Преимущества и недостатки магнитных усилителей

46
5. УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ
5.1. Назначение, классификация,
основные характеристики
Мощность сигналов датчиков в большинстве систем автоматического управления и контроля оказывается недостаточной для приведения в действие исполнительного устройства. В связи с этим, возникает
необходимость усиления сигналов по мощности. Так как в процессе
усиления происходит преобразование сигнала, элементы, выполняющие указанную функцию, называют усилительно-преобразовательными. В системах эти элементы располагаются между датчиками и исполнительными устройствами. По виду вспомогательного источника
энергии усилители подразделяют на электрические, гидравлические и
пневматические. Последние два вида усилительно-преобразовательных
элементов зачастую совмещаются с исполнительными устройствами и
называются серводвигателями.
Усилительно-преобразовательные элементы, как и датчики сигналов, делятся на два класса:
- параметрические, основой которых служит нелинейный элемент, позволяющий управлять процессами в цепях питания и нагрузки
с помощью входного сигнала малой мощности;
- генераторные, в которых преобразование энергии питания в
энергию выходного сигнала происходит под воздействием маломощного входного сигнала.
В усилительно-преобразовательных элементах любого класса
происходит не увеличение энергии, а управление потоком энергии
вспомогательного источника большой мощности при помощи сигналов
малой мощности, являющихся выходными сигналами датчиков. Поэтому к усилительному элементу предъявляется основное требование –
обеспечить на выходе наиболее точное воспроизведение всех изменений входного сигнала с соответствующим его усилением. В значительной мере выполнение этого требования определяется следующими основными характеристиками усилительно-преобразовательных элементов: статической характеристикой; динамическими свойствами (инерционностью); степенью нелинейных искажений; коэффициентом усиления по мощности; входным и выходным сопротивлениями; мощностью сигнала на выходе; уровнем шумов усилителя; коэффициентом
полезного действия.
В линейных системах автоматического управления и контроля
накладываются жесткие требования на линейность статической харак-
47
теристики усилительно-преобразовательных элементов в рабочем диапазоне изменения управляющего сигнала. Так как реальные усилительно-преобразовательные элементы имеют статические характеристики, обладающие различными типами нелинейностей, то приходится
ограничивать допустимый диапазон линейности. В системах релейного
типа от усилителя в ряде случаев требуется существенно нелинейная
(релейная) статическая характеристика. Тогда используют релейный
режим работы усилительно-преобразовательного элемента.
Динамические свойства усилительно-преобразовательных
элементов оцениваются при помощи временных или частотных характеристик. По частотным характеристикам определяются вносимые
усилителем линейные частотные искажения, состоящие в изменении
формы выходного сигнала относительно формы входного сигнала из-за
неодинакового усиления сигналов различных частот.
Причиной появления нелинейных искажений в усилительнопреобразовательных элементах являются нелинейности характеристик
отдельных элементов, входящих в схему усилителя, например, статических характеристик электронных элементов, характеристик намагничивания железа (дросселей, трансформаторов). В результате нелинейных искажений на выходе усилительно-преобразовательного элемента, кроме основной гармоники усиливаемого сигнала, появляются
высшие гармоники, которых не было на входе. Нелинейные искажения
зависят от уровня сигнала, подаваемого на вход усилительнопреобразовательного элемента.
Степень
усиления
входного
сигнала
усилительнопреобразовательным элементом оценивают при помощи коэффициентов усиления или преобразования. Наиболее общим является коэффициент усиления элемента по мощности, который в установившемся
режиме определяется соотношением
Kp =
DPвых
,
DPвх
где ΔPвых – приращение мощности выходного сигнала усилителя, соответствующее приращение мощности входного сигнала на величину
ΔPвх. В ряде случаев нецелесообразно пользоваться понятием усиления
сигнала по мощности, а рассматривать степень увеличения среднего
или амплитудного значения уровня выходного сигнала относительно
уровня входного сигнала. Тогда удобно применять в качестве характеристики усилительного элемента понятие коэффициента усиления по
уровню. Для усилительно-преобразовательных элементов электриче-
48
ского типа различают два коэффициента усиления сигнала по уровню:
коэффициент усиления по напряжению
ku =
DU вых
DU вх
и коэффициент усиления по току
ki =
DI вых
,
DI вх
(3.2)
где ΔUвых, ΔUвх, ΔIвых, ΔIвх – приращение напряжений и токов на выходе и входе элемента.
5.2. Магнитные усилители
Магнитный усилитель представляет собой усилительнопреобразовательное устройство параметрического типа, поскольку
принцип его работы основан на использовании свойства дросселя переменного тока с ферромагнитным сердечником изменять свою индуктивность при подмагничивании постоянным током.
Наряду с усилением магнитный усилитель производит одновременное преобразование сигнала постоянного тока, являющегося
входным сигналом, в сигнал переменного тока.
