Способы контроля скорости вращения электродвигателей.

Датчики Холла.Датчики Холла используются для измерения скорости и направления вращения электродвигателей, а также положения ротора. Затем

датчики, благодаря интегрированной в них логике, передают эти данные в систему для организации обратной связи в режиме реального времени. Датчики также обнаруживают и сообщают о перебоях в работе электродвигателя, что позволяет предпринять некие корректирующие действия. Обычно для определения направления движения используют два датчика Холла. Датчики Холла могут также использоваться совместно со

специальными интерфейсными схемами. Интерфейсные устройства обеспечивают выполнение нескольких функций: защищают от переходных

процессов в источнике, измеряют и фильтруют ток, потребляемый датчиками Холла, и на основании этих измерений диагностируют аварийные ситуации и защищают от них. Датчики Холла улучшают надёжность и повторяемость измерений по сравнению с системами на базе механических фотопрерывателей, которые плохо работают в условиях запылённости и высокой влажности. Так как датчики Холла детектируют магнитное поле, производимое магнитом или током, то они могут постоянно работать в

таких неблагоприятных условиях.

В некоторых приложениях активные датчики могут сбоить из-за вибрации, пыли или высокой температуры. В таких ситуациях для контроля работы электромотора можно использовать пассивные компоненты, а получаемые данные передавать в систему с помощью интерфейсных микросхем. В качестве альтернативы, для работы в экстремальных условиях можно использовать магнитоэлектрические датчики (variable-reluctance — VR).

Магнитоэлектрические датчики. В VR-датчиках для определения скорости и направления вращения электродвигателя используется катушка индуктивности. Когда зуб шестерни, размещённой на валу двигателя, проходит мимо магнита, величина магнитного потока, проходящего через магнит и, соответственно, катушку, изменяется. Когда зуб находится вблизи датчика, магнитный поток максимален. Когда зуб проходит дальше, величина магнитного потока уменьшается. В результате вращающееся зубчатое колесо приводит к генерации изменяющегося во времени магнитного потока, который наводит в катушке соответствующее напряжение. Последующие электронные блоки обрабатывают этот сигнал, давая на выходе последовательность импульсов логического уровня. Временные параметры этих импульсов легко определить, также легко посчитать и количество самих импульсов. Интегральные интерфейсные схемы для работы с VR-датчиками обладают многими преимуществами по сравнению с другими решениями. Среди них повышенная стойкость к шумам и точная информация о фазах.

Точность, с которой необходимо управлять электродвигателями, зависит от системных требований. В некоторых приложениях, например в промышленных роботах или линиях розлива бутылок, требования к точности очень высоки. Скажем, ожидается, что сварочный робот будет работать с высокой скоростью и точностью. Аналогично, необходимо точно управлять электродвигателями на линии розлива, чтобы бутылки останавливались в нужных местах для наполнения, закручивания крышки и наклейки этикетки. Для точного управления электродвигателями следует получать информацию о скорости и направлении вращения и положении ротора. Эти данные можно получить с помощью аналоговых датчиков, таких как резольверы (круговые

датчики положения), сельсины, вращающиеся дифференциальные трансформаторы или поворотные потенциометры. Высокую точность обеспечивают энкодеры, например: оптические или на основе датчиков Холла. Энкодеры передают контроллеру информацию о приращении и/или об абсолютном значении угла поворота вала. Контроллер электродвигателя,

обычно алгоритмически реализованный на DSP-процессоре (процессор цифровой обработки сигнала), рассчитывает текущие значения скорости и угла поворота ротора. Он подстраивает силовые каскады привода так, чтобы эффективно и оптимальным образом добиться желаемого отклика. Для такого замкнутого управления с обратной связью требуется помехоустойчивая и надёжная информация от датчиков. Данные при этом обычно передаются от энкодера к контроллеру по длинным кабелям.

Инкрементная информация обычно передаётся контроллеру квадратурными сигналами, т. е. двумя сигналами, сдвинутыми по фазе на 90°. Это могут быть аналоговые (синус + косинус) или двоичные сигналы. Информация об

абсолютном положении, напротив, передаётся только потоком двоичных данных через последовательные интерфейсы.

Индукционные реле. В схемах торможения противотоком асинхронных электродвигателей широко применяют индукционное реле контроля скорости. С валом электродвигателя, угловую скорость которого необходимо контролировать, связывают входной вал реле 5, на котором установлен цилиндрический постоянный магнит 4.

