Электроприводы с микропроцессорным управлением

Принцип построения устройств измерения переменных состояний (координат) в электроприводах с микропроцессорным управлением В электроприводах с микропроцессорным управлением в качестве средств измерения переменных состояний объекта регулирования применяют четыре основных вида датчиков обратной связи: перемещения (положения), скорости, тока и напряжения. Каждый из перечисленных датчиков характеризуется диапазоном измерения входной величины, разрешающей способностью, точностью преобразования, быстродействием и надежностью. Рассмотрим принцип построения и особенности работы, область применения, достоинства и недостатки датчиков положения и скорости наиболее важных в микропроцессорных системах электропривода, по существу определяющих точностные характеристики системы в целом. Устройства измерения перемещения (положения) Для измерения перемещения в качестве датчиков применяют фотоэлектрические и индукционные измерительные преобразователи. Фотоэлектрические датчики имеют высокую точность преобразования, хорошую разрешающую способность и большое быстродействие. Принцип их действий основан на модуляции светового потока с помощью подвижных элементов, имеющих переменную прозрачность. Модулированный в функции углового или линейного перемещения световой поток преобразуется фотоприемниками в электрический сигнал, который затем подвергается обработке. В системах электропривода нашли применение два основных метода преобразования: считывание с кодовой маски и последовательный счет единичных приращений . Кодовая маска представляет собой набор оптических шкал, позволяющих поставить в соответствие каждому квантовому уровню углового или линейного положения конкретную кодовую комбинацию. Чаще всего кодовая маска имеет только одну оптическую шкалу с чередующимися прозрачными и непрозрачными областями. В этом случае перемещение измеряется путем накопления единичных приращений. В преобразователях последовательного счета используется четыре фотоприемника, причем каждый следующий фотоприемник имеет пространственный сдвиг по фазе, равный относительно предыдущего. Это позволяет путем определенного включения фотоприемников сформировать квадратурные сигналы, причем знак фазового сдвига между квадратурными сигналами определяет направление измеряемого перемещения. Соответствующим набором параметров оптической решетки можно добиться синусоидальной формы квадратурных сигналов, которые могут быть преобразованы с помощью компараторов в сигналы прямоугольной формы. Таким образом, измеряемое перемещение представляется последовательностью прямоугольных импульсов, каждый из которых соответствует перемещению на один шаг оптической решетки. Для повышения разрешающей способности фотоэлектрических датчиков перемещения используют способы дробления шага оптической решетки на четыре части и более. Рассмотрим дискретный преобразователь перемещение – код (ППК), реализующий метод последовательного счета импульсов фотоэлектрического датчика [3-13], схема которого представлена на рис.18.15. Фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД) формирует две пары прямых и инверсных сигналов прямоугольной формы, имеющие сдвиги по фазе . Прямые и инверсные сигналы попарно подаются на входы дифференциальных усилителей ДУ1 и ДУ2. Выходные сигналы ИД1 и ИД2 усилителей ДУ1 и ДУ2 поступают соответственно на входы сдвигающих регистров СРг1 и СРг2. Сдвигающие регистры, синхронизируемые тактовыми импульсами ТИ1, формируют двоичные коды, первые разряды которых соответствуют новому, а вторые – старому значению сигналов ФИД. Контроль уровня (логических значений "0" и "1") сигналов ИД1 и ИД2 ФИД осуществляется каждый такт синхронизации. Дешифратор Дш, стробируемый тактовыми импульсами ТИ2, анализирует состояние разрядов сдвигающих регистров и формирует сигналы "Счет" (см.таблицу 18.2). Выходные сигналы Дш, объединенные в группы "Плюс 1" и "Минус 1" схемой формирования импульсов СФИ, подаются, соответственно, на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика РСч. Реверсивный счетчик, накапливая импульсы, формирует код Nφ углового (линейного) перемещения. Рис.18.15. Дискретный ППК с ФИД Коэффициент умножения частоты сигналов ФИД в этом ППК равен 4. Схема нечувствительна к фазовым сдвигам ФИД и может обнаруживать ложные импульсы, возникающие в тракте передачи входных сигналов. Для дальнейшего улучшения разрешающей способности используют метод интерполяции. ППК, реализующие метод интерполяции, могут быть построены как устройства прямого или уравновешивающего преобразования. Большой коэффициент дробления шага оптической решетки при наличии квадратурных сигналов ФИД, имеющих малое содержание высших гармонических составляющих, обеспечивает интерполяционный ППК, реализующий способ следящего уравновешивания, схема и принцип действия которого рассмотрены в . ППК такого типа относятся к системам с постоянным шагом квантования по уровню и переменной частоты счета. Недостатком синусно-косинусных интерполяторов является влияние на их точность дрейфа сигналов ФИД. Таблица 18.2 Формирование