4.2. Элементы электропривода

В данном параграфе рассматриваются основные элементы электроприводов промышленных роботов: двигатели, датчики обратной связи и регулятора тока, скорости и угла положения.

Электродвигатели. В настоящее время следящие электроприводы ПР, как правило, строятся на базе электродвигателей постоянного тока (ПТ), так как при этом получаются более простые надежные схемы управления.

По способу возбуждения электродвигатели ПТ делятся на двигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов наиболее перспективны вследствие малой инерционности. К преимуществам этих двигателей следует отнести также высокий КПД и независимость магнитного потока возбуждения от изменений температуры окружающей среды.

Принцип действия двигателя ПТ с возбуждением от постоянных магнитов пояснен на рис. 4.4. При наличии напряжения в цепи якоря U_я по его обмотке пойдет ток i_я, магнитный поток Ф_я которого, взаимодействуя с потоком возбуждения Ф_в от постоянных магнитов, вызовет вращение ротора (якоря) двигателя. Регулирование угловой скорости вращения якоря осуществляется изменением напряжения U_я. При этом поток возбуждения Ф_в остается постоянным при всех скоростях, что создает благоприятные условия для коммутации и устойчивой работы.

Рис. 4.4. Электрическая схема двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов

По способу подведения напряжения U_я в обмотку якоря двигатели ПТ делятся на коллекторные и бесконтактные. В коллекторных машинах ток к обмотке якоря подводится с помощью щеток. Недостаток таких двигателей - искрение под щетками, что ускоряет их износ и уменьшает срок службы двигателя. Магнитные системы двигателей ПТ с возбуждением от постоянных магнитов отличаются большим разнообразием (радиальные, скобообразные, кольцевые магниты и др.). В качестве магнитных материалов используются дешевые ферриты, имеющие высокую коэрцитивную силу, что позволяет повысить мощность, т. е. создать высокомоментные двигатели.

Известны три вида конструктивного исполнения якорей двигателей ПТ: обычный, гладкий и малоинерционный. Гладкий якорь имеет меньшее индуктивное сопротивление, чем обычный якорь, что значительно уменьшает искрение под щетками. Малоинерционный якорь исполняется полым или дисковым. Уменьшенный момент инерции таких якорей обеспечивает высокое быстродействие двигателя.

Характеристики основных типов двигателей ПТ, применяемых в ПР и выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 4.1 [5, 10].

Таблица 4.1

Передаточная функция двигателя ПТ (рис. 4.4) относительно угловой скорости имеет вид

где - коэффициент передачи двигателя; ω_х - угловая скорость холостого хода; U_{я ном} - номинальное напряжение в цепи якоря; - электрическая постоянная времени цепи якоря; L_я и R_я - индуктивность и активное сопротивление цепи якоря; - электромеханическая постоянная времени; J - момент инерции ротора; М_п - пусковой момент двигателя.

Поскольку электрическая постоянная времени на порядок меньше электромеханической постоянной Т_м, то двигатель можно считать относительно угловой скорости апериодическим звеном с передаточной функцией

а относительно угла поворота вала передаточная функция определяется по формуле

Двигатели ПТ с вентильным (тиристорным) управлением. Благодаря успехам развития полупроводниковой техники в последние годы стало возможным использование вентильных (тиристорных) преобразователей для управления угловой скоростью двигателей ПТ. Под электрическим вентилем подразумевается идеализированный нелинейный двухполюсный выпрямительный элемент, имеющий нулевое сопротивление при одной полярности напряжения и бесконечное сопротивление при противоположной полярности. Электротехническим устройством, наиболее близким по свойствам к электрическому вентилю, является выпрямительный диод.

Управляемый полупроводниковый диод (тиристор) проводит ток в прямом направлении лишь при наличии управляющего сигнала, в противном случае он заперт [1, 7, 9]. Условное графическое изображение диода и тиристора показано на рис. 4.5, а, б соответственно. Применение вентильных преобразователей позволило создать бесконтактные двигатели ПТ, в которых щеточно-коллекторный узел заменен надежной полупроводниковой схемой. В коллекторных малоинерционных двигателях ПТ подобные преобразователи используются для преобразования переменного входного напряжения в постоянное, а также в схемах стабилизации угловой скорости, что позволяет получить коммутацию без искрения, увеличивая срок службы щеток в 2-3 раза и стабильность характеристик двигателя.

