1081

Чаще всего датчик положения ротора совмещен с импульсным или импульсно-фазным датчиком положения для следящего электропривода.

10.4. ТАХОГЕНЕРАТОРЫ

Тахогенераторами (ТГ) называют электрические микромашины и приборы, предназначенные для преобразования угловой скорости контролируемого вала в электрический сигнал. Поскольку в электрических машинах ЭДС вращения пропорциональна угловой скорости ротора, то в качестве ТГ могут быть использованы различные типы электрических генераторов: асинхронные, постоянного тока, синхронные и др.

В системах автоматического контроля и управления с помощью ТГ можно:

–измерять угловые скорости различных механизмов;

–производить электрическое дифференцирование и интегриро-

вание;

–демпфировать следящие системы.

Для электрического дифференцирования по времени какой-либо функции угол поворота ТГ (t) должен быть пропорционален дифференцируемой функции. Выходное напряжение ТГ в этом случае определяется по формуле

391

Входной сигнал этой схемы – напряжение U (t), выходной – угол поворота ротора ТГ. При достаточном быстродействии исполнительного двигателя, управляемого через усилитель, его скорость в лю-

бой момент времени такова, что u (t) = Uтг. Поскольку Uтг = k d /dt, то

= 1/k ∫u (t) dt.

Для ТГ, применяемых в подобных вычислительных устройствах до 1985 г., наиболее важными параметрами и характеристиками являлись высокая линейность зависимости выходной ЭДС от угловой скорости ротора, минимальная выходная ЭДС при заторможенном роторе, стабильность характеристик при воздействии механических и климатических факторов. Отклонение от линейной зависимости для выходной ЭДС ТГ этого типа составляет 0,02÷0,1 %.

Для демпфирующих ТГ более важное значение имеют крутизна выходной ЭДС, отсутствие в ее кривой пульсаций, малый момент инерции ротора. Требования к погрешности воспроизведения линейной зависимости выходной ЭДС таких ТГ находятся на уровне нескольких процентов. Скоростное демпфирование следящей системы

спомощью ТГ состоит в том, что выходная ЭДС ТГ складывается

ссигналом измерителя угла рассогласования осей и подается через усилитель на исполнительный двигатель. Наличие такой обратной связи по скорости позволяет устранить в системе перерегулирование, при котором система приходит в согласованное положение после нескольких качаний.

10.2.1. Асинхронный тахогенератор

Асинхронный тахогенератор (АТГ) имеет на статоре две обмотки, сдвинутые в пространстве на электрический угол 90 (рис. 10.34). Одна из них – обмотка возбуждения f подключается к сети, с другой – генераторной обмотки г снимается выходное напряжение ТГ. Ротор АТГ представляет собой полый немагнитный цилиндр с большим активным сопротивлением. Для уменьшения влияния неравномерности воздушного зазора и несимметрии ротора на выходную характеристику прецизионные ATГ обычно выполняют с р ≥ 2.

392

с током объясняется большим активным сопротивлением материала ротора. Токи, наведенные в роторе, создают поток, ось которого совпадает с осью генераторной обмотки, и наводят в ней ЭДС частоты, равной частоте сети.

Погрешности АТГ можно разделить на амплитудные и фазовые. Амплитудная погрешность

∆Uтг (%) = 100 (Uтг – Ui) / Uтг ном,

где Uтг = f (n0) – реальная характеристика ТГ; Uтг = k n0, – идеальная характеристика; k – коэффициент пропорциональности; Uтг ном = Uтг при n0 = nном – номинальное выходное напряжение при номинальной частоте вращения.

Фазовая погрешность ∆φ – отклонение фазы Ùтг от фазы напряжения, принятой за базовую.

Погрешность ∆U зависит помимо параметров самого ТГ от принятого коэффициента k, т.е, от того, как отградуирован ТГ. На рис. 10.35 представлены одна реальная и три (при различных k) идеальные характеристики АТГ. Из рис. 10.35 видно, что ∆Umax существенно зависит от частоты вращения, при которой Uтг = Ui. Исследованиями В.В. Хрущева установлено, что минимальное значение ∆Umax соответствует идеальной характеристике, проведенной через точку кривой Uтг (n), соот-

ветствующей n0 = Ҳ√3 nном/2.

