Датчики угла рассогласования

 

Сельсины. Сельсины представляют собой трансформаторы с воздушным зазором, у которых при вращении ротора происходит плавное изменение величины ЭДС, наведенной в обмотке ротора. Обычно сельсины работают в паре: сельсин, связанный с ведомым валом, называют сельсином-приемником, а сельсин, связанный с ведущим валом, - сельсином-датчиком.

Однофазная обмотка сельсина расположена на статоре, а трехфазная – на роторе. Трехфазная обмотка состоит из трех катушек, сдвинутых относительно друг друга на 120⁰. Они уложены в пазы ротора и соединены в звезду. Концы фазовых (1 ф, 2 ф, 3 ф) обмоток выведены на три контактных кольца, расположенных на валу ротора.

Различают два режима работы сельсинов. В том случае, когда пару сельсинов применяют для дистанционной передачи угловых перемещений, режим называют индикаторным (указывающим). Первичные однофазные обмотки сельсинов подключают к сети однофазного переменного тока, а вторичные трехфазные обмотки соединяют друг с другом. При одинаковом положении роторов сельсинов относительно статоров в обмотках роторов ток не протекает. Если сельсин-датчик (СД) повернуть на некоторый угол, то все ЭДС роторов сельсинов сдвинутся по фазе. В результате сдвига фаз возникает разность ЭДС, которая вызывает протекание уравнительных токов по обмоткам роторов. При взаимодействии тока ротора с полем статора в сельсине-приемнике (СП) создается вращающийся момент, под действием которого ротор сельсина-приемника поворачивается до тех пор, пока вновь не восстанавливается равновесие ЭДС. В результате ротор сельсина-приемника поворачивается на тот же угол, на который был повернут ротор сельсина-датчика.

Вторым возможным режимом работы сельсинов является трансформаторный. В отличие от индикаторного режима в трансформаторном режиме к сети переменного тока подключается только однофазная обмотка сельсина-датчика, а однофазная обмотка сельсина-приемника является выходной: с нее снимается сигнал, пропорциональный углу рассогласования роторов сельсинной пары, и поступает на вход системы следящего привода или исполнительного механизма.

Под термином «датчик угла» понимают устройство, преобразующее угловую координату в электрическое напряжение.

В качестве датчика угла часто используют сельсин – электрические машины переменного тока малой мощности, имеющиеся две обмотки:

- однофазную (обмотку возбуждения);

- трехфазную (обмотку синхронизации.

По конструктивному исполнению сельсины делятся на два основных типа: контактные и бесконтактные.

В схемах датчиков углов входная величина (координата) – угол поворота ротора сельсина – q, выходные величины – амплитуда напряжения  или фаза угла j напряжения по отношению к переменному опорному напряжению.

Режимы работы: - амплитудный (трансформаторный); - фазовый (индикаторный). Используется для получения напряжения пропорционального углу рассогласования q.

Амплитудный режим

Схема для измерения сигнала рассогласования в следящих системах на сельсинах

 

Угол q = var; j = const (0, p); U _вых = f (q).

Обмотка возбуждения получает питание от сети переменного тока .

Магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения (W _в), наводит в трехфазной обмотке статора соответствующие ЭДС.

,

где  – коэффициент трансформатора между фазовой статорной обмоткой и роторной обмоткой при их соостном положении.

Характеристика управления сельсина в амплитудном режима приобретает синусоидальную закономерность

,

где .

Положительное значение, соответствует j = 0, отрицательное j = p.

Для малых значений q¢, sin q¢» q¢.

,

где  – передаточный коэффициент в амплитудном режиме.

Фазовый режим (режим фазовращателя). Индикаторный режим применяется для дистанционной передачи угла поворота.

 

Схема фазовращения

Используется для дистанционной передачи угла поворота. Сельсин-датчик связан с осью механизма, угол поворота которой необходимо передать. На оси сельсина-приемника закреплена стрелка, отсчитывающая этот угол поворота (режим индикации). Обе обмотки возбуждения подключены к источнику переменного тока.

В сельсинах создается пульсирующее магнитное поле, которое индуцирует в трехфазной обмотке трансформаторные ЭДС.

При согласованном положении роторов СД и СП ЭДС равны и соответственно токов в цепях синхронизации и моментов на их осях нет.

