измерительный сигнал снимается с обмоток считывания, которые, как и обмотки возбуждения, расположены в проточках статора. Таким образом, в конструкции РЭДП отсутствует щеточный узел.

В зависимости от типа преобразователя (линейный или угловой) в РЭДП используются разные комбинационные сопряжения. Для измерителей линейных перемещений: параллельные и сеточные, для измерителей углов: кольцевые, радиальные и спиральные.

В основе работы РЭДП лежит принцип периодического изменения магнитной проводимости m участков магнитной цепи, образованной статором, ротором и воздушным зазором между их зубцами при перемещении ротора относительно статора. Магнитная проницаемость зависит от площади взаимного перекрытия зубцов. В простых угловых РЭДП один период изменения выходного напряжения соответствует одному обороту ротора; в более точных схемах применяется электрическая редукция.

Наиболее известное комбинационное сопряжение в линейных РЭДП образуется двумя параллельными растрами. Разрешающую способность в таких датчиках достигает ~ 0,01 мм.

В РЭДП обычно используются секционные обмотки возбуждения (ОВ) и считывания (ОС). Так, если РЭДП содержит несколько ОС, то, аналогично многополюсному Р фазы выходных напряжений будут сдвинуты друг относительно друга на угол b, зависящий от числа обмоток n и расстояния между ними r, причем

r = g_c/n tg Dj,

где Dj - угол наклона зубцов ротора относительно зубцов статора, g_c - зубцовый шаг статора, g_c = 1/Z_с

Один из видов развертки сопрягаемых поверхностей стато­ра и ротора, описанный в [ ] имеет вид, представленный на рис. 3.28. Заштрихованными показаны участки взаимного перекрытия зубцов статора и ротора. В данной конструкции ОВ и ОС разбиты на четыре секции каждая. Магнитный зазор, развиваемый секциями ОВ 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 замыкается между статором и ротором через зубцовый зазор, пересекая ОС 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 и наводит в них ЭДС, смещенные друг относительно друга на угол b = 90^о. Изменяя такие параметры датчика как Z_с и Z_р, n и Dj можно изменить разрешающую способность датчика и форму выходного сигнала.

Фаза выходного сигнала с каждой ОС вращается относительно опо­рного напряжения ОВ синхронно с поворотом ротора РЭДП на угол q. Как и в схемах Р имеем:

U_вых = k_R U_{в max} sin (wt - y),

Здесь U_в - напряжение ОВ, k_R - конструктивный параметр РЭДП, y » q.

При соединении ОС между собой фаза U_вых оказывается связанной с фазой поворота ротора q соотношением: y » 4 q.

На рис. 3.29 представлен пример РЭДП комбинационного типа. В датчике используется сопря­жение спирального (по спирали Архимеда) и кольцевого растров [ ]. Датчик состоит из статора, на торцевой поверхности которого выполнены кольцевые проточки 1 и радиальные пазы с угловым шагом 90⁰, в которые уложены 4 секции ОВ 2 и ОС 3, выполненные в виде секторов. Ротор 4 представляет собой ферромагнитный диск, жестко закрепленный на оси 5 и вращающийся в подшипниках качения 6. На торцевой поверхности диска выполнена проточка в виде спирали Архимеда, ширина проточки равна половине шага спирали.