Рис. 4.5. Условное обозначение выпрямительного диода и тиристора

Системы электроприводов постоянного тока ПР являются реверсивными. Реверсивный преобразователь должен обеспечить протекание тока в обоих направлениях. Так как рассматриваются двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (т. е. с независимым возбуждением), то для обеспечения реверса (изменения направления вращения вала двигателя) необходимо изменить направление тока в цепи якоря двигателя. Этого можно достигнуть двумя способами. Первый предполагает использование одного комплекта тиристоров (рис. 4.6, а), но при этом необходимо в главную цепь включить переключатель К (реверсор), так как тиристор пропускает ток лишь в одном направлении. Второй предполагает использование двух комплектов тиристоров (рис. 4.6, б), каждый из которых пропускает ток в определенном направлении [9].

Рис. 4.6. Схемы реверсивных электроприводов

При работе следящего электропривода ПР иногда требуется быстрая остановка механизма и последующее реверсирование, поэтому вентильные преобразователи должны наряду с выпрямлением осуществлять и торможение. На рис. 4.7 приведена диаграмма изменения угловой скорости вала двигателя. На диаграмме показаны участки работы на постоянной скорости в направлении вперед (Вn) и назад (H), а также реверс (Р) [9]. В соответствии с этими участками указаны также и режимы работы двигателя и тиристорных преобразователей - однокомплектного (с реверсором) и двухкомплектного.

Рис. 4.7. Диаграмма изменения частоты вращения двигателя в реверсивных электроприводах

При ускорении У, т. е. изменении скорости от нуля до установившегося значения, и при постоянной скорости двигатель работает в двигательном режиме ДР, а преобразователь - в выпрямительном режиме ВР, потребляя энергию из сети. При рекуперативном торможении, т. е. замедлении З или уменьшении скорости от установившейся до нуля, двигатель работает в генераторном режиме ГР, а преобразователь - в инверторном режиме ИР, при этом энергия рекуперируется (возвращается) в цепь, питающую преобразователь.

Существуют разновидности схем включения двухкомплектных тиристорных преобразователей [9]. На рис. 4.8 показана одна из схем со встречно-параллельным включением тиристоров. В цепь якоря двигателя включена индуктивность L для "ограничения скорости нарастания тока. Наличие в схеме этой индуктивности увеличивает электромагнитную постоянную времени двигателя, а следовательно, и инерционность привода.

Рис. 4.8. Схема тиристорного преобразователя со встречно-параллельным включением тиристоров

Тиристорный преобразователь является сложным нелинейным импульсным элементом, его выходное напряжение имеет нестандартную форму. Поэтому с точки зрения динамики его точная математическая модель довольно сложна. В некоторых случаях его можно рассматривать относительно угловой скорости как апериодическое звено с передаточной функцией

где k_п - коэффициент усиления преобразователя; Т_п - постоянная времени.

Асинхронные двигатели. Наряду с двигателями ПТ в электроприводах применяются асинхронные двигатели (АД), однако их применение пока ограничено. Это объясняется сложностью и высокой стоимостью электронных преобразователей, применяемых для регулирования частоты вращения. Тем не менее в ПР грузоподъемностью свыше 40 кг их использование вполне оправдано.

В зависимости от вида напряжения питания и обмотки статора различают двух- и трехфазные АД.

Принцип действия двухфазного АД пояснен на рис. 4.9. На статоре расположены две обмотки: возбуждения (ОВ) и управления (ОУ), которые смещены в пространстве одна относительно другой на 90°. Обмотка возбуждения питается от сети переменного тока, а обмотка управления - переменным напряжением U_у, причем оно сдвинуто по фазе относительно U_в на ±90V так как в цепь ОУ включена емкость С. Амплитуда напряжения управления U_у меняется в зависимости от изменения управляемой; величины, а амплитуда напряжения возбуждения U_в = const. Ротор АД выполняется короткозамкнутым (обычно в виде "беличьей клетки"). При взаимодействии полей от индукционных токов, наводимых в роторе, с эллиптическим результирующим полем статора в двигателе возникает вращающий момент, приводящий в движение ротор.

