Датчики обратной связи

В устройствах автоматики станков с ЧПУ нашли применение аналоговые и дискретные информационные машины (датчики), выполняющие преобразование линейных или угловых механических перемещений в электрические величины.

Метрологические характеристики датчиков:

  1. статическая характеристика датчика, представляющая собой зависимость изменения выходной величины от изменения входной величины;
  2. чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины, т. е. чувствительность датчика есть не что иное, как коэффициент передачи;
  3. порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе (этот параметр связывают с зоной нечувствительности, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует);
  4. инерционность датчика - время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине;
  5. точность выполняемых ими функциональных преобразований, которую принято характеризовать величинами основных и дополнительных погрешностей.

По характеру зависимости выходного сигнала от входного датчики могут быть: пропорциональные, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине; нелинейные, у которых сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе; релейные, у которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно; импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов-импульсов, число которых пропорционально измеряемой величине.

По виду преобразования сигналов датчики делят на электроконтактные, в которых механическое перемещение преобразуется в электрический сигнал; индукционные, у которых изменение угла поворота вызывает изменение фазы электрического сигнала; фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в импульсы или комбинации импульсов.

По назначению измерительные устройства совместно с датчиками в станочных системах ЧПУ могут подразделяться на устройства: пути, положения, скорости, углового положения и угла рассогласования. Распространение получили устройства, в которых в качестве датчиков используют вращающиеся трансформаторы, сельсины, тахогенераторы и индуктосины.

Измерительные индукционные устройства следящего привода станков с ЧПУ дают информацию о действительном положении рабочего органа и скорости его перемещения. Они состоят из собственно датчика, его устройства связи с рабочим органом и схемы обработки выдаваемых датчиком сигналов. В качестве индукционных датчиков измерительных устройств могут быть использованы: вращающиеся трансформаторы, сельсины, тахогенераторы, индуктосины, редусины и др.

Вращающийся трансформатор типа ВТМ-1М представляет собой индукционную электрическую машину, у которой выходное напряжение является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. Вращающиеся трансформаторы (табл. 20) используют в качестве датчиков обратной связи по положению и углу в измерительных устройствах.

Датчики обратной связи

Вращающийся трансформатор состоит из корпуса; статора и ротора, на которых размещены две одинаковые однофазные обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90°; крышки, на которой размещен щеточно-коллекторный узел; вала на котором размещен ротор; подшипников и передней крышки. Магнитопровод микромашины изготавливают из листов электротехнической стали или пермаллоя, листы изолированы друг от друга.

Вращающиеся трансформаторы могут работать в режиме поворота ротора или в режиме его вращения. В обоих случаях ротор, соединенный с исполнительным механизмом, при работе меняет свое положение относительно статора в соответствии с перемещением исполнительного механизма.

Датчики обратной связи

При работе в первом режиме (рис. 52, а) обмотка статора 2 присоединяется к сети переменного тока ЕВ, а компенсационная обмотка 1 (квадратурная) - к некоторому резистору R и закорачивается. В некоторых схемах обе обмотки получают независимое питание переменным током. Обмотки ротора 3 (косинусная) и 4 (синусная) присоединяются к контактным кольцам Р2 и Р3. Для уменьшения числа контактных колец концы двух обмоток ротора присоединяются к общему кольцу P1.

Рассмотрим принцип действия вращающегося трансформатора. Переменный ток в обмотке 2 возбуждает магнитный поток, пульсирующий с частотой сети. При холостом ходе в обмотках 3 и 4 будет наводиться ЭДС Es и Ес с частотой, которая равна частоте сети, а действующее значение зависит от положения ротора относительно статора. При угле поворота α = 0 наводимая в роторных обмотках ЭДС Ес = 0 и Es = Emах.

При повороте ротора на угол α ≠ 0

Датчики обратной связи

Датчики обратной связи

где Emах- максимальное значение ЭДС в обмотке ротора при совпадении ее оси с осью обмотки 2 статора; ЕB - ЭДС, индуцируемая потоком Фд в обмотке 2 возбуждения без учета потерь в обмотке статора; к - коэффициент трансформации между обмотками ротора и статора, равный отношению числа витков вторичной (3 или 4) и первичной (1 или 2) обмоток.

