Измерительные и преобразующие элементы

Наиболее часто в качестве измерителей и преобразователей в автоматических системах применяются дискриминаторы, сельсинные пары, вращающиеся трансформаторы, тахогенераторы.

Дискриминаторы служат для обнаружения рассогласования в системах радиоавтоматики и его преобразования в величину, удобную для последующего усиления. Наиболее часто в АС величиной рассогласования является постоянное или переменное напряжение.

Измерители рассогласования классифицируют по виду входной величины. В соответствии с этим признаком различают: частотные, фазовые, угловые и временные дискриминаторы.

Частотные дискриминаторы предназначены для обнаружения отклонения частоты гармонических колебаний управляющего гетеродина от заданного значения и преобразования этого отклонения в пропорциональное ему напряжение постоянного тока.

В фазовых дискриминаторах определяется фазовый сдвиг между двумя напряжениями с одинаковыми или близкими по значению частотами и преобразования этого сдвига в пропорциональное значение постоянного напряжения.

Временные дискриминаторы решают задачу получения постоянного напряжения, пропорционального временному рассогласованию между отраженным и измерительным импульсами системы автоматического сопровождения цели по дальности.

Угловые дискриминаторы систем автоматического сопровождения по направлению движущихся объектов (АСН) предназначены для обнаружения отклонения равносигнального направления следящей антенны от направления на объект и преобразования этого отклонения в постоянное или переменное напряжение.

В зависимости от способа формирования РСН угловые дискриминаторы АСН делятся на две группы:

1) Дискриминаторы с последовательным сравнением сигналов;

2) Дискриминаторы с мгновенным равносигнальным направлением.

В дискриминаторах второй группы системы АСН антенна состоит из отражателя и 4-х излучателей, расположенных симметрично относительно геометрической оси отражателя. Излучатели формируют четыре ДНА (рис. 2.49). Линия пересечения этих диаграмм, совпадающая с геометрической осью отражателя, является равносигнальным направлением антенны (РСН).

Цель

Рис. 2.49. Антенна автоматической системы сопровождения по направлению (АСН) с одновременным сравнением сигналов.

Каждый отдельный лепесток ДНА характеризует зависимость коэффициента усиления соответствующего излучателя антенны на прием от направления прихода отраженного от объекта сигнала. Если направление на цель и РСН не совпадают, то наибольший по мощности отраженный сигнал будет на входе того излучателя в режиме приема, максимум ДНА которого наиболее близко в пространстве расположен относительно направления на цель. А минимальный сигнал на том излучателе, максимум диаграммы которого наиболее удален от направления на цель. Исходя из этого, в целом ряде систем АСН используется суммарно - разностная обработка отраженных сигналов для определения величины и знака ошибки сопровождения по направлению.

Рассмотрим образование сигнала ошибки в дискриминаторе суммарно - разностной системы АСН (рис. 2.50) в какой либо одной плоскости: угломестной или азимутальной.

Рис. 2.50. Работа фазового дискриминатора в АСН с одновременным сравнением сигналов суммарно-разностного типа

Если в анализируемой плоскости РСН и ЛВЦ (линия визирования цели) не совпали, то сигналы U₁ и U₂ не будут равны между собой. С выходов суммарно - разностного волноводного моста М снимаются разностный и суммарный сигналы: U_D = U₁ - U₂,

U_S = U₁ + U₂

В преобразователях частоты, состоящих из смесителей СМ_D и СМ_S и общего гетеродина Г, формируются разностное и суммарное напряжения промежуточной частоты U’_D и U’_S. Усиленные в УПЧ_D и УПЧ_S соответственно, эти переменные напряжения поступают на вход фазового дискриминатора ФД, причем U’_D является опорным напряжением. На выходе ФД формируется постоянное напряжение U_ФД,величина которого тем больше, чем больше угловое несовпадение РСН и ЛВЦ. Для небольших значений рассогласования функция вида U_ФД = f(Q) носит линейный характер.

Где Q – угол несовпадения ЛВЦ и РСН в данной плоскости.

Сельсинами называются специальные электрические машины переменного тока, предназначенные для работы в следящих системах. Принцип действия сельсина аналогичен принципу действия электродвигателя переменного тока. Он состоит из статора и ротора и имеет четыре обмотки, три из которых соединяются в «звезду» и имеют магнитные оси, сдвинутые друг относительно друга на 120° - это трехфазная обмотка, четвертая обмотка – однофазная. Если трехфазная обмотка располагается на статоре, то однофазная – на роторе и наоборот. Первый вариант применяется в маломощных сельсинах, второй - в сельсинах большой мощности. Обычно сельсины применяются попарно и называются сельсином - датчиком (СД) и сельсином – приемником (СП). Такие пары применяются в трансформаторном или индикаторном режимах (рис. 2.51 и рис. 2.52).

В трансформаторном режиме (рис. 2.51) пара сельсинов преобразует угловое перемещение ротора СД в электрический сигнал, снимаемый со статорной обмотки СП. Входным сигналом является угол поворота ротора СД относительно ротора СП a - b, то есть разность в угловых положениях роторов. Выходным сигналом является напряжение, наводимое в статорной обмотке СП переменными магнитными потоками соответствующих роторных обмоток сельсинной пары Uвых = Umcos(b - a),

где: Um – амплитудное значение напряжения при отсутствии рассогласования, то есть при b = a.