Рассмотрим принцип действия простейшего дроссельного магнитного усилителя (рис.5.1), состоящего из ферромагнитного сердечника с двумя обмотками: обмоткой управления Wy, на которую подается подлежащий усилению сигнал постоянного тока, и выходной обмоткой W~, питаемой переменным напряжением U~ через сопротивление нагрузки Rн.
Iy
Uy=
Wy
W~
Iвых RH
U~
Uвых
Рис. 5.1. Дроссельный магнитный усилитель
Протекающий по обмотке управления постоянный ток меняет
насыщенность сердечника. При этом с увеличением силы тока уменьшается динамическая магнитная проницаемость, в результате реактив-
49
ное сопротивление катушки W~ уменьшается, а величина тока Iвых растет.
Рассмотренная схема простейшего магнитного усилителя не
нашла применения на практике, поскольку она имеет ряд существенных недостатков:
- вследствие взаимоиндукции происходит трансформация переменного напряжения в цепь управления, что искажает входной сигнал
и нарушает нормальную работу усилителя;
- усилитель, являясь однотактным, не реагирует на знак входного
сигнала;
- коэффициенты усиления магнитного усилителя, собранного по
такой схеме, сравнительно малы.
Так, для исключения э.д.с., трансформируемой в обмотке
управления, применяют схему магнитного усилителя на двух сердечниках (рис.5.2, а). Здесь обмотка управления и выходная обмотка состоят каждая из двух секций. Магнитный поток Ф~ индуктирует равные э. д. с в секциях обмотки управления. Однако, поскольку секции
Wy включены встречно, индуктируемые э.д.с. будут направлены навстречу друг другу, а следовательно будут взаимно уничтожаться. Еще
более рациональной является конструкция, выполненная на Шобразном сердечнике (рис.5.2,б), в которой обмотка управления размещается на среднем стержне, а выходные обмотки располагаются на
крайних стержнях, причем их секции включаются встречно. Это приводит к тому, что переменные магнитные потоки, создаваемые каждой
секцией W~ в среднем сердечнике направлены навстречу друг другу и
полностью компенсируются ввиду их равенства, э.д.с. в обмотке
управления не индуктируется.
Ф~
Ф~
W~
Wy
Wy
Uy RH
Wy
W~
W~
U~
U~
Uy RH
U вых
U в ых
а)
б)
Рис. 5.2. Магнитный усилитель на двух сердечниках
W~
50
Важнейшими преимуществами магнитных усилителей являются:
- практически линейные характеристики двухтактных усилителей,
не имеющих зоны нечувствительности;
- высокий коэффициент усиления на мощности;
- мгновенная готовность к действию;
- возможность каскадного соединения магнитных усилителей с целью получения большого коэффициента усиления сигнала;
- возможность применения в качестве бесконтактных устройств;
- высокий коэффициент полезного действия;
- высокая конструктивная прочность и надёжность.
К недостаткам магнитных усилителей можно отнести:
- значительную инерционность при пониженных частотах источника питания (~50 Гц);
- существенное отклонение формы тока рабочей цепи от
гармонической;
- достаточно большие габариты и масса при большой мощности
выходного сигнала.
5.3. Электромеханические усилители
Создание электромеханических усилительно-преобразовательных элементов систем основано на использовании электрических и
магнитных явлений с промежуточным преобразованием формы энергии, например, электрической в механическую и обратно. Таким образом, основными элементами электромеханических усилителей являются электромагнитные устройства с подвижными частями: электромагнитные реле, вибропреобразователи, магнитоэлектрические реле, электродинамические реле. Наиболее широкое распространение получили
электромагнитные реле, которые в зависимости от типа электромагнита можно подразделить на следующие виды: нейтральные реле постоянного или переменного токов и поляризованные реле.
Нейтральные реле представляют собой нереверсивные элементы автоматики, поскольку не реагируют на изменение полярности или
фазы входного управляющего сигнала. Электромагнитные реле состоят
из контактной системы и электромагнита.
По характеру работы различают следующие виды контактов:
1) замыкающие – разомкнутые при отсутствии тока в обмотке
электромагнита (рис.5.3,а);
2) размыкающие – замкнутые при отсутствии тока в обмотке
(рис.5.3,б);
3) переключающие – представляющие собой совмещенный узел
51
из замыкающих и размыкающих контактов (рис.5.3,в).
2
3
1
FT
FT
а)
FT
б)
в)
Рис. 5.3. Виды контактов реле
В контактную систему входят: контакты 1 (рис.5.3), выполняемые из благородных металлов (золота, платина, серебро) и их сплавов или из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) и их сплавов, а
также их композиций, получаемых спеканием механической смеси из
порошков нескольких металлов; контактные 4 и упорная 5 (рис.5.4)
пружины, изготовляемые из цветных сплавов; конструктивные элементы – штифты 6, связывающие подвижные контакты с подвижной частью электромагнита, называемой якорем, - 8.
Пружины контактной системы создают противодействие движению якоря электромагнита. Величина противодействующего усилия
Fп зависит от зазора δ (рис. 5.4) между якорем и сердечником 1.
