Глава вторая. ЧАСТОТНЫЕ ДАТЧИКИ И ЗАДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

1. ЧАСТОТНЫЕ ДАТЧИКИ РЕГУЛИРУЕМЫХ ВЕЛИЧИН

Внедрение средств и методов цифровой вычислительной техники в системы автоматического управления и контроля позволили резко повысить точность задающих устройств, органов сравнения и устройств обработки информации. В связи с этим выбор и разработка простых и надежных датчиков с высокой разрешающей способностью, а также

(кликните для просмотра скана)

помехозащищенностью (что важно, так как потеря информации в датчике об измеряемом объекте в дальнейшем уже не восполнима) стали одними из основных вопросов при проектировании любой системы.

В настоящее время широко распространены три типа датчиков: амплитудные, кодовые и частотные.

Частотные датчики являются наиболее простыми и универсальными. Они обладают достаточно высокой разрешающей способностью, сравнительно большой мощностью выходных сигналов и высокой помехоустойчивостью, присущей частотной модуляции. Эти датчики легко стыкуются с вычислительными машинами и комплексами.

Кроме того, обработка и интегрирование частотных сигналов, а также получение образцовых мер частоты с большой стабильностью осуществляются простыми техническими средствами.

Преимущества, связанные с использованием частотных сигналов, а также относительная простота построения частотных датчиков по сравнению с кодовыми привели к интенсивной разработке частотных датчиков для измерения практически всех физических величин.

Частотные датчики можно разделить по двум основным признакам: по механизму действия и по типу физической системы, осуществляющей преобразование [22]. По механизму действия частотные датчики делятся на частотно-зависимые, развертывающие и интегрирующие, статистические. По типу физической системы — на электромагнитные, механические, корпускулярные, тепловые, химические.

Рассмотрим датчики частоты вращения. Они имеют естественную периодичность выходного сигнала и относятся к развертывающим по механизму действия.

Принцип работы датчика частоты вращения, основанного на использовании элементов Холла, виден из рис. 10, а. Элемент Холла представляет собой четырехполюсник,

напряжение на выходных зажимах которого пропорционально величинам входного тока и индукции магнитного поля, в котором находится элемент. В зависимости от того, находится ли элемент Холла под северным или южным полюсом магнита, напряжение на его выходных зажимах положительное или отрицательное. Датчик частоты вращения представляет собой магнитный диск 1 с двумя измерителями магнитного потока (элементами Холла) 2, расположенными в пространстве так, чтобы обеспечивался сдвиг в половину шага, если за шаг принять расстояние между полюсами магнитов. Такое расположение измерителей магнитного потока позволяет с помощью логической схемы рис. 10, б различать направление вращения.

Рис. 11. Фотоэлектрический датчик частоты вращения

Временные диаграммы для направления вращения Вперед показаны на рис. 10, в, а Назад — на рис. 10, г. При вращении магнитного диска сигналы на выходах элементов Холла имеют синусоидальную форму и сдвинуты между собой на угол (рис. 10, в, г). Эти синусоиды поступают на преобразователи 3 (рис. 10, а), которые преобразуют их в сигналы прямоугольной формы. По фронтам этих сигналов с помощью формирователей 4 формируются короткие импульсы постоянной длительности (на рис. 10, в, г, ). Логическая схема, показанная на рис. предназначена для определения направления вращения. Она состоит из восьми двухвходовых схем И и двух четырехвходовых суммирующих схем ИЛИ. Работа логической схемы видна из временных диаграмм рис. 10, в, г. С помощью описанного датчика частоты вращения можно получить 2400 прямоугольных импульсов постоянной длительности за 1 оборот диска.

Датчик частоты вращения, основанный на использовании

фотоэлектрической системы, состоящей из осветителя фотоэлемента 2, изображен на рис. 11. В качестве фотоэлементов могут быть использованы фоторезисторы, фото диоды или фототранзисторы. Работа датчика основана на модуляции светового потока, которая осуществляется с помощью диска с отверстиями 4, связанного с объектом измерения. В зависимости от того, попадает световой поток на фотоэлемент или нет, меняется его внутреннее сопротивление, что приводит к появлению на выходе усилителя 3 прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной частоте вращения диска. Для определения направления вращения может быть использована схема рис. 10, б. В качестве датчиков частоты вращения, основанных на фотоэлектрическом способе измерения, применяют датчик типа серийно выпускаемый промышленностью. С помощью этого датчика можно получить за прямоугольных импульсов с амплитудой ±5 В (сопротивление нагрузки не менее 2 кОм) при частоте вращения от 0 до и диапазоне температур от 5 до 50° С.

