Приборные следящие приводы
10.2. ПРИБОРНЫЕ СЛЕДЯЩИЕ ПРИВОДЫ
Приборные СП относятся к маломощным приводам, работающим с малыми напряжениями и токами, и рассчитаны на небольшие нагрузки в виде указателей, шкал и т. п.
Название — приборные — они получили, так как их применяют в измерительных приборах, принцип работы которых основан на компенсационном методе измерения. Известно, что метод непосредственного измерения неэлектрических величин проще, чем другие, но не отличается особой точностью вследствие влияния внешних условий, например температуры. Компенсационный метод измерения точнее метода отклонения и основан на сравнении момента, пропорционального измеряемой величине, e эталонным моментом, создаваемым противодействующим элементом, например пружиной.
В высокопрецизионных приборах позиционные (противодействующие) и скоростные (демпфирующие) моменты создаются сигналами, сформированными OC приводов. Эти СП осуществляют автоматическое уравновешивание моментов или напряжений с помощью двигателей. Например, в приборе, схема которого дана на рис. 120, величина, пропорциональная разбалансу моста, через усилитель A подается на двигатель M, который с помощью редуктора q приводит систему к положению равновесия.
Рис. 120. Автокомпенсационная схема
С помощью такого прибора можно автоматически измерять сопротивления, индуктивности, емкости, а также осуществлять математические операции. Так как момент равновесия моста определяется соотношением R1R4 = R2R3 то, например, R3= R1R4/R2. Следовательно, с помощью такого прибора можно выполнять операции умножения, деления, а также вычислять различные функции. Это с успехом применяется в аналоговых ЭВМ или блоках решения централи летательных аппаратов.
Наконец, если вместо резистора R3 в схеме на рис. 120 поставить датчик, a с редуктором q связать стрелку указателя Н, то получим высокоточный прибор для измерения неэлектрической величины.
Два способа измерения барометрической высоты с применением местного СП (рис. 121, а) и дистанционного СП (рис. 121, б) иллюстрирует рис. 121.
Чувствительным элементом указателя высоты H в первой схеме является сильфон BP, реагирующий на изменение внешнего давления p относительно внутреннего p0. С помощью поводка, сектора и трубки q1 шток сильфона связан с ротором 1 индукционного датчика BC. Последний снабжен расположенными на статоре обмоткой возбуждения 2 и сигнальной обмоткой 3, состоящей из двух полуобмоток, включенных дифференциально. Ротор BC выставлен на земле в нейтральное положение, U? = 0.
Рис. 121. СП указателя высоты
Прогиб сильфона при изменении высоты полета вызывает поворот ротора BC относительно статора. Электрический сигнал рассогласования поступает на усилитель A и далее на двигатель М, нагруженный стрелочным индикатором высоты H. Двигатель через редуктор q2 поворачивает стрелку индикатора и одновременно статор датчика BC в сторону уменьшения рассогласования.
Принцип дистанционного измерения высоты применен в указателе, показанном на рис. 121, б. В качестве датчика и приемника служат индуктивные датчики B1 и B2, включенные по дифференциальной схеме. Сердечник датчика B1 жестко связан с сильфоном BP и повторяет его колебания при изменении давления p с высотой. Сердечник приемника B2 с помощью СП отслеживает положение сердечника B1, а вместе с ним перемещается и стрелка указателя H.
Рассмотренные указатели высоты устанавливают, например, на пассажирских самолетах: стрелочный индикатор размещают на приборной доске, и по перемещению стрелки указателя относительно градуированной шкалы летчик узнает высоту над землей. Точность работы дистанционного указателя выше, так как чувствительный элемент в этом приводе может располагаться не на приборной доске, испытывающей вибрацию, а в более спокойном месте, например в фюзеляже.
Приборные СП находят широкое применение:
в системах автокомпенсаторов, автоматических мостах и потенциометрах;
в интегрирующих приводах, навигационных приборах, вычисляющих путь, географические координаты; преобразователях координат;
в качестве корректирующих следящих приводов;
для индикации угловых положений летательных аппаратов и связи их с другим оборудованием; выработки и подачи в автопилот сигналов, пропорциональных отклонению самолета от заданных углов по каналам курса, крена, тангажа; в РЛС для создания круговой развертки на экране индикаторного блока и т. п.
В последнем случае широкое применение находят потенциометрические или индукционные СП с диапазоном работы в пределах 360°.
Рассмотрим особенности построения приборных СП. Сравнительно небольшая мощность управления двигателями позволяет строить усилители приборных СП на базе полупроводниковых элементов (транзисторов, микросхем). Усилитель должен иметь высокий коэффициент усиления (для обеспечения повышенной добротности) и хорошие динамические свойства. Желательно, чтобы усилитель был безынерционным или в крайнем случае инерционным звеном первого порядка по отношению к полезному сигналу. Это осложняется наличием в усилителе нескольких преобразующих каскадов, фильтров, а также требованием высоких избирательных свойств.
Рис. 122. Структурные схемы приборного СП
В качестве измерителей рассогласования могут служить как элементы на переменном токе (индукционные датчики), так и элементы на постоянном токе (потенциометры). Кроме того, на вход усилителя может поступать управляющий сигнал с аналоговой ЭВМ, постоянный по физической природе. ЭВМ обладает большим выходным сопротивлением, поэтому для согласования нагрузок применяют устройства, имеющие большое входное сопротивление (повторители напряжения).
Ha вход усилителя, как правило, наряду с полезным сигналом поступает паразитное напряжение. В случае индукционных измерителей это напряжение складывается из квадратурной составляющей первой гармоники и высших гармоник и сдвинуто относительно полезного сигнала на 90°. В случае потенциометрических датчиков это напряжение шумов, вызываемое переходом щетки с витка на виток. Паразитное напряжение приводит к насыщению усилителя, увеличению нагрева двигателя и к дополнительной погрешности СП.
Во избежание этого на входе усилителя следует применять фазовый дискриминатор, отфильтровывающий напряжения, сдвинутые на 90°.
В качестве исполнительных устройств в приборных СП применяют асинхронные двигатели переменного тока (ДИД, АДП, ДГ) и двигатели постоянного тока малой мощности (ДПР, ПЯ, МИГ).
СП переменного тока. Большое распространение получили СП переменного тока с асинхронными двигателями, так как они надежны в работе и экономичны, имеют меньшие массу и размеры, чем двигатели постоянного тока.
Простота управления и согласования с усилителями переменного тока делают асинхронные двигатели незаменимыми в быстродействующих приборных СП. Применение асинхронных двигателей обусловливает необходимость, чтобы управляющий сигнал был переменным и совпадал по частоте и фазе с напряжением сети. При использовании индукционных датчиков в самой измерительной схеме происходит преобразование измеряемого параметра в огибающую напряжения несущей частоты (модуляция). При этом структура привода проста и соответствует схеме на рис. 122, a. В случае ИР постоянного тока в усилителе всегда применяется модулятор, преобразующий постоянное напряжение в огибающую напряжения несущей частоты.
Рис, 123. Принципиальная схема СП указателя высоты
Структура приборного СП в большой степени определяется жесткостью требований к точности привода. В приводе повышенной точности для обеспечения устойчивости на вход усилителя кроме сигнала рассогласования необходимо подать его производную, для чего вводят сигналы, пропорциональные угловой скорости входного и выходного валов G датчиков скоростей BRl, BR2 (рис. 122, б).
В приводах менее ответственных устройств коррекция может быть осуществлена дешевыми и простыми последовательными RC-контурами, хорошо вписывающимися в тракт усиления, но требующими включения демодулятора UR и модулятора UB (рис. 122, в). Наиболее простыми, стабильными и дешевыми приборные СП получаются в случае, если все усиление, преобразование и коррекция сигналов осуществляются на переменном токе.
Принцип работы подобного привода рассмотрим на примере СП указателя барометрической высоты (рис. 123), функциональная схема которого была приведена на рис. 121, a. В качестве измерителя рассогласования применен индукционный датчик B, ротор которого механически связан с мембранной коробкой и перемещается относительно обмоток статора на угол ? при изменении высоты H.
Сигнал рассогласования, формируемый дифференциальной вторичной обмоткой статора, через разделительный конденсатор C1 и резистор R1 поступает на трехкаскадный усилитель. Первые два каскада, выполненные на ОУ DA1 и DA2, образуют предварительный усилитель напряжения. Усилитель DA1 с резистором R4 в цепи ОС служит для суммирования сигнала рассогласования с сигналом корректирующей ОС, поступающим через резистор R2 на тот же вход усилителя. Между входами DA1 для защиты усилителя от перегрузок при больших входных сигналах включены стабилизаторы VD1 и VD2. Выходной сигнал через фильтр C3R5 поступает на вход второго ОУ DA2, выполняющего роль усилителя напряжения с коэффициентом усиления kп = R7/R6.
