Датчики положения ротора БДПТ

В следящих системах с БДПТ датчики положения используются для следующих целей:

- определение положения ротора БДПТ относительно его статора для управления переключением подачи напряжения на обмотки статора,

- вычисление частоты вращения ротора для контура регулирования частоты вращения электродвигателя,

- определение положения ИМ для контура следящей системы.

В предыдущем разделе для наглядности рассматривался БДПТ, в котором для определения положения ротора использовались датчики Холла.

В следящих системах с микроконтроллерами все указанные задачи решаются с помощью импульсных датчиков двух типов: энкодеров (encoder) и резольверов (resolver).

Энкодеры

Наиболее распространенными являются оптические энкодеры [4], [7].

Устройство трехканального оптического энкодера, наиболее подходящего для использования в следящих системах, показано на рис. 13.6.

Основу энкодера составляет прозрачный диск, вращаемый от ротора электродвигателя. На диск нанесены 2 концентрических пояса затемненных прямоугольников A и B, а также маркер начального положения диска (ротора) 0.

В корпусе энкодера установлены источники света (светодиоды) и светодетекторы (фотодиоды, фототранзисторы), образующие оптопары [13].

Вращение диска вызывает прохождение прозрачных и непрозрачных участков диска через оптопару, что генерирует последовательности импульсов, снимаемых со светодетекторов.

 

Рис. 13.6 Устройство трехканального энкодера.

 

Средства технологии позволяют получить за один оборот диска 1000 импульсов и более.

Энкодер является датчиком приращений, который измеряет угол поворота ротора электродвигателя от начального состояния. При потере питания энкодера информация о положении ротора теряется.

Трехканальный энкодер содержит (рис. 13.6):
- два канала измерения положения ротора A и B, затемненные участки которых сдвинуты на 90°,
- канал определения начального положения ротора 0.

Энкодер генерирует выходные импульсы в каналах А и В, которые подсчитываются реверсивным счетчиком. Показания счетчика, таким образом, соответствуют углу поворота ротора от начального положения.

Энкодеры позволяют применять квадратурное определение положения ротора, при котором счетчик импульсов срабатывает от фронтов сигналов знкодера. При этом увеличивается число импульсов за один оборот ротора, что, соответственно, повышает точность измерения угла поворота ротора:
- в 2 раза, если счетные импульсы формируются из фронтов сигналов канала А (или В),
- в 4 раза, если счетные импульсы формируются из фронтов сигналов канала А и В.

Канал индикации начального положения вырабатывает один импульс за один оборот ротора. Этот импульс называется сигналом исходного положения, а также индексом, реперным сигналом, Z-импульсом.

Сигнал исходного положения используется для сброса показаний счетчика импульсов после полного оборота ротора, что обнуляет накопившуюся погрешность измерений.

Импульсы, которые генерируются каналами A и B, сдвинуты относительно другдруга по фазе на 90° (см. рис. 13.7). Это дает возможность с помощью внешних логических устройств определять направление вращения ротора [7], [14].

Направление вращения определяется по опережению или отставанию по фазе сигнала канала А относительно сигнала канала B.

Рис. 13.7 Выходные сигналы трехканального энкодера.

 

В частности направление вращения может быть определено с помощью D-триггера [14] (рис. 3.7с), где:
- сигнал канала B является информационным,
- сигнал канала A является синхронизирующим,
- выходной сигнал триггера Dir =1 при отставании сигнала канала A от сигнала
канала B (вращение ротора в одном направлении), и Dir =0 при отставании сигнала канала B от сигнала канала A (вращение ротора в противоположном. направлении).

С помощью одного энкодера можно решить все перечисленные выше задачи датчиков положения.

Частота вращения ротора электродвигателя определяется посредством измерения либо интервала времени между импульсами, либо числа импульсов в пределах временного интервала постоянной длительности [14].

Сигналы на выходах энкодера содержат шумы и помехи. Исключение их влияния на результаты измерений требует использования фильтров [4].