Рис. 4.9. Электрическая схема двухфазного асинхронного двигателя

В динамическом отношении двухфазный АД относительно частоты вращения можно считать апериодическим звеном с передаточной функцией (4.2). Технические характеристики АД, выпускаемых в СССР приведены в табл. 4. 2 [5,9].

Таблица 4.2

Вентильные двигатели. Вентильные двигатели (ВД) представляют собой электропривод с синхронным двигателем и инвертором, управление которым зависит от угла поворота ротора двигателя. На рис. 4.10 показана структурная схема управления частотой вращения двигателя М, которое осуществляется блоком управления БУ по сигналу с датчика угла Д [8].

Рис. 4.10. Структурная схема управления частотой вращения асинхронного двигателя

Синхронный двигатель (СД) является двигателем переменного тока, угловая скорость которого определяется частотой сети. Обмотка статора СД создает вращающееся магнитное поле. Она может быть выполнена трехфазной, двухфазной с пусковой емкостью (как у АД) или однофазной. Конструкция ротора определяет тип СД: с возбуждением от явнополюсных электромагнитов, от постоянных магнитов, гистерезисный, реактивный, субсинхронный, синхронный с катящимся (или волновым) ротором [3, 13].

Принципиальная схема СД с возбуждением от постоянных магнитов показана на рис. 4.11. Вращение ротора вызывается взаимодействием поля ротора и вращающегося поля обмотки статора. Если угловые скорости полей и число пар полюсов на статоре и роторе равны, то между разноименными полюсами статора и ротора возникает электромагнитное притяжение, которое вызывает появление электромагнитного момента, называемого синхронным. Режим равенства скоростей полей называется синхронным. Если угловая скорость ротора не равна синхронной, то синхронный момент близок нулю. Поэтому для запуска СД на его роторе конструируют дополнительную короткозамкнутую обмотку ("беличья клетка"), с помощью которой ротор увеличивает угловую скорость и входит в режим синхронизации. Частота вращения СД пав равна частоте вращения пс поля статора, т. е. n_дв = n_с = 60f/р, где f - частота питания статора, р - число пар полюсов. Отсюда следует, что регулировать частоту вращения n_дв СД можно двумя способами: или изменением числа полюсов 2р, или изменением частоты f питающего напряжения. Первый способ в большинстве случаев нецелесообразен, так как приводит к усложнению конструкции. Поэтому применяют второй способ.

Рис. 4.11. Принципиальная схема синхронного двигателя

В электроприводах, отличающихся высоким моментом инерции приводного механизма и требующих быстрого изменения режимов работы и обеспечения реверса, необходимо плавно менять частоту напряжения, питающего СД, чтобы СД не выходил из синхронизма. Это достаточно сложно, особенно в тех случаях, когда начальная частота составляет доли герц, а затем возрастает до максимального значения. При этом целесообразно применять метод частотного регулирования с самосинхронизацией. Он подразумевает управление преобразователем частоты от системы датчиков положения ротора. Вентильные двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так и переменного тока [3, 9]. На рис. 4.12, а показана схема питания ВД от тиристорного преобразователя частоты с инвертором напряжения. Тиристорный преобразователь питается от сети постоянного тока и формирует трехфазное напряжение меняющейся частоты, которое подается в трехфазную обмотку (А, В, С) статора двигателя. Тиристоры Т1, Т2, Т3 подводят к фазам А, В, С положительное напряжение, а тиристоры Т4, Т5, Т6 - отрицательное напряжение. Параллельно тиристорам Т1-Т6 в обратном направлении включены диоды Д1-Д6, через которые пройдет реактивная составляющая тока статора. В преобразователь включены два узла коммутации тока (для переключения тока с одной фазы на другую), состоящие из контуров L1-C1 и L2-C2. С помощью этих контуров, а также вспомогательных тиристоров Т7-Т14 производится закрытие тиристоров Т1-Т6.

Рис. 4.12. Схемы питания вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты с инвертором напряжения и тиристорным выпрямителем

В напряжении, поступающем в обмотку статора от преобразователя частоты, содержатся высшие гармоники, для уменьшения их влияния в двигатель включают мощную демпферную обмотку.

