Čidla rychlosti a polohy
10. Čidla rychlosti a polohy Čas ke studiu: 15 minut Cíl • •
Po prostudování tohoto odstavce budete umět popsat princip činnosti čidel rychlosti a polohy samostatně změřit zadanou úlohu
Výklad 10. 1. Čidla rychlosti Úkolem snímačů rychlosti je vytvořit signál úměrný úhlové rychlosti motoru, případně pracovního mechanizmu. Kvalita těchto snímačů rozhoduje o statických a dynamických vlastnostech rychlostně regulovaných pohonů. Kromě požadavků na linearitu je pro snímače rychlosti rozhodující požadavek malého zvlnění výstupního signálu. Podle použitého principu se dají snímače rychlosti rozdělit na: -
čidla využívající elektromagnetické indukce (ss a st tachodynamo, Ferrarisovo tachodynamo, indukční snímače)
-
čidla pracující na optoelektrickém principu (inkrementální čidla)
-
čidla s Hallovým generátorem
Podle typu výstupního signálu můžeme rozeznat čidla s analogovým a čidla s číslicovým výstupem.
10. 1. 1.
Stejnosměrné tachodynamo
Je to stejnosměrný stroj s komutátorem a permanentními magnety, vytvářejícími konstantní magnetický tok. Výstupní napětí nezatíženého tachodynama je rovno jeho indukovanému napětí
U TD = CΦω = K TDω Konstanta tachodynama KTD je udávána výrobcem na štítku stroje, např. 80 V/1000 ot. min -1. Na štítku bývá rovněž udána i minimální velikost zatěžovacího odporu, protože se zvětšujícím se zatížením roste úbytek napětí na vnitřním odporu tachodynama a vzrůstá tak jeho chyba. Důležitou veličinou je zvlnění výstupního napětí, které můžeme rozdělit na tzv. vysokofrekvenční (vf) a nízkofrekvenční (nf). Vf zvlnění je dáno konečným počtem lamel na komutátoru a rychlostí otáčení a je možno jej odstranit filtrem s malou časovou konstantou. Nf zvlnění vzniká nejčastěji při nepřesném (nesouosém) spojení tachodynama a motoru. Vznikne tzv. nerovnoměrnost otáčení tachodynama, zvlnění je úměrné rychlosti otáčení a není možné jej filtrací odstranit.
45
Čidla rychlosti a polohy
10. 1. 2.
Impulsní čidla rychlosti
Tato čidla udávají počtem impulzů úhel natočení měřeného hřídele. Stanovením počtu impulzů za jednotku času, zjistíme střední hodnotu rychlosti otáčejícího se hřídele. Impulzní čidlo tvoří : snímací kotouč, vlastní snímač a vyhodnocovací zařízení. Pokud je nutné, aby čidlo dávalo informaci i o směru otáčení, musí být snímače dva, vzájemně posunuté o 90° elektrických. Vlastní snímač může pracovat na principu fotoelektrickém nebo indukčním. Nejčastěji používanými čidly jsou optoelekrická inkrementální (přírustková) čidla. Konstrukce takového čidla je na obr. 46. Odměřovací kotouč je skleněný kotouč s pravidelným dělením (podle typu např. 250, 500, 1024, 4096) a je umístěn na rotoru. Dělení je provedeno střídáním průhledných a neprůhledných čárek. Noniový kotouč je vytvořen stejným způsobem a je umístěn na statoru. Rastry rotoru a statoru jsou prosvětlovány rovnoběžným svazkem paprsků, který je při otáčení přerušován a dopadá na fotoelektrický snímač. Signály ze snímačů jsou dále zpracovány, upraveny na TTL signál a vyvedeny z čidla. Otáčením hřídele se získávají tři elektrické signály obdélníkového průběhu a jejich negace (obr. 47). První dva signály jsou vzájemně posunuty o 90° elektrických (tj. 1/4 periody). Třetí signál je tvořen jedním impulsem za otáčku (nulový puls) a slouží k nastavení referenční nulové polohy.