Вторым основным узлом электромагнитного реле является
электромагнит.
На рис.5.4 изображено электромагнитное реле клапанного типа.
8
d
6
4
5
1
2
7
Uy
Rн
Un
3
Рис. 5.4. Электромагнитные реле
Видно, что электромагнит в реле служит электромеханическим
преобразователем. При подаче на обмотку 2 электромагнита управляющего сигнала в виде напряжения, достаточного для создания электромагнитной силы, способной протянуть якорь 8, закрепленный на
52
ярме 3 к сердечнику 1 штифт 6, установленный на задней кромке якоря, давит на пружину подвижного контакта и, деформируя её, замыкает
контактную группу 4 – реле срабатывает. При снятии сигнала под действием усилия сдеформированных пружин, а также возвратной пружины 7 якорь возвращается в исходное положение, контакты размыкаются – происходит отпускание реле. При изменении полярности или фазы
управляющего сигнала Uу характер движения не меняется. Это ограничение преодолено в поляризованных электромагнитных реле.
Поляризованные реле строятся на базе поляризованного электромагнита, в котором направление тягового усилия, и следовательно,
перемещение якоря и переключение контактов зависит от полярности
входного сигнала постоянного тока, подаваемого в обмотку электромагнита. Такая возможность появляется за счет использования в конструктивной схеме реле постоянного магнита 1, создающего поляризующий магнитный поток Ф0 в цепи магнитопровода 2 взаимодействующий с рабочим потоком Фр возникающим при протекании управляющего тока по обмоткам 3 электромагнита (рис. 5.5). Якорь 4 перемещается в зазоре в ту или иную сторону в зависимости от направления
действия электромагнитной силы, определяемого направлением результирующего магнитного поля в зазоре.
При значении тока, равным току срабатывания, якорь перебросится к соответствующему полюсу, замыкая прилежащий к нему контакт. Изменение полярности входного сигнала приведет к перебрасыванию якоря к другому контакту.
d1
Ф1
-
Ô2
2
3
d2
Ф р N1 Ф 0
S
+
3
Рис. 5.5. Поляризованное реле
Контактная схема поляризованного реле может иметь три вида
настройки:
53
1) двухпозиционную, при которой контакты устанавливаются
симметрично относительно нейтрали, что приводит к получению одинаковых значений токов срабатывания при различной полярности
входного сигнала. При отсутствии тока в обмотках якорь реле остается
у того контакта, к которому он был притянут при последнем срабатывании реле (рис.5.6,а);
а)
б)
в)
Рис. 5.6. Контактная схема поляризованного реле
2) двухпозиционная настройка с преобладанием, характеризующаяся тем, что оба контакта располагаются по одну сторону от
нейтрали (рис.5.6,б) и срабатывание реле происходит при одном направлении тока управления;
3) трехпозиционная настройка достигается закреплением якоря
на жесткой подвесной пружине, обеспечивающей устойчивое равновесие якоря в среднем положении, когда нет соприкосновения ни с одним
из контактов при отсутствии сигнала управления, а в зависимости от
направления тока в обмотках якорь отклоняется в ту или иную сторону, замыкая соответствующую контактную группу (рис.5.6,в).
Поляризованные реле обладают высокой чувствительностью,
быстродействием (0,1…1 мс), сравнительно большим коэффициентом
усиления по мощности kp = 104 (для нейтральных реле kp = 102).
В связи с требованиями миниатюризации элементов систем
управления в последнее время получают широкой распространение
безъякорные реле с магнитоуправляемыми контактами – герконы,
представляющие собой герметизированный стеклянный баллон 1,
внутри которого помещаются контакты 2 (рис.5.7).
Снаружи стеклянного баллона размещается катушка 3. При
протекании тока по обмотке катушки создается магнитный поток, намагничивающий разноименно концы подвижных контактных пружин
54
4, выполненных из ферромагнитного материала. В результате этого
при определенном значении тока концы пружин притягиваются, замыкая контакты. По аналогии с электромагнитными реле магнитоуправляемые контакты могут быть замыкающими, размыкающими и переключающими.
3
2
1
4
Uвх
Рис. 5.7. Безъякорные реле с магнитоуправляемыми контактами
Безъякорные реле допускают надежную работу (более 108 переключений) при напряжениях в сотни вольт, токах в сотни миллиампер. Они отличаются также высоким быстродействием (tср < 1 мс), что
позволяет работать на частотах порядка 1 кГц.
Как показывает анализ работы электромагнитных реле различного типа, электромагниты в реле выполняют исполнительнопреобразовательную функцию.
Релейные усилители обладают рядом весьма ценных положительных свойств, а именно:
- возможности получения больших выходных мощностей, определяемых предельной мощностью, коммутируемой контактами;
- высоким коэффициентом усиления по мощности;
- высоким коэффициентом полезного действия, так как потери в
цепи нагрузки определяются ничтожными потерями в контактах, а потери в цепи управления (возбуждения) также малы, особенно у поляризованных реле;
- малыми массы, габаритами и простотой конструкции;
- достаточно высоким быстродействием.