Выходное напряжение инвертора не зависит от режима работы двигателя, поэтому управление осуществляется при постоянном угле нагрузки φ, т. е. угле между потоком возбуждения и суммарным магнитным потоком, сцепленным с каждой из фаз (см. рис. 4.11). Его можно определять по положению оси полюсов ротора с помощью какого-либо датчика, который, например, может быть выполнен в виде вспомогательной асинхронной машины [9].

Если ВД питается от сети переменного трехфазного тока, то возможно применение преобразователя частоты с тиристорным выпрямителем (рис. 4.12, б) [3, 9]. Преобразователь Пр1 формирует положительный полупериод выходного тока, а Пр2 - отрицательный полупериод фазы А. Аналогично работают мосты Пр3 и Пр4, Пр4 и Пр6, питающие фазы В и С соответственно.

Возбуждение двигателя осуществляется от преобразователя Пр7. Частота выходного напряжения может меняться от 0 до 16 Гц, при этом выходное напряжение довольно близко к синусоидальному.

Использование ВД позволяет осуществить и бесщеточное возбуждение [3, 9], что увеличивает частоту вращения до 4500-6000 об/мин и надежность двигателя. Рассмотренные ВД имеют улучшенные массо-габаритные характеристики. Оригинальная конструкция ротора позволяет снизить электромеханическую постоянную времени двигателя, т. е. уменьшить его инерционность. Использование широтно-импульсных (или частотно-импульсных) преобразователей для управления двигателем обеспечивает высокую равномерность вращения и при малых скоростях, а это позволяет повысить точность позиционирования роботов. Надежность ВД существенно зависит от надежности преобразователей частоты, в которые включено большое число полупроводниковых элементов. Развитие современной элементной базы и создание мощных тиристоров позволит обеспечить надежную эксплуатацию ВД в производственных условиях.

Шаговые двигатели. Все большее распространение в ПР получает дискретный привод с шаговыми двигателями (ШД), который через механическую передачу соединяется с исполнительным механизмом. Принцип действия ШД основан на дискретном изменении магнитного поля в зазоре машины. При периодических переключениях обмоток статора ШД магнитодвижущая сила (МДС) статора поворачивается на определенный угол (шаг), вызывая поворот ротора на тот же шаг.

Применение ШД дает возможность преобразовать управляющие импульсные сигналы в угол поворота вала без датчика обратной связи.

Существует много разновидностей ШД, отличающихся и по способу управления, и по принципу действия, и по конструкции. Требованиям устойчивости движения, быстродействия и надежности наилучшим образом удовлетворяют синхронные двигатели с активным или реактивным ротором.

На рис. 4.13 пояснен принцип действия ШД с многофазной обмоткой на статоре и ротором в виде постоянного магнита. Если подавать однополярные импульсы напряжения последовательно в фазы 1, 2, ..., m, то ротор будет поворачиваться на угол, при котором его ось совпадает с осями фаз 1, 2, ..., m. При этом ротор имеет m устойчивых состояний, определяемых направлением вектора МДС F^→, (рис. 4.13, а). Шаг при этом равен 2π/m [1, 3, 13].

Рис. 4.13. Схемы, поясняющие принцип действия ШД

Если подавать импульсы напряжения на две соседние фазы, то направление вектора МДС F^→_рез совпадает со средней линией между этими фазами (рис. 4.13, б). Если подать импульсы напряжения на три фазы, то ротор займет положение, совпадающее с осью средней фазы (рис. 4.13, в). Следовательно, если включать поочередно четное и нечетное число фаз, то ротор двигателя будет иметь 2m устойчивых положений, а шаг будет равен π/m. Как правило, статор выполняется явнополюсным, вокруг полюсов укладываются катушки двух-, трех- или четырехфазной обмотки. Ротор выполняется в виде постоянного магнита без полюсных наконечников.

В динамике ШД следует рассматривать как нелинейный импульсный элемент. В каждом конкретном случае его передаточная функция определяется и способом управления, и параметрами других устройств, входящих в систему электропривода [8].

Технические характеристики некоторых типов ШД, выпускаемых в СССР, приведены в табл. 4.3 [1, 5].

