ДАТЧИКИ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Принято различать две основные группы датчиков угловых перемещений -датчики угла поворота и датчики частоты вращения.

В первом случае предполагается, что угловое перемещение ограничено сравнительно небольшими углами - от 45...90° (например, рассмотренные ранее магниторезисторные, емкостные датчики) до нескольких полных оборотов (реостатные многооборотные датчики). Как правило, эти датчики имеют аналоговый выходной сигнал.

Датчики частоты вращения определяют количество оборотов вала объекта в единицу времени, формируя выходной сигнал в аналоговой или цифровой форме. Далее рассматриваются обе разновидности указанных датчиков.

Датчики угла поворота

Измерение угла поворота различных деталей и элементов автоматизированного оборудования является довольно распространенной задачей во многих отраслях промышленности. Ранее уже были рассмотрены возможности применения датчиков разных типов (реостатные, магниторезисторные, емкостные и др.) для измерения угла поворота, которые за счет соответствующего изменения конструкции можно использовать для измерения как линейных, так и угловых перемещений.

Приведенные далее датчики, предназначены, как правило, только для измерения угла поворота. К ним относятся разновидности электрических машин, в частности, сельсины и вращающиеся трансформаторы

Сельсины

Сельсин (англ, self - сам + synchronos - одновременный) представляет собой самосинхронизирующуюся электрическую машину переменного тока с обмоткой возбуждения (ОВ) и трехфазной обмоткой (ОС) синхронизации (рис. 8.1). Обмотка возбуждения может быть размещена как на роторе, так и на статоре сельсина. Если обмотка возбуждения размещена на статоре, то обмотка синхронизации размещается на роторе, и наоборот.

Сельсины нередко используются в качестве датчиков угла поворота в системах автоматики и относятся (в классическом варианте) к аналоговым датчикам. Пример типичной конструкции сельсина приведен на рис. 8.2.

Схема сельсина

Рис. 8.1. Схема сельсина

Конструкция сельсина

Рис. 8.2. Конструкция сельсина

(пример)

Основными режимами работы сельсинов являются индикаторный и трансформаторный. В обоих режимах используются одновременно два однотипных сельсина: один из них называется сельсином-датчиком (СД), другой - сельсином-приемником (СП).

Индикаторный режим работы используется для повторения ротором СП угла поворота ротора СД. Трансформаторный режим применяют для преобразования угла рассогласования роторов СД и СГ1 в переменное выходное напряжение различной амплитуды и фазы.

В обоих режимах одноименные трехфазные обмотки синхронизации СД и СП соединены между собой, а индуцируемые в них ЭДС сдвинуты относительно друг друга на угол 120°. Максимальное значение ЭДС возникает при совпадении оси обмотки с осью магнитного потока возбуждения.

Рассмотрим подробнее работу пары СД-СП в индикаторном режиме (рис. 8.3, а). В этом режиме обмотки возбуждения СД и СП соединены параллельно и подключены к источнику питания. Отметим, что к одному сельсину-датчику при необходимости могут быть параллельно подключено несколько сельсинов-приемников.

Если оси одноименных обмоток синхронизации сельсинов расположены одинаково относительно осей обмоток возбуждения, то в фазах обмоток синхронизации индуцируются одинаковые ЭДС, уравновешивающие друг друга. В результате этого токи в обмотках и линиях связи равны нулю. Этому состоянию равновесия соответствует согласованное положение сельсинов.

Поворот ротора СД на угол а от исходного положения приводит к нарушению равновесия, и между одноименными концами обмоток синхронизации возникают ЭДС, равные разностям ЭДС соответствующих фаз СД и СП.

Индикаторный режим работы сельсинов

Рис. 8.3. Индикаторный режим работы сельсинов: а - схема; б - зависимость угла асп поворота ротора приемника от угла асд поворота ротора датчика

По обмоткам синхронизации протекают токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем обмоток возбуждения, создают в каждом сельсине синхронизирующий момент, определяемый выражением:

где М0 - максимальный синхронизирующий момент при а = 90°.

Поскольку положение ротора СД определяется его внешним перемещением, то синхронизирующий момент поворачивает ротор СП до согласования с ротором СД. В состоянии равновесия ротор СП останавливается повернутым на тот же угол, что и ротор СД. Если на валу СП имеется значительная нагрузка, то возможно рассогласование положений роторов. Поэтому нагрузку стараются сделать минимальной (обычно на валу СП находится лишь стрелка указателя угла). В целом погрешность передачи обычно составляет 0,5-1,5°.

Таким образом, статическая характеристика пары сельсинов в индикаторном режиме (рис. 8.3, б) имеет линейный характер (при небольших нагрузках на валу сельсина-приемника).

Вторым основным режимом работы сельсинной пары является трансформаторный режим. В этом случае (рис. 8.4) к сети переменного тока подключают только обмотку возбуждения СД, а однофазная обмотка СП, использовавшаяся в индикаторном режиме в качестве обмотки возбуждения, является выходной, с которой и снимается напряжение С/вых. При работе в трансформаторном режиме угловое рассогласование между роторами СД и СП преобразуется в выходное напряжение.

Трансформаторный режим работы сельсинов

Рис. 8.4. Трансформаторный режим работы сельсинов

В отличие от индикаторного режима входными параметрами одновременно могут быть положения (углы поворота) роторов СД и СП. Выходное напряжение при этом будет определяться разностью углов поворота, т.е.

где cii и а2- углы поворота роторов СД и СП соответственно.

Углы оц и а2 могут определяться поворотом двух механически не связанных валов какого-либо устройства или машины.

При одинаковых положениях роторов СД и СП токи в соответствующих фазах обмотки синхронизации одинаковы и ивых - 0. При появлении разности (*1 - а? токи в соединительных линиях изменяются и не могут быть скомпенсированы поворотом ротора СП, поскольку ротор последнего принудительно повернут на другой угол (оь). При этом

UBblx = Uo’sin(ai - а2).

Нередко сельсины в трансформаторном режиме применяют для измерения одного угла, а не разности углов. В таких случаях ротор СП затормаживается (неподвижно фиксируется), a UBblx зависит только от угла поворота СД.

Статическая характеристика сельсинов в трансформаторном режиме имеет синусоидальный характер, поэтому этот режим можно использовать для измерения лишь при относительно небольших угловых перемещениях (например, от -90 до +90°, от 90 до 270° и т.д.), т. е. на тех участках характеристики, где зависимость между выходным напряжением и угловым перемещением имеет однозначный характер.

Одним из недостатков традиционных сельсинов является наличие скользящих контактов, что значительно снижает надежность сельсинов. Поэтому в настоящее время широко применяют бесконтактные сельсины.

Отметим, что существуют сельсины, предназначенные и для измерения линейных перемещений (так называемые бесконтактные линейные сельсины), работающие в трансформаторном режиме (здесь не рассматриваются). Такие устройства представляют собой обычный сельсин, как бы развернутый в линию. Подобные сельсины нередко используются для измерения положения рабочего органа станков и другого оборудования.

Сельсины применяются в следящих системах разного назначения, имеют высокую точность и надежность, позволяют передавать сигналы на расстояния до нескольких сотен метров. В последнее время сельсины в качестве измерителей угловых перемещения заменяются энкодерами (см. п. 8.2), формирующими выходной сигнал в цифровой форме.

Основным недостатком сельсинов является невысокая точность синхронизации, особенно когда на валу сельсина-приёмника действует существенный механический момент. Кроме того, не имеющий нагрузочного момента ротор сельсина колеблется с частотой питающего переменного тока, поэтому для подавления этих колебаний приходится использовать механические демпферы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >