5.2.2. Элементы вд
Теперь рассмотрим подробнее принципы построения и особенности отдельных элементов ВД.
Датчик положения ротора
Датчик положения конструктивно объединен с ЭМП. Он должен быть прост по конструкции, технологичен в изготовлении, надежен в работе. Для микродвигателей он должен иметь минимальные габариты. По температуре, влажности, вибрациям и другим условиям к ДПР предъявляются те же требования, что и к ЭМП. Датчик должен быть согласован с коммутатором по сопротивлениям. Схема коммутатора будет проще и надежнее, если датчик будет формировать сигналы заданной формы. В большинстве случаев этот сигнал должен иметь форму прямоугольных импульсов с большой кратностью максимального и минимального уровней, а также с большой крутизной фронтов. Это объясняется тем, что сигналы с выхода ДПР могут непосредственно управлять ключами ПК.
Как мы отмечали, ДПР состоит из двух элементов. Один из них сигнальный или управляющий связан с ротором и при достижении им определенного углового положения входит во взаимодействие с другим элементом – чувствительным, установленным на статоре. В чувствительном элементе происходит преобразование углового перемещения сигнального элемента в изменение какого-либо электрического или магнитного параметра.
Управляющий элемент может передавать информацию о своем перемещении различными видами энергии: лучевой; электрического и магнитного поля и др. В соответствии с этим осуществляют классификацию ДПР. Кроме того, датчики классифицируют по типу чувствительного элемента. Это могут быть фотоэлементы, гальваномагнитные, емкостные и индуктивные элементы. Дальнейшая классификация может проводиться: по виду выходного сигнала – дискретный, аналоговый; по роду тока – постоянный, переменный. Различают также датчики по информационной способности: статические – способные выдавать информацию при неподвижном роторе; и динамические – способные выдавать информацию только при вращающемся роторе. А также по виду информации: позиционные – позволяющие однозначно судить о положении ротора относительно статора; и последовательностные – требующие элемент памяти (счетчик) для дополнительной обработки сигнала.
Рис. 5.8. а) Схема и временная диаграмма работы; б) схема индуктивного ДПР
Для получения позиционной информации о положении ротора чаще всего принимают число сигнальных элементов ДПР равным числу пар полюсов, а число чувствительных элементов, равным числу секций ЭМП.
Рассмотрим конструкции некоторых наиболее распространенных типов ДПР.
Индуктивные ДПР из-за простоты изготовления и малой стоимости нашли широкое распространение уже в первых серийных ВД. В качестве чувствительных элементов в них часто используют дроссели или трансформаторы насыщения на ферритовых сердечниках, а в качестве сигнальных элементов постоянные магниты.
Конструктивно ротор ДПР выполнен так, что на первой половине оборота ротора магнитное поле сигнального элемента не достигает трансформатора, а на второй замыкается через сердечник трансформатора и насыщает его. При насыщении трансформатора коэффициент трансформации резко падает, на базу транзистора поступает практически нулевой сигнал и он оказывается закрытым, поэтому с коллектора транзистора снимаем выходной сигнал Uвых=Uп. Если трансформатор не насыщен, коэффициент трансформации имеет конечное значение, на базу транзистора поступает напряжение, отпирающее его, и с коллектора снимаем сигнал Uвых=0. Аналогично работает и схема с дросселем насыщения, но там под действием магнитного поля меняется индуктивное сопротивление дросселя. Электрическая схема трансформаторного ДПР и временная диаграмма, поясняющая его работу, представлены на рис. 5.8, где обозначено: Uв – напряжение возбуждения датчика; Uп – постоянное напряжение питания; α – угол поворота ротора ДПР.
Датчики с фотоэлектрическими элементами состоят из трех частей: источника излучения; фотоприемника; модулятора излучения. Источником излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели и др. Фотоприемник является чувствительным элементом. В качестве его могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т.п. Модулятор излучения связан с ротором ДПР и представляет собой непрозрачный для излучения экран с вырезами или окнами, являясь сигнальным элементом. Принцип действия таких датчиков очевиден и не нуждается в пояснении.