Таблица 4.3

Датчики. В соответствии со схемой электропривода ПР, приведенной на рис. 4.1, рассмотрим датчики скорости (ДС) и датчики угла (ДУ). Характеристики датчиков, как чувствительных элементов системы электропривода ПР, должны удовлетворять требованиям максимальной чувствительности (коэффициент преобразования), малой инерционности, стабильности, а также линейности и однозначности статической характеристики (вход - выход). По виду электрической выходной величины электрические датчики неэлектрических величин можно классифицировать на генераторные (выходная величина - ЭДС или ток) и параметрические (выходная величина - индуктивность, емкость или резистивное сопротивление). По типу сигналов датчики делятся на аналоговые и цифровые.

Тахогенераторы. В качестве датчиков скорости в электроприводе ПР, как правило, применяют тахо-генераторы постоянного тока (ТГ ПТ) и асинхронные тахогенераторы (АТГ). Возможно применение и дифференциального трансформаторного датчика.

По существу ТГ представляет собой электрическую машину постоянного тока или асинхронную машину, вал которой соединен с выходным валом двигателя: угловая скорость ω_р (частота вращения) его измеряется, а выходное напряжение U_вых пропорционально этой скорости.

Чувствительность ТГ ПТ составляет 15-25 мВ/(об/мин), а для АТГ - 2-5 мВ/(об/мин). Точность измерения частоты вращения составляет 0,5-2,5%, а для прецизионных ТГ - 0,05-0,1%. Дополнительная температурная погрешность не превышает 0,4%. Выходное напряжение ТГ ПТ при номинальной угловой скорости равно 50 В, а у АТГ - 10-60 В.

В динамике ТГ описывается передаточной функцией апериодического звена:

где k_тг - передаточный коэффициент ТГ; Т_тг - постоянная времени ТГ.

Технические характеристики некоторых типов ТГ приведены в табл 4.4.

Таблица 4.4

Наибольшее распространение в качестве датчиков угла (ДУ) в электроприводах ПР получили потенциометрические, индукционные, кодовые и импульсные датчики. Первые два класса относятся к аналоговым, а вторые - к цифровым. Из индукционных датчиков широко используются вращающиеся трансформаторы и сельсины. Современный уровень развития аналого-цифрового преобразования позволяет оснащать ПР аналоговыми датчиками и получать при этом точность управления не ниже, чем при использовании цифровых датчиков.

Потенциометрические датчики. Эти датчики преобразуют угловое перемещение а движка 1 в выходное напряжение U_вых (рис. 4.14), на выводы 2-3 потенциометра подается входное постоянное или переменное напряжение U_вх. Используются проволочные и пленочные потенциометры. Проволочные делятся на одно- и многооборотные, а пленочные - на металлопленочные и полупроводниковые. Конструктивное исполнение различно.

Рис. 4.14. Схема потенциометрического датчика углового перемещения

Статическая характеристика - зависимость U_вых = f(α) потенциометрических датчиков нелинейна; ее нелинейность тем больше, чем выше β = R_н/R, где R_н - активное сопротивление нагрузки; R - полное сопротивление потенциометра. При β = 10÷100 нелинейность характеристики составляет 3-0,1% соответственно [7, 8].

Чувствительность потенциометрического датчика η = [dU_вых/dx], где х - линейное перемещение движка, мм, соответствующее углу поворота α. Величина η = (3÷5)⋅10^-3 В/мм.

Точность проволочных датчиков может составлять 0,05%; их недостаток - ступенчатость характеристики R_д(x) из-за дискретного изменения сопротивления при перемещении щетки движка. Пленочные потенциометры наиболее точны - класс точности достигает 0,01%.

Стабильность датчиков характеризуется температурным коэффициентом, который для проволочных датчиков составляет (50-70)⋅10^-6 1/град, а непроволочных - (100-1000)⋅10^-6 1/град.

Для обеспечения стабильности работы датчики должны иметь сопротивление, превышающее 1000 Ом.

Срок службы потенциометрических датчиков в среднем составляет (2-20)⋅10⁶ циклов при частоте вращения движка 100-150 об/мин. Технические характеристики потенциометрических датчиков, выпускаемых в СССР, приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Вращающиеся трансформаторы (ВТ). Это электрические машины переменного тока с неявно выраженными полюсами. В статоре и роторе укладываются по две взаимно перпендикулярные обмотки. Такой ВТ называют синусно-косинусным (СКВТ) - рис. 4.15. При подаче в одну из первичных обмоток ω′₁ СКВТ переменного напряжения U₁ во вторичных обмотках w′₂ и w″₂ наводятся ЭДС E′ и E″, изменяющиеся по закону

где k_т = w′₁/w′₂ = w″₁/w″₂ - коэффициент трансформации.

