Классификация датчиков обратной связи по положению

 

Датчик положения или цифровой преобразователь перемещений (ЦПП) можно представить в виде измерительной системы, структура и сложность которой определяется точностью и надежностью измерений перемещения при воздействии дестабилизирующих факторов со стороны окружающей среды и оборудования [12-15]. В общем случае структурная схема ЦПП состоит из двух основных узлов (рис.3):

первичного измерительного преобразователя;

измерительно-преобразовательной части.

 

 

Рис.3. Структурная схема ЦПП

       Первичный преобразователь осуществляет преобразование углового и линейного перемещения рабочих или исполнительных органов в электрический инфрмационный сигнал, один из параметров которого связан с входной величиной линейной функциональной зависимостью.

       Измерительно-преобразовательная часть (ИПЧ) включает электронные устройства, обеспечивающие питание ПП, а также съем с них информационного сигнала и его дальнейшее преобразование для последующей передачи в ЭВМ системы управления АО. В современных системах управления в ИПЧ включаются также аналоговые и цифровые устройства (например, микропроцессоры) для статической обработки результатов и коррекции погрешностей ЦПП.

       Передачу сигналов ПП к электронным устройствам ИПЧ и обратная связь обеспечивается линией связи (ЛС), по этой линии к ЭВМ передается двоичный код в последовательной или параллельной форме.

       Одним из важных вопросов при построении ЦПП является выбор параметров электрического сигнала, которые функционально связаны с измеряемым перемещением. Основным критерием, определяющим выбор параметра электрического сигнала, является точность измерения. В теории информации [16] рассматриваются соотношения между количеством переносимой информации и энергией, затрачиваемой на измерительный процесс при различных способах передачи информации. Сравнение амплитудного и фазового способов передачи информации показывает, что при заданной энергии, затраченной на измерительный процесс, амплитудный способ транспортирует в 2π раз меньше информации, чем фазовый. При одной и той же точности измерения фазовый метод позволяет приблизительно в 40 раз понизить потребляемую мощность или время измерения по сравнению с амплитудным.

       Фазовые системы ОС по положению обеспечивают выходной сигнал, согласованный с фазовыми системами управления АО и обладают рядом преимуществ, в том числе высокую помехозащищенность.

       Все это обусловило интенсивное развитие систем ОС по положению с фазовым ДП [17].

Классификация ДП по ряду признаков, характеризующих тип ПП, схемное решение электронной части и конструкцию, приведена на рис.4.

Датчики перемещений могут измерять как линейные, так и угловые перемещения рабочего или исполнительного органа АО.

По характеру физической величины преобразования параметров технологического процесса в электрическую величину датчики положения могут быть классифицированы на электромеханические, электромагнитные, фотоэлектрические и электростатические (имеется в виду тип ПП).

Электромеханические датчики основаны на изменении активного сопротивления в функции перемещения или положения исполнительных или рабочих органов. Ввиду присущих этим датчикам недостатков (износ контактов, возникновение электрической дуги при коммутации, относительно большие моменты на валу и тому подобное) в информационных системах электроприводов эти датчики применяются относительно редко.

В электромагнитных датчиках измерительная информация формируется посредством изменения его магнитных характеристик и, как следствие этого, электрических параметров (индуктивных сопротивлений обмоток, ЭДС). Датчики этого типа нашли достаточно широкое распространение в системах обратной связи электроприводов металлорежущих станков [18]. Объясняется это целым рядом факторов и в первую очередь высокой надежностью и помехозащищенностью электромагнитных датчиков, фазовой, в большинстве случаев, формой представления выходного сигнала, относительной дешевизной. К датчикам этого типа относятся не только широко известные датчики типа вращающийся трансформатор, редуктосин, сельсин, индуктосин, но и различные их разновидности.                                                             

 

 

Рис.4. Классификация датчиков положения

 

Фотоэлектрические датчики, принцип действия которых основан на изменении электрических параметров фотоприемника (сопротивление, ток, проводимость) в зависимости от величины светового потока, который, в свою очередь, является функцией положения рабочих или исполнительных органов АО, обладают высокой чувствительностью, относительно малыми габаритами и наряду с электромагнитными датчиками нашли широкое применение в информационных системах электроприводов [19].

Кроме широко известных электромагнитных и фотоэлектрических датчиков положения, ведутся и разработки других типов датчиков информационных систем электроприводов – электростатических, ионизационных, а также датчиков принципиально новых типов, например, датчиков угла протонно-прецизионного типа, обеспечивающего погрешность измерения угла 0.5 секунд и реализующих принцип квантовой магнитометрии. Однако в реальных системах управления электроприводами эти датчики в настоящее время широкого распространения не получили.

По характеру формирования выходного сигнала ДП могут быть классифицированы считывающие, накапливающие и циклические.

