Глава 4 (Учебник в электронном виде), страница 2

Функция преобразования ТГПТ (так же как и других индукционных машин) зависит от конструктивных особенностей и величины нагрузки. ЭДС индукции Е_р, возникающей в электрической машине при вращении ротора относительно обмотки возбуждения, выражается зависимостью вида:

здесь p - число пар полюсов, r - количество проводников, образующих ро­тор, a - обмоточный параметр, Ф - поток индукции через ротор.

Обозначая все конструктивные параметры как k, получим для идеального случая (рис. 4.7):

U_вых = U_ТГ = k n = k d/dt,

где n - частота вращения; k - крутизна характеристики;  - угол поворота ротора.

Данное выражение описывает линейную функцию пре­об­ра­зования, которая справедлива при допущении, что Ф_в, R_я, R_н = const. Здесь Ф_в - магнитный поток возбуждения; R_я - сопротивление якорной обмотки; R_н - сопротивление на­грузки. Для вычисления крутизны харак­теристики ТГТП k используется выражение:

где C_e = E_р/Ф_в n.

Наибольшая крутизна характерис­ти­ки имеет место на холостом ходу, при R_н = . (У современных ТГПТ k лежит в широких пределах 3 ... 100 мВ/об/мин).

В системах управления ТГПТ представляется апериодическим звеном. Передаточная функция ТГПТ обычно апроксимируется зависимостью:

, где

здесь С - суммарная емкость электрической машины и нагрузки.

Реальный режим работы ТГПТ значительно отличается от идеального. Среди большого количества различных источников погрешностей, обычно выделяют следующие факторы: сопротивление щеточного узла, размагничивающее действие потока реакции ротора, изменение температуры обмоток и «зубцовая пульсация» выходного напряжения.

Основное влияние на точность ТГПТ оказывает щеточно-коллекторный узел. Падение напряжения на щетках U_щ, сдвигающее характеристику датчика по оси скорости вызывает появление аддитивной по­грешности _а равной: . Данная погрешность соответствует некоторой зоне нечув­стви­тель­ности при малых скоростях ротора (рис. 4.7). Другая проблема, связанная с наличием щеточно-коллекторного узла заключается в нестабильности функции преобразования (вследствие непостоянства переходного сопротивления контактов), а также излучением радиопомех.

Уменьшение влияния данного узла на точность ТГПТ достигается путем снижения переходного сопротивле­ния щеток, и экранирования кор­пуса. (С этой целью щетки делают из серебрянно-гра­фитовых материалов).

Вторая особенность, присущая всем индукционным машинам связана с влиянием тока в цепи нагрузки на магнитный поток ОВ. Действительно, при R_н  , магнитный поток Ф_в уменьшается с увеличением скорости за счет размагничивающего действия потока реакции якоря. Это приводит к снижению крутизны характе­ристики ТГПТ, особенно заметной на больших скоростях вращения (рис. 4.7). Величина указанной мультипликативной погрешности достигает 3 %.

Магнитный поток ОВ чувствителен и к изменению температу­ры окружающей сре­ды. Например, тепловые эффекты, возникающие в процессе ра­боты ТГПТ, приводят к увеличению сопротивления обмоток ротора и возбуждения. При этом, поскольку сопротивление роторной обмотки R_я очень мало, его изменение прак­тически не влияет на выходной сигнал. Существенно большее влияние оказывает изменение сопротивления ОВ, приводящее к уменьше­нию тока во­з­буждения, а, следовательно, и маг­нитного потока Ф_в, что снижает кру­­тизну характеристики ТГПТ. (Величина этой до­полнительной погрешности мо­жет достигнуть  5%). Для компен­сации температурной чувствите­льности наиболее распространен способ, при котором в цепь ОВ вклю­чается термонезависимое сопро­тивление R_доб, такое, что R_доб > R_ов, где R_ов - сопротивление ОВ.