сигналов "Счет" Питание кода регистра СРг1 СРг2 Сигнал "Счет" Выходы Дш Без изменения Плюс 1 Минус 1 Без изменения Минус 1 Ошибка Плюс 1 Плюс 1 Ошибка Минус 1 Без изменения Минус 1 Плюс 1 Без изменения 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 новое старое новое старое 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Благодаря высоким эксплуатационным качествам широко применяют индукционные измерители перемещения электромагнитного типа, в частности, синусно-косинусные вращающие трансформаторы (СКВТ), принцип действия которых основан на изменении по синусоидальному закону взаимной индукции между обмотками статора и ротора и, соответственно наведенной ЭДС при изменении углового положения φ ротора. К достоинствам СКВТ следует отнести малый коэффициент ослабления выходного сигнала, к недостаткам – сложность изготовления обмоток. Этот недостаток отсутствует в индуктосинах – многополосных датчиках с плоскими печатными обмотками. Индуктосины делятся на линейные и угловые. К основным достоинствам индуктосинов следует отнести наличие эффекта усреднения погрешности нанесения печатных обмоток, что позволяет получать высокую точность . 2. Средства измерения скорости До недавнего времени обратная связь по скорости большинства регулируемых электроприводов осуществлялась с помощью тахогенераторов постоянного и переменного тока. Наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока, обладающие высокой линейностью, хорошей симметричностью и большой крутизной выходной характеристики, у них отсутствует остаточное напряжение. К недостаткам тахогенераторов постоянного тока следует отнести наличие скользящего контакта, необходимость фильтрации выходного напряжения, сложность конструкции. Тахогенераторы переменного тока в отличие от тахогенераторов постоянного тока определяют только значение частоты вращения и не определяют ее направление. Их выходная характеристика существенно нелинейна. Поэтому несмотря на простоту конструкции и отсутствие коммутации тахогенераторы переменного тока применяют редко. В качестве датчика обратной связи по скорости в микро процессорных электроприводах обычно используются импульсные датчики, частота импульсов на выходе которых пропорциональна скорости, а число импульсов – перемещению контролируемого органа. В настоящее время в электроприводах, особенно в цифровых, в качестве датчиков скорости применяют фотоэлектрические и индукционные измерительные преобразователи. Это связано с необходимостью измерения малой скорости при глубоком ее регулировании. Удовлетворение повышенных требований со стороны электропривода при использовании импульсного датчика возможно лишь за счет решения следующих вопросов: правильного выбора конструктивных параметров датчика (число импульсов на один оборот датчика, точность изготовления границ кодовых делений, точность сочленения с механизмом и т.д.) и способов формирования сигналов считывающих элементов, преобразования частоты импульсов в пропорциональный скорости числовой эквивалент, синхронизации процессов и фильтрации результатов измерения. Основными методами измерения скорости управлением являются следующие [3-13, 3-15]: в электроприводах с цифровым Метод аналого-цифрового преобразования напряжения тахогенератора постоянного тока. 2. Метод последовательного счета импульсов фотоэлектрического датчика за заданный интервал времени (Н-метод). 3. Метод измерения длительности периодов между импульсами фотоэлектрического датчика (Т-метод). 4. Метод цифрового дифференцирования кода угла ППК уравновешивания с индукционным датчиком. 1. Метод измерения скорости с помощью АЦП обладает недостатками, характерными для аналоговых систем, требуя принятия мер с целью компенсации дрейфа усилителей, фильтрации выходного напряжения и компенсации нелинейности тахогенератора в начальной зоне. Разрешающая способность тракта "ТГ-АЦП" не превышает 10-3. Метод счета импульсов фотоэлектрического импульсного датчика позволяет измерять среднюю скорость за период дискретности Тсистемы. При использовании стандартных решений он имеет минимальную разрешающую способность в нижней части диапазона изменения скорости, где как раз требуется высокое качество ее регулирования. Метод измерения длительности периода имеет высокую разрешающую способность на малой скорости и низкую – на большой. Следует отметить, что в верхней части диапазона изменения скорости, где соблюдается условие ТuТ, где Тu – период следования импульсов ФИД, значение измеряемой скорости приближается к мгновенной. Однако в нижней части диапазона измерение частоты вращения менее 1,8мин-1 каждый цикл расчета в микроЭВМ становится невозможным ввиду значительного увеличения периода следования импульсов. Например, период следования импульсов при частоте вращения 0,1мин-1 и дискретности ФИД, равной 104мин/оборот, достигает значения Тu=0,06с. При периоде дискретности системы Т=0,003с это недопустимо, так как вызывает запаздывание в цепи обратной связи по скорости. Разрешающая способность устройств измерения, использующих индукционные измерительные преобразователи с механической