Пункт 2 - Датчики координат электропривода.

В автоматизированном электроприводе (АЭП) для получения сигналов обратной связи по управляемым координатам используются специальные приборы - дат­чики. Датчик АЭП представляет собой устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты АЭП путем взаимодейст­вия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрический сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Управляемыми в АЭП являются следующие электрические и механиче­ские координаты: ток, напряжение, ЭДС, момент, скорость, пе­ремещение и т.д. Для их измерения используют соответствую­щие датчики.

Датчик координат АЭП структурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобра­зователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рис. 1). Изме­рительный преобразователь преобразует координату Х в электри­ческий сигнал напряжения U (или тока I), пропорциональный Х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выход­ного сигнала U ИП в сигнал обратной связи U_ос, который по ве­личине и форме удовлетворяет системе управления электроприводом.

 

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема датчика координат АЭП

 

Далее кратко рассмотрим принципы работы различных датчиков системы АЭП:

 

1. Датчики тока (ДТ) предназначены для получе­ния информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

- линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1 I_номдо 5 I_номне менее 0,9;

- наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

- высокое быстродействие.

В качестве измерительных преобразователей в ДТ использу­ются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты. ДТ на основе трансформаторов тока в основном используют­ся в АЭП постоянного тока для измерения тока двигателей при питании их от симметричных мостовых однофазных и трехфаз­ных выпрямителей.

 

 

Рисунок 2 - Общий вид датчика тока типа ДТ-8

 

В настоящее время все большее распространение получают датчики тока на основе элементов Холла, которые выполняются из полупроводникового материала в виде тонкой пластинки или пленки.

Эффе́кт Хо́лла - явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Датчики на основе эффекта Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли ДПР (датчика положения ротора). ДПР реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.

Датчик тока на основе элемента Холла схематично представлен на рис. 3. Он содержит магнитопровод 1, в воздушном зазоре которого размешен элемент Холла 3, подключенный к усилите­лю 4.

 

 

Рисунок 3 –Упрощённая схема датчика тока на основе элемента Холла

 

 

 

Рисунок 4 – Внешний вид типового датчика тока элемента Холла

 

2. Датчики напряжения (реле напряжения) -предназначены для непрерывного контроля величины напряжения в сети переменного тока и защиты электроустановок, электроприборов и т.п. от перепадов напряжения. Принцип работы - датчик контролирует величину напряжения в сети и при выходе его за установленные пределы отключает защищаемое оборудование от сети электропитания. Верхний и нижний пределы напряжения устанавливаются потенциометром на передней панели. На рисунке 5 приведена функциональная схема датчика напряжения, а на рисунке 6 – его внешний вид:

 

 

 

Рисунок 5 - Функциональная схема датчика напряжения

 

 

Рисунок 6 - Датчик напряжения типа ДН-03 DC

3. Датчик Э.Д.С. -применяются при невысоких требованиях кдиапазону регу­лирования скорости. Принцип действия датчика Э.Д.С.якоря двигателя основан на вычисле­нии значения Э.Д.С.по уравнению для якорной цепи электродвигателя.

Функциональная схема датчика Э.Д.С. изображена на рисунке 7.

 

 

Рисунок 7 - Функциональная схема датчика Э.Д.С. якоря

4. Датчики скорости –используются для получения электрического сигнала, пропорционального угловой скорости ротора двигателя. Как правило на практике исполь­зуются тахогенераторы и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы применяются в аналоговых системах управления, импульсные - в цифровых системах.

К датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности характеристики управления, стабильности выходно­го напряжения и уровню его пульсаций, так как они определяют статические и динамические параметры привода в целом.

Широкое распространение в электроприводе получили тахо­генераторы постоянного тока с постоянными магнитами.

Тахогенератор постоянного тока - это машина постоянного тока с независимым возбуждением или возбуждением постоянными магнитами, работающая в генераторном режиме. По конструкции он почти не отличается от машин постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока служат для измерения частоты вращения по значению выходного напряжения, а также для получения электрических сигналов, пропорциональных частоте вращения вала в схемах автоматического регулирования.

Основными требованиями, предъявляемыми к тахогенераторам, являются:

а) линейность выходной характеристики;

б) большая крутизна выходной характеристики;

в) малое влияние на выходную характеристику изменения температуры окружающей среды и нагрузки;

г) минимум пульсаций напряжения на коллекторе.

 

 

 

Рисунок 8 – Внешний вид тахогенератора (тахометрического датчика)

 

 

В импульсных датчиках скорости в качестве первичного из­мерительного преобразователя используются импульсные преоб­разователи перемещения, у которых количество импульсов про­порционально углу поворота вала.

 

Рисунок 9 – Внешний вид импульсного датчика

скорости вращения

 

5. Датчик перемещения.Внастоящее время в электроприводе для измерения пермещения подвижных частей машин и меха­низмов применяются индукционные и фотоэлектронные пре­образователи.

К индукционным относятся вращающиеся трансформаторы, сельсины и индуктосины.

