Первичные преобразователи датчиков перемещения (положения)

    

Как было сказано выше, по физическому принципу действия ПП делятся на электромеханические, электрстатические, электромагнитные и фотоэлектрические, причем в ИИС автоматизированного оборудования наиболее широкое распространение получили ДП на основе двух последних групп ПП.

 

Электромагнитные первичные преобразователи положения

 

Наибольшее распространение в цепях обратных связей по положению электроприводов получили вращающиеся трансформаторы, индуктосины, сельсины. Все они предпочтительно используются в режимах фазового представления информации. Источником информации чаще всего служит двигатель привода подачи, информация об угле поворота ротора которого связана с фазой выходного гармонического сигнала:

U _вых = kU _mcos(wt + a),

где a - угол поворота ротора двигателя.

Вращающийся трансформатор (ВТ) представляет собой индукционную микромашину с неявно выраженными полюсами, выходное напряжение которой является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. При этом зависимость от входного напряжения линейная, а от угла поворота ротора – синусная или косинусная [20].

В зависимости от способа осуществления токосъема или токоподвода различают контактные или бесконтактные вращающиеся трансформаторы. В первом случае токосъем осуществляется посредством контактных колец и щеток, во втором – посредством кольцевых трансформаторов или спиральных пружин.

Рис.5. Схема устройства контактного (а) и бесконтактного (б) вращающихся трансформаторов:

1 – корпус; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – щеточно-коллекторный узел;

5 – фланец; 6 – подшипник; 7 – вал; 8 – кольцевой трансформатор.

Различают два режима работы вращающегося трансформатора – фазовый и трансформаторный.

В фазовом режиме, который в большинстве случаев и используется в датчиках положения, обмотки статора запитываются переменным синусоидальным напряжением, сдвинутым по фазе для каждой из обмоток на угол 90° (это напряжение получается расцеплением опорного напряжения в специальном устройстве – фазорасцепителе). Такая система катушек образует вращающееся магнитное поле, которое является круговым и вращается с угловой частотой, равной угловой частоте тока w. При этом в роторных обмотках наводится ЭДС той же частоты, но сдвинутая на угол поворота ротора a, то есть выходное напряжение с роторных обмоток меняется по закону синуса и косинуса и с учетом принципа суперпозиции (СКВТ):

U _sin = kU _msin(wt + a) – для синусной обмотки,

U _cos = kU _mcos(wt + a) – для косинусной обмотки,

где k – постоянный коэффициент трансформации.

Выходные напряжения как синусной так и косинусной обмоток зависит от угла поворота ротора.

Если одно из напряжений, питающих статорную обмотку, принять за опорное, то фазовый сдвиг выходных сигналов обмоток ротора соответствует его угловому смещению a, то есть ВТ, ротор которого кинематически связан с узлами станка, осуществляет измерительное преобразование перемещения узлов станка в фазомодулированный сигнал, сдвиг фазы которого соответствует величине перемещения.

Большинство ВТ рассчитано на питание синусоидальным напряжением частотой 400 Гц, но могут работать и в широком диапазоне частот – до нескольких тысяч герц. Повышение частоты повышает мощность выходного сигнала.

Для оценки метрологических свойств ВТ достаточно иметь данные об изменении коэффициента трансформации, изменении сдвига фаз выходного напряжения относительно входного и нестабильности нулевого положения, причем к дестабилизирующим факторам относятся прежде всего температура окружающей среды и нестабильность питающего (входного) напряжения.

В зависимости от численных значений этих показателей все ВТ делятся на шесть классов точности: 0.005; 0.01; 0.02; 0.05; 0.1 и 0.2. В среднем угловая погрешность ВТ составляет десятые доли градусов (0.3˚), разработаны ВТ с погрешностью 5 угл. мин.

Вместе с тем необходимо учитывать, что применение ВТ позволяет охватывать обратной связью размерные цепи незначительной протяженности и даже при установке на ходовой винт не охватывают ОС такой важнейший узел станка, как пара винт-гайка. В большинстве случаев ВТ кинематически связан с валом двигателя, и протяженность размерной цепи еще короче. Соединение ВТ непосредственно с поступательно перемещающимся рабочим органом станка, обеспечивая охват обратной связью также и пару винт-гайка, вызывает значительные затруднения из-за сложности изготовления точной рейки и мультипликатора, и из-за сложности встройки в станке.

В табл.1 (приложение 1) приведены основные технические характеристики ВТ, наиболее широко применяемых в качестве датчиков обратной связи электроприводов металлорежущих станков.