редукцией 5:1, не превышает значения , что недостаточно. Таким образом, ни один из перечисленных выше методов не обеспечивает глубокое регулирование скорости. Основной причиной этого является ограниченная разрешающая способность устройств измерения скорости. Для нахождения компромисса между конкретными технологическими требованиями и возможностями их реализации по точности и быстродействию с помощью импульсноцифровых измерителей скорости предлагается ряд комбинированных методов (М/Т методы) [3-15], причем возможна реализация этих методов с помощью измерителей не только циклического, но следящего действия. В качестве примера рассмотрим функциональную схему рис.18.16 устройства измерения скорости на базе фотоэлектрического импульсного датчика, для увеличения разрешающей способности которого применен метод интерполяции [3-13]. Рис.18.16. Двухканальное устройство измерения скорости с ФИД Устройство имеет два информационных канала. В нижней части диапазона измерения работает интерполяционный преобразователь перемещение-код ИППК, преобразующий аналоговые сигналы ФИД в код Nφ1 угла. В верхней части диапазона измерения работает дискретный преобразователь перемещение-код ДППК, реализующий метод счета импульсов ФИД. Он формирует код угла в виде Nφ=2к Nφ1, где 2к – коэффициент согласования отсчетов информационных каналов. Блок согласования отсчетов БСО синхронизирует работу информационных каналов. Блок цифрового дифференцирования БЦД формирует код Nω скорости в виде приращений кода Nφ угла. Данное устройство измерения скорости имеет высокое быстродействие. Его разрешающая способность достигает оборота вала электродвигателя. На диапазон регулирования скорости цифрового электропривода с рассмотренным устройством измерения сильно влияет внутришаговая погрешность, вызываемая наличием гармонических составляющих в аналоговых сигналах ФИД. Предельное значение диапазона регулирования скорости при оптимальном выборе дискретности равно 1:20000. Диапазон рабочих скоростей и быстродействие всех ППК следящего уравновешивания, рассмотренных выше, ограничением максимальной частоты преобразователя напряжение-частота ПНЧ. Для повышения быстродействия ППК выполняют по комбинированной структуре со следящим и поразрядным уравновешиванием. Аналогичного результата добиваются, изменяя в процессе работы ППК его дискретность. Импульсно-цифровое измерение скорости предполагает предварительную обработку сигналов импульсного датчика, когда выделяются достоверные сигналы импульсного датчика, учетверяется его частотный сигнал, определяется направление вращения. Эта обработка сигналов может выполняться асинхронным или синхронным способом. В микропроцессорных системах предпочтение отдается синхронному варианту, так как он аппаратно реализуется проще, а сам МП является устройством с синхронной обработкой информации, при этом синхронизация всех процессов обработки информации в системе должна осуществляться от общего генератора – генератора процесса. 18.9.3. Измерение электрических величин В микропроцессорных системах управления электроприводами регулируемыми и контролируемыми координатами могут быть не только механические величины – угол поворота, скорость, ускорение, но и электрические величины, такие как ток, напряжение, э.д.с., мощность. Для измерения этих координат используются соответствующие датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН). Эти датчики наиболее часто применяются, на их основе строятся датчики э.д.с. и мощности [3-5]. Назначение ДН и ДТ – преобразования входной величины – напряжения или тока цепи преобразователя, двигателя в выходной сигнал, пропорциональный входной величине. Датчики могут выполнять одновременно и функции согласующего элемента – потенциального разделителя, усилителя по напряжению, мощности. В зависимости от вида выходного сигнала датчики разделяются на аналоговые и дискретные (цифровые). В составе аналогового датчики с выходным напряжением на постоянном токе можно выделить три части: вводную цепь (ВЦ), потенциальный разделитель (ПР) и выходной усилитель (У). Собственно датчиком является вводная цепь – делитель напряжения, шунт, трансформатор напряжения или тока с выпрямителем. Эта цепь преобразует измеряемые напряжения (U) или ток (I) во входное напряжение постоянного тока Uвх. Потенциальный разделитель гальванически разъединяет входной и выходной сигналы. Выходной усилитель формирует усиленный по напряжению и мощности выходной сигнал датчика Uвых. Характеристики управления ДН и ДТ без учета погрешностей прямолинейны: где: кдн – безразмерный коэффициент ДН; кдт – коэффициент ДТ с размерностью сопротивления (Ом). Цифровые ДН и ДТ также имеют в своем составе вводную цепь, потенциальный разделитель и усилитель, но для формирования цифрового выходного сигнала Nвых снабжены аналого-цифровым преобразователем (АЦП). При дискретном сигнале ПР просто реализуется с помощью оптопар. Характеристики управления цифровых ДН и ДТ описываются выражениями: где: передаточные коэффициент соответственно вводных цепей, входного усилителя, оптронного потенциального разделителя и АЦП.