CC BY
22
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ, ДИАГНОСТИКИ, ИЗМЕРЕНИЙ И СЕРТИФИКАЦИИ
УДК 621.314.25
Горячев1 В.Я., Матова1 Ю.А., Кисляков1 С.В., Абдирашев? О.К. , Бростилова1 Т.Ю.
*ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия 2Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан
БЛОК-СХЕМА И НАСТРОЙКА ИИС КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ
В статье представлено описание информационно-измерительной системы (ИИС) механических моментов на базе электромагнитных датчиков с электромагнитной редукцией. Кроме этого, представлены некоторые результаты исследования ИИС механических моментов на базе реальных фазовых датчиков с электромагнитной редукцией. Ключевые слова:
МЕХАНИЧЕСКИЙ МОМЕНТ, ДАТЧИК, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
менты на валу вне зависимости от скорости вращения вала. Система создана на базе торсиона, преобразующего вращающий момент в угловое перемещение, и фазовых датчиков с электромагнитной редукцией.
Структурная схема ИИС крутящих моментов представлена на рисунке 1. Источником механической энергии является двигатель, вал которого через упругий элемент (торсион) соединен с валом нагрузки. Под действием вращающего момента и момента сопротивления нагрузки торсион подвергается упругой деформации вращения, обеспечивая относительное угловое смещение валов на определенный угол, зависящий от упругих свойств тор-сиона. Конструкция соединительной муфты обеспечивает ограничение максимального угла закручивания торсиона для предотвращения неупругой деформации торсиона.
Эффективные и надежные автоматические системы управления различными промышленными установками и технологическими процессами могут быть созданы лишь на базе эффективных и надежных средств автоматизации, в ряду которых первыми стоят информационно-измерительные системы (ИИС) различных величин. Необходимость разработки информационно-измерительных систем крутящих моментов вращающихся валов различных установок была всегда актуальной. Однако большая часть механических устройств работает в режиме неподвижных валов, так и с вращающимися валами. Поэтому разработка ИИС механических моментов, способных работать с одинаковым успехом вне зависимости от скорости вращения валов, является актуальной.
Авторами разработана ИИС крутящих моментов валов [1-3], способная измерять механические мо-
Рисунок 1 - Структурная схема ИИС крутящих моментов
Датчики с электромагнитной редукцией установлены на корпусах двигателя и нагрузки соосно с их валами. При этом подвижная часть датчиков расположена непосредственно на валах. Датчики 1 и 2 в предлагаемой системе подключены к генератору синусоидальных колебаний частотой 5 кГц. Каждый из датчиков имеет выходную синусную и косинусную обмотки, напряжения на которых пропорциональны синусу и косинусу угла поворота соответствующего вала.
Напряжение с выхода синусной обмотки первого датчика, например, подаются на вход первого усилителя (рисунок 1). Напряжение с выхода косинусной обмотки первого датчика подаются на вход второго усилителя. Выходное напряжение первого усилителя подается на вход первого фазовращателя, задача которого заключается в повороте его фазы на +90 град. С выхода второго усилителя напряжение подается на вход корректора амплитуды 1, который изменяет амплитуду напряжения. После дополнительного усиления этих напряжений усилителями 5 и 6, сигналы подаются на сумматор 1. На выходе сумматора получаем напряжение с неизменной амплитудой и начальной фазой, пропорциональной углу поворота вала двигателя.
Напряжение с выхода синусной обмотки второго датчика подаются на вход усилителя 3. Напряжение
с выхода косинусной обмотки второго датчика подаются на вход усилителя 4. Выходные сигналы второго датчика подвергаются такой же обработке, как и сигналы первого датчика. В результате чего на выходе второго сумматора получаем напряжение, начальная фаза которого пропорциональна углу поворота вала нагрузки.
Напряжения с выходов первого и второго сумматоров подается на фазометр, измеряющий фазовый сдвиг напряжений. Фазовый сдвиг будет пропорционален углу закручивания торсиона, т.е. крутящему моменту на валу двигателя. Особый интерес представляют соотношения параметров элементов фазовращателей и корректоров напряжений каналов обработки информации.
На равномерные обмотки датчиков с генератора подается синусоидальное напряжение частотой 5 кГц:
ы(г) = ит ът(т{) ,
где ю = 2ж/ = ЮятЮ3 рад/ сек.
В статическом режиме при скорости вращения вала равной нулю 0 = 0 на выходе синусной и косинусной обмотки будет иметь место напряжение, частота которого будет равна частоте генератора. Если вал двигателя вращается с частотой О , то напряжение на выходах соответствующих обмоток,
как указывалось ранее, является следующими функциями времени:
щ (г) = ит 8ГП(1 бОг) ^(Ш + ф) .
