Фазовые датчики обратной связи

Устройство фазового датчика можно разобрать на следующей элементарной модели. Поместим рядом две обмотки (рис.8.4). Подведем к обмотке А синусоидально изменяющееся напряжение U_A=Usinωt. Возникший в обмотке ток создаст пульсирующий магнитный поток, который наведет ЭДС во вторичной обмотке В, расположенный вдоль потока. На обмотке В напряжение U_B= U₁sinωt (рис.8.4,а). Это устройство напоминает обычный трансформатор с коэффициентом трансформации, определяемым соотношением чисел витков первичной и вторичной обмоток. Начнем поворачивать вторичную обмотку. При повороте обмотки В на угол α (рис.8.4,б) в ней будет наведена меньшая ЭДС, определяемая соотношением U_B=(U₁cosα)sinωt.

Рис.8.4 Наведение ЭДС в обмотке при различных углах ее наклона к пульсирующему магнитному полю.

Если повернуть обмотку В на угол α=90º (рис.8.4,в), пульсирующий магнитный поток перестанет пересекать витки этой обмотки (начнет лишь скользить вдоль них) и в ней не будет наведена ЭДС, т.е. U_B=0.

Графики напряжения (амплитудного значения) подведенного к катушке А и снимаемого с катушки В при разных ее положениях, соответствующих 5/4 оборота, приведены на рис.8.4,г

Если синусоидально изменяющееся напряжение подвести к поворачивающейся катушке, а неподвижными сделать две другие, расположив их под прямым углом друг другу (рис.8.5,а), то при повороте катушки А с катушек В и С можно снимать синусоидальные напряжения, амплитудное значение которых будет изменяться в зависимости от угла поворота α. При равномерном вращении катушки А амплитуды ЭДС, наведенных в катушках В и С, будут изменяться соответственно по закону синуса и косинуса (рис.8.5,б).

Произведем иное подключение катушек: подведем переменное напряжение с амплитудным значением, изменяющимся по закону синуса и косинуса, к неподвижным катушкам (рис.8.6). В реальных схемах датчиков это напряжение получается расщеплением опорного сигнала, относительно которого составлена программа движения (рабочий сигнал) исполнительного устройства. В этом случае образуется вращающееся и импульсирующее магнитное поле, которое будет наводить ЭДС в подвижной катушке. Амплитудное значение ЭДС в каждый момент времени будет зависеть от соотношения фаз магнитного поля и положения катушки (угол α). При изменении этого соотношения появляются фазомодулированный сигнал в виде опережающего или отстающего по фазе напряжения, пропорциональный величине рассогласования. Такое устройство называется вращающимся трансформатором (ВТ), его можно использовать в качестве датчика исполнения в системах управления с фазовой модуляцией. При трех катушках на статоре, расположенных под углом 120º друг другу, аналогичное устройство называется сельсином.

Рис.8.5 Наведение ЭДС двух обмотках, расположенных под углом 90º при различных углах наклона к ним пульсирующего магнитного поля:

а – расположение обмотки; б – графики амплитудных значений наведенных ЭДС

Рис.8.6 Принцип работы вращающегося трансформатора.

Рассмотрим конструкции фазовых датчиков. Вращающийся трансформатор (ВТ) имеет на статоре две обмотки, взаимно сдвинутые в пространстве на 90 электрических градусов (т. е. на 1/4 периода). Статорные обмотки питаются двухфазным напряжением переменного тока со сдвигом фаз 90°. Обмотки статора создают в воздушном зазоре электродвигателя пульсирующее магнитное поле. В бесконтактных ВТ ротор выполняется реактивным, а вторичная (выходная) обмотка расположена на статоре (рис. 8.7). На вторичной (выходной) обмотке ВТ выдается сигнал, соответствующий сдвигу оси пульсирующего магнитного поля относительно оси ротора, связанного с валом двигателя или ходовым винтом. Этот сигнал поступает на схему фазового детектора и усилителя. ВТ обеспечивает точность измерения угла ±5°.

Рис. 8.7 Схема соединения обмоток ВТ (резольвера) с пульсирующим потоком (амплитудной модуляцией): φ_З — угол поворота оси поля относительно оси обмотки, ε — угол рассогласования, О — ось выходной обмотки

В случае необходимости увеличения точности измерения применяют индуктосины, которые, так же как и оптические измерительные преобразователи, выполняются линейными и круговыми.

Рис. 8.8 Линейный (а) и круговой (б) индуктосины:

1 — шкала, 2 — головка

Индуктосин (рис. 8.8) состоит из шкалы (линейной или круговой) и головки, перемещающейся (с зазором) относительно шкалы. На шкале и головке нанесены (фотохимическим способом) плоские обмотки (с шагом, обычно равным 2 мм). Индуктосин фактически является развернутым в плоскости вращающимся трансформатором. На головке имеются две обмотки, сдвинутые друг относительно друга на ¼ периода (рис. 8.9, в). Принцип работы индуктосина основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 8.9, а). Изменение напряжения на выходе при сдвиге головки относительно шкалы поясняется на рис. 8.9, б.

Индуктосин, так же как и ВТ (резольвер), в зависимости от схемы питания может работать в двух режимах — с амплитудной и с фазовой модуляцией питающего напряжения; в первом случае создается пульсирующее, а во втором — смещающееся в пространстве магнитное поле.

При амплитудной модуляции обмотки возбуждения на головке питаются синусоидальными напряжениями U₁и U₂совпадающими по фазе, но разной амплитуды (см. рис. 8.9, в). Амплитуды этих напряжений изменяются (во времени) синусоидально с круговой частотой ω и имеют различную величину, определяемую заданным углом φ, т.е.

U₁=U_msin ωt sinφ; U₂=U_mсos ωt cosφ

где U_m— амплитудное значение напряжения питания;

t— время.

Рис. 8.9 Взаимное расположение обмоток индуктосина (а); напряжение на выходе при сдвиге головки относительно шкалы (б), обмотки шкалы и головки (в):

1 — шкала, 2 — головка

При сдвиге (или повороте) головки относительно шкалы (в пределах шага шкалы) напряжение на выходе изменяется по синусоидальному закону:

U_вых=kU_m sin ωt sin (ψ-pφ)

где к — коэффициент трансформации; р = 1 (для линейного индуктосина) и 180 (для кругового индуктосина)—число пар полюсов преобразователя;

φ — угол поворота ротора относительно статора (для кругового индуктосина) и φ = 360°x/λ (для линейного индуктосина);

х — величина перемещения;

λ— период обмотки (см. рис. 8.6, в).

В режиме фазовой модуляции питание обмоток возбуждения производится напряжением переменного тока равной амплитуды, но сдвинутыми по фазе на 90°, т.е.

U₁=U_m sin ωt; U₂=U_m cos ωt

Выходное напряжение определяется по формуле:

U_вых= kU_m sin(ωt+pφ)

Индуктосин не имеет ферромагнитной системы. Для увеличения выходного сигнала частота питания принимается равной нескольким килогерцам. Индуктосин должен иметь защиту, исключающую попадание ферромагнитной пыли. С индуктосином может работать большинство микропроцессорных УЧПУ.