На этом же принципе основаны и датчики разработанные институтом ВНИИЭлектропривод [10]. Основными элементами датчиков являются светодиоды, используемые в качестве осветительного элемента, металлический диск с прорезями и считывающие щели, установленные перед фотодиодами типа КФДМ. В датчике применен растровый диск и индикаторные пластины, что позволяет увеличить световой поток, падающий на фотоприемник, и усреднять ошибку шага следования линий в растровых звеньях. Выходными сигналами датчиков являются две серии прямоугольных импульсов, сдвинутых относительно друг друга на 90°. Совместно с устройством формирования импульсов датчик вырабатывает 600 импульсов за с амплитудой —12 В. С помощью датчика в зависимости от исполнения можно получить за от 300 до 6000 импульсов. Кроме того, в датчике предусмотрен «нулевой» импульс, фиксирующий

начало отсчета каждого оборота вала датчика, который синхронизирован с двумя выходными сериями импульсов. Амплитуда импульсов при токе не более 30 мА.

Фотоэлектрические датчики частоты вращения проще датчиков, основанных на эффекте Холла, так как в них нет специальных магнитных дисков, но они менее надежны в связи с мальм сроком службы осветительного элемента.

Рис. 12. Принципиальная схема автогенераторного преобразователя частоты вращения в частоту импульсов

Работа автогенераторного преобразователя частоты вращения в частоту импульсов основана на принципе модуляции добротности контура высокочастотного генератора. Использование регенеративного процесса на обоих перепадах делает независимыми глубину и крутизну фронтов модуляции от частоты вращения измерительного элемента в достаточно большом диапазоне. Преобразователь представляет собой стальной диск с зубчатым венцом, при вращении которого чередованию зубцов и впадин в зазоре между торцами двух ферритовых сердечников соответствует изменение величины активных потерь, вносимых в колебательный контур автогенератора на транзисторе VI (рис. 12), в результате чего происходит изменение добротности

контура, а следовательно, и условий возбуждения автогенератора. Наличие конденсатора в эмиттерной цепи автогенератора позволяет совместить в схеме свойства блокинг-генератора и генератора синусоидальных колебаний.

Усиление по мощности и формирование выходных импульсов преобразователя производится каскадами на транзисторах и . Транзистор формирует в режиме ключа прямоугольный импульс со скважностью, соответствующей скважности модуляции. Дифференцирование этого импульса трансформатором позволяет обеспечить запуск заторможенного блокинг-генератора (транзистор ) на каждом из фронтов модуляции, так что одному шагу квантования диска преобразователя соответствует два выходных импульса. Параметры выходных импульсов преобразователя: положительный перепад напряжения — 10 В, нагрузочная способность — до 100 мА, длительность вершины 4...8 мкс, длительность фронтов — 0,5....1 мкс.

Надежная работа преобразователя обеспечивается при частотах рабочей модуляции до 10 кГц, что соответствует частоте выходных импульсов и в диапазоне температур от 0 до

В металлургической и бумажной промышленности в качестве датчиков частоты вращения широко используются тахогенераторы переменного тока. Псковский электромеханический завод освоил выпуск бесконтактных тахоге-нераторов переменного тока повышенной точности типа

По принципу действия трехфазные или шести-фазные тахогенераторы представляют собой индукторные генераторы переменного тока. Сердечник статора и ротор в тахогенераторах шихтуются из листовой электротехнической стали, причем листы ротора выполняются зубчатыми. Катушки статорных обмоток соединяются по трехфазной схеме в звезду, при этом в тахогенераторе образуются две звезды, сдвинутые между собой на (рис. 13). При вращении ротора в обмотке статора

наводится ЭДС, частота которой определяется частотой вращения и числом зубцов ротора. С обмоток статора снимаются синусоидальные напряжения, амплитуда и частота которых пропорциональны частоте вращения. С помощью формирователей импульсов синусоидальные сигналы преобразуются в прямоугольные импульсы постоянной длительности. Выпрямленное с помощью мостовых схем трехфазное или шестифазное напряжение является аналоговым сигналом, характеризующим измеряемую частоту вращения. Знак выходного напряжения в зависимости от направления вращения определяется с помощью логической переключающей схемы.

Рис. 13. Схема электрическая тахогенератора переменного тока ТТ-245

Логические переключающие схемы строятся обычно на принципе определения порядка чередования фаз выходного напряжения тахогенератора. Однако при этом нижний предел диапазона регулирования частоты вращения ограничивается порогом чувствительности входных элементов схемы, т. е. всегда существует зона нечувствительности в области малых частот вращения, где полярность выходного напряжения датчика жестко не связана с направлением вращения.

Для устранения этого недостатка в логических переключающих схемах предусматривают два канала переключения. В основном канале переключения сигнал направления вращения формируется в функции состояния задатчика направления вращения электропривода (командоаппарата) и вводится при нулевом значении скорости. Для устранения инверсного включения обратной связи в режимах, когда задатчик направления находится в нулевом положении (например, режим торможения или ползучей скорости),

Рис. 14. (см. скан) Схема датчика обратной связи по часште вращения: ЗНВ — зздатчик направления вращения; BP — тахогенератор; А — выходной операционный уснлнтель; ЛС — логическая переключающая схема

предусматривается второй вспомогательный канал, построенный на принципе определения направления вращения по порядку чередования фаз выходного напряжения тахо-генератора, причем второй канал вступает в действие, когда выходное напряжение тахогенератора превышает порог чувствительности входных элементов схемы и блокирует действие основного канала.