Недостатки релейных усилителей очевидны:
- существенная нелинейность статических характеристик при
работе усилителя в релейном режиме;
- ненадежная работа контактов, особенно в условиях тряски,
вибраций, действия перегрузок;
- высокий уровень создаваемых низкочастотных помех.
55
5.4. Электронные усилители
В системах автоматического управления средней и большой
мощности электронным усилителям отводится роль предварительного
усилителя, обеспечивающего работу оконечного мощного каскада усиления, являющегося магнитным, электромашинным или электромеханическим усилителем.
Предварительный усилитель используется в качестве сопрягающего элемента, осуществляющего согласование выходного сопротивления первичного источника информации с входным сопротивлением усилителя мощности.
В маломощных системах электронный усилитель обычно является единственным типом усилителя, поскольку мощность его выходного сигнала оказывается достаточной для приведения в действие исполнительного устройства.
Электронные усилители можно подразделить по величине выходной мощности на усилители напряжения и усилители мощности; по
числу ступеней усиления – на однокаскадные и многокаскадные; по
способностям реагировать на фазу или полярности входного сигнала на однотактные и двухтактные усилители; по роду усиливаемых сигналов – на усилители постоянного и переменного тока; по типу применяемых электронных приборов – на ламповые, транзисторные и тиристорные; по характеру реализации схемы – на усилители с сосредоточенными элементами схемы и усилители, выполненные на интегральных схемах.
Усилители переменного тока, применяемых в системах автоматического управления и контроля, представляют собой усилители
низкой частоты (УНЧ), важнейшей особенностью которых являются
то, что требование к их полосе пропускание значительно слабее, чем к
УНЧ радиотехнических систем, поскольку они работают на фиксированной несущей частоте. Так как частота управляющего сигнала, используемого для модулирования колебаний несущей частоты, находится в диапазоне 0…50 Гц, то полоса пропускания такого усилителя может быть достаточно узкой (80…100 Гц). Усилители низкой частоты
принято делить на усилители напряжения и усилителя мощности.
Усилители напряжения обычно являются предварительными
усилителями сигнала и используются в качестве первых каскадов усиления.
Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся сигналов и имеют равномерную амплитудно-частотную характеристику в интервале частот от нуля до нескольких килогерц. Необходимость применения таких усилителей в
56
системах автоматического управления и контроля вызвана наличием
источников первичной информации, выходом которых является напряжение постоянного тока, пропорциональное рассогласованию.
5.5. Гидравлические усилители
Гидравлические усилители служат для усиления сигналов по
мощности в гидравлических и электрогидравлических системах автоматического регулирования. Все гидравлические усилители можно
разделить на два класса: дроссельные и струйные.
Дроссельные усилители обладают большой выходной мощностью и высоким быстродействием. В системах автоматического регулирования применяются дроссельные усилители одностороннего и
двустороннего действия; последние, как правило, обладают более высоким быстродействием. Для повышения выходной мощности применяют двух каскадное включение дроссельных усилителей.
На рис. 5.8,a,б представлены две схемы дроссельных усилителей,
где на выходе давление рабочей жидкости р2 изменяется в зависимости
от перемещения у.
Сигнал у приложен к соплу-заслонке, а давление р2 образуется
на входе у гидравлического маломощного серводвигателя.
Рис. 5.8. Схемы дроссельных усилителей
Принцип работы дросселей переменного сечения может быть
уяснен из рис.5.9,а. Усилитель состоит из двух дросселей: дросселя I с
57
постоянным гидравлическим сопротивлением и дросселя 2 с переменным гидравлическим сопротивлением, изменяющимся при смещении
заслонки 3 относительно сопла дросселя 2.
Рис. 5.9. Дроссельный усилитель
Рабочая жидкость под постоянным давлением p1 подается насосом в усилитель через дроссель 1 и дроссель 2 на слив, В зависимости
от положения заслонки 3 между дросселями устанавливается давление
p2, которое передается под поршень гидроцилиндра (сервомотора).
Поршень будет перемещаться до тех пор, пока не установятся равновесие между силой упругости пружины 5. расположенной в цилиндре 4
сервомотора, и силой давления рабочей среды на поршень.
На рис.5.9,б показано коническое сопло, которое при изменении
зазора между соплом и заслонкой от 0 до 0,2 мм изменяет избыточное
давление перед дросселем от 2 кг/см2 до 0.
Конструктивное выполнение дроссельных усилителей весьма
разнообразное. Дроссели могут иметь форму задвижек или заслонок
{поступательных, поворотных), сопл с заслонками, дроссельных игл и
др., а также иметь два каскада усиления. Существуют дроссельные
гидравлические усилителя с золотниковыми устройствами.
Сравнение характеристик усилителей обычно проводят по значениям коэффициентов усиления по мощности и наибольшим значениям постоянных времени (табл.5.1).