Вращающийся трансформатор, используемый в режиме непрерывного вращения (рис. 52, б), имеет синусную и косинусную обмотки, расположенные на статоре, и обмотки возбуждения и компенсационную, расположенные на роторе. Обмотка статора питается переменным напряжением при сдвиге по фазе на 90°:

Датчики обратной связи

Соответственно токи в этих обмотках возбуждают два магнитных потока: продольный Фd и поперечный Фд, пульсирующий с частотой сети. ЭДС индуктируется в обмотке 4 ротора и определяется суммарным значением потока, которое меняется в зависимости от изменения угла α поворота ротора относительно статора. Если пренебречь потерями в обмотках статора, то ЭДС в обмотке ротора

Датчики обратной связи

Это выражение показывает, что ЭДС, индуктируемая в роторе, меняется не по значению, а по фазе при изменении угла а. Это обстоятельство дает возможность использовать трансформатор, работающий в режиме непрерывного вращения в качестве измерителя рассогласования в фазоимпульсных измерительных системах программного управления.

Основными выходными характеристиками вращающегося трансформатора являются синусно-косинусная характеристика и зависимость напряжения на вторичной обмотке от напряжения на обмотке возбуждения при постоянном сопротивлении нагрузке и постоянном угле поворота.

Условия эксплуатации вращающихся трасформаторов: температура -45... +45° С; относительная влажность окружающего воздуха 95 % при 25° С; допустимая вибрация мест крепления с частотой 10 Гц при ускорении lg; отсутствие при эксплуатации ударов; рабочее положение - любое.

Сельсины типа БД-404НА, БС-404НА и БС-155А (табл. 21) предназначены для работы в индикаторном или трансформаторном режиме в измерительных системах станков с ЧПУ и в автоматизированных системах управления роботами для получения информации об углах поворота узлов и механизмов оборудования.

Датчики обратной связи

Сельсин типа БД-404НА представляет собой электрическую микромашину с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной вторичной обмоткой, называемой обмоткой синхронизации. В зависимости от конструкции обмотка возбуждения сельсина может быть расположена на статоре или роторе.

Статор 5 бесконтактного сельсина (рис. 53) набирают из листовой электротехнической стали с поперечной шихтовкой. Трехфазную обмотку синхронизации 3 укладывают в пазы статора, а лобовые части ее отгибают. Пакет статора впрессовывают в алюминиевый корпус и укрепляют его на выступах между продольными пакетами во внешнем магнитопроводе 4. По обе стороны статора укладывают обмотки возбуждения 2, выполненные в виде колец, которые удерживаются впрессованными кольцевыми тороидами 1, которые набирают из листовой трансформаторной стали с поперечной шихтовкой. Для уменьшения паразитных зазоров между боковыми кольцами и пакетом внешнего магнитопровода места посадки и сами кольца шлифуют. Ротор 6 сельсина имеет два полюса 7 и 8, разделенных немагнитными промежутками. Полюсы ротора набирают из изолированных листов электротехнической стали, расположенных в аксиальном направлении и укрепленных на оси посредством заливки алюминием, который является основным крепящим материалом ротора.

Принцип действия бесконтактного сельсина (рис. 53). Пусть в данный момент времени магнитный поток направлен справа налево.

Датчики обратной связи

Чтобы магнитный поток замкнулся вокруг обмоток возбуждения, ему необходимо пройти из правого полюса в левый. Однако между полюсами ротора имеется большой немагнитный промежуток, который оказывает потоку большее сопротивление. Вследствие этого поток устремляется в обход этого промежутка через воздушный зазор между правым полюсом ротора и статором, а затем по зубцам статора через воздушный зазор между статором и левым полюсом ротора снова попадает в магнитную цепь ротора.

Затем поток через воздушный зазор проходит левый тороид, из которого попадает в стержни внешнего магнитопровода, правый тороид и, пройдя через воздушный зазор между правым тороидом и ротором, замыкается в правом полюсе ротора.

Проходя по статору, магнитный поток обмотки возбуждения складывается с магнитным потоком обмотки синхронизации и в ней наводится ЭДС. Магнитное взаимодействие обмотки возбуждения с той или иной фазой обмотки синхронизации зависит от положения ротора с его магнитопроводом.