Блок-схема обработки сигналов энкодера, дающая цифровое значение угла поворота ротора БДПТ показана на рис. 13.8.

 

Рис. 13.8 Блок-схема обработки сигналов энкодера.

 

Импульсные сигналы каналов энкодера ChA и ChB, а также сигнал начального положения ротора Index через входные фильтры поступают на квадратурный декодер.

Декодер формирует:
- прямоугольные импульсы Cnt при прохождении фронтов входных сигналов,

- сигнал направления вращения ротора Dir,
- сигнал сброса счетчика Reset при появлении сигнала Index.

Реверсивный счетчик выдает цифровой сигнал γ угла поворота ротора в пределах одного оборота ротора.

Сигналы, аналогичные сигналам рассмотренных выше ДПР, с помощью энкодера формируются следующим образом:

Измерение положения исполнительного механизма, как правило, производится дополнительно устанавливаемым на выходном валу редуктора ИМ таким же трехканальным энкодером для предотвращения накопления погрешности измерения.

 

Резольверы

Резольверы [16] служат для измерения абсолютного положения вала двигателя в пределах одного оборота. Кроме того, из сигнала резольвера могут быть получены сигнал частоты вращения вала и импульсные сигналы положения вала.

Резольвер, например, используется в системе управления топливной рейкой главного судового дизеля [21].

Резольвер работает на принципе вращающегося трансформатора и состоит из ротора с обмоткой и статора с обмотками (рис. 13.9). Отличие от вращающегося трансформатора заключается в том, что обмотки статора сдвинуты относительно друг друга на 90°.

 

 

 

Рис. 13.9 Конструктивное и схематическое устройство резольвера.

 

Ротор резольвера закрепляется на валу электродвигателя. Питание обмотки ротора производится бесконтактным способом. Для этого на статоре и роторе предусмотрены дополнительные обмотки, с помощью которых первичное напряжение на роторную обмотку передается на трансформаторном принципе (рис. 3.10). Дополнительная обмотка на роторе и его рабочая обмотка соединены электрически, поэтому напряжение возбуждения, передаваемое со статора на ротор через дополнительную обмотку будет приложено и к рабочей обмотке ротора.

 

 

Рис. 13.10 Эквивалентная схема резольвера.

 

Принцип действия резольвера заключается в следующем. В зависимости от положения ротора в обмотках статора индуктируются напряжения с амплитудой, изменяющейся в функции угла поворота ротора.

При угле поворота γ= 0 (рис. 3.9) через обмотку с выходным напряжением U 1 проходит полный поток возбуждения и значение напряжения U 1 будет максимальным. При повороте ротора на угол γ= 90° напряжение U 1 уменьшается до 0. Затем напряжение U 1 вновь возрастает до максимума при угле поворота ротора γ= 180°. Таким образом, напряжение имеет огибающую, изменяющуюся по закону косинуса (рис. 3.10). Напряжение U 2 на второй обмотке сдвинуто относительно U 1 на 90° и имеет при γ= 0 нулевое значение. Это напряжение достигает максимума при γ= 90° и затем снова уменьшается до нуля при γ= 180°. Следовательно, огибающая напряжения U 2 изменяется по закону синуса (рис. 3.11).

Выходные напряжения резольвера U 1 и U 2 в зависимости от входного напряжения Ue изменяются следующим образом:

Ue = Us sin ωt,

U1 = Us sin ωt cos γ,

U2 = Us sin ωt sin γ,

где γ – угол поворота ротора,
             ω – угловая частота входного напряжения Ue,
             Us – амплитуда входного напряжения.

 

Рис. 13.11 Выходные напряжения резольвера.

 

Сигналы резольвера преобразуются в цифровые значения в преобразователе резольвер-код (РК-преобразователь), который выдает следующие величины:
- угловое положение ротора γ,
- частоту вращения ротора.

 

Схема преобразователя резольвер-код приведена на рис. 13.12.