При выборе типа усилителя следует иметь в виду не только значения коэффициентов усиления по мощности и постоянных времени,
но и их надежность при различных эксплуатационных условиях (т.е.
учитывать влияние температуры окружающей среды, атмосферное
давление, степень влажности и многое другое).
58
Класс усилителя
Полупроводниковые
усилители
Реле
Магнитные
усилители
Электромашинные усилители
Гидравлические усилители
Вид усилителя
Усилительные каскады на
постоянном токе
Усилительные каскады на
переменном токе
Оконечные
усилители
мощности
Электромагнитное:
обычное
поляризованное
Магнитоэлектрическое
С выходом на постоянном
токе
С выходом на переменном
токе
Быстродействующие
Обычный генератор
Генератор с самовозбуждением
ЭМУ с поперечным полем
Дроссельные
Струйные
Коэффициент усиления по
мощности
103-105
Таблица 5.1
Постоянная времени в
сек.
10-6-10-7
104-106
10-3-10-6
102-103
10-2-10-4
102-106
4*10-2*103
103-2*104
103-104
0,5-10-3
10-2-10-3
0,5-10-2
10-1-10-2
104-105
10-2-10-3
103-104
102-103
102-104
10-3-10-4
1,0-10-2
5*10-1-10-2
104-5*103
104-106
10-2-10-3
10-1-10-2
103-104
10-2-10-3
6. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ
6.1. Назначение, классификация и требования
Исполнительные элементы систем предназначены для отработки управляющего воздействия, приводящего к изменению регулируемого параметра объекта управления. Сигнал на исполнительные
устройства обычно поступает с усилителей мощности. Исполнительный элемент, как правило, является составной частью привода или сервомеханизма, содержащего усилительные, преобразующие, корректирующие элементы, элементы обратных связей.
59
По виду используемой энергии исполнительные элементы систем можно подразделить на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.
Являясь оконечным, наиболее мощным каскадом системы автоматического управления, исполнительные элементы оказывают существенное влияние на статические и динамические свойства системы
в целом.
В любом режиме работы статические и динамические характеристики исполнительных устройств должны удовлетворять условиям
устойчивости системы и требования качества управления.
В исполнительном устройстве происходит преобразование
управляющего сигнала в выходное механическое воздействие (скорость, ускорение, угловое или линейное перемещение). Таким образом,
при проектировании систем управления выбор исполнительного элемента осуществляют исходя из наличия вида источника энергии, характера движения регулирующего органа, уровня мощности входного
и выходного сигналов, обеспечения требуемой точности и показателей
качества системы управления.
Как элемент системы автоматического управления исполнительное устройство должно обеспечить необходимую амплитуду выходных перемещений при изменении входного сигнала в рабочем диапазоне частот.
К техническим требованиям, предъявляемым к исполнительным элементам систем, относятся:
- высокий уровень мощности, обеспечивающий требуемые значение величины перемещения, скорости и ускорения регулирующего
органа;
- высокое быстродействие;
- большой коэффициент усиления по мощности, обеспечивающий максимальное значение удельной мощности;
- линейность статических характеристик;
- плавность регулированная скорости перемещения в широких
диапазонах;
- малая масса, габаритные размеры, стоимость;
- удобство в эксплуатации, высокая надежность.
6.2. Исполнительные двигатели постоянного тока
Среди электрических исполнительных устройств широкое распространение получили электромагниты, электродвигатели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели и электромагнитные муфты.
60
Исполнительные двигатели постоянного тока наиболее полно
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к исполнительным элементам систем. По способу возбуждения двигатели делятся на исполнительные двигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов. Двигатели с электромагнитным возбуждением выполняются с независимым, последовательным и смешанным возбуждением. Из всего многообразия исполнительных двигателей постоянного тока необходимо выделить безколлекторные двигатели с печатной обмоткой якоря.
Управление двигателями постоянного тока может быть непрерывными и импульсным.
Электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением можно управлять как со стороны якоря, так и со стороны обмотки возбуждения (рис.6.1).
При управлении электродвигателем со стороны обмотки возбуждения цепь якоря питается от сети неизменным напряжением постоянного тока Uу, а управляющие напряжение подается на обмотку
возбуждения Uв.
При этом способе управление требуется меньшая мощность
сигнала цепи управления, что позволяет использовать в качестве оконечных усилителей электронные, магнитные, полупроводниковые и
другие маломощные усилители.
К недостатком управления электродвигателем со стороны обмотки возбуждения относятся малый диапазон изменение скорости,
нелинейность статических характеристик, увеличение порядка уравнения движения электродвигателя.
Uy
Uâ
Ôâ
w
Рис. 6.1. Двигатели с электромагнитным возбуждением
В системах автоматического управления более широкое распространение получил способ управления двигателем со стороны якоря, так как он позволяет получить широкий диапазон регулирования
61
скорости, плавность регулирования, относительную линейность статических характеристик, большое быстродействие.
При управлении электродвигателем со стороны якоря обмотка
возбуждения запитывается неизменным напряжением постоянного
тока Uв и создает магнитный поток возбуждения Фв.