В преобразователях считывания измеряемая величина одновременно сопоставляется с набором эталонных мер всех возможных числовых эквивалентов. Происходит выборка определенного значения, равного измеряемому с определенной погрешностью. По этому принципу конструируются, например, кодовые фотоэлектрические ДП. Накапливающие ДП реагируют на пространственное перемещение, которое с помощью специальной схемы разделяется на ряд элементарных приращений. Преобразователь накапливает эти приращения и с помощью метода последовательного счета формирует ПДК – позиционный двоичный код, пропорциональный измеряемой величине. Основной недостаток таких ДП в накапливании одновременно с измеряемой величиной погрешности за весь период измерения.

В отличии от накапливающих циклические ДП осуществляют измерение перемещения за фиксированный цикл, причем в каждом цикле проводится преобразование всей измеряемой величины, а не ее приращения, и ошибка фиксируется только в одном цикле. В циклических ДП обычно используется промежуточное преобразование перемещения во временной интервал, амплитуду, частоту, фазу.

По способу формирования выходного сигнала датчики положения могут быть подразделены на импульсные, кодовые и фазовые.

В импульсных датчиках положения выходной сигнал формируется в виде импульсов, количество которых соответствует величине перемещения.

В фазовых датчиках перемещение приводит к периодическому изменению фазы выходного сигнала по линейному закону от 0 до 360 градусов.

В амплитудно-фазовых датчиках сдвиг по фазе определяется посредством анализа соотношения амплитуд опорного и выходного сигналов, то есть посредством амплитудно-модулированного по положению исполнительного или рабочего органов станка сигнала. В этих датчиках необходимо обеспечить высокое постоянство амплитуды и формы опорного и выходного сигналов. В противном случае возникают дополнительные погрешности измерения, характерные для аналоговых датчиков.

В фазоимпульсных датчиках сдвиг по фазе определяют посредством заполнения импульсами стабилизированной частоты временного интервала между реперными точками опорного и выходного сигналов, например, началом периода, с последующим счетом числа этих импульсов. При этом кроме погрешности формирования реперных точек, в этих датчиках возникает и погрешность, связанная с динамической погрешностью перемещения органов станка.

В кодовых датчиках положения выходной сигнал формируется в виде кода, определяемого состоянием чувствительного элемента (электропроводимость, освещенность и тому подобное) в каждом разряде.

По конструкции отсчетной части ДП делятся на одноотсчетные и двух(много)отсчетные. Многоотсчетный принцип построения измерительных систем с ДП обусловлен противоречивыми требованиями, к ним предъявляемыми при использовании ДП в системах путевого контроля АО.

Многообразие задач путевого контроля и различные требования, предъявляемые к точностным характеристикам при обработке детали, определяют различное построение систем путевого контроля с использованием различных типов первичных измерительных преобразователей, выдающих информацию о положении или движении конкретных органов станка с ЧПУ. К измерительной системе при этом предъявляются требования сочетания высокой разрешающей способности (до 1 мкм) с большой величиной контролируемого перемещения (до 1 м и более). В большинстве случаев в информационно-измерительной системе не обходятся одним измерительным преобразователем – ДП, а применяют многоотсчетные измерительные системы, состоящие из 2-3 каналов отсчета. При этом одно устройство (точное) обеспечивает однозначность отсчета с большой разрешающей способностью на малой длине (например, для индуктосина 2.54 мм или 15º), а второе (грубое) устройство позволяет определить зону измерения в пределах всего перемещения.

По одноотсчетному принципу строят преобразователи на 8-14 двоичных разрядов (с погрешностью до единиц угловых минут), по многоотсчетному – до 20 разрядов (с погрешностью до единиц угловых секунд). Причем, если в одноотсчетном ДП измеряемая величина однозначно связана, например, с фазой выходного сигнала ПП пропорциональной зависимостью, то в двухотсчетном ДП выходные показания складываются из показаний датчика грубого и точного отсчетов.

В зависимости от требуемой точности измерительные системы можно разбить на пять классов. Первые три класса (с погрешностью отсчета 0.01 мм и выше) часто выполняются двухотсчетными (два канала отсчета – грубый и точный), а последние два класа (от 0.05 мм) – одноотсчетными.

Грубые отсчетные устрйства, входящие в измерительные системы I-III классов, при точности отсчета 0.025-0.05 мм могут служить самостоятельными измерительными системами IV-V классов.

Грубые отсчетные устройства при измерении линейных перемещений включают обычно два узла – преобразователь линейного перемещения в круговое и круговой преобразователь. Преобразователь линейного перемещения в круговое обычно строят на основе силовых элементов привода перемещения исполнительных органов (например, пары ходовой винт-гайка) или на базе специальных измерительных элементов, имеющих отсчетную механическую (измерительная рейка-шестерня), гибкую электрическую, или другую связь с исполнительными органами. Круговой измерительный преобразователь выбирается с учетом требований точности, надежности и других требований для кажого случая измерения.