Сельсины и вращающиеся трансформаторы как датчики угла и рассогласования

В автоматизированном электроприводе сельсины и вращающиеся трансформаторы используются как датчики угла и рассогласования. Датчик угла преобразует угловую координату в напряжение, которое определяет сигнал обратной связи по углу перемещения объекта или сигнал управления в задающих устройствах. Датчик угла рассогласования образуется двумя датчиками угла, один из которых является командным, а другой – исполнительным. Задание на движение системы может выполняться с помощью датчика угла рассогласования, угловой координатой которого является угол поворота командной оси. Разность сигналов между командной и исполнительной осью используется как сигнал управления системой.

Сельсин представляет собой маломощную машину переменного тока с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной обмоткой синхронизации. Конструктивно выделяются контактные и бесконтактные сельсины. Основное исполнение первых – обмотка возбуждения расположена на роторе, а обмотка синхронизации – на статоре. Этим достигается уменьшение числа контактных колец до двух и исключаются контакты на синхронизирующей связи. Бесконтактные сельсины реализуются двумя способами. При первом способе благодаря специальной конструкции магнитопровода ротора неподвижная кольцевая обмотка возбуждения создает в роторе поток, поворачивающийся вместе с ротором. При втором – обмотка ротора получает питание от вращающейся совместно с ротором вторичной обмотки кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой.

Рисунок 38 – Координаты (а) и схема (б) сельсина

В схемах датчиков угла входная координата сельсина – угол поворота его ротора q, а выходная координата – амплитуда U_вых..m или фаза j выходного напряжения (рис.4) по отношению к опорному напряжению.

В амплитудном режиме U_вых..m = f(q) обмотка возбуждения получает питание от сети переменного тока. Тогда напряжение обмотки возбуждения U_в равно по отношению к амплитудному U_в..m:

. (38)

Магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения, наводит фазные ЭДС «е» в обмотке статора (рисунок 38б):

,

,

,

где k_т – коэффициент трансформации между фазной статорной и роторной обмотками при их соосном положении.

Характеристика управления сельсина в амплитудном режиме после преобразований и предварительном повороте сельсина на 90⁰ имеет вид:

, (39)

где E_у – ЭДС управления.

В режиме фазовращателя характеристика управления имеет вид: j = q.

Основные характеристики сельсина как датчика и приемника:

; ; ; ; , (40)

где М_ст – статический вращающий момент сельсина; m_уд – удельный синхронизирующий момент; m_тр – момент трения; m_р – реактивный момент сельсина вследствие магнитной и электрической асимметрии сельсинов датчика и приемника; q_ст – статическая ошибка; А – добротность сельсина.

При выборе параметров сельсинов важными факторами являются напряжение возбуждения (до 110 в), частота питающей сети, класс точности. Максимальная погрешность сельсинов-приемников составляет: в классе точности 1 - ± 0,75; в классе точности 2 - ±0,75…±1,5; в классе точности 3 - ±1,5 …±2,5. Для сельсинов-датчиков в этих же классах точности: ±25; ±25…±0,5; ±0,5…±1,0.

Рисунок 39 – Схема (а) и векторная диаграмма (б) СКВТ

Для увеличения точности углового датчика на базе сельсина разработаны синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ). На статоре и роторе СКВТ расположены по две обмотки. На неявнополюсном статоре – обмотка возбуждения по продольной оси и квадратурная обмотка управления по поперечной оси. На роторе – синусная и косинусная обмотки. Обмотка возбуждения питается от однофазной сети и организует пульсирующий магнитный поток, пронизывающий обмотки ротора.

В амплитудном режиме для косинусной обмотки, расположенной по оси d, и синусной – по оси q имеем:

, , (41)

где E_m – амплитуда ЭДС.

В режиме фазовращателя обмотки статора получают питание от источника двухфазного напряжения. Образующееся при этом круговое поле наводит ЭДС в обмотке ротора, фаза которой линейно изменяется при повороте ротора. Характеристика управления в режиме фазовращателя имеет вид: j = q^¢, где q^¢ = q + p/4. Максимальные угловые погрешности СКВТ от нулевого до третьего классов точности составляют от 4 до 22 минут.

Два сельсина или СКВТ образуют датчик угла рассогласования. При разных схемах соединения сельсинов или СКВТ можно получить индикаторный, трансформаторный или дифференциальный режим датчиков. Область использования – следящие системы.

В индикаторном режиме характеристика управления определяется разностью углов датчика и приемника с учетом статической ошибки сельсинов или СКВТ:

j = Dq ± q_ст, где Dq = q_дт - q_пр.