Вращающимися трансформаторами (ВТ)называются электри­ческие микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота а в синусоидальное напряжение, пропорциональное этому углу. Всистеме автоматического регулирования вращаю­щиеся трансформаторы используются в качестве измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некото­рого заданного положения. Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвину­тые между собой на 90°. Напряжение с обмотки ротора снимает­ся с помощью контактных колец и щеток или с помощью коль­цевых трансформаторов. Принцип действия ВТ в синусном режиме основан на зави­симости напряжения, наведенного в обмотке ротора пульсирую­щим магнитным потоком статора, от углового положения осей обмоток статора и ротора.

 

 

Рисунок 10 - Вращающийся трансформатор серии 5 БВТ

 

Сельсин представляет собой электрическую микромашину переменного тока, имеющую две обмотки: возбуждения и син­хронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины. Обмотка синхрониза­ции всегда трехфазная. В системах автоматизированного управления широкое распространение полу­чили бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором. Сельсины могут использоваться в амплитудном и фазовращательном режимах.

 

 

Рисунок 11 - Бесконтактный сельсин серии БС-151А

Индуктосином называют бесконтактную информационную машину без магнитопровода с печатными первичной и вторичной обмотками, возбуждаемую однофазным напряжением. Выходное напряжение индуктосина является функцией углового положения ротора.

Индуктосины могут быть круговыми и линейными. Линейный индуктосин (рис.12, а) представляет собой линейку, на одной стороне которой нанесена плоская печатная обмотка из медной фольги, изолированная от основания линейки слоем диэлектрика. Линейные индуктосины выполняются всегда из металла (как правило, из стали). Круговой индуктосин (рис.12, б) 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. Диски могут быть изготовлены как из изоляционных материалов (керамика, стекло), так и из металла (сталь, алюминиевый сплав, чугун).

 

 

а) б)

 

Рисунок 12 – Индуктосин (а-линейный, б-круговой)

 

Фотоэлектрический преобразователь перемещения состоит из трех основных частей: механической, оптической и электронной.

Механическая часть служит для точного вращения входного вала преобразователя, на котором расположен растровый диск. Механическая часть имеет базовые поверхности для установки и присоединения фотоэлектрического преобразователя к валу ме­ханизма. Корпус преобразователя защищает оптическую и элек­тронную части от пыли, влаги и механического воздействия.

Оптическая часть (рис. 13) содержит светодиод 1, линзу 2, растровую индикаторную пластину 3 и растровый диск 7.

 

 

 

Рисунок 13 – Упрощённый вид оптической части фотоэлектрического преобразователя

Световой поток светодиода 1 проходит через линзу 2, растровый диск 7, растровую индикаторную пластину 3. При вращении растро­вого диска меняется интенсивность света, который пропускается через растровое сопряжение, образуемое диском 7 и пластиной 3. В результате меняется фототек через основные фотодиоды 4 и 6. На индикаторной пластине растры расположены в четырех сек­торах. Штрихи каждого из секторов смещены относительно друг друга на 1/4 периода растра. Четыре фотодиода, установленных против каждого из этих секторов, и сопрягаемые с ними растры диска формируют основные первичные сигналы, изменяющиеся по синусоидальному и косинусоидальному законам. Фотодиод 5, расположенный ниже фотодиодов 4 и 6, формирует дополнительный сигнал начала отсчета один раз за оборот преобразователя. Первичные сигналы всех трех кана­лов поступают на электронную часть, осуществляющую форми­рование прямоугольных импульсов.

 

 

Рисунок 14 – Внешний вид фотоэлектрического преобразователя перемещений типа ЛИР-158А

Контрольные вопросы для закрепления изученного материала:

1. Что собой представляет регулятор? Для чего используется в системах АЭП? Каких типов бы-

вает?

2. На базе каких устройств выполняются аналоговые регуляторы? А цифровые?

3. Что Вы понимаете под термином «датчик»? Что это за устройство и для чего оно применяется

в системах АЭП?

4. С какими электрическими и механическими характеристиками работают датчики в системе

АЭП?

5. Поясните структурную схему датчика координат АЭП.

6. Для чего применяют датчик тока и какие к нему выдвигаются требования?

7. Поясните эффект Холла. Где могут бать использованы датчики, использующие данный

Эффект?

8. Для чего в системах АЭП используются датчики напряжения и датчики Э.Д.С.?

9. Для чего в системах АЭП используются датчики скорости? Какие датчики скорости исполь-

зуют в аналоговых системах управления, а какие – в цифровых?

10. Какие основные требования предъявляются к тахогенераторам?

11. Для чего в системах АЭП используются датчики перемещения? На каких основных два вида

они подразделяются?

12. Что собой представляет вращающийся трансформатор?

13. Что собой представляет сельсин?

14. Что собой представляет индуктосин?

15. Из каких основных частей состоит фотоэлектрический преобразователь?

 

Источники для дополнительного изучения материала лекции:

 

1. Петренко Ю.Н.Системы автоматизированного управления електроприводами – Минск: Новое

знание, 2004 г., стр. 65 – 90.

2. Интернет-ресурсы (через посковую систему Яндекс).