Наибольшее распространение в последнее время получили ДПР на основе гальваномагнитных элементов: датчиков Холла; магнитосопротивлений; магнитодиодов и др. Напомним, что датчик Холла представляет собой прямоугольную пластину или пленку из полупроводникового материала, которая имеет два токовых электрода, предназначенных для возбуждения датчика постоянным током и два холловских или выходных электрода. Конструктивно датчик может быть наклеен на подложку или помещен в корпус. При помещении датчика в магнитное поле, перпендикулярное его плоскости, на выходных электродах возникает э.д.с. Холла, знак которой зависит от направления поля, а величина от напряженности. Датчик Холла может быть помещен непосредственно в рабочий зазор ЭМП, тогда ДПР как конструктивный элемент двигателя, отсутствует. Иногда в один корпус помещают датчик и усилитель его сигналов, называя такое устройство магнитоуправляемым ключом. Тогда датчик, одновременно, может исполнять роль устройства коммутации обмотки.
Иногда для управления коммутацией обмотки, т.е. вместо ДПР, используется э.д.с. вращения секций ЭМП. Такая возможность появляется тогда, когда на МКИ не все секции оказываются подключенными к источнику питания. Подробнее такие схемы ВД будут рассмотрены ниже.
Электромеханический преобразователь
Мы уже отмечали, что ЭМП конструктивно представляет собой синхронный двигатель с возбуждением индуктора от постоянных магнитов. Отметим, что ВД может быть построен также и на основе синхронного реактивного двигателя. Следовательно, в ЭМП могут быть реализованы все варианты конструкций указанных двигателей. Например, ЭМП может быть классического цилиндрического исполнения, как общепромышленные двигатели. В некоторых случаях для обеспечения высокого быстродействия в исполнительных двигателях используют торцевые конструкции ЭМП. Они строятся по аналогии с конструкциями двигателей постоянного тока с дисковым диэлектрическим якорем, но в данном случае дисковым выполняется вращающийся индуктор, который помещается между двумя половинами дискового неподвижного статора (якоря) с аксиальным направлением потока. Такие двигатели могут обеспечить электромеханическую постоянную времени в пределах долей миллисекунды.
Статор ЭМП может быть зубцовым или, для уменьшения пульсаций момента, гладким. Для высокоскоростных двигателей со скоростью вращения более 20000 об/мин иногда используют диэлектрический якорь, позволяющий уменьшить потери. Если в качестве чувствительных элементов ДПР используется датчик Холла, то в статоре делаются пазы для них установки. Роль сигнальных элементов в этом случае будут выполнять магниты индуктора.
Индуктор может быть выполнен в виде звездочки. Причем для ЭМП на основе реактивного двигателя возможна только такая конструкция. В двигателе с постоянными магнитами индуктор может быть выполнен в виде кольца. В качестве материалов магнитов могут быть использованы сплавы ЮНДК или оксиднобариевые ферриты. Особенно эффективно применение магнитных материалов высоких удельных энергий на основе редкоземельных металлов. Такие магниты чаще всего используются в электроприводах ЛА с повышенными требованиями по объемно-массовым характеристикам и удельным энергетическим показателям.
Полупроводниковый коммутатор
Структурная схема ПК в наиболее общем виде состоит из следующих основных узлов (рис. 5.9):
узел силовых транзисторных ключей (СК);
узел формирования сигналов ДПР (ФС);
узел логических преобразователей (ПЛ);
узел формирования сигналов контроля режимов работы и защиты двигателя (ФСК).
Коротко рассмотрим отдельные элементы функциональной схемы ПК.