Для увеличения быстродействия исполнительных двигателей
применяют двигатели постоянного тока с плоским якорем, на котором
обмотка нанесена печатным способом (рис.6.2). Якорь 1 представляет
собой тонкий диск, выполненный из немагнитного материала (текстолита, алюминия), с обеих сторон которого находятся проводники обмотки 2. Отдельные проводники соединяются друг с другом через
сквозные отверстия в диске 3. По поверхности торца диска скользят
серебряно-графитовые щетки 4. Возбуждение двигателя осуществляется постоянным магнитом с полюсными наконечниками 5, имеющими
форму кольцевых сегментов. Магнитный поток возбуждения проходит
аксиально через два воздушных зазора, немагнитный диск с печатной
обмоткой и замыкается по кольцам из магнитомягкой стали 6, 7. При
протекании тока по обмотки якоря на валу двигателя создается вращающий момент, расположенный в плоскости диска якоря.
Электромеханическая постоянная времени за счет малого момента инерции дискового якоря снижается до 0,001…0,002 с, что является одним из основных преимуществ рассматриваемых двигателей.
1
6
2
3
5
7
4
Рис. 6.2. Электродвигатель с печатной обмоткой
Кроме того, из-за незначительной индуктивности обмотки
якоря коммутация не сопровождается искрением. Проводники печатной обмотки находятся в значительно лучших условиях охлаждения,
чем проводники, уложенные в пазы обычного якоря. Это позволяет
повысить плотность тока в них и управлять электродвигателем с по-
62
мощью полупроводниковых усилителей. Механизированное изготовление обмоток якоря удешевляет электродвигатель.
К недостаткам таких электродвигателей по сравнению с обычным двигателем следует отнести более низкий к.п.д. из-за увеличения
магнитного зазора и ограниченную долговечность вследствие износа
контактирующей поверхности проводников обмотки якоря.
Одним из существенных недостатков исполнительных двигателей постоянного тока является наличие скользящего контакта между
щетками и коллектором, создающего искрение и радиопомехи. Надежность двигателей относительно низка из-за быстрого износа щеток,
особенно при высоких скоростях вращения якоря.
6.3. Исполнительные двигатели переменного тока
В системах автоматического управления широкое распространение получили в качестве исполнительных устройств двухфазные
асинхронные двигатели с короткозамкнутым или тонкостенным полым
ротором.
Двухфазные асинхронные двигатели имеют на статоре обмотку управления и обмотку возбуждения, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 900 (рис.6.3). При подаче на эти обмотки переменных напряжений постоянной амплитуды и сдвинутых по фазе на
900 в магнитной системе двигателя возникает вращающиеся магнитное
поле, увлекающее за собой ротор.
OB
Uв
OУ
Uy
Рис. 6.3. Двухфазные асинхронные двигатели
Ротор вращается в ту же сторону, что и магнитное поле, но с
меньшей угловой скоростью. Разность между угловыми скоростями
магнитного поля и ротора характеризуется скольжением
63
w1 - w Д
,
w1
где ω1 – угловая скорость магнитного поля; ωД – угловая скорость ротора.
Скорость вращения ротора электродвигателя при неизменном
напряжении на обмотке возбуждения можно регулировать изменением
амплитуды или фазы управляющего напряжения.
S=
Реактивный синхронный двигатель представляет собой электрическую машину без обмотки возбуждения и постоянных магнитов
на роторе. Обмотка управления, уложенная в пазах статора, создает
магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной или переменной скоростью, определяемой частотой напряжения сети. Реактивный вращающий момент, образующийся в результате неравенства магнитной проводимости по продольной и поперечной осям двигателя изза специальной геометрической формы ротора, поворачивает ротор
синхронно с магнитным полем (рис.6.4).
Редукторные реактивные синхронные двигатели позволяют
получить без механического редуктора сколь угодно малую синхронную скорость вращения выходного вала при питании обмоток статора
напряжением стандартной частоты.
A
3
360/ 60/zc
zp
a
1
6
8
1
2
6
b
3
7
5
2
5
4
3
4
Рис. 6.4. Реактивный синхронный двигатель
В системах автоматики все более широкое применение находят шаговые двигатели, представляющие собой электродвигатель с
прерывистым вращением ротора под действием дискретного электрического сигнала, подаваемого на обмотки управления. В качестве шаговых двигателей получили распространение многофазные синхронные двигатели с активным (возбужденным) и реактивным (невозбужденным) ротором. Шаговый двигатель отличается от обычного син-
64
хронного в основном формой напряжения, подводимого к фазным
(управляющим) обмоткам.
Рассмотрим принцип действия и особенности основных физических процессов шаговых двигателей на примере двухфазной двухполюсной синхронной машины с активным ротором (рис. 6.5).