В таком случае, величина тока возбуждения будет определяться в основном величиной R_доб и, сле­дова­тель­но, мало зависеть от R_ов. Тогда

I_в = U_в/(R_доб + R_ов)  const

Другой путь предполагает использование ТГПТ с постоянными магнитами, не имеющими ОВ.

Н аконец, для ТГПТ характерны некоторые зубцовые пульсации выходного напряжения, возникающие вследствие неравномерности воздушного зазора, вибраций щеток и т.д. Для уменьшения погрешностей этого вида в конструкции ТГПТ используют полый ротор (он выполнен в виде стакана, состоящего из обмотки, про­водники которой, связаны воедино пластмассой). У таких датчиков момент инерции ротора весьма мал, а также отсутствуют пульсации выходного напряжения, поскольку ротор не имеет зубцов. Классы точности ТГПТ приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Классы точности ТГПТ

В номинальном режиме суммарная погрешность ТГПТ лежит в пределах 1,0 ... 4,0 %.

ТГПТ широко используются при построении следящих систем различного назначения: в при­­водах меха­низ­мов черной ме­­таллургии (транспо­ртеры, про­катные станы), на тра­­н­спорте (электропоезда), грузопо­д­ъ­емных ус­тройствах (манипулято­ры, краны), а также во мно­гих ус­тро­й­ствах автоматики. На рис. 4.8 пре­дс­та­влена схема системы упра­в­ления, получившей название «эле­ктрома­ши­нный усилитель - исполнительный двигатель» (сокращенно «ЭМУ-ИД»). Схема нашла применение в задачах управления объектами, имеющими большой момент инерции. В табл. 4.4 представлены характеристики некоторых известных моделей ТГПТ.

Таблица 4.4. Примеры промышленных ТГПТ

Примечание. Модель TS-252 разработана фирмой Tamagawa, Япония.

ТГПТ наиболее часто используются в мехатронных устройствах и системах управления общего назначения. Их достоинства: большая выходная мощность, отсутствие фазовой погрешности (при актив­ной нагрузке), а также отсутствие обмоток возбуждения (для ТГПТ с постоянными магнитами) сделали ДС этого типа привлекательными для большого числа прикладных задач. Недостатки ТГПТ связаны с большей, по сравнению с АТГ стоимостью, нестабильность выходной характеристики и наличием пульсаций напряжения. Также ТГПТ создают радиопомехи.

4.2. Датчики динамических величин

К датчикам динамических величин (ДДВ) относятся информационные устройства, преобразующие изменение динамических факторов (силы, ускорения и давления) в изменение электрического сигнала.

Датчики этого типа весьма распространены в различных системах контроля и диагностики. Практически нет такой области техники, где в процессе измерения не использовались бы методы пре­образования динамических параметров. Характерными задачами являются контроль параметров натяжения всевозможных лент и полос в бумажной промышленности и металлургии, измерение сил на валках клетей прокатных станов, предохранение от перегрузок в подъемных механизмах и транспортных средствах, наконец, контроль весовых и инерционных характеристик различных объектов. Использование ДДВ в системах управления и робототехнике позволяет регулировать момент на валу привода или ускорение выходного вала и реализовывать сложные законы управления звеньями исполнительного механизма.

ДДВ классифицируются по четырем основным признакам:

1. По назначению: датчики систем управления (к ним относятся измерители момента/силы на валу, давления в магистрали и акселерометры) и датчики контроля (в основном контроля технологических параметров и параметров безопасности).

2. По физическому принципу преобразования: пьезоэлектрические, магнитоупругие, тензометрические (омические), электродинамические, емкостные и индуктивные.

3. По способу создания противодействующей силы: датчики совмещенного преобразования (содержат электрически активный упругий преобразователь, реакция которого создается упруго-чув­ствительным элемен­том), датчики раздельного преобразования (включают электрически неактивный упругий преобразователь) и датчики с силовым уравновешиванием (си­ла реакция создается электрическими способами).

1. По виду выходной величины: генераторные («активные», выходной сиг­нал имеет форму заряда, напряжения или тока) и параметрические («пассивные», с выходным сигналом в виде изменения сопротивления, индуктивности и емкости).