Рис. 4.15. Электрическая схема синусно-косинусного вращающегося трансформатора

Статическая характеристика ВТ является синусной (косинусной), но при малых углах (порядка 5°) с точностью до 0,1% ее можно считать линейной. Для расширения линейного участка статической характеристики прибегают к специальным схемам включения [3]. При этом коэффициент k_т = 0,56, в пределах изменения угла поворота ±55° погрешность отклонения статической характеристики от линейной составит 0,1%. В СКВТ закон изменения выходного напряжения может отклоняться от синусоидального из-за технологических и конструктивных факторов. Эта погрешность для разных типов СКВТ составляет 0,2-0,02%.

Точность измерения углов СКВТ довольно высока, для некоторых типов трансформаторов погрешность достигает ±(2-3)′.

Чувствительность ВТ примерно равна 1 В/град [1, 8].

В динамике ВТ можно рассматривать как безынерционные звенья.

Отечественная промышленность выпускает вращающиеся трансформаторы типов ВТ, ВТМ, МВТ, СКТ и др.

К недостаткам ВТ можно отнести их высокую стоимость, низкую помехозащищенность и необходимость в питании переменным напряжением.

В табл. 4.6 приведены технические данные некоторых типов ВТ, выпускаемых в СССР [5].

Таблица 4.6

Сельсины. Это один из широко известных элементов, используемых в качестве ДУ. Он представляет собой электрическую машину с однофазной обмоткой возбуждения (рис. 4.16, а) на роторе, питаемой переменным напряжением U_в, и трехфазной статорной обмоткой. Поток возбуждения ротора наводит в обмотках фазы статора ЭДС переменного тока, частота которого равна частоте питания U_в, а значение зависит от положения ротора.

Рис. 4.16. Электрическая схема и схема включения сельсина в трансформаторном режиме

В системах ЭП сельсины работают в трансформаторном режиме и содержат элементы, сельсин-датчик (Д) и сельсин-приемник (П) - рис. 4.16, б. Напряжение ∼ U_в подается в обмотку ротора Д, обмотки статоров Д и П соединены, ЭДС, наводимые в фазах Д и зависящие от положения ротора, создают токи в обмотках статора П. В обмотке ротора П в зависимости от его положения индуцируется ЭДС. Выходное напряжение U_вых зависит от угла рассогласования γ между роторами Д и П [1, 8]:

где γ = β - α.

При согласовании положения роторов U_вых = 0. Существуют контактные и бесконтактные конструкции сельсинов.

Статическая характеристика при малых углах рассогласования близка к линейной.

Чувствительность примерно равна чувствительности ВТ, т. е. 1 В/град.

Погрешность измерения угла рассогласования составляет ±(20-30)′.

В динамике сельсины аналогичны безынерционным звеньям.

В табл. 4.7 приведены технические данные сельсинов, выпускаемых в СССР.

Таблица 4.7

Кодовые датчики. Они преобразуют угловое перемещение вала в код. Наибольшее распространение получили кодовые датчики, выполненные в виде кодирующего диска с фотоэлектрической (оптической) системой считывания. Принцип действия такого датчика поясняется на рис. 4.17. На кодируемом валу 1 закреплен кодирующий диск 5. Диск представляет собой стеклянное основание с кодовой маской, состоящей из кодовых дорожек, число которых равно требуемому числу разрядов выходного сигнала. На дорожке чередуются прозрачные и непрозрачные для света участки, первые имитируют 1, вторые - 0 двоичного кода. С одной стороны диска в преобразователе располагается источник света 3, а с противоположной - щелевая диафрагма 4 и панель, на которой вдоль радиуса размещены фотоприемники 2 (фоточувствительные элементы). В качестве фоточувствительных элементах используют фоторезисторы или фотодиоды [4]. В момент измерения угла луч света проходит через щель и освещает фотоэлементы, электрические сигналы с которых поступают в усилительно-преобразовательное устройство, формирующее выходной сигнал требуемого логического уровня. Таким образом, угол преобразуется в кодовую комбинацию электрических сигналов. Следует отметить, что для устранения неоднозначности при считывании кодовая маска наносится в соответствии с кодом Грея (или циклическим кодом), но могут использоваться и другие коды. При этом ошибка сводится к единице младшего разряда [4, 12]. Совершенствование технологии изготовления геометрии кодовых масок также повышает точность измерения. В табл. 4.8 приведены технические характеристики некоторых типов фотоэлектрических преобразователей с циклической кодовой маской, выпускаемые в СССР [12].