Obr. 46 Inkrementální čidlo
46
Čidla rychlosti a polohy
Obr. 47 Výstupní signály inkrementálního čidla Jedno z možných zapojení pro vyhodnocení rychlosti a směru otáčení je na obr. 52.
10. 2. Čidla polohy Čidla polohy je možno rozdělit podle stejných hledisek jako čidla rychlosti. Mezi čidla polohy s analogovým výstupem patří zejména potenciometr, selsyn a resolver. Jako čidla s impulzním výstupem se používá buď výše uvedené inkrementální čidlo, jehož nevýhodou je to, že nerozezná polohu absolutně a hodí se tedy pro mechanizmy, které periodicky procházejí základní polohou.
10. 2. 1.
Impulsní čidlo polohy
Absolutní čidlo polohy získáme, pokud v inkrementálním čidle místo kotouče s ryskami použijeme tzv. kódovací kotouč, na němž jsou průhledná a neprůhledná políčka v několika řadách a každá řada má svůj snímač (obr. 48). Každé řadě pak odpovídá jeden bit výstupního slova. Použitím kotoučů s různými kódy můžeme získat výstupní slovo v binárním, Grayově nebo jiném kódu.
Obr. 48 Absolutní snímač polohy 47
Čidla rychlosti a polohy
10. 2. 2.
Selsyn
Selsyn je malý elektrický stroj s jednofázovým rotorem a třífázovým statorem. Pro dálkový přenos úhlové odchylky se používá zapojení dvojice selsynů: selsyn-vysílač a selsyn-přijímač, jejichž zapojení je na obr. 49. Statorová vinutí jsou vzájemně propojena a rotor prvního selsynu je napájen harmonickým napětím u1 = U m sin(ω1t ) . Při natočení rotoru prvního selsynu o úhel ϕ1 z výchozí polohy a rotoru druhého selsynu o úhel ϕ2 se bude v rotoru druhého selsynu indukovat napětí
u 2 = U m sin ω1t cos(ϕ 2 − ϕ1 ) = U m sin ω1t cos α Pro získání stejnosměrného napětí úměrného úhlu natočení je možno použít např. fázově citlivý usměrňovač s filtrem.
Obr. 49 Čidlo polohy se dvěma selsyny Monotónní závislost výstupního napětí čidla na úhlu natočení je pouze v rozsahu α ∈ 0, π2 , což je jeho nevýhoda. Použitím fázově citlivého usměrňovače pro vyhodnocení polohy se tento interval rozšíří na α ∈ − π2 , π2 .
10. 2. 3.
Resolver (selsyn rozkladač)
Resolver je možné použít jako absolutní čidlo polohy. Resolver má jednofázový rotor a na statoru dvě vinutí navzájem kolmá, napájená střídavým napětím o fázovém posunu 90° elektrických.
u1S = U m sin ωt
u 2 S = U m cos ωt
Tím se vytvoří točivé magnetické pole, které indukuje v rotoru napětí o stejné frekvenci, ale fázově posunuté vůči statorovému referenčnímu napětí u1S o úhel natočení α.
u r = U m sin(ωt − α ) Vyhodnocení polohy α se získá vyhodnocením fáze napětí ur pomocí fázového diskriminátoru. Možné způsoby vyhodnocení (analogový i číslicový) jsou na obr. 50 a 51.
48
Čidla rychlosti a polohy
Obr. 50 Čidlo polohy s resolverem
Obr. 51 Vyhodnocení polohy s resolverem
Zadání
1)
Sledujte výstupní napětí tachodynama a vysvětlete vf a nf složku rušení
2)
Změřte převodní charakteristiku tachodynama U = f(ω)
3)
Zobrazte a zakreslete výstupní průběhy napětí IRC čidla a napětí v označených bodech obvodu pro vyhodnocení rychlosti a směru otáčení pro oba směry otáčení
4)
Změřte převodní charakteristiku zapojení selsyn-vysílač selsyn-přijímač Us = f(α), pro α v rozsahu 0 - 360° 49
Čidla rychlosti a polohy
Obr. 52 Zapojení pro vyhodnocení rychlosti a směru otáčení 50