Выходное напряжение косинусной обмотки
Ик (г) = ит С08(1 бОг) + ф) .
Коэффициент редукции датчиков, используемых в реальной установке равен 16, этим вызвано умножение скорости вращения вала О на число 16.
Я5
Рисунок 2 - схемы фазовращателя 1 (2а) и корректора амплитуды 1 (2 6)
На рисунке 2 представлены схемы фазовращателя 1 (рисунок 2а) и корректора амплитуды 1 (рисунок 26). Фазовращателем 1 начальная фаза напряжения
щ (г) , пропорционального напряжению синусной обмотки, поворачивается в сторону опережения на 90 град.
Определим соотношения между параметрами элементов фазовращателя 1, при которых на частоте 5 кГц фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением составит +90 град. Напряжение на не-инвертированном входе первого фазовращателя определится уравнением 1
= и „ ( 1 КА-ф+90°
Zi
--Uвх sinAe
j(-l_90o
оС111
где ивх- входное напряжение первого фазовращателя,
и - напряжение на прямом входе операционного усилителя,
со = = 10я"103 - циклическая частота входного напряжения,
- сопротивление цепи последовательно со-
единенных элементов
R
C
на частоте
Zi
R - j^T = « R2
--ZeJ
тСх V /
Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя равняется и , поэтому с учетом того, что входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности, выходное напряжение первого усилителя-фазовращателя будет равным
и вх - и 1,
и = и -
иввк1 ивх
= и вх - и вх
Ri (Ri + R5 R
(R + R)
= и —^и
—вх Г) —в
Ri
(R + R ) =
1 ■ a j(-i+90° )1 i - sin i1e v ' 1 =
(R + R
R1
ивх slni1e
+90o)
Для определения фазы и амплитуды выходного напряжения выполним некоторые преобразования
ивых1 = ивх -fc^ ивх +(R-+R^) ивх sinii (cos (-i + 90°) + j sin (-i + 90° )) =
Ri
(R + R)
--и„-( i _ 5)и.
R
Ri
(R + R )
+ ( i - 5 ) и вх sin i (-sln(-ii) + j COs(-ii )).
R
Выделив действительную и мнимую часть уравнения выходного напряжения, получим
и = и
и вых1 = и вх
(R + R ^ + (R + R ^ ивх (sin2 ii + j sinli cosii) = и вх
R
R
i - (R + R5) + (R + R) sin2 ii + j(V^sinii cosii
R R R
и вых1 = и вх
(R + R) (R + R) , (R + R)
i-v ^ v + v ^ w(i-cos2i) + jv 5'sin icosi
R
R
R
Модуль выходного напряжения при нулевом аргументе входного напряжения
ивых1 =
ив^ (icos21 J + sinii cosil
Аргумент выходного напряжения будет равен
f{ Ri + R) ■ , ^
--- sin i cos i
1вых1 = arctg
(R + R) 9
i -^ cos2 i
R11
Как показывает практика использования фазовращателей, стабильность начальной фазы выходного напряжения достигается, если К1 = К5 , то есть при коэффициенте усиления каскада равным единице.
В этом случае фвьк1 = — 2ф . Если ф1 = -45 град., то ^1= 90 град. Амплитуда на выходе фазовращателя при этом будет в ^/2 раз меньше входного напряжения. Для сохранения соотношения напряжений синусного и косинусного каналов используется
=и
(R + R ) 2 (R + R ) -^cos i + j-----sin i cosí
R
R
корректор амплитуды в канале косинусного напряжения (рисунок 2б). Коэффициент «усиления» кас-
када коррекции должен быть равным
_L =R
•Л R
Для испытаний ИИС крутящих моментов было реализовано макетирование. В качестве генератора напряжений использовался генератор типа GAG-810. Напряжение генератора синусоидальной формы с частотой 5 кГц подается на «равномерные» обмотки датчиков. Коэффициент редукции датчиков равнялся 16. Максимальная амплитуда напряжений на выходах датчиков составила 5 мВ. При частоте вращения валов Q мгновенные значения напряжений на выходе синусной и косинусной обмоток изменялись по следующим законам в функции времени.
Напряжение на выходе синусной обмотки: ис (t) = Um sin(nQt + a) sin(®t + ф) , напряжение на выходе косинусной обмотки: U (t) = Um cos(nQt + a) sin(fflt + ф) , где Um - амплитуда выходного напряжения, равная 5 мВ,
n - коэффициент редукции датчика, равный
ш
и
или
О - частота вращения вала,
а - пространственный угол начального положения вала двигателя,
ю - частота генератора, равная 10ж103 рад/сек.,
ф - начальная фаза колебаний выходного напряжения.