 

Рис. 13.12 Схема преобразователя резольвер-код.

 

Генератор опорной частоты через статорную обмотку резольвера подает на его ротор переменное напряжение около 10 В при частоте около 7 кГц. Цифровое значение измеренного углового положения ротора φ получается в реверсивном счетчике 6. Это значение преобразуется в аналоговый сигнал в цифро-аналоговом преобразователе 5.

Выходные сигналы резольвера U 1 и U 2 умножаются в аналоговой форме на синус и косинус угла φ. В результате получаются напряжения:

Uf1 = Us sin ωt cos γ sin φ,

Uf2 = Us sin ωt sin γ cos φ.

В операционном усилителе 2 вычисляется разность этих сигналов:

Ufd = Us sin ωt (sin γ cos φ - cos γ sin φ)

или после преобразования

Ufd = Us sin ωt sin (γ - φ).

В фазочувствительном выпрямителе 3 сигнал Ufd демодулируется, чтобы исключить несущую частоту. Сигнал на выходе выпрямителе Uf пропорционален sin (γ - φ). Этот сигнал поступает на выход РК-преобразователя и на вход интегратора 4, который интегрирует сигнал рассогласования.

Выходной сигнал интегратора Ut поступает на вход генератора ГУН 7, управляемого напряжением. Если между углами γ и φ существует разность, то интегратор 4 формирует на своем выходе выпрямленное напряжение Ut, с помощью которого ГУН 7 вырабатывает импульсы, поступающие в реверсивный счетчик 7.

Элементы со 2-го по 7-й образуют замкнутый контур, обеспечивающий равенство γ = φ. При этом цифровой сигнал реверсивного счетчика равен аналоговому значению угла резольвера.

При непрерывном вращении ротора резольвера ГУН вырабатывает импульсы до тех пор, пока цифровое значение на счетчике не совпадет с аналоговым сигналом углового положения ротора. Частота сигналов ГУН при этом пропорциональна частоте вращения ротора. Из этого следует, что выходное напряжение интегратора Ut также пропорционально частоте вращения электродвигателя и резольвера.

Для следящих систем с микропроцессорами удобнее использовать датчики положения с выходными сигналами, аналогичными выходными сигналам энкодера. Поэтому резольвер обычно дополняется моделью энкодера, которая по сигналам резольвера формирует сигналы трехканального энкодера, например, в [21]. Эти сигналы проходят обработку по схеме, показанной на рис. 3.8.

 

БДПТ могут работать и без датчиков положения ротора, что позволяет:
- упростить устройство,
- уменьшить стоимость,
- повысить надежность.

Для управления БДПТ без датчиков используются следующие способы [2], [23]:
- измерение противо-ЭДС электродвигателя,
- измерение третьей гармоники напряжения на статоре,

- измерение интервала состояния проводимости диодов инвертора,

- измерение напряжений и токов с использованием математической модели БДПТ.

Наибольшее распространение получило измерение противо-ЭДС, которое может быть выполнено на делителях напряжения согласно схеме на рис. 3.13.

 

Рис. 13.13 Схема БДПТ с измерением противо-ЭДС.

 

Определение положения ротора БДПТ с использованием противо-ЭДС характеризуется высоким уровнем шума в сигналах измерений, особенно, при малых частотах вращения ротора. Применяется данный метод, как правило, в БДПТ бытовых электронных устройств (видеокамеры, CD-проигрыватели).

14 УПРАВЛЕНИЕ БЕСКОНТАКТНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Управление БДПТ состоит из:
- непосредственного управления электродвигателем,
- управления БДПТ как элементом следящей системы (в данном учебном пособии).

Непосредственное управление электродвигателем включает:
- переключение подачи напряжения на обмотки статора для создания вращающегося магнитного поля,
- управление изменением направления вращения (реверсом) двигателя,
- управление частотой вращения двигателя.

Далее рассматривается управление трехфазным БДПТ при 6-ти ступенчатой 120-ти градусной модуляции.