Из принципа действия вращающегося трансформатора следует, что за один оборот ротора с синусной или косинусной обмоток снимается один период напряжения. Это не обеспечивает требуемой дискретности формирования выходного сигнала. Учитывая, что шаг ходового винта составляет 10 мм, а требуемая дискретность – 0.01 мм, для ее обеспечения необходимо увеличивать редукцию между вращающимся трансформатором и подвижными элементами станка так, чтобы суммарная электрическая (деление фазы на 100 или 200) и механическая редукции обеспечили бы требуемую дискретность измерения – тысячекратное деление фазы.

Рис.6. Элемент конструкции редуктосина (а)

и вид выходных напряжений ВТ и редуктосина (б)

 

Чаще всего вместо дополнительной механической редукции, вносящей существенную погрешность в преобразование, используют многополюсные индукционные преобразователи – редусины (редуктосины) или специальные электронные блоки АЦП выходных сигналов ВТ, обеспечивающие цифровой выход информации при необходимой ее дискретности [21].

Многополюсные индукционные преобразователи – редуктосины (редусины), которые представляют собой многополюсный вращающийся трансформатор с Р пар полюсов по окружности статора 1 (рис.6,а). На каждом полюсе расположены обмотки возбуждения а, б и выходная обмотка в. Обмотки возбуждения соединены через полюс, и фазы питающих их напряжений смещены на 90°.

Соединение обмоток обеспечивает чередование соседних полюсов. При работе редуктосина в режиме фазовращателя фаза его выходного сигнала определяется угловым положением ротора 2 (по аналогии с вращающимся трансформатором).

При этом за один период питающего напряжения магнитное поле повернется на угол 2p/Р, а не на 2p, как это имеет место у вращающегося трансформатора, а значит и фаза выходного напряжения изменится на угол 2p при повороте ротора на угол 2p/Р, то есть сдвиг выходного сигнала у редуктосина по фазе в Р раз больше угла поворота его ротора (рис.6,б).

Расположение всех обмоток редуктосина на его неподвижной части – статоре 1, существенно облегчает проблему токосъема.

В настоящее время редуктосины выпускаются с числом пар полюсов до 180, что позволяет устанавливать их непосредственно на валу двигателя без повышающей передачи и устраняет внесение дополнительной погрешности, не снижая надежности.

Проблема миниатюризации датчиков обратной связи представляет значительный интерес с точки зрения удобства их встройки в привод и в связи с развитием робототехники. Поэтому представляют интерес датчики типа ДЛПР, представляющие собой линейные редуктосины.

Основные данные датчиков типа ДЛПР [8] приведены в табл.2 (приложение 1).

В металлорежущих станках также применяют в качестве датчиков обратной связи индукционные электрические машины с тремя расположенными по окружности статора одинаковыми обмотками – сельсины.

В сельсинах угол поворота ротора, как и во вращающемся трансформаторе, преобразуется в сдвиг фаз α, выходного и опорного напряжений.

U _вых = kU _msin(wt + a)

В настоящее время в качестве датчика обратной связи применяются сельсины разных типов, и в частности бесконтактный сельсин модели БС-155А, имеющий номинальное напряжение питания 100 В при частоте 400 (500) Гц, максимальное выходное напряжение 62-70 В. Его погрешность в трансформаторном режиме – до 60 угл. мин.

В табл.3 приведены технические характеристики сельсинов (приложение 1).

Кроме относительно большой погрешности, доходящей в общем случае 1.5°, сельсины сложны по конструкции, их стоимость больше, чем, например, вращающегося трансформатора. Они имеют относительно сложную схему формирования измерительной информации, включающую источник стабильного опорного напряжения, и, как вращающийся трансформатор, не охватывают обратной связью пару винт-гайка.

Поэтому в настоящее время все более широкое распространение в качестве датчика обратной связи получает индуктосин – многополюсный вращающийся трансформатор с печатными обмотками. Он отличается высокой точностью (погрешность – несколько угловых секунд (2-5с) для угловых и несколько тысячных долей миллиметров (2-5 мкм) для линейных перемещений) и надежностью, малой потребляемой мощностью, хорошей воспроизводимостью характеристик, относительной простотой конструкции (технологичностью) и малыми габаритами, а значит, и удобством встройки в станок [22].

Круговой индуктосин представляет собой два диска из изоляционного материала, один из которых - статор - неподвижно закрепляется на станке, а второй - ротор - кинематически связан с подвижным элементом станка. Ротор поворачивается относительно статора на измеряемый угол. На торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, печатным способом наносятся обмотки, представляющие собой ряд токопроводящих пластин - проводников с явно выраженными лобовыми участками (рис.7). Конструктивно индуктосин имеет две первичные многополюсные обмотки и одну вторичную.