Для выравнивания режимов работы внутренней схемы микросхем ОУ через резисторы R3 и R8 подсоединены к корпусу. В качестве ОУ применены микросхемы К153УД2. Конденсаторы C2 и C4 выполняют функцию частотой коррекции. Для регулирования коэффициента усиления усилителя служит переменный резистор R7. Резистор R9 определяет коэффициент передачи усилителя напряжения.
Выходной сигнал усилителя напряжения поступает на усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме на транзисторах VT3 и VT4 и комплементарном фазоинверсном каскаде, состоящем из транзисторов VT1 и VT2. Нагрузкой усилителя является обмотка управления двигателя ДГ-0.5ТА, включенная между выходом усилителя и шиной нулевого потенциала. Сигнал усиливается попеременно транзисторами верхнего и нижнего плеч усилителя. Однако это изменение напряжения должно происходить относительно постоянного уровня.
Действительно, при UУ = 0 транзисторы VT3, VT4 находятся в одинаковом состоянии — открыты.
При условии R10 = R11 и R12 = R13 ток покоя транзистора VT3 протекающий через обмотку управления двигателя от «+UП» к средней точке, будет компенсироваться током покоя транзистора VT4, протекающим в обратном направлении через обмотку от средней точки к «—UП». При положительном входном сигнале коллекторный ток транзистора VT1 уменьшится, а транзистора VT3 возрастет в нижнем плече, наоборот, ток транзистора VT2 увеличится, а ток транзистора VT4 уменьшится. В результате по обмотке управления протекает разностный ток IК3 - IК4, фаза которого определяется фазой входного сигнала.
Конденсаторы C5, C6 являются фильтрами цепей питания.
При работе выходных транзисторов на индуктивную нагрузку (обмотку управления) появляется отрицательный импульс напряжения, который в момент открывания выходного транзистора создает на переходе база — эмиттер напряжение, превышающее допустимое. Для ограничения обратного напряжения в цепь коллектор — эмиттер каждого выходного транзистора включается ограничитель на диодах VD3, VD4.
Ток в обмотке управления двигателя создает переменный магнитный поток, от воздействия которого с потоком возбуждения появляется момент вращения. Двигатель через редуктор поворачивает статор датчика B на угол ? вслед за ротором, уменьшая сигнал рассогласования, и одновременно стрелку указателя высоты Н, расположенного на пульте управления пилота.
Целесообразно использование в этом приводе в качестве корректирующего сигнала о тахогенератора BR, встроенного в одном корпусе с двигателем и не требующего дополнительных конструктивных усложнений.
Рассмотренный приборный привод может быть использован не только как указатель высоты, но и в качестве измерителя рассогласования в канале управления высотой полета летательного аппарата. С этой целью (см. рис. 121, a) с выходным редуктором q через электромагнитную муфту YC связывают движок потенциометра RP. Муфта включается от кнопки, установленной на пульте управления, с указанием такой высоты, которую необходимо выдержать.
Движок потенциометра до включения кнопки удерживается центрирующими пружинами в нейтральном положении. После включения кнопки всякое отклонение от заданной на пульте барометрической высоты H преобразуется в отклонение движка потенциометра, и электрический сигнал, пропорциональный этому отклонению, т. e. Н, поступает в канал руля высоты автопилота.
Достоинство рассмотренного СП заключается в сравнительной простоте при проектировании и изготовлении. Кроме того, меньшее число составляющих элементов обеспечивает максимальную надежность привода. Однако включение КУ переменного тока накладывает жесткие требования к фазировке напряжений по всей схеме. Выходная мощность такого СП не превышает десятка ватт.
Для обеспечения большей мощности (до 100 и более ватт) и больших выходных токов усилитель мощности строят по схеме эмиттерного повторителя с использованием составных транзисторов разной проводимости.