Индексы «дт» и «пр» соответствуют датчику и приемнику.

В трансформаторном режиме:

, (42)

где k_дп – коэффициент, зависящий от параметров обмоток датчика и приемника; U_у – напряжение управления, полученное на выходе обмотки возбуждения сельсина-приемника или на квадратурной обмотке приемника СКВТ.

В дифференциальном режиме используются два датчика и один приемник. Приемник отрабатывает разность углов датчиков с учетом знака угла и организует угловую координату для функции управления:

j = q_пр.д ; q_пр.д = q_сд1 - q_сд2 , (43)

где q_пр.д – угол поворота дифференциального приемника; q_сд1 и q_сд2 – углы поворота первого и второго датчиков.

Датчики скорости

В автоматизированном электроприводе датчики скорости используются для преобразования скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал для организации обратной связи по скорости. В качестве аналоговых датчиков скорости применяются тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Тахогенератор постоянного тока представляет собой микромашину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами, входной координатой которого является угловая скорость w, а выходной – напряжение U_вых, выделяемое на сопротивлении нагрузки.

Рисунок 40 – Схема (а) и характеристика управления (б) тахогенератора постоянного тока

, (44)

где Ф – магнитный поток возбуждения; k – конструктивная постоянная; k_тг – передаточный коэффициент тахогенератора; R_тг – сопротивление якорной обмотки и щеточного контакта тахогенератора; R_н – сопротивление нагрузки.

Характеристика управления нелинейная в области малых и больших скоростей. В первом случае для уменьшения нелинейности используют металлизированные щетки, во втором – ограничивают скорость сверху и увеличивают сопротивление нагрузки. Тахогенераторы высокой точности выполняются с полым беспазным якорем и дополнительно к выходу генератора подключают конденсатор, выполняющий роль фильтра «С». Передаточная функция при этом имеет вид

, (45)

где Т_ф – постоянная времени фильтра.

, (46)

где С – емкость фильтра.

Тахогенераторы переменного тока выполнены на базе асинхронной двухфазной машины (рисунок 41).

Рисунок 41 – Тахогенератор переменного тока

На статоре имеются две взаимно перпендикулярные обмотки: обмотка возбуждения, расположенная по оси a, и выходная обмотка управления, расположенная по оси b. Последняя включена на сопротивление нагрузки тахогенератора. Для уменьшения момента инерции ротор выполняется тонкостенным в виде полого стакана из немагнитного материала. Внутри ротора размещается неподвижный стальной шихтованный сердечник, по которому замыкается магнитный поток.

Амплитудные значение ЭДС и передаточного коэффициента ТГ:

E_вых.m = k_тг ∙ω,

. (47)

Коэффициенты А и В:

, (48) ,

где ; – приведённое к обмотке статора сопротивление ротора; - индуктивное сопротивление намагничивания; R_c и х_c – активное и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

ω_* = ω/ ω_с – относительная скорость ротора; ω – изменяемое значение скорости; ω_с – синхронная скорость ротора.

Рисунок 42 – Характеристики управления тахогенератора переменного тока

Асинхронные тахогенераторы имеет достаточно высокую точность. Линейность характеристик определяется погрешностью менее 0,5%. По сравнению с тахогенераторами постоянного тока обладает существенно меньшим передаточным коэффициентом.

Существенными преимуществами в точности по сравнению с аналоговыми имеют цифровые датчики скорости.

Рисунок 43 – Структурная схема цифрового датчика скорости

Структурно в датчике выделяются две части: датчик импульсов ДИ и счетчик импульсов СИ. ДИ является импульсным преобразователем и преобразует угловую скорость вала в импульсы с частотой f, пропорциональной скорости. Задача кодового преобразователя СИ как счетчика импульсов формировать на интервале измерения Т цифровой код А_n выходной величины датчика скорости.

Рисунок 44 – Кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов

ДИ выполняется на основе фотоэлектрического кодового диска (рисунке 43) и вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на 90⁰, которые используются для определения величины и знака угловой скорости. На двух дорожках расположены пропускающие свет щели. Свет от источников ИС1 и ИС2 через щели попадает на фотодиоды BL1 и BL2, которые при этом открыты и пропускают ток. Когда щель выходит из луча света, фотодиоды запирают цепь. При вращении диска с угловой скоростью w фотодиоды дают чередование максимального и минимального сигналов с частотой

, (49)

где N_ди – импульсная емкость кодового диска (число импульсов на один оборот диска).

Среднее значение скорости определяется числом импульсов N на периоде измерения T:

. (50)

Точность цифрового датчика увеличивается с увеличением измеряемой скорости и периода измерения.