Напряжения с выходов датчиков подаются на электронный блок, реализованный на базе операционного усилителя типа ЬМ 32 4 N. Суммарный коэффициент усиления всех каскадов равен 100. Операционные усилители, применяемые в схеме усиления, имеют прямой дифференциальный вход, внутри частотную компенсацию при единичном усилении и защиту от короткого замыкания.
Напряжения с выходов сумматоров 1 и 2 (рисунок 1) величиной 0,5 В подаются на фазометр. В
качестве фазометра использован фазометр типа Ф 2-34.
В разработанной схеме реализована возможность настройки каскадов обработки сигналов подстроенными резисторами в зависимости от качества выходного сигнала.
Авторами решена задача разработки ИИС для измерения угловых перемещений и механических моментов на основе редукционного электромагнитного датчика, отличающаяся простотой построения и использования. Проведенные экспериментальные исследования ИИС для измерения угловых перемещений и механических моментов, построенной на базе опытного образца редукционного электромагнитного датчика с продольным магнитным полем, показали ее хорошие метрологические характеристики. Таким образом, данная модель ИИС крутящих моментов может быть использована в реальных установках.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаврина О.В., Горячев В.Я., Голобоков С.В., Бростилова Т.Ю. Анализ двухфазного режима работы информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2013. т.1 - с. 164-166.
2. Горячев В. Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем: монография. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 308 с.
3. Горячев В.Я., Кисляков С.В., Бростилова Т.Ю. Анализ информационно-измерительной системы механических моментов // Надежность и качество сложных систем. - Пенза, 2017. №2 (18). с. 46-55.
УДК 53.084.2
Горячев В.Я., Шатова Ю.А., Абдирашев О.К., Бростилова Т.Ю.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан
ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Описана конструкция фазового электромагнитного датчика линейных перемещений с продольным бегущим магнитным полем. В основу функционирования электромагнитной системы (ЭМС) фазового датчика заложено изменение магнитной связи обмоток при изменении положения подвижного магнитопровода по отношению к неподвижной информационной линейке. В ЭМС входят также три обмотки, расположенные в пазах информационной линейки. Количество витков обмоток различно: у равномерно распределенной обмотки количество постоянно, у синусной и косинусной обмоток количество определяется соответствующими зависимостями. Предложенная авторами конструкция ЭМС датчика позволяет осуществлять его питание в однофазном или двухфазном режиме в зависимости от необходимости. При подаче напряжения на обмотку и перемещении магнитопровода создается бегущее магнитное поле, а начальная фаза выходного напряжения будет изменяться пропорционально расстоянию от начала информационной линейки до середины шунта. Отличительной особенностью рассматриваемого датчика от существующих фазовращателей является локальное взаимодействие обмоток.
Ключевые слова:
ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК, ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, МАГНИТОПРОВОД, МАГНИТНЫЙ ПОТОК, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
В связи с активным развитием робототехниче-ской промышленности и мехатроники, задача измерения линейных перемещений остается актуальной в течение длительного времени. Основным элементом информационно-измерительных и управляющих систем является датчик. Для измерения линейных перемещений практически в любых средах наиболее эффективным является использование фазовых электромагнитных датчиков с продольным бегущим магнитным полем.
Рисунок 1 - Конструкция фазового датчика
Конструкция фазового датчика представлена на рисунке 1. Информационная линейка датчика имеет цилиндрическую форму и состоит из трех частей. Верхний и нижний каркасы представляют собой раз-
резанный по продольной оси цилиндр, изготовленный из немагнитного материала, с пазами для размещения обмотки. Между ними расположен магнито-провод статора, состоящий из нескольких пластин электротехнической стали.
Информационная линейка помещена во внутреннюю полость сплошного кольца из ферромагнитного материала - магнитного шунта. Магнитный шунт перемещается по поверхности неподвижной информационной линейки. Между информационной линейкой и магнитным шунтом имеется воздушный зазор.
Форма магнитопровода представлена на рисунке
2.
Число витков «синусной» обмотки в зависимости от номера участка или зубца статора определяется по следующей формуле:
^ = Жт зт^(к - 0,5)
где Ж к - количество витков синусной обмотки на участке к ;
п - количество активных участков информационной линейки (в конструкции датчика, приведенной на рисунке 1, магнитопровод статора имеет активных 16 участков);
Ж - максимальное количество витков обмотки, которое зависит от размеров паза и диаметра провода. Это значение выбирается проектировщиком датчика.
к - номер активного участка.
Рисунок 2 - Форма магнитопровода