Приборные СП постоянного тока. В качестве ИУ такие СП содержат двигатели постоянного тока серий ДПР с возбуждением от постоянного магнита, МИГ, MPM и ПЯ, отличающиеся высоким быстродействием. Вследствие наличия коллектора двигатели постоянного тока уступают асинхронным, но их электромеханические характеристики (КПД, развиваемый на единицу массы момент), а также пусковые качества значительно выше соответствующих показателей двигателей переменного тока. Так как у асинхронных двухфазных двигателей при неправильном согласовании сопротивлений источника и ротора может возникнуть явление «самохода» (непрерывный разгон ротора при UУ = 0), применение двигателей постоянного тока в некоторых СП является единственно возможным вариантом. Кроме того, использование двигателей с печатным якорем, обладающих высоким быстродействием, — это одно из средств повышения быстродействия.
В СП повышенной точности, в которых использование силовых редукторов вследствие наличия в них зазоров и кинематических погрешностей недопустимо, целесообразно применять тихоходные безредукторные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением.
Такие электродвигатели соединяют непосредственно с OP. Однако эти двигатели не позволяют получить достаточных моментов при приемлемых размерах и мощностях управления.
Развитие полупроводниковой техники, появление мощных транзисторов позволяет создать СП постоянного тока e высоким КПД и высокими динамическими свойствами. В качестве усилителей, как правило, применяют операционные усилители e выходным каскадом на транзисторах. Выходные каскады выполняют по мостовой схеме при непосредственном включении якоря электродвигателя либо по дифференциальной схеме при управлении по обмотке возбуждения. Следует помнить, что управление по цепи якоря помимо большого быстродействия обеспечивает более плавное изменение частоты вращения двигателя и больший диапазон изменения скорости.
В качестве измерителей рассогласования могут служить как индукционные элементы, так и потенциометры. Кроме того, сигнал постоянного тока может поступать с аналоговой ЭВМ или вычислителя. При наличии управляющего сигнала постоянного тока предварительный усилитель строится по схеме M — ДМ.
Тип КУ, вводимого в СП, зависит от жесткости требований к точности. Однако, как правило, в таких приводах используют последовательные КУ на пассивных контурах.
Приборные СП постоянного тока применяют в качестве элементов аналоговых ЭВМ, спецвычислителей, в качестве интегрирующих приводов, в приборах и устройствах автоматического контроля и измерения, в задающих и компенсирующих устройствах.
В качестве примера рассмотрим схему интегрирующего привода (рис. 124), предназначенного для коррекции погрешности мощного СП сигналом, пропорциональным интегралу от входного воздействия. Структурно привод соответствует схеме скоростного СП, представленной на рис. 9. В качестве исполнительного применен двигатель ДПР-32 мощностью 1,8 Вт. Для получения интегрирующего эффекта главная ОС по скорости сформирована с помощью тахогенератора BR постоянного тока типа ТГП-1, соединенного с валом двигателя M с помощью фрикционной муфты Y.
Рис. 124. Принципиальная схема интегрирующего привода
Сигнал с тахогенератора поступает на вход усилителя, где сравнивается с сигналом UBХ c задающего устройства и выявляется погрешность рассогласования: U? = UBХ — UТГ. Если допустить, что привод идеальный и U? = 0, то UТГ = UBХ или kТг p? = UBХ .
Откуда
т. e. угол поворота выходного вала привода пропорционален интегралу по времени от напряжения UBХ.
Следует заметить, что в реальных приводах процесс интегрирования сопровождается погрешностью, определяемой статическими погрешностями всех составляющих элементов и в первую очередь погрешностью тахогенератора.
Выходной величиной интегрирующего СП является напряжение UBЫХ, снимаемое с вращающегося трансформатора TE типа ВТ-ЗА, связанного e валом двигателя посредством редуктора q e передаточным числом i = 7500.
В качестве предварительного усилителя напряжения служит усилитель постоянного тока e двойным преобразованием сигнала, удовлетворяющий высоким требованиям к дрейфу нуля. Первый каскад усилителя, собранный на ОУ DA1, используется как сумматор сигнала UBХ, подаваемого на вход через резистор R1, и сигнала UТГ поступающего через резистор R2. Входной сигнал и сигнал ОС подаются на инвертирующий вход DA1, соответственно неинвертирующий вход через резистор R3 соединяется с общей шиной. Отношения сопротивлений резисторов R4, R1 и R4, R2 должны быть равны 1, так как каскад выступает в роли повторителя напряжения.