Условия эксплуатации сельсинов: температура воздуха - 50... + 50е С; относительная влажность окружающего воздуха не более 98 % при 25° С; электромашины должны работать нормально при вибрации с частотой 10 Гтл и ускорением 0,6g. При эксплуатации условиями поддержания высокой надежности вращающихся трансформаторов и сельсинов являются: 1) правильный выбор и соблюдение электрических и эксплуатационных режимов работы; 2) соблюдение правил монтажа, механического и электрического сопряжения (несоосность сочленения валов 0,01 мм).

Перед установкой микромашины в устройство управления станком необходимо: 1) удалить смазочный материал с концов вала марлей, смоченной бензином, при этом необходимо исключить попадание бензина в подшипниковые узлы; 2) протереть контактные кольца у контактных электромашин батистовой лентой, смоченной спиртом. При установке микромашин в устройство станков не допускаются удары по ним. При эксплуатации по мере необходимости, но не реже чем через каждые 250 ч, удалять из микромашин пыль продувкой сухим чистым сжатым воздухом, протереть контактные кольца батистовой тряпочкой, смоченной спиртом. Клеммная панель микромашины должна содержаться в чистоте, при пайке проводов к лепесткам не допускать их длительное нагревание. Тахогенераторы используют в качестве датчиков в измерительных системах обратной связи по скорости. Тахогенераторы типа ТД, ПТ, ТГ и ТМГ (табл. 22) - малоинерционные реверсивные микромашины постоянного тока с независимым возбуждением - предназначены для преобразования частоты вращения в пропорциональный электрический сигнал.

Встроенные в электродвигатели серии 2П тахогенераторы типа ТС1 входят в состав комплексного электропривода (серий ЭТ6, БТУ и др.). Конструктивно тахогенератор представляет собой коллекторную микромашину постоянного тока с независимым возбуждением.

Датчики обратной связи

Сердечник якоря тахогенератора составлен из штампованных листов электротехнической стали, в пазах сердечника размещена обмотка якоря. Спрессованный сердечник якоря в осевом направлении удерживается нажимными шайбами. Эти шайбы имеют кольца, на которые опираются лобовые части обмотки якоря. На валу якоря размещен коллектор. В корпусе тахогенератора установлены башмаки

Датчики обратной связи

из электротехнической стали, на которых закреплены обмотки возбуждения. Две крышки с подшипниковыми узлами устанавливают в корпус и центрируют проточками. Крышки крепят между собой за счет сквозных шпилек. На задней крышке смонтированы щеточный узел и клеммная панель.

По принципу действия тахогенератор является электрической коллекторной микромашиной, работающей в генераторном режиме. Обмотка возбуждения тахогенератора с независимым возбуждением питается напряжением постоянного тока UB (рис. 54,а).

Показателями тахогенератора постоянного тока являются крутизна нарастания напряжения, асимметрия выходного напряжения и зона нечувствительности (рис. 54,6).

При эксплуатации и пусконаладочных работах для поддержания высокой надежности необходимо: 1) не реже чем через 200 ч работы протереть батистовой салфеткой, смоченной спиртом, коллектор и контактное устройство; 2) проверить легкость вращения якоря, поворачивая вал электромашины на 8. . .10 оборотов по и против часовой стрелки; 3) не допускать регулировки и изгиба контактных пружин, так как этим нарушается величина нажатия щеток, что может вызвать нарушение работоспособности микромашины; 4) не допускать регулировку крепежных винтов, что может привести к разрегулировке; 5) не допускать установки электромашин вблизи мест скопления металлической пыли, стружки или опилок; 6) не допускать ударов при установке микромашин; 7) не допускать перегрева контактов и их изгибания при подключении электроприводов.

Датчики обратной связи

Преобразователь измерительный фотоэлектрический BE-178 (табл. 23) предназначен для преобразования угла поворота вала датчика в сигнал, содержащий информацию о величине и направлении этого поворота. Перед монтажом датчика необходимо удалить смазочный материал с поверхностей. После этого поверхности надо протереть насухо салфеткой. Работы по расконсервации должны проводиться так, чтобы растворитель и смазочный материал не попали на резиновые, пластмассовые детали, поверхности с лакокрасочными покрытиями и контактные соединения.

Для приработки подшипников датчика его вал прокручивают с частотой 1000 об/мин в течение 2. . .3 ч. Преобразователь состоит из механической, оптической и электронной частей. Механическая часть обеспечивает точное вращение вала преобразователя.