Рис. 4.17. Принципиальная схема кодового датчика угла с фотоэлектрическим преобразователем

Таблица 4.8

Аналоговые регуляторы скорости и тока. В системах управления электроприводов ПР аналоговые регуляторы скорости и тока строятся на базе операционных усилителей, которые представляют собой усилители постоянного тока (УПТ) с отрицательной обратной связью и высоким коэффициентом усиления k по напряжению (порядка сотен тысяч). Входное сопротивление усилителя высоко, а выходное мало. Широкое использование операционных усилителей обусловлено почти идеальной реализацией требуемого закона управления, а кроме того, и любых арифметических действий. Возможность вычитания входных сигналов позволяет использовать усилитель в качестве элемента сравнения в контуре регулирования.

Передаточная функция операционного усилителя с одним входом (рис. 4.18, а) вычисляется по формуле

где Z₂(s) и Z₁(s) - операторы сопротивлений z₂ и z₁; знак минус указывает на то, что выходной сигнал U_вых отличается по фазе от входного U_вх на 180°. Формула (4.6) верна лишь при k >> 1. Поскольку АР имеет несколько входов (рис. 4.18, б), то его можно описать уравнением в преобразованиях Лапласа

Рис. 4.18. Операционные усилители

Включая различные резисторы и конденсаторы на входе и в обратной связи усилителя, можно менять передаточную функцию регулятора, а следовательно, реализовывать различные законы управления. Рассмотрим основные из них.

Пропорциональный регулятор (П-регулятор) показан на рис. 4.19, а, на его входе и в обратной связи включены резисторы R1 и R2 соответственно. Передаточная функция

Рис. 4.19. Схемы регуляторов на операционных усилителях

Интегральный регулятор (И-регулятор) получим, включив в обратную связь конденсатор С2 (рис. 4.19, б). Учитывая, что оператор емкостного сопротивления Z₂(s) = 1/(sC₂), запишем передаточную функцию И-регулятора:

где T_И - постоянная времени И-регулятора.

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется последовательным включением резистора R2 и конденсатора С2 в обратную связь (рис. 4.19, в). Оператор сопротивления цепи обратной связи Передаточная функция ПИ-регулятора

т. е. является суммой передаточных функций П- и И-регулятора.

Пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор) описывается передаточной функцией

а соответствующая ему схема показана на рис. 4.20, а. Он создает воздействие, пропорциональное входному сигналу и производной от него. Параметры ПД-регулятора определяются по следующим формулам:

Рис. 4.20. Схемы регуляторов на операционных усилителях

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) выполняется по схеме, показанной на рис. 4.20, б. Его передаточная функция является суммой передаточных функций П-регулятора, И-регулятора и дифференцирующего звена:

где

Так как операционный усилитель является замкнутой системой, то для его демпфирования в схемах (рис. 4.20, б) последовательно с конденсатором С2 включен резистор R.

Развитие микроэлектроники в последние годы позволило создать серию аналоговых элементов УБСР-АИ на базе интегральных микросхем, разработанную институтом ВНИИэлектропривод [9]. В качестве базового элемента использован интегральный операционный усилитель типа К1УТ402А. В зависимости от типа усилителя его коэффициент усиления изменяется в пределах (40-200)⋅10³, полоса пропускания составляет 50-100 кГц, входное сопротивление - 100-500 кОм. Поскольку основным недостатком УПТ является дрейф нуля, то в схемах предусмотрены специальные методы для его уменьшения. Для повышения качества работы в один блок с усилителем включают и корректирующие RС-цепи. Отечественная промышленность создала на базе УБСР-АИ большую номенклатуру комплектных электроприводов. Следует отметить, что помимо аналоговых регуляторов разработана и унифицированная блочная система дискретных регуляторов на базе дискретных интегральных элементов УБСР-АИ [9].