В зависимости от причин, вызывающих появление ∆U и ∆φ, последние можно разделить на скоростные, температурные и частотные. Не вдаваясь в физическую сущность погрешностей, приведем отдельные рекомендации, позволяющие при эксплуатации ТГ свести эти погрешности к минимуму. С целью уменьшения скоростных погрешностей диапазон рабочих частот вращения высокоточных АТГ следует выбирать в пределах n0 = 0,2…0,25, а АТГ следящих систем n0 = 0,5…0,7. В первом случае ∆Un = 0,05…0,1 %, во втором ∆U = 0,2…2,5 %.

Для уменьшения температурных погрешностей АТГ можно последовательно с обмоткой возбуждения включить терморезистор, стабилизирующий активное сопротивление цепи возбуждения. В АТГ высокой точности применяют автоматическое термостатирование. Для этого в пазах обмотки возбуждения располагают термопары, измеряющие

394

температуру. Сигнал с термопар поступает на автоматические регулируемые нагревательные элементы, поддерживающие температуру на заданном уровне.

Частотные погрешности, возникающие при изменении частоты питающего напряжения, на практике устраняются только путем стабилизации частоты источника питания.

Основные достоинства АТГ заключаются в их бесконтактности, высокой надежности, малоинерционности. Недостатки АТГ, ограничивающие область их применения, связаны с нелинейностью выходной характеристики, низкими массогабаритными показателями. АТГ имеют малую крутизну выходного напряжения (не выше 10 В / 1000 об/мин), остаточное напряжение (≈ 50 мВ). Последнее обстоятельство не позволяет применить их в приводах с диапазоном регулирования скорости даже менее 100 (полезный сигнал 100 мВ).

10.2.2. Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока (ТГП) по принципу действия и конструкции не отличаются от обычных генераторов постоянного тока.

Тахогенераторы постоянного тока имеют по сравнению с АТГ ряд преимуществ: выходной сигнал на постоянном токе позволяет создавать простую схему управления; при изменении направления вращения меняется полярность сигнала, что является дополнительной информацией для схемы управления; меньше габариты и масса, проще схема компенсации температурной погрешности.

ТГ постоянного тока бывают коллекторными и бесконтактными с полупроводниковым коммутатором. Основной недостаток коллекторных машин – нестабильность параметров, связанная с изменением переходного сопротивления скользящей контактной пары при внешних воздействиях. Бесконтактные ТГ, реализуемые по принципу вентильных двигателей, имеют зону нечувствительности, повышенный уровень пульсаций и нелинейности выходного напряжения. Это связано с нелинейностью вольт-амперной характеристики элементов коммутатора при микротоках. Тахогенераторы постоянного тока бы-

395

вают с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. Последние применяются только для низкоточных систем. Основными показателями, характеризующими функциональные свойства ТГП, являются крутизна, нелинейность, асимметрия, коэффициент пульсации и температурный коэффициент выходного напряжения.

Крутизна выходной характеристики ТГП S определяется как изменение выходного напряжения на единицу частоты вращения ротора.

Нелинейность изменения выходного напряжения Н представляет собой полусумму абсолютных значений наибольшей положительной и наибольшей отрицательной погрешностей выходного напряжения в отдельных точках характеристики. При этом погрешность выходного напряжения при некоторой установленной частоте вращения в процентах вычисляется по формуле

∆U = (Uвых / Uном – n/nном) ∙100,

где Uвых – выходное напряжение при установленной частоте вращения n; Uном – выходное напряжение при номинальной частоте враще-

ния nном.

На нелинейность оказывают влияние размагничивающее действие реакции якоря и нелинейный характер изменения переходного сопротивления щеточно-коллекториого узла при изменении тока в обмотке якоря. По этим причинам нелинейность напряжения ТГП зависит от нагрузочного сопротивления: при уменьшении нагрузки нелинейность возрастает.

Падение напряжения на щеточно-коллекторном переходе вызывает отрицательное смещение выходной характеристики ТГП на значения ∆Uщ, вследствие чего появляется зона нечувствительности от 0 до nмин = ∆Uщ/S, в пределах которой на выходе ТГП отсутствует напряжение. При изменении направления вращения якоря выходное напряжение ТГП меняет полярность. При этом имеет место неравенство выходных напряжений при разных по направлению и одинаковых по величине частотах вращения – асимметрия выходного напряжения.

396

Т а б л и ц а . 1 0 . 1 3

Классы точности тахогенераторов постоянного тока

Асимметрия выходного напряжения Ат ТГП определяется как отношение абсолютного значения разности выходных напряжений, измеренных при правом и левом направлениях вращения, к сумме этих напряжений при установленном значении частоты вращения ротора. У современных ТГП асимметрия не превышает 0,3÷1 % (табл. 10.13).