Оптическая система (рис. 55) проводит световой поток от светодиода 1 через линзу 2, растровую индикаторную пластину 3 и растровый диск 4. При вращении растрового диска меняется световой поток, который попадает на фотодиоды 5 и 6.

Датчики обратной связи

Растровый диск и растровая индикаторная пластина в паре создают растровое сопряжение. На индикаторной пластине растры расположены в два сектора, сдвинутые один относительно другого на 1/4 шага растров. Два фотодиода, установленные под каждым из секторов растровой индикаторной пластины и сопрягаемые с ними растрами диска, выдают первичные сигналы ОСН и СМ.

Фотодиод, расположенный в центральной части растрового диска, выдает первичный сигнал начала отсчета Н. Первичные сигналы поступают на входы усилителей, где усиливаются до необходимого значения и через формирователи преобразуются в прямоугольные импульсы (рис. 56).

      Датчики обратной связи

Точность работы следящего привода подачи зависит от погрешностей измерительной системы обратной связи, датчиков обратной связи, погрешностей передаточных механизмов привода и самого рабочего органа станка.

Измерение перемещения рабочего органа преобразователем BE-178 основано на фотоэлектрическом принципе считывания штрихов шкалы линейки.

На линейке нанесены деления - штрихи, расстояние между которыми равно их ширине (рис. 57).

Датчики обратной связиДатчики обратной связи

Конструктивно штрихи и зазоры выполнены так, что имеют различную светопроницаемость. Проходящие световые лучи попадают в отверстие растровой линейки и после усиления оптической системой улавливаются фотодиодами, в которых световой поток преобразуется в электрический сигнал. Поскольку отверстия растровой линейки для каждой пары фотодиодов смещены на 1/4 периода (соответствует электрическим 90°), электрические выходные сигналы при взаимном перемещении линеек сдвинуты по фазе на соответствующую величину. Синусоидальные сигналы преобразуются в прямоугольные, и оцениваются их передние и задние фронты. Оценка последовательности передних фронтов импульсов дает информацию о направлении вращения датчика, а значит, и направлении движения рабочего органа (сумма импульсов - это измеряемое перемещение).

Стенд для контроля и измерения основных параметров фотоим- пульсных датчиков изображен на рис 58,а. Измеряемые характеристики: скважность выходных импульсов, количество импульсов на оборот вала, фазовый сдвиг между основными и смещенными импульсами, определение правильности фаз сигналов и взаимного их расположения на временной оси, включая сигналы Н и Н. С помощью осциллографа на стенде можно измерить: уровень сигналов, несовпадения фронтов основного импульса и начала отсчета, длительность сигнала. На стенде осуществляется автоматический и ручной контроль наличия выходных сигналов датчика.

Рассмотрим работу на стенде в ручном режиме при измерении скважности. На подставку устанавливается фотоимпульсный датчик, фиксируют его стопорными винтами, подключают разъем питания. Соединяют с помощью гибкого валика приводной электродвигатель с валом датчика. После включения вводного автомата стенд готов к работе.

Датчики обратной связи

При измерении скважности на стенде необходимо нажать кнопку „Счет скважности S” и „Ручной режим” (рис. 58,6). С помощью кнопок ОСН, ОСН, СМ, СМ, Н и Н, выбрать один из измеряемых сигналов датчика BE-178: ОСН, СМ, Н или инверсные им сигналы ОСН, СМ, Н. Нажать кнопку „Пуск” и через 1... 50 с в зависимости от частоты вращения вала приводного двигателя значение скважности индуцируется на четырехразрядном цифровом семисегментном индикаторе S Х 1000/N, причем для сигнала Н измеряется скважность инвертируемых импульсов. Для повторного измерения необходимо снова нажать кнопку „Пуск”.

При измерении числа импульсов за оборот вала датчика в ручном режиме необходимо нажать кнопку N „Счет количества импульсов на оборот” и кнопку „Ручной режим”. Нажатием соответствующей кнопки выбрать для измерения один из четырех сигналов датчика ОСН, ОСН, СМ или СМ. Нажать кнопку „Пуск”. После окончания счета на цифровом индикаторе S x l000/N высветится число импульсов за один оборот вала датчика одного из четырех выходных сигналов. Для повторного измерения необходимо нажать кнопку „Пуск”.

