Датчики механических переменных электропривода:

– скорости;

– линейных и угловых перемещений.

В качестве первичных преобразователей используются:

– при измерении скорости – электромашинные датчики скорости (тахогенераторы постоянного и переменного тока);

– при измерении перемещений – аналоговые (сельсины, вращающиеся трансформаторы, резольверы) и цифровые (импульсные, например, фотоэлектрические) угловые и линейные датчики перемещений.

При наличии датчика перемещений значение скорости может быть найдено расчетным путем как приращение пути за постоянный интервал измерения.

Датчики скорости являются одними из наиболее важных устройств в системах регулируемого электропривода. Повышение точности и быстродействия таких приводов предъявляет жесткие требования к качеству датчиков скорости. Наиболее распространенным датчиком скорости является тахогенератор постоянного тока [3, 4] (рис. 2.11). Тахогенераторы переменного тока (асинхронные и синхронные) не находят широкого применения в приводах производственных механизмов.

Рис. 2.11. Датчик скорости с тахогенератором постоянного тока в качестве первичного преобразователя

Качество датчиков скорости на базе тахогенератора постоянного тока связано с двумя основными факторами: способом и качеством его сочленения с приводным двигателем и свойствами самого тахогенератора. Вал тахогенератора, как правило, жестко сочленяется с валом двигателя, но при наличии несоосности валов возникают оборотные пульсации. У тахогенератора постоянного тока имеют место собственные полюсные, зубцовы и коллекторные пульсации. Частота пульсаций ЭДС тахогенератора зависит от скорости вращения. Поэтому постоянную времени сглаживающего фильтра датчика скорости приходится выбирать в расчете на наиболее низкую рабочую скорость привода. При этом инерция, вносимая фильтром в систему регулирования, может оказаться чрезмерно большой.

В современных цифровых системах управления электроприводов выходные сигналы аналоговых датчиков координат привода преобразуются в цифровой сигнал (в двоичном коде) с помощью АЦП. Например, для реверсивного датчика тока

,

где –входное напряжение, В,– выходной код преобразователя,– максимальное значение напряжения преобразования АЦП, В.

В следящих системах электропривода, отслеживающих механические перемещения, в качестве датчиков угловых и линейных перемещений используются:

– электромеханические индукционные измерительные преобразователи (микромашины) – сельсины, вращающиеся трансформаторы (резольверы), редуктосины – многополюсные вращающиеся трансформаторы и резольверы.

– индукционные измерительные преобразователи – индуктосины линейные и угловые (круговые);

– импульсные датчики, например, фотоэлектрические угловые и линейные.

Сельсины [3]. Сельсины широко применялись в аналоговых системах следящего электропривода в качестве измерителей рассогласования заданного и фактического угла положения. Сельсин-датчики и сельсин-приемники могут быть использованы и в качестве датчиков угла поворота, поскольку позволяют при постоянном напряжении на входных обмотках получать на выходных обмотках напряжения, амплитуда или фаза которых определяются угловым положением ротора.

Сельсины являются индукционными машинами (см. рис. 2.12). Возможно одно- и трехфазное исполнение обмоток, расположенных как на статоре, так и на роторе. По характеру токосъёма могут быть контактными и бесконтактными с магнитным ротором без обмотки. В электроприводах широкое применение получили бесконтактные сельсины серии БД, которые могут работать в режимах как сельсин-датчика, так и сельсин-приемника. Рабочая частота напряжения возбуждения 50 Гц и 400 Гц, максимальная частота вращения ротора 500 об/мин.

Рис. 2.12. Принцип работы индукционного преобразователя в качестве датчика угла поворота: а – в режиме фазовращателя; б – в режиме трансформатора

Если с помощью трехфазной входной обмотки сформировать вращающееся магнитное поле, то в выходной обмотке будет наводиться синусоидальная по форме ЭДС постоянной амплитуды, фаза которой зависит от положения ротора сельсина, т.е. от угла поворота его вала (рис. 2.12, а). Такой режим индукционного преобразователя получил название – режим фазовращателя.

Если однофазную входную обмотку подключить к источнику переменного напряжения, то магнитное поле будет пульсирующим и в выходной обмотке будет наводиться переменная ЭДС, амплитуда которой будет зависеть от положения ротора сельсина, т.е. от угла поворота его вала (рис. 2.12, б). Такой режим индукционного преобразователя получил название – режим трансформатора.

Вращающиеся трансформаторы [2, 3]. Вращающиеся трансформаторы (ВТ) представляют собой индукционные электрические машины, у которых выходное напряжение является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. Зависимость выходного напряжения от входного – линейная, а от угла поворота ротора в зависимости от схемы включения может быть как линейной, так и синусной (косинусной).