Принципиальная схема датчика обратной связи частоты вращения показана на рис. 14 [3]. При нулевом значении

частоты вращения напряжения на фазных обмотках тахо. генератора равны нулю. При этом на выходах формирователей прямоугольных импульсов 1...3 устанавливаются сигналы, соответствующие логической единице. В зависимости от выбранного направления вращения электропривода на одном из входов задатчика направления появится сигнал логической единицы, поступающий на один из входов 4 или 5 двух четырехвходовых схем И, на три других входа которой поступают сигналы с формирователей. Логическая единица с выхода схемы И (например, схемы 4) поступает через схему ИЛИ 15 на вход триггера управления 17. Сигнал с выхода триггера, управляя транзисторным ключом V, определяет полярность выходного напряжения датчика.

В режиме разгона электропривода (начало вращения) на выходе тахогенератора появляется трехфазное напряжение, причем одному направлению вращения соответствует порядок чередования фаз АБС, а другому направлению — АСВ. Как только один из формирователей изменит свое состояние, с одного из входов 4 или 5 схем И снимаются сигналы логической единицы, что приводит к запрету прохождения сигнала от задатчика направления через схемы И на триггер управления 17, т. е. к блокировке основного канала определения направления вращения и вступлению в работу вспомогательного канала.

Вспомогательный канал определения направления по порядку чередования фаз построен следующим образом. Выход каждого фазного формирователя соединен с двумя двухвходовыми 9... 14 схемами И и с формирователями коротких импульсов 6...8. В схемах И, первые входы которых соединены с выходами фазных формирователей, вторые входы подключаются к формирователям коротких импульсов других фаз. Одна группа 9, 11, 13 схем И выделяет импульсы, свидетельствующие об одном направлении вращения, а вторая группа 10, 12,14 схем И выделяет импульсы, свидетельствующие о противоположном направлении вращения.

Выходы схем И каждой группы через элементы 15 и 16 схемы ИЛИ соединены с входами триггера управления. q помощью такой схемы можно определять направление вра дения в режимах остановки и ползучей скорости, когдг отсутствует сигнал задатчика направления.

Таблица 1 (см. скан)

В режиме реверса природа схема работает следующим образом. С поступлением команды на реверс сигнал логической единицы появится на противоположном выходе задатчика направления. На выходе соответствующей четырехвходовой схемы И появится сигнал логической единицы только в момент, когда частота вращения достигнет нулевого значения и на выходах всех фазных формирователей установятся логические единицы. Этот сигнал,воздействуя через схему ИЛИ на триггер управления, изменяет его состояние, что приводит к изменению полярности выходного сигнала датчика. С началом вращения в другую сторону вступает в работу вспомогательный канал, и дальнейшая работа схемы протекает так же, как в режиме разгона. С помощью вспомогательного канала определения направления вращения выделяются импульсы данного направления вращения, которые, поступая через схему ИЛИ на вход триггера управления, подтверждают его состояние.

Тахогенераторы переменного тока являются одновременно амплитудными и частотными датчиками. Это их существенное преимущество по сравнению с другими датчиками частоты вращения.

Основные технические данные тахогенераторов типа ТТ приведены в табл. 1.

Приведенные выше датчики частоты вращения могут использоваться и как датчики положения, если одному периоду квантования частоты будет соответствовать единица измеряемой величины, а количество периодов будет подсчитываться и фиксироваться. При этом емкость счетчика и регистра памяти должна быть достаточная для измерения полного перемещения.

Другой вид частотных датчиков положения также относится к электромагнитным по физической системе, но по механизму действия уже принадлежит к частотно-зависимым системам.

Эти датчики выполняются на основе управляемых LC-, LR- и -генераторов, в которых изменение индуктивности L, емкости С или сопротивления R приводит к изменению частоты и позволяет получить зависимость между положением объекта и частотой выходного сигнала. Наиболее распространены датчики, основанные на LC- и -генераторах, в которых осуществляется изменение индуктивности L контура за счет перемещения сердечника катушки, кинематически связанного с объектом измерения [9, 20]. В датчиках, основанных на С-генераторах, частота изменяется при изменении емкости С конденсатора, одна из обкладок которого механически соединяется с измеряемым объектом [22].

Температурную нестабильность компенсируют, используя термосопротивления в цепях, определяющих частоту генератора, или применяют балансные схемы.

Существуют другие частотные датчики регулируемых величин, многие из которых используются в цифроаналоговых системах управления, описанных в работах [2, 8, 9, 20, 22].