При автоматическом режиме измерения скважности необходимо нажать кнопку „Счет скважности” и кнопку „Автоматический режим”. Дальнейший порядок работы сохраняется таким же, как и при ручном режиме, с тем лишь различием, что пуск измерения осуществляется автоматически каждый раз после окончания счета. Индикация скважности при этом сохраняется в течение одного оборота вала датчика. Индикатор над кнопкой „Пуск” не гаснет. Для останова счета достаточно перевести работу стенда в ручной режим, нажав соответствующую кнопку, или кнопкой „Сброс” остановить работу стенда.

При автоматическом режиме работы для измерения числа импульсов за один оборот вала датчика необходимо нажать кнопку „Счет количества импульсов на оборот” и кнопку „Автоматический режим”. Одной из кнопок ОСН, ОСН, СМ или СМ выбрать для измерения соответствующий сигнал и нажать кнопку „Пуск”. После окончания подсчета количества импульсов за оборот, дальнейший пуск осуществляется автоматически, индикация сохраняется в течение трех оборотов вала датчика. Индикатор над кнопкой „Пуск” не гаснет.

Работа стенда в режиме „Контроль”. После нажатия кнопки К над ней загорается светодиодный индикатор. При отсутствии любого из четырех сигналов ОСН, ОСН, СМ и СМ с выхода датчика BE-178 в течение приблизительно 1,5 мс или одного из двух сигналов Н и Н в течение 1,5 с загорается индикатор „Внимание”.   

Шесть индикаторов 1... 6 над кнопками ОСН, ОСН, СМ, СМ, Н и Н служат для визуального контроля наличия импульсов и определения неисправного канала при пропадании одного из сигналов даже на короткое время.

Если датчик неисправен, горят четыре светодиодных индикатора 1. . .4 с разной степенью яркости. При пропадании одного или нескольких сигналов из четырех ОСН, ОСН, СМ или СМ соответствующие индикаторы будут погашены, а остальные загорятся с максимальной яркостью. Индикаторы 6 и 7 будут мигать по-прежнему. Таким образом, при загорании индикатора „Внимание!” определяют неисправный канал. Для сброса индикатора „Внимание!” необходимо нажать на кнопку „Сброс”, для повторного режима „Контроль” - кнопку К.

Измерительная система станка с ЧПУ, выполненная на вращающемся трансформаторе типа ВТМ-1М для косвенного измерения углов поворота, представляет собой миниатюрную электрическую машину (рис. 59) с точной измерительной обмоткой. Ее ротор имеет одну обмотку, а статор - две обмотки, электрически перпендикулярные одна к другой. Поскольку ротор датчика отслеживает движение рабочего органа, разность индуцированного и питающего напряжений индукционного вращающегося датчика пропорциональна углу поворота ротора (фазовое измерение).

Датчики обратной связи

Неисправности вращающихся трансформаторов можно обнаружить, подавая на их обмотки гармонический сигнал и фиксируя его искажение. Гармонический контрольный сигнал подается в замкнутый контур (точки Р1 и Р2), образуемый обмотками ротора (см. рис. 59, а). Искажение (рис. 59,6) этого сигнала по амплитуде позволяет обнаружить наличие межвитковых замыканий, обрыва обмоток и линий связи в контролируемых трансформаторах. Поскольку при вращении ротора уровень выходного напряжения меняется, то при обнаружении неисправности необходимо установить ротор в нулевое положение, либо зафиксировать номинальное значение напряжения, соответствующее положению ротора трансформатора.

Индуктосин - это циклическое аналоговое устройство для прямого измерения линейных перемещений. По принципу работы он аналогичен синусно-косинусному трансформатору. Индуктосин состоит из двух перемещающихся друг относительно друга деталей: линейки и головки (рис. 60). Обмотки линейки и головки получают травлением печатных схем на несущей металлической плите. Шаг отдельных проводников на головке и линейке одинаков. Сопротивление печатной обмотки линейки (4,5±1) Ом, каждой обмотки головки (2±0,2) Ом. Обмотка головки разделена на две секции со сдвигом одной относительно другой на 1/4 шага обмотки.

Датчики обратной связи

Смотрите также