FA
B
A
N
+
S
а)
б)
N
S
FB
+
Рис. 6.5. Принцип действия шаговых двигателей
При подаче постоянного напряжения указанного знака на фазу
А (рис.6.5,а) возникает намагничивающая сила статора FА, которая в
результате взаимодействия с полем постоянного магнита ротора создает синхронизирующий момент. Под действием этого момента ротор
займет положение, при котором его ось совпадает с осью фазы А. При
отключении фазы А и подключения фазы В вектор намагничивающей
силы статора повернется на 900 по часовой стрелке, возникает синхронизирующий момент, под действием которого ротор вновь повернется
на 900 (рис.6.5,б). Для поворота ротора еще на 900 по часовой стрелке
необходимо подать на фазу А напряжение противоположного знака и
т. д.
Шаговые двигатели применяются с электронным коммутаторам, который подает на обмотки управления прямоугольные импульсы.
Последовательность подключения обмоток и частота импульсов соответствуют заданной команде. Каждому импульсу управления соответствует поворот ротора на фиксированный угол, называемые шагом
двигателя, величина которого строго определена его конструкцией и
способом переключения обмоток. Скорость вращения пропорциональна частоте, а суммарный угол поворота – количеству импульсов управления. При изменении последовательности подключения к обмоткам
управляющих импульсов по произвольному закону шаговый двигатель
работает в режиме слежения, воспроизводя сложное движение с точностью до одного шага.
65
6.4. Гидравлические серводвигатели
Гидравлические серводвигатели выполняются с поступательно
движущимся поршнем или поворотной лопастью. В качестве источников питания для гидравлических серводвигателей применяются шестеренчатые насосы, гидроаккумуляторы. Рассмотрим принцип действия
поступательно движущегося серводвигателя с золотниковым управлением.
К цилиндрическому золотнику I по трубе 3 (рис.6.6) подводится масло под давлением. Подвижная часть золотника представляет собой двойной поршень, который выполнен таким образам, что в среднем нейтральном положении он закрывает одновременно оба окна т и
п каналов 5 (или образуются одинакового размера щели), соединяющих полость золотника с цилиндром 6 серводвигателя.
Рис. 6.6. Гидравлический серводвигатель
При смещении поршня золотника вверх от своего нейтрального положения верхняя полость цилиндра сервомотора соединяется через золотник с напорной трубой 3, а нижняя со сливной трубой 4. Благодаря разности давлений, образующейся по обе стороны поршня 7,
последний будет двигаться вниз. При смещении поршня золотника 2
вниз из своего нейтрального положения поршень 7 получает обратное движение.
6.5. Сравнение исполнительных элементов
Сравнение исполнительных элементов можно выполнить по основным показателям: энергии питания серводвигателя, максимальной
угловой скорости вращения выходного вала серводвигателя, по диапа-
66
Гидравлическая
Электрическая
Электрический серводвигатель
постоянного
тока
Электрический серводвигатель
переменного
тока
Гидравлические серводвигатели с
силовым цилиндром
Гидравлические аксиальные
серводвигатели
Изменением напряжения якоря
Изменением тока
возбуждения
С сериесным возбуждением
С одновременным
изменением напряжения якоря и
тока возбуждения
Амплитудный
способ
Частотный способ
Фазовый способ
С
дроссельным
управлением
Со
струйным
управлением
С шестеренчатым
насосом
С насосами переменной производительности
и
нижней шайбой
Кпд
в%
Максимальная
скорость вращения в об\мин
Диапазон выходных мощностей в
квт
Диапазон регулирования скорости
Способ
реулирования
скорости
Тип серводвигателя
Вид
энергопитания
зону регулирования скорости (для собственно серводвигателя без применения различных средств автоматики), диапазону выходных мощностей исполнительного механизма и надежности действия.
Основные показатели исполнительных элементов приведены в
табл.6.1.
Таблица 6.1
0,011000
0,012
0,005
-0,5
0,005
-2,5
2085
1040
1565
1870
0,005
-2,5
0,1100
0,110
1540
3060
1540
-------
-------
-----
1:400
-------
-------
-----
1:100
5000
0,240
1040
1:500
20000
1-100
5080
1:5
10000
1:3
10000
1: 2,5
20000
1:8
15000
1 : 20
6000
1 : 10
6000
1 : 20
6000
1:200
67
К числу дополнительных характеристик следует отнести и коэффициент усиления по мощности. Наибольшие значения коэффициента усиления, имеют гидравлические и пневматические серводвигатели» так как в них входят и гидравлические, и пневматические усилители. Однако универсальность электрических сервоприводов делает их
незаменимыми в ряде систем автоматического управления. Повышение
диапазона регулирования скорости достигается в них путем применения вспомогательных усилителей (магнитных или электромашинных).
Большое значение для выбора типа серводвигателя имеют показатели надежности. Наиболее надежными серводвигателями являются
гидравлические с насосами переменной производительности. Безотказность работы у них достигает 25000 ч и более. Наименьший безотказный ресурс работы имеют электродвигатели постоянного тока (порядка 1000-2000 ч).
7. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ
Корректирующие элементы, включаемые в структуру систем
автоматического управления, предназначены для изменения динамических свойств системы с целью достижения требуемых показателей ее
качества. Улучшение показателей качества системы достигается с помощью корректирующих устройств путем введения в закон управления
системы составляющих, пропорциональных производным или интегралам от изменения управляющего сигнала или сигнала ошибки во
времени.
Сложность технической реализации корректирующего устройства затрудняет включение в сигналы системы управления производных более высокого порядка или интегралов большой кратности от
этих сигналов. Введение первой и второй производных и интегралов
первой и второй кратности в закон управления требует создания устройства, реализующего передаточную функцию вида
k
k
W ( p) = - 2 + - 1 + k + k p + k p 2 .
0 1
2
p
p2
Такая передаточная функция соответствует идеальному корректирующему устройству. В случае, когда достаточно введения одной
68
производной или одного интеграла, корректирующие контуры упрощаются и их передаточные функции имеют вид
W ( p ) = k1P;
k
W ( p ) = -1 .
p
Необходимость наличия в выходном сигнале корректирующего элемента кроме производных и интегралов от сигнала управления
или ошибки составляющей, пропорциональной этому сигналу, приводит к применению корректирующих элементов с передаточными
функциями
W1( p ) = k0 + k1 p;
W2 ( p) =
k -1
p
+ k0 .
Корректирующие звенья с передаточными функциями W1 (p)
называют дифференцирующими, а звенья с функциями W2(p) – интегрирующими.
Часто используют элементы, объединяющие одновременно
свойства интегрирующих и дифференцирующих звеньев. Они имеют
передаточную функцию вида
k
W ( p) = -1 + k0 + k1 p
p
и называются интегро-дифференцирующими корректирующими элементами. Такой корректирующий элемент применяется в том случае,
когда его выходной сигнал должен содержать три составляющие, пропорциональные входному сигналу, его первой производной и интегралу от него.
Корректирующие элементы систем могут быть классифицированы по различным признакам.
По виду дифференциального уравнения, описывающего процессы в корректирующих элементах, последние бывают двух типов:
линейные и нелинейные (рис.7.1).
69
Êëàññèôèêàöèîííûé
ïðèçíàê
Êîððåêòèðóþùèå ýëåìåíòû è óñòðîéñòâà
Óðàâíåíèå
äâèæåíèÿ
Ëèíåéíûå
Õàðàêòåð
ñèãíàëà
óïðàâëåíèÿ
Ñ ìîäóëÿöèåé
ñèãíàëîâ
Íåïðåðûâíûå
Ýíåðãèÿ
íîñèòåëÿ Ýëåêòðè÷åññèãíàëà
óïðàâëåíèÿ êèå
Íåëèíåéíûå
Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå
Ñ êâàíòîâàíèåì
ñèãíàëîâ
ÝÂÌ
Ïíåâìàòè÷åñêèå
Ãèäðàâëè÷åñêèå
Êîìáèíèðîâàííûå
Рис. 7.1. Классификация корректирующих элементов
По виду энергии сигнала, являющегося носителем информации в контуре системы управления, различают электрические, электромеханические, гидравлические, пневматические корректирующие
элементы.
Корректирующие электрические элементы, содержащие в своей схеме дополнительные источники энергии, относятся к активным, а
элементы, не имеющие в своем составе источников энергии - к пассивным (рис.7.2).
Ýëåêòðè÷åñêèå
Ïàññèâíûå
Äèôôåðåíöèðóþùèå
Ïîñëåäîâàòåëüíûå
Èíòåãðèðóþùèå
Ïàðàëëåëüíûå
Àêòèâíûå
Èíòåãðîäèôôåðåíöèðóþùèå
Îáðàòíûå
ñâÿçè
Êîìïëåêñèðîâàííûå
Êîìáèíèðîâàííûå
Рис. 7.2. Классификация электрических корректирующих элементов
70
По виду операции, производимой с сигналом, корректирующие
элементы делятся на дифференцирующие, интегрирующие, интегродифференцирующие и комплексированные, реализующие более сложные операторы преобразования.
По способу включения относительно основных элементов системы корректирующие элементы подразделяются на последовательные, параллельные и корректирующие обратные связи.
На рис.7.3. показаны структурные схемы нескорректированной
системы и системы, скорректированной последовательным корректирующим элементом и прямым параллельным корректирующим элементом.
g(t)
å
W1(p)
W2(p)
x(t)
W3(p)
Wо.с(з)
а)
g(t)
å
W1(p)
Wк пос(p)
W2(p)
W3(p)
x(t)
Wо.с(p)
б)
Wк пар(p)
g(t)
å
W1(p)
å
W2(p)
W3(p)
x(t)
Wо.с(p)
в)
Рис. 7.3. Способы включения корректирующих элементов
Следует отметить, что функции коррекции системы могут иногда выполняться при помощи некоторых электромеханических элементов автоматики, относимых обычно к основному оборудованию систем, например, тахогенераторов, двигателей, и т.п.