用于多電機(jī)同步控制的角位移傳感器設(shè)計(jì)

奚小網(wǎng)，陸 榮，高 波

（1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082）

0 引言

角度和角位移的測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，主要采用電阻式、電感式、電容式、光柵式、磁阻式等角度和角位移傳感器[1]。在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中角位移傳感器也有應(yīng)用，但傳統(tǒng)的角位移測(cè)量?jī)x，因結(jié)構(gòu)等方面的缺陷，影響了其使用壽命和可靠性。利用導(dǎo)電塑料薄膜電位器作為敏感元件，設(shè)計(jì)了一種新型角位移傳感器，用于多電機(jī)同步運(yùn)行控制，具有無(wú)接觸式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧輕便、線性好、控制精度高等特點(diǎn)，既提高了控制的可靠性和分辨率，又簡(jiǎn)化了裝配工藝，降低了成本。

1 多電機(jī)同步控制原理

在造紙、紡織印染、軋鋼等生產(chǎn)設(shè)備中，由于具有多點(diǎn)傳動(dòng)的要求，電動(dòng)機(jī)的數(shù)量通常較多，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速控制也提出了更高的要求。在調(diào)速方式上，由于變頻調(diào)速具有可靠性高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此這些設(shè)備一般采用變頻器傳動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式[2]。在工藝上，通常要求這些傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)同步運(yùn)行（例如造紙、紡織印染設(shè)備）或按照一定的牽伸比（線速度比）運(yùn)行（例如軋鋼機(jī)、化纖后處理設(shè)備）。如常用的印染后整理設(shè)備有顯色皂洗機(jī)、退煮漂聯(lián)合機(jī)、熱風(fēng)烘燥機(jī)、絲光聯(lián)合機(jī)等，這些設(shè)備的傳動(dòng)電機(jī)較多。工作時(shí)，布卷從設(shè)備進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)后，在出口處再次形成布卷。顯然，為防止布匹在加工過(guò)程中跑偏、起皺并保證一定的張力，要求多個(gè)電動(dòng)機(jī)保持同步運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)多單元同步傳動(dòng)。

圖1為三單元同步控制系統(tǒng)框圖。圖中VF1為主令電動(dòng)機(jī)變頻器，VF2、VF3為軋車2以及軋車3的傳動(dòng)電機(jī)變頻器。VF1的運(yùn)行速度信號(hào)來(lái)自主控單元的主令給定，當(dāng)主令信號(hào)確定后，整機(jī)的運(yùn)行速度就確定了。

圖1 三單元同步控制系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)中，為保證軋車2、軋車3與軋車1的同步運(yùn)行，變頻器VF2、VF3 的速度由主令信號(hào)和同步檢測(cè)裝置共同給定。由圖1可見，同步檢測(cè)裝置中的電位器接±5V直流電源，當(dāng)電位器處于中間位置時(shí)，給定信號(hào)為0V。同步檢測(cè)信號(hào)輸入變頻器輔助模擬量輸入端后，可通過(guò)設(shè)定變頻器內(nèi)部參數(shù)得到如下速度控制信號(hào)：

式中，k1、k2取值范圍為0～1。

運(yùn)行中，當(dāng)軋車2速度偏大時(shí)，同步檢測(cè)電位器觸點(diǎn)上移，變頻器輔助輸入端的信號(hào)為負(fù)，速度控制信號(hào)VF變小，使軋車2速度下降，最終實(shí)現(xiàn)與VF1同步，即實(shí)現(xiàn)多單元同步運(yùn)行。

傳統(tǒng)設(shè)備采用直流電機(jī)加變速箱傳動(dòng)，單元間采用擺式或棍式松緊架同步裝置或自整角機(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，或采用張力傳感器構(gòu)成恒張力控制系統(tǒng)，這些措施可靠性較差，控制操作管理與使用維護(hù)成本高。有人采用光電編碼器或光柵等數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的同步控制方案，也有用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)加開關(guān)量接口模塊控制的同步方案，但這類方案又有因所需傳感器或接口模塊數(shù)量多，致使設(shè)備成本大大增加和對(duì)控制要求非常高的缺點(diǎn)[3]。采用交流變頻調(diào)速取代直流調(diào)速，技術(shù)水平有了很大的提高，新型非接觸式角位移傳感器的使用，可有效提高長(zhǎng)期可靠性和達(dá)到很高的分辨率。

2 新型角位移傳感器設(shè)計(jì)

2.1 角位移傳感器的結(jié)構(gòu)

新型角位移傳感器采用非接觸式設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。敏感元件采用導(dǎo)電塑料電位器WDD35D-4。選擇電位器標(biāo)準(zhǔn)阻值5kΩ、阻值公差±15%、獨(dú)立線性精度±0.5%。電位器理論電氣轉(zhuǎn)角：345°±2°；分辨率：無(wú)限；功率：2W(70℃)；電阻溫度系數(shù)(ppm/℃)：＜±400；工作溫度范圍：-55℃～125℃；機(jī)械轉(zhuǎn)角：360°(連續(xù))。電位器固定于傳感器外殼，電位器線圈隨傳感器外殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其滑動(dòng)轉(zhuǎn)軸與質(zhì)量塊固定，在重力作用下保持豎直向下，因而可將傳感器轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

新型角位移傳感器使用時(shí)直接安裝在松緊架傳感器安裝軸端，如圖3所示，這樣可有效避免傳感器承受的扭矩。安裝軸檢測(cè)浮動(dòng)輥的位置變化，當(dāng)右側(cè)的電機(jī)運(yùn)行速度相對(duì)變快時(shí)，浮動(dòng)輥升高，角位移傳感器檢測(cè)的角度正向變大，當(dāng)浮動(dòng)輥升高到超出最高值的范圍時(shí)，角位移傳感器輸出上越位信號(hào)。相反，當(dāng)左邊的電機(jī)運(yùn)行速度相應(yīng)變快時(shí)，浮動(dòng)輥下降，角位移檢測(cè)的角度反向變大，當(dāng)浮動(dòng)輥下降到超出最低值的范圍時(shí)，角位移傳感器輸出下限位信號(hào)。