Пульсация Uвых складывается из оборотной, полюсной, коллекторной и зубцовой составляющих. Наиболее нежелательными являются низкочастотные пульсации – оборотные и полюсные, частота которых соизмерима с полосой пропускания автоматических систем, что влияет на динамические характеристики систем.

Пиковое значение пульсации или коэффициент пульсации выходного напряжения ТГП определяется в процентах по формуле

Кпул = (∆Uвых/2Uср) ∙ 100,

где ∆Uвых – разность между наибольшим и наименьшим значениями выходного напряжения за один оборот; Uср – среднее значение выходного напряжения, измеренное вольтметром постоянного тока или определенное по осциллограмме.

Зубцовые и коллекторные пульсации могут быть уменьшены на 30÷50 % включением в цепь генераторной обмотки емкостных фильтров. При этом следует учитывать, что при емкостях от 0,01 до 0,1 мкФ увеличивается нелинейность Uвых на 10÷20 %.

397

Температурный коэффициент выходного напряжения ТГП характеризует максимальное изменение Uвых при изменении температуры на 1 С в диапазоне рабочих температур. Эта погрешность при постоянных магнитах возбуждения относительно мала (не более 0,02÷0,04 % на 1 С) и обусловлена только изменением сопротивления обмотки якоря. Высокоточные ТГП рекомендуется применять в счетно-решающих устройствах и прецизионных скоростных следящих системах, точные – в цепях стабилизации скоростных систем средней точности, низкоточные – в цепях коррекции позиционных следящих систем.

На рис. 10.36 представлен тахогенератор типа ТП80-20–0,2, встраиваемый в широкорегулируемые двигатели для станков и промышленных роботов.

Рис. 10.36. Тахогенератор ТП80-20-0,2:

1 – обмотка якоря; 2 – вал двигателя; 3 – втулка; 4 – сердечник якоря; 5 – шайба; 6 – кольцо; 7 – коллектор; 8 – магнит; 9 – сегмент кольца; 10 – щеткодержатель; 11 – обойма щеткодержателя; 12 – пружина; 13 – щетка; 14 – втулка; 15 – гайка; 16 – шайба; 17 – винт;

18 – подшипниковый щит двигателя

398

Технические данные некоторых тахогенераторов постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов приведены в табл. 10.14.

Т а б л и ц а 1 0 . 1 4

Кроме ТГ перечисленных типов применяются синхронные ТГ и индукторные TГ. Синхронные тахогенераторы конструктивно просты, не имеют остаточного напряжения и зоны нечувствительности. Однако частота выходного напряжения пропорциональна

399

скорости вращения (для двухполюсной машины при n = 0,1 об/мин f = 0,017 Гц). Сглаживание сигналов таких сверхнизких частот для получения «гладкого» напряжения ухудшает динамические характеристики систем электропривода. В современных электроприводах полоса пропускания достигает 100÷150 Гц, где применяются только тахогенераторы постоянного тока.

10.4.3. Импульсные датчики скорости

Импульсные датчики имеют на выходе унитарный код – последовательность импульсов, несущую двойную информацию: частота импульсов и количество импульсов. По количеству импульсов можно судить о положении и перемещении объекта, по частоте импульсов можно оценить скорость. Поэтому все импульсные и фазоимпульсные датчики положения могут быть использованы в системах регулирования и индикации скорости.

Вастатических системах стабилизации скорости точность поддержания средней скорости определяется стабильностью сигналов задания и обратной связи, подаваемых на орган сравнения. При применении аналоговых сигналов получаемая точность стабилизации средней скорости не превышает 0,1 %.

Вточных электроприводах в одно время нашли применение частотные формы задания и обратной связи, что позволило повысить точность поддержания средней скорости до 0,01 % и выше. В этом случае

задатчиком чаще всего служит кварцевый генератор, при термостатировании которого погрешность задающего сигнала не превышает 10–6 %. Наиболее широкое распространение получили фотоэлектрические, магнитные, индукционные датчики, обеспечивающие в унитарном коде (1÷10000) импульсов (угловых делений) на 1 оборот вала.

Всистемах точного электропривода широкий диапазон регули-

рования скорости достигается применением несущей частоты fнес импульсного датчика обратной связи, когда выходная частота последнего f2 = fнес ± fвр, где fвр – частота вращения датчика (с учетом числа

400