Силовые ключи являются основным элементом коммутатора. Они выполняют роль электронного коллектора, осуществляя коммутацию секций обмотки якоря ЭМП. В управляемых двигателях силовые ключи, как правило, одновременно являются элементами, выполняющими функции управления потоком энергии, подводимой к двигателю, также как силовые ключи при ШИМ-управлении коллекторным двигателем. При нереверсивном питании двигателя они выполняются по известным схемам транзисторных ключей с учетом напряжения первичного источника питания и максимального тока двигателя. Поскольку управление СК осуществляется непосредственно сигналами с выхода ПЛ, которые строятся на основе типовых микросхем, реализующих некоторые логические функции, вход ключей должен быть согласован с выходом этого устройства, т.е. чаще всего должен содержать предварительный каскад усиления входного сигнала. В дальнейшем будем считать, что СК открывается сигналом, соответствующим логической единице с выхода ПЛ. В схеме СК должны быть предусмотрены мероприятия по отводу реактивной энергии секций после его закрытия. Это могут быть диоды обратной по отношению к выходному транзистору полярности, подключенные к конденсатору или стабилитрону.
Рис. 5.9. Функциональная схема ПК
При реверсивном питании секций узел СК может быть выполнен в виде классического инвертора напряжения или тока с числом фаз, равным числу секций двигателя.
Узел формирования сигналов предназначен для усиления сигналов ДПР по напряжению, току или мощности и формирования их, т.е. для согласования ДПР с ПЛ. В зависимости от принципа построения ДПР выбирается и схема ФС. Например, при использовании трансформаторного ДПР по схеме рис. 5.8 ФС содержит выпрямитель (VD) и усилитель-формирователь (VT). Если ДПР представляет собой бесконтактный поворотный трансформатор или сельсин, на выходе которых имеем амплитудно-модулированные сигналы переменного напряжения, то ФС должен содержать демодулятор и усилитель-формирователь. На выходе ФС желательно иметь последовательность импульсов с относительной длительностью γ=0,5, согласованную по амплитуде и крутизне фронтов с ПЛ. Если ДПР имеет nч чувствительных элементов, то по его сигналам, сформированным с помощью ФС, создается nч последовательностей импульсов, фиксирующих Nк=2n дискретных положений ротора относительно статора. Переключение секций осуществляется в момент смены комбинации сигналов на выходе ФС.
Узел логических преобразователей включает три функциональных элемента (рис. 5.10). Два из них: формирователь сигналов управления ключами СК (ФСУ) и устройство реверса (УР) реализуют некоторые логические функции, которые мы рассмотрим ниже. При этом ФСУ по сигналам с ФС формирует импульсы заданной угловой длительности отпирания ключей СК, а УР реализует операцию реверса. Как он осуществляется также будет показано ниже.
Устройство регулирования мощности (УРМ) чаще всего включает в себя ШИМ-модулятор, который по сигналам управления двигателем (xу) формирует последовательность импульсов, скважность которых зависит от модуля xу. Эта последовательность, поступая на ФСУ, осуществляет ШИМ-регулирование напряжения на секциях ЭМП.
Рис. 5.10. Блок-схема узла логических преобразователей
Узел формирования сигналов контроля и защиты
Этот узел реализует следующие операции: выработку сигналов контроля режимов работы и их индикация; защиту двигателя при аварийных режимах; ограничение пусковых токов и максимальной частоты вращения; введение резерва элементов и узлов.
Необходимость в таком узле возникает в приводах с повышенными требованиями по надежности и ресурсу, со сложными функциональными свойствами, а также в тех случаях, когда отсутствие контроля режимов работы, защиты или введения резерва может привести к опасным последствиям, например, в космических аппаратах повышенного ресурса. Таким образом, в полном объеме функциональная схема ВД содержит не только основные элементы привода: исполнительный, управляющий и информационный, но и элементы защиты, самоконтроля и резервирования.
Реальные схемы двигателей, функционально включая большинство из рассмотренных устройств, часто конструктивно их не содержат или объединяют несколько устройств в одном. Например, сигналы с ДПР могут непосредственно управлять силовыми ключами ПК, т.е. ДПР объединяет в себе функции не только датчика, но ФС и ПЛ.