а)                                                 б)

Рис.7. Круговой индуктосин:

а) обмотка статора; б) обмотка ротора

 

Диски индуктосина располагаются соосно и удалены друг от друга примерно на 0.1 мм.

Круговой индуктосин аналогичен СКВТ, но отличается от него большим числом полюсов – до 360 и более. Выбор их числа зависит от назначения индуктосина. Например, при использовании двоичного кода удобны 128- и 256-парные полюсные приборы, а для градусного отсчета используются индуктосины с числом пар полюсов 180 и 360.

В фазовом режиме при питании первичных обмоток напряжениями равных амплитуд, но сдвинутыми по фазе на 90 градусов, индуктосин работает в режиме вращающегося поля. В этом случае амплитуда ЭДС, индуктированная во вторичной обмотке, остается неизменной, а фаза является функцией перемещения обмоток относительно друг друга, то есть с ротора снимается напряжение

Uвых = kUm sin(wt + a),

где a - угол поворота ротора.

Информация, содержащаяся в этой фазе, может передаваться на расстояние по соответствующим линиям связи. При этом необходимо также передавать опорное напряжение. Разность фаз информационного и опорного сигналов представляет собой информацию о взаимном расположении дисков или линеек, то есть об угловом перемещении.

Изготовление обмоток печатным способом обеспечивает высокую повторяемость характеристик индуктосина, малую его стоимость и снижает вероятность брака.

Слабая электромагнитная связь между обмотками индуктосина ведет к уменьшению значения выходного сигнала и к снижению точности индуктосина. Индуктосины с погрешностью не более 5 секунд имеют диаметр 180-240 мм, не более 10-20 секунд – не менее 120 мм, так как уменьшение габаритов уменьшает число пар полюсов и активную длину проводников.

Частота питания индуктосина составляет 10 кГц, недопустима частота менее 2 кГц (ввиду малости в этом случае выходного сигнала) и более 20 кГц (ввиду проявления в этом случае емкостных сопротивлений и неравномерностей распределения тока по сечению проводников).

Линейный индуктосин, кроме конструктивного исполнения, аналогичен круговому [23]. Линейный индуктосин имеет две линейки – длинную I (у кругового это статор) и короткую II (головку считывания – у кругового это ротор) (рис.8,а). Длинная линейка устанавливается на неподвижной части станка и имеет однофазную многополюсную обмотку, головка считывания устанавливается на подвижной части станка, величину линейного перемещения которой необходимо измерить и имеет двухфазную обмотку.

Обмотка 1 на линейке нанесена печатным способом с шагом 2 мм в форме «меандр». Обмотки 2,3 на головке более короткие и сдвинуты друг относительно друга на 90˚; обмотки питаются током частотой 10 кГц.

При включении питания образуется бегущее поле. Волна гармонически распределенной в воздушном зазоре между линейкой I и головкой II магнитной индукции перемещается вдоль линейки и индуцирует в ее обмотке 1 ЭДС. Фаза этой ЭДС (или выходного напряжения обмотки линейки) определяется перемещением головки II относительно линейки I.

Рис.8. Линейный индуктосин:

а) схема устройства; б) схема обмоток

 

При перемещении подвижной части станка подвижная линейка имеет возможность перемещаться параллельно с постоянным зазором относительно неподвижной линейки. Обычно длина линейки равна 250 мм, а головки - 100 мм.

Линейный индуктосин позволяет измерить линейные перемещения рабочего органа станка с большой точностью (примерно до ±2.5 мкм на длине 250 мм). На большие длины перемещения рабочих органов линейки (которые имеют длину 250 мм) стыкуют, причем так, чтобы они образовывали одну измерительную шкалу необходимой длины.

Первым линейным индуктосином отечественного производства является индуктивный датчик линейного перемещения – ДЛП.

Эти ДП образовали серии ПИЛП (линейные) и ПИКП (круговые) [24,25].

В ряде стран проводятся работы по миниатюризации индуктосина. В этой связи появились так называемые модульные индуктосины, сущность которых заключается в том, что их многослойные обмотки уложены в пазы зубчатого набираемого сердечника, причем каждый зубцовый элемент содержит слой обмотки и слой сердечника. Эти индуктосины обладают высоким потокосцеплением между обмотками статора и ротора и увеличенным уровнем выходного сигнала за счет ферромагнитной зоны. Модульные индуктосины уступают по точности индуктосинам с многослойными обмотками, но имеют существенно меньшие габариты – их диаметр может быть уменьшен до 30-60 мм.

Основные технические характеристики отечественных и зарубежных индуктосинов приведены в табл.4 (приложение 1).