Фотоэлектрические преобразователи

Большинство современных устройств, созданных на базе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), выполнено по двум конструктивным схемам, в зависимости от того, непосредственно или косвенно угловое перемещение преобразуется в кодовую величину. В первом случае квантуется сам измеряемый угол, во втором - промежуточная аналоговая величина, изменяющаяся пропорционально углу. Таким образом, ФЭП могут быть накапливающего типа, когда измеряемый угол пропорционален числу импульсов, или считывающего типа, когда углу соответствует вполне определенная совокупность импульсов, представляющая код угла.

Накапливающие кодирующие преобразователи: при повороте кодирующего диска на элементарный шаг генерируют соответствующее число электрических импульсов, которые фиксируются счетчиками. Точность ФЭП определяется точностью изготовления диска с отверстиями или щелями. Толщина диска в зоне отверстий 0,8-1,2 мм. В качестве источников излучения используются лампы накали­вания или светодиоды. Фотоприемниками обычно служат кремниевые фотодиоды, имеющие выходное напряжение 20-40 мВ при нагрузке 10 кОм. Для того, чтобы формировать сигналы приемлемых уровней, требуется усиление.

Растровые фотоэлектрические преобразователи:отличаются от простейших ФЭП тем, что перед фотоприемниками вместо измерительной щели поме­щена формирующая решетка. В зависимости от характера воздействия на поток света различают растры пропускающие и отражающие. Про­пускающие растры имеют систему прозрачных и непрозрачных эле­ментов. Отражающие растры выполняют в виде решеток с элементами, зеркально отражающими свет.

Фотоэлектрические преобразователи считывания.Высокой раз­решающей способностью обладают фотоэлектрические преобразова­тели линейных и угловых перемещений в цифровой код, использую­щие прямые методы измерения положения вала. Преобразователи счи­тывания осуществляют непосредственное преобразование углового или линейного положения кодовой маски по отношению к неподвижным считывающим устройствам в кодовую комбинацию. Такой метод изме­рения перемещений обладает рядом достоинств: каждое значение перемещения измеряется относительно жест­ко заданной нулевой отметки и может быть использовано без допол­нительной обработки; не накапливается ошибка считывания; исключается появление относительной или циклической ошибки; истинное значение измеряемой величины сохраняется и при наличии помех; восстановление информации элементарно и не требует допол­нительных затрат

Линейные фотоэлектрические преобразователи. Линейные фотоэлектрические преобразователи (ЛФЭП) выполняют абсолютного (считывающего) и накапливающего типов. ЛФЭП накапливающего типа применяют пропускающие или отражающие растры, изменяющие либо амплитуду либо фазу падающей на фотоприемник волны. При контроле линейных перемещений ЛФЭП позволяют избежать многих трудностей, возникающих при использовании угловых преобразователей, связанных с узлом преобразования линейного перемещения во вращательное. ЛФЭП имеют длинную шкалу и двигающуюся вдоль этой шкалы сканирующую головку, фиксирующую относительное перемещение. В преобразователях кодового типа шкала состоит из рядов непрозрачных и прозрачных областей, отображающих в зависимости от требований двоичный или двоично-десятичный код, аналогично дисковым ФЭП.

Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы применяют в аналого-цифровых преобразователях типа "угол-фаза-код", в системах дистанционной пере­дачи угла повышенной точности, в качестве датчиков обратной связи по углу в следящих системах программного управления автоматами.

Конструкция вращающегося трансформатора. Вращающиеся (поворотные трансформаторы отличаются от статических тем, что конструктивна они выполнены как электрические машины. Пакеты статора и ротора набираются из ластов электротехнической стали или пермаллоя. В пазах статора и ротора расположены обмотки вращаю­щегося трансформатора. Отношение чисел витков обмоток дает коэф­фициент трансформации: . Как правило, .

Вращающиеся трансформаторы выпускают в двух основных ис­полнениях: барабанном (двукполюсные) и дисковом (многополюсные, до ). Вращающиеся трансформаторы выполняют бесконтактными (с числом оборотов ротора 2-3) и с контактными коль­цами.

Вращающиеся трансформаторы предназначены для преобразо­вания угла поворота ротора в напряжения, пропорциональные функ­циям , и , или линейное относительно .

На статоре и роторе синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) имеется по две обмотки, сдвинутые относительно друг друга на угол .

СКВТ выполняет функцию датчика угла поворота, преобразуя угол поворота в один из параметров сигнала переменного тока, снимаемого с роторной обмотки. Отсчет угла поворота ротора про­водят от оси квадратурной обмотки до оси синусной обмотки против направ­ления вращения часовой стрелки. На обмотку возбуждения подается напряжение частотой 400 Гц и выше. Главная особенность СКВТ состоит в том, что при повороте ротора изменяется взаимная индуктивность между обмотками статора и ро­тора, а, следовательно, и амплитуда ЭДС в обмотках ротора, наведенная пульсирующим потоком возбуждения, по синусоидальному (косинусоидальному) закону в функции угла поворота ротора . В синусной обмотке, , в косинусной обмотке . В режиме холостого хода напряжение на зажимах обмоток рото­ра СКВТ будет строго соответствовать заданной форме.

Датчики скорости – тахогенераторы:

Назначение датчиков скорости (ДС) – преобразование угловой скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. В системах АЭП ДС используются для реализации обратной связи по скорости. В качестве ДС нашли широкое применение тахогенераторы (ТГ) — микромашины постоянного и переменного токов.

а) Тахогенератор постоянного тока:представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами.На работу ТГ существенное влияние оказывают конструктивно-технологические погрешности. Это коллекторные пульсации напряжения, обусловленные конечным числом коллекторных пластин, пульсации из-за зубцовой конструкции якоря, оборотные пульсации, вызванные несимметрией воздушного зазора. Погрешности от указанных пульсаций сильнее искажают выходной сигнал ТГ в области низких скоростей. При снижении скорости уменьшается их частота и увеличивается амплитуда относительно уровня передаваемого сигнала. Эти погрешности ограничивают нижний предел скорости ТГ. Для уменьшения перечисленных пульсаций тахогенераторы выполняются с повышенным числом коллекторных пластин, со скошенными по винтовой линии на одно зубцовое деление пазами якоря, с увеличенным воздушным зазором. Тахогенераторы высокой точности выполняются с полым беспазным якорем. Для дополнительного снижения пульсаций к выходу ТГ подключают конденсатор.

б)Тахогенераторы переменного тока: выполнены на базе асинхронной двухфазной машины.Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), с другой - генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение.

Принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в следующем. При питании обмотки возбуждения переменным током частоты возникает пульсирующий магнитный поток, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС и ЭДС вращения.В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток Ф, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку Ф, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

Датчики тока

В системах АЭП контролируемыми и регулируемыми координатами являются не только механические величины (угол поворота, скорость, ускорение), но и электрические величины (ток, напряжение, ЭДС, мощность). Для измерения этих координат используются соответствующие датчики. К числу типовых можно отнести датчики тока (ДТ). Назначение ДТ – преобразование входной величины (тока цепи преобразователя) двигателя в выходной сигнал, пропорциональный входной величине. Собственно датчиком является вводная цепь – делитель напряжения, шунт, трансформатор напряжения или тока с выпрямителем. Эта цепь преобразует измеряемые напряжения или ток во входное напряжение постоянного тока.