Вращающиеся трансформаторы имеют по две одинаковые взаимно перпендикулярные первичные обмотки (возбуждения), и вторичные (синусную и косинусную). Две входные обмотки, запитанные напряжениями синусоидальной и косинусоидальной формы, создают вращающееся поле ВТ. Две выходные обмотки в этом случае обеспечивают получение двух выходных напряжений сдвинутых по фазе относительно питающих напряжений на угол, равный углу поворота ротора, и на 1/4 периода относительно друг друга (рис. 2.12, а). При питании одной входной обмотки переменным напряжением или двух обмоток двумя напряжениями, совпадающими по фазе, в роторе образуется пульсирующее магнитное поле. Пульсирующее магнитное поле индуцирует в выходных обмотках ЭДС переменной амплитуды, величина которой определяется углом поворота ротора (рис. 2.12, б). Диапазон рабочих частот напряжения возбуждения 400 – 4000 Гц. По характеру токосъёма ВТ могут быть контактными и бесконтактными. Бесконтактные ВТ рассчитаны на эксплуатацию при частотах вращения до 500 – 1000 об/мин.

Принцип работы редуктосинов аналогичен работе двухполюсных вращающихся трансформаторов, отличие состоит в том, что одному обороту вала соответствует несколько периодов изменения выходного сигнала. [2].

Индуктосины могут быть линейными и круговыми. Линейный индуктосин представляет собой неподвижную линейку, собранную из нескольких секций длинной 250 мм (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Линейный индуктосин: а – конструктивное исполнение; б – взаимное расположение обмоток

На одной стороне линейки нанесена плоская печатная обмотка, имеющая вид «меандра» с постоянным линейным шагом 2 мм. Подвижная головка (съемник) преобразователя на стороне, обращенной к линейке, имеет две аналогичные плоские печатные обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 1/4 шага. Таким образом, индуктосин представляет собой развернутую аналогию ВТ. Линейные индуктосины выполняются из металла (как правело из стали). Круговой индуктосин состоит из двух дисков (ротора и статора) один из которых вращается на валу, а другой – неподвижен. На торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, нанесены обмотки с постоянным угловым шагом, аналогично линейному индуктосину. Диски могут быть изготовлены из изоляционных материалов или из металла.

Индуктосин может быть использован в фазовом и трансформаторном режиме. В фазовом режиме обмотки, расположенные на подвижной части индуктосина, питаются от источника двумя токами, сдвинутыми на 90 электрических градусов, и образуют бегущее магнитное поле. В неподвижной обмотке наводится ЭДС, фаза которой пропорциональна смещению головки относительно линейки в пределах шага 2 мм (рис. 2.12, б).

Во трансформаторном режиме обмотки подвижной части питаются напряжениями, совпадающими по фазе, они образуют пульсирующее магнитное поле и в неподвижной обмотке наводится ЭДС, амплитуда которой пропорциональна смещению головки относительно линейки в пределах шага 2 мм (рис. 2.12, а).

Магнитная система индуктосина лишена ферромагнитного сердечника, поэтому для увеличения выходного сигнала частота питания должна составлять несколько килогерц, а на выходе измерительной обмотки необходим предварительный усилитель.

Достоинством индуктосинов является простота технологии изготовления и высокая точность (погрешность линейных достигает единиц мкм, а угловых – единиц угловых секунд).

При применении ВТ и индуктосинов в цифровых системах следящего электропривода изменяющиеся амплитуда или фаза выходного аналогового сигнала преобразуется в цифровой код.

Широкое распространение в современных электроприводах с цифровыми системами управления нашли импульсные фотоэлектрические датчики перемещений [2, 5, 6]. В регулируемых электроприводах – как датчики скорости, а в следящих – как датчики скорости и положения. Диск фотоэлектрического датчика имеет радиальные метки, которые модулируют световой поток на два фотоприемника, сдвинутые на 1/4 шага. Наличие двух каналов датчика позволяет определить направление вращения и, кроме того, при работе по переднему и заднему фронту увеличить число импульсов в 4 раза. Третий фотоприемник формирует сигнал начала отсчета (нулевая метка). На тех же принципах, что и фотоэлектрические преобразователи угловых перемещений, реализуются фотоэлектрические преобразователи линейных перемещений.

Рассмотренные датчики угловых и линейных перемещений позволяют производить измерение абсолютного значения положения в пределах одного оборота или шага. И для построения на их базе датчиков положения требуется последующая обработка сигналов в специализированных блоках систем управления электроприводов.