При вращении электродвигателя поле магнита пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 3 поворотного статора 6. В обмотке наводится ЭДС, величина которой пропорциональна угловой скорости вращения вала. Под ее воздействием в обмотке появляется ток и возникает сила взаимодействия, стремящаяся повернуть статор 6 в сторону вращения магнита.

При определенной частоте вращения сила возрастает настолько, что упор 2, преодолевая сопротивление плоской пружины, переключает контакты реле. Реле снабжено двумя контактными узлами: 1 и 7, которые переключаются в зависимости от направления вращения.

Рис.1 Индукционное реле контроля скорости.

Индукционное реле контроля скорости имеет довольно сложную конструкцию и низкую точность, которая может быть приемлемой только для грубых систем управления.

Тахогенераторы. Более высокая точность контроля скорости может быть получена с помощью тахогенератора — измерительной микромашины, напряжение на зажимах которой прямо пропорционально скорости вращения. Тахогенераторы используют в системах обратной связи регулируемого привода с большим диапазоном изменения скорости, и поэтому погрешность их составляет всего несколько процентов. Наибольшее распространение имеют тахогенераторы постоянного тока.

На рис. 2 показана схема реле контроля скорости электродвигателя М с применением тахогенератора G, в цепь якоря которого включено электромагнитное реле Ки регулировочный реостат R. Когда напряжение на зажимах якоря тахогенератора превысит напряжение срабатывания, реле производит переключение во внешней цепи.

Рис.2 Реле контроля скорости с тахогенератором.

С увеличением сопротивления цепи якоря точность работы схемы повышается. Поэтому иногда реле подключают к тахогенератору через промежуточный полупроводниковый усилитель. Возможно также использование для этой цели полупроводниковых бесконтактных пороговых элементов, обладающих стабильным напряжением срабатывания.
Надежность работы схемы может быть повышена, если тахогенератор постоянного тока заменить бесконтактным асинхронным тахогенератором.
Асинхронный тахогенератор имеет полый немагнитный ротор, выполненный в виде стакана. На статоре размещены две обмотки, находящиеся под углом 90° друг к другу. Одну из обмоток включают в сеть переменного тока. С другой обмотки снимают синусоидальное напряжение, пропорциональное частоте вращения ротора. Частота выходного напряжения всегда равна частоте сети.
В современных исполнительных электродвигателях постоянного тока тахогенератор встраивают в один корпус с машиной и устанавливают на одном валу с основным двигателем. Это уменьшает пульсации выходного напряжения и повышает точность регулирования скорости.
В электродвигателях серии ПБСТ обычно применяют тахогенераторы постоянного тока типа ПТ-1 с электромагнитным возбуждением. Высокомоментные электродвигатели постоянного тока имеют встроенный тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов.
В тех случаях, когда электродвигатель М постоянного тока тахогенератора не имеет, его скорость можно контролировать измеряя ЭДС якоря. Для этого используют схему тахометрического моста, который образован двумя резисторами: R1 и R2, якорем Rя и добавочными полюсами машины Rдп. Выходное напряжение тахометрического моста Uвых = U1 - Uдп , или
Uвых = (Rдп / Rдп + Rя) х Е = (Rдп / Rдп + Rя) х сω
Последнее равенство справедливо при условии постоянства магнитного потока электродвигателя. Включая на выходе тахометрического моста пороговый элемент, получают реле, настроенное на определенную угловую скорость вращения. Точность тахометрического моста невелика из-за непостоянства сопротивления щеточного контакта и нарушения равновесия при нагреве сопротивления.
Если электродвигатель постоянного тока работает на искусственной характеристике и в цепь якоря включено большое добавочное сопротивление, функции реле скорости может выполнить реле напряжения, включенное на зажимы якоря.
Напряжение на якоре электродвигателя Uя = E + IяRя.
Поскольку Iя = (U - Е) / (Rя + Rдоб), получим Uя = (Rдоб / (Rя + Rдоб)) х Е + (Rя / (Rя + Rдоб)) х U, то вторым слагаемым можно пренебречь и считать напряжение на зажимах якоря прямо пропорциональным ЭДС и скорости вращения электродвигателя.

Рис.4 Контроль скорости с помощью реле напряжения

Рис.5 Центробежное реле контроля скорости