Для обеспечения запасов устойчивости привода в схеме усилителя применен активный корректирующий контур, собранный на усилителе DA2 и элементах C1, C2, R5, R7 и реализующий передаточную функцию
Модуляция скорректированного постоянного сигнала осуществляется поочередным замыканием и размыканием ключа, собранного на транзисторе VT1 и элементах, формирующих опорное напряжение: трансформаторе T1, диоде VD1 и резисторах R11, R12. Входной сигнал через резисторы R8, R9 попадает на инвертирующий вход, а через резисторы R8, R10 — на неинвертирующий вход усилителя DA3. В замкнутом состоянии ключ шунтирует прямой вход DA3 на землю, и сигнал, проходя через усилитель, инвертируется в один из полупериодов; в другой полупериод, когда ключ разомкнут, сигнал не инвертируется, что соответствует двухполупериодной модуляции.
Для получения коэффициента передачи схемы kп = 1 необходимо, чтобы сопротивления резисторов входной цепи и цепи OC были равны, т. e. R13 = R9 = R10.
Сигнал с выхода модулятора через разделительный конденсатор C3 поступает на каскад усилителя напряжения, собранный на микросхеме DА4, резисторах R14—R16. Коэффициент передачи каскада определяется отношением сопротивлений резисторов R16 и R14. Усиленный сигнал поступает на вход демодулятора, собранного на усилителе DA5, резисторах R17—R20 и транзисторном ключе.
Работа ДМ аналогична работе рассмотренного ранее М, но ДМ имеет вход по переменной составляющей. Ключ ДМ собран на транзисторе VT2, диоде VD2, резисторах R21, R22 и трансформаторе T1 опорного напряжения. Если управляющий сигнал совпадает по фазе с опорным, демодулятор выполняет функцию двухполупериодного выпрямителя e коэффициентом передачи kп = - 1, если в противофазе — то с коэффициентом kп = +1.
Для преобразования выпрямленного сигнала в двуполярный использованы усилители DA6, DA7 с коэффициентами передачи, определяемыми отношениями R24/R23 и R27/R26. Резисторы R3, R6, R15, R25 обеспечивают режим работы усилителей по току. В качестве операционных усилителей можно применить микросхему 140УД1Б, для которой требуется небольшое число элементов коррекции.
С выхода усилителя напряжения двуполярный сигнал через резисторы R28, R29 подается на вход усилителя мощности, выполненного в виде четырехплечевого моста на транзисторах VT3—VT10 и резисторах R30—R39. Каждое плечо образовано параллельным включением силового и дополнительного транзистора по схеме с общим эмиттером для увеличения максимального тока нагрузки. Чтобы исключить перегрев одного из транзисторов, в цепь эмиттера каждого из транзисторов включены резисторы OC: R32—R37. В качестве эмиттерных нагрузок транзисторов VT6, VT8 включены диоды VD3, VD4. Источник питания подключен в одну диагональ, а нагрузка в виде якорной обмотки двигателя M — в другую диагональ моста. В остальном работа выходного каскада аналогична работе выходного каскада, показанного на рис. 97.
При отсутствии управляющего сигнала ток в мосте отсутствует, и двигатель M обесточен. С приходом управляющего сигнала отпирается пара диагонально противоположных плеч, и по якорю двигателя начнет протекать ток определенного напряжения. Двигатель вращает тахогенератор BR1 с выходной обмотки которого снимается напряжение, пропорциональное частоте вращения вала двигателя. Напряжение OC через делитель R40, R41 поступает на вход усилителя СП.
Для коррекции привода применен RC-контур, включенный в тракт усиления сигнала (R5, C1, C2, R7), но возможно также применение магнитоиндукционного или масляного демпфера, конструктивно закрепляемого на одном валу с двигателем.
Рассмотренный привод обеспечивает высокое быстродействие и высокую точность интегрирования как медленно меняющихся входных сигналов, так и сигналов, изменяющихся по гармоническому закону.
В заключение следует отметить, что приборные СП как постоянного, так и переменного тока отличаются малыми размерами и массами, высоким КПД и достаточно высокими динамическими свойствами. В приборных приводах существует возможность применения компактных типовых редукторов, повышающих надежность, технологичность приводов и одновременно снижающих себестоимость изготовления СП. В перспективе возможно изготовление стандартного ряда приборных СП, различающихся по мощности.
Назад | Содержание
| Вперед