По величине напряжения Uвых при фиксированном положении ротора СП можно судить о величине угла поворота СД.

В индикаторном режиме (рис. 2.52) положение ротора СП не фиксировано. Статорные однофазные обмотки СД и СП подключены к источнику переменного тока.

При одинаковом положении роторов СД и СП по отношению к статорным обмоткам (b = a) индуцируемые в соответствующих роторных обмотках ЭДС равны между собой и противоположны по направлению. Эти ЭДС создаются магнитными потоками статорных обмоток сельсинной пары.

Рис. 2.51. Сельсинная пара в трансформаторном режиме.

Рис. 2.52. Сельсинная пара в индикаторном режиме.

Результирующие ЭДС в каждой паре обмоток равны нулю и ток в цепях ротора отсутствует.

При неодинаковом положении роторов СД и СП относительно статорных обмоток результирующие ЭДС не будут равны нулю, в фазовых цепях роторов возникнут токи, которые обусловят появление вращающих моментов. Таким образом, при развороте ротора СД на некоторый угол ротор СП начнет вращаться до тех пор, пока его положение относительно статора не станет таким же, как у ротора СД.

При непрерывном вращении ротора СД ротор СП будет непрерывно «отслеживать» его положение.

Вращающиеся трансформаторы – это электрические машины с неявно выраженными полюсами ротора и статора, на каждом из которых размещаются по две обмотки. Широко распространены синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых магнитные оси вторичных обмоток сдвинуты в пространстве на 90°. Это позволяет получить ЭДС во вторичных роторных обмотках, пропорциональные функциям синуса и косинуса от переменного напряжения, подаваемого на вход СКВТ. СКВТ предназначены для решения задач поворота координатных осей и преобразования координат, разложения вектора на составляющие в прямоугольной системе координат и наоборот.

Рассмотрим, каким образом с помощью СКВТ можно разложить исходный вектор на составляющие. Для этого на одну из статорных обмоток подается соответствующее исходному вектору переменное напряжение U (рис. 2.53). Магнитный поток обмотки возбуждения Фв будет пропорционален амплитуде напряжения U и направлен вдоль магнитной оси обмотки.

Вторая статорная обмотка СКВТ замыкается накоротко для уничтожения поперечной составляющей магнитного потока, которая может появиться за счет реакции роторных обмоток при наличии нагрузки.

Если магнитная ось одной из роторных обмоток совпадает с осью обмотки возбуждения, то в ней индуцируется максимально возможная ЭДС, а во второй обмотке ЭДС будет отсутствовать. При повороте ротора на некоторый угол a магнитный поток Фв индуцирует в обмотках ротора ЭДС, величины которых пропорциональны проекциям вектора магнитного потока на оси обмоток ротора

U₁ = KUsina; U₂ = KUcosa;

где: U - входное переменное напряжение;

К - коэффициент пропорциональности, учитывающий соотношение числа витков статорной и соответствующей роторной обмотки ВТ.

Таким образом, с помощью СКВТ происходит разложение исходного вектора на составляющие в прямоугольной системе координат.

Для решения задачи поворота координатных осей используются две статорные обмотки, на каждую из которых подаются переменные напряжения, совпадающие по фазе. Амплитуды входных напряжений пропорциональны составляющим вектора в исходной системе координат. С роторных обмоток ВТ снимаются ЭДС, пропорциональные составляющим исходного вектора в новой системе координат, повернутой относительно исходной на некоторый угол a.

Вращающиеся трансформаторы могут использоваться в АС РЛС в виде многокаскадных схем с последовательным включением, то есть на вход последующих ВТ подаются напряжения с роторных обмоток предыдущих трансформаторов. Это позволяет решать с помощью ВТ более сложные, многофункциональные преобразования.

Тахогенератором (ТГ) называется малогабаритный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, ЭДС на выходных клеммах которого линейно зависит от числа оборотов ротора (якоря).

U_вых = К_ТГ . w,

где: U_вых – выходное напряжение ТГ; К_ТГ -коэффициент передачи;

w -скорость вращения якоря ТГ.

ТГ является электрическим датчиком, входным сигналом которого служит угловая скорость вала w якоря, а выходным – напряжение, причем весьма важно сохранить линейную зависимость U_вых от w в процессе работы датчика. Нагрузка R_н (рис. 2.54) может исказить эту зависимость, так как при её подключении появиться магнитный поток реакции якоря ТГ, оказывающий влияние на поток Фв.

С целью компенсации этой реакции используется включаемая последовательно с нагрузкой и обмоткой якоря компенсационная обмотка n_к. Ток якоря уменьшается, уменьшается его влияние на поток возбуждения Фв, выдерживается линейная зависимость функции

U_вых = К_ТГ . w

Для расширения возможностей работы ТГ с учетом изменения нагрузки R_н используют шунтирующее сопротивление R_ш, изменением которого добиваются линейной зависимости U_вых от w.

Тахогенераторы широко применяются в АС современных РЛС в качестве измерительных и корректирующих элементов.