При повороте ротора СД на некоторый угол q в системе возникает рассогласование углов поворота роторов СД и СП, в трехфазных обмотках появляются уравнительные токи и развивается вращательные моменты на осях сельсинов. Ротор СД жестко соединен с осью механизма, поэтому повернуться не может. Поворачивается только ротор СП и индикаторное устройство на угол, равный возникшему ранее углу рассогласования.

Синхронизирующий момент изменяется пропорционально синусу угла рассогласования

.

Характеристика управления сельсина в режиме фазовращателя j = q.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы.

В системах, где требуется более точное измерение угловой координаты вместо сельсинов применяют синусно-косинусные вращающие трансформаторы (СКВТ). По своему устройству СКВТ – двухфазная машина переменного тока. Неявнополюсные статор и ротор имеют по две взаимоперпендикулярные обмотки: обмотку возбуждения и квадратурную на статоре синусную и косинусную на роторе.

 

 

СКВТ

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), у которых указанная зависимость линейная.

В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

В амплитудном режиме обмотка возбуждения, расположенная по оси a, получает питание от источника переменного тока

.

Тогда в разомкнутых роторных обмотках d, g наводятся ЭДС амплитуды которых оказываются функциями угла поворота ротора C ₁ - С ₂ – обмотка возбуждения для косинусной обмотки, расположенной по оси d

,

для синусной обмотки, расположенной по оси g

,

где К _т – коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и каждой роторной обмоткой при их соостном положении; E _m – амплитуда ЭДС роторных обмоток.

Влияние нагрузки на характеристики управления компенсируется с помощью квадратной обмотки b (С ₃ – С ₄).

В режиме фазовращателя обмотки статора a и b получают питание от источника двухфазного напряжения. Образующее при этом круговое поле, которое перемещается в пространстве с угловой скоростью w и наводит ЭДС в обмотке ротора, имеющую такую же частоту, но сдвинутую по фазе относительно питающего напряжения на угол q, который зависит от угла поворота ротора СКВТ:

; .

Таким образом, в режиме фазовращателя СКВТ является датчиком, преобразующим угол поворота в фазовый угол синусоидального напряжения.

Для повышения точности преобразования применяют вращающиеся трансформаторы с электрической редукцией. Принцип электрической редукции заключается в том, что за малый угол поворота ротора амплитуда или фаза выходного напряжения изменяется на один период, а при повороте ротора на 360⁰ число периодов равно коэффициенту электрической редукции. Наибольшее распространение из вращающихся трансформаторов с электрической редукцией получили индукционные редуктосины и индуктосины.

Линейный индуктосин состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах.

Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной части и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов. В промышленности применяют также круговые индуктосины.

Фотоэлектрические датчики представляют собой обычное фотореле, установленное на рабочих органах в определенном положении. Движущийся рабочий орган (ДРО), переместившись в установленное положение, экраном прерывает поток света Ф, вызывая срабатывание фотореле (ФР). В промышленности применяют также размерные фотоэлектрические датчики. Размерный датчик состоит из диска, который соединен с ДРО. На диске нанесены штрихи или прорези с определенным шагом t. При движении рабочего органа штрихи на диске прерывают световой поток Ф, вызывая срабатывание фотореле. Измеренное перемещение

,

где n – число срабатывания фотореле; t – цена деления шага.

Имеются датчики, у которых в качестве измерительных шкал применяют линейки с нанесенными штрихами.

 

d

g ®

a

a ®

q)

q

¯ b

b ¯

а                                                 б

Рис. Схемы вращающихся трансформаторов:

а – электрическая принципиальная вращающегося трансформатора;

б – электрическая принципиальная включения СКВТ в режиме фазовращателя

 

 

 

Рис. Линейный индуктосин:

а – внешний вид; б – схема соединения обмоток

Рис. Схемы фотоэлектрических датчиков:

а – пути и положения; б – размерного

 

Рис. Принципиальные электрические схемы сельсинов:

а – индикаторный режим; б – трансформаторный режим

Рис. Схемы датчиков скорости:

а – тахогенератора с возбуждением от постоянных магнитов;

б – асинхронного тахогенератора; в – реле контроля скорости

 

Рис. Схемы силовых датчиков:

а – электромеханического; б – токового реле;

в – тензометрического; г – пьезоэлектрического