Придерживаясь указанной классификации, рассмотрим способы построении ДДВ, основанных на наиболее известных принципах преобразования: пьезоэлектрических, магнитоупругих, емкостных и индуктивных.

4.2.1. Пьезоэлектрические датчики

П ьезоэлектрические датчики динамиче­ских величин (ПДДВ) представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу ПДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Ка­ждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамиче­ской пла­стины и является генераторным упруго-чув­ст­вительным преобразователем, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому, при построении измерительных цепей широко применяются схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении (рис. 4.9а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается соответственно числу ЧЭ, а при параллельном (рис. 4.9б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость. Такая схема подобна зарядовой батарее. В электрическом смысле пьезоэлемент подобен конденсатору, и, следовательно, он измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, применением специальных схем (зарядовых усилителей и др.) можно существенно снизить граничные частоты (до 10^-3 Гц) и повысить тем самым постоянную времени до нескольких часов. Измерения в этом случае получили название квазистатических. Таким образом, функция преобразования ПДДВ примет вид: F = k i = k dQ/dt. В простых расчетах полагают F  kU, где F - измеряемый параметр (например, сила), i и Q - ток через пьезоэлемент и его заряд.

О братимый характер пьезоэффекта позволяет конструировать не только электромеханические и механоэлектрические ПДДП, но и преобразователи, использующие оба типа пьезоэффекта. Так, ПДДВ прямого пьезоэффекта применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения; ПДДВ обратного пьезоэффекта, используются в качестве излучателей ульт­развуковых колебаний, преобразовате­лей напряжения в дефор­ма­цию (в пье­зо­элек­три­ческих реле, исполнительных эле­мен­тах автоматических систем и т.д.). ПДДВ, основанные одновременно на прямом и обратном пьезоэффекте (к ним относятся пьезорезонаторы, коэффициент преобразования которых мак­симален на резонансной частоте) применя­ются в качестве узкополос­ных и резонансных фильтров.

В большинстве случаев при пост­ро­ении ПДДВ используется несколько ЧЭ в виде кварцевых дисков, ори­ен­тированных вдоль одной или нескольких осей де­кар­товой системы координат и соединенных таким об­ра­зом, чтобы выходной сигнал каждого был максимальным (рис. 4.10). Так, для датчиков силы, верхняя граница измеряемого уси­­­лия определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет (2 …. 200) кН. Чувствительность такого диска зависит от типа пьезоэффекта и определяется значениями пьезоэлектрических коэффициентов d_ij. В частности (как отмечалось в разд. 2.1.5), матрица п ьезомодулей кварца содержит только 5 коэффициентов и чувствительность пьезоэлемента Х-среза к растяжению-сжатию (при отсутствии паразитных боковых воздействий) проявляется через коэффи­­циент d₁₁. Аналогично, пьезоэлемент Y-среза чувствителен к сдвигу (коэффициент d₂₆). Следовательно, применяя ЧЭ разных срезов можно построить многокомпонентный датчик силы. Метрологические характеристики ПДДВ, как правило, очень высокие. Для них характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

Простейший ПДДВ представляет собой совокупность кварцевых или пье­зокерамических пластин (рис. 4.11а) или колец, установленных соосно. (Обычно вместо дисков используются кольца). Каждое кольцо ПДДВ, представляющее со­бой совме­щенный упруго-чувстви­тель­ный эле­мент X-среза, ра­ботает на продольном пьезо­эф­фекте (как известно, в этом случае плотность заряда не зависит от геометрических размеров кольца). Одна из на­иболее известных конструкций ПДДВ этого типа была разработана фирмой Hellwett-Pac­kard. Датчик состоял из двух колец, включенных последовательно относи­тель­но силы и параллельно электрически (такое соединение получило название кон­ден­са­торного). Верхний предел измерения составлял  1000 кН при диаметре датчика равном 10 см. Соединяя два таких датчика можно увеличить чувствительность конструкции, правда, с потерей жесткости.