圖3 角位移傳感器安裝示意圖

2.2 角位移傳感器電路設(shè)計(jì)要求

工作類型：該角位移傳感器可根據(jù)同步控制的要求，設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)型和同步型兩種工作類型。標(biāo)準(zhǔn)型角位移傳感器無(wú)同步控制功能，工作時(shí)變頻器需外接同步器；同步型角位移傳感器有專門的同步信號(hào)輸入端，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)同步控制。

測(cè)量范圍及輸出電壓：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，該角位移傳感器的出廠整定范圍為±45°，標(biāo)準(zhǔn)型輸出電壓2.5～7.5V，同步型輸出電壓為同步信號(hào)±1V。

越位輸出信號(hào)：傳感器具有上限越位觸點(diǎn)和下限越位觸點(diǎn)，在正常工作范圍內(nèi)，上限越位觸點(diǎn)和下限越位觸點(diǎn)均閉合，上限越位時(shí)對(duì)應(yīng)的上限越位觸點(diǎn)斷開，下限越位時(shí)則對(duì)應(yīng)的下限越位觸點(diǎn)斷開。

同步型傳感器的上下限位開關(guān)串聯(lián)輸出，作為一個(gè)開關(guān)使用。正常時(shí)，開關(guān)閉合；越位狀態(tài)下，開關(guān)斷開。

2.3 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路組成

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，新型角位移傳感器完成信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換的電路由正常輸出電路、上限位輸出電路、下限位輸出電路以及電源電路四部分組成，敏感元件為導(dǎo)電塑料電位器RW0。其電路組成如圖4所示。

圖4 角位移傳感器檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路

電源電路：采用三端集成穩(wěn)壓器LM78L09以及LM79L09產(chǎn)生所需電壓。三端集成穩(wěn)壓器的輸出電流為100mA，可滿足負(fù)載電路的使用要求。二極管D1和D2用于防止外部電源極性接反，D3和D4為集成穩(wěn)壓器的保護(hù)二極管。輸入端接電容C1和C2用于消除串入電路的高頻干擾；輸出端接電容C3和C4可消除電路中的有害自激振蕩，改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)。

正負(fù)動(dòng)作信號(hào)輸出電路：根據(jù)控制要求，當(dāng)檢測(cè)角度在±45°范圍內(nèi)變化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)型傳感器應(yīng)輸出2.5～7.5V電壓，同步型傳感器輸出同步電壓±1V。在電路中首先通過(guò)反相輸入放大電路A1將敏感元件輸出電壓進(jìn)行放大，再通過(guò)反向器A8輸出正動(dòng)作信號(hào)；反相輸入放大電路A1直接輸出負(fù)動(dòng)作信號(hào)。為滿足同步控制要求，電路中增加反相加法電路將同步信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)疊加，同時(shí)增加反相放大電路A6將經(jīng)過(guò)A1放大后的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以滿足同步型傳感器輸出電壓等于同步信號(hào)±1V的要求。

上限位輸出電路：上限位輸出電路由放大電路、遲滯比較電路以及光電耦合輸出電路組成。放大電路由反相比例放大電路A1以及反相器A2構(gòu)成，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行放大。由A3等組成遲滯電壓比較電路，避免上限越位輸出電壓在上限位置來(lái)回跳變。采用光電耦合電路作為輸出電路可割斷信號(hào)處理電路與輸出電路之間電的聯(lián)系，電路之間的信號(hào)通過(guò)光線傳輸，使前端與負(fù)載完全隔離，增加安全性，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。當(dāng)U11＜UTH時(shí)，即輸入未達(dá)上限位時(shí)，光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光，光敏晶體管導(dǎo)通，晶體管T1導(dǎo)通，端子10與端子11接通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)U11＞UTH時(shí)，即輸入超過(guò)上限位時(shí)，光電耦合器截止，晶體管T1截止，端子10與端子11斷開，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

下限位輸出電路：根據(jù)控制要求，當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)角達(dá)到基準(zhǔn)位置-45°時(shí)產(chǎn)生下限越位信號(hào)。當(dāng)電位器RW0滑動(dòng)觸點(diǎn)向下滑動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)反相放大電路A1放大后輸出電壓UO1與遲滯電壓比較電路相應(yīng)的閾值電壓UF2比較：當(dāng)UO1大于UF2時(shí)，輸出電壓為低電平，下限越位指示發(fā)光二極管發(fā)光指示越位輸出，光電耦合器件截止，晶體管T2截止，端子12與端子13斷開，相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)UO1小于UF2時(shí)，輸出電壓U22為高電平，光電耦合器件導(dǎo)通，晶體管T2導(dǎo)通，端子12與端子13導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

調(diào)試后，取電位器RW0滑動(dòng)觸點(diǎn)位置設(shè)定為27%時(shí)對(duì)應(yīng)浮動(dòng)輥的基準(zhǔn)位置，即敏感元件+90°位置。在45°～135°范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)量，得到正動(dòng)作輸出電壓在2.46V到7.47V之間變化，其與被測(cè)角位移之間成線性關(guān)系，如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用導(dǎo)電塑料電位器及其滑動(dòng)轉(zhuǎn)軸與質(zhì)量塊固定的結(jié)構(gòu)制成的新型傳感器，固定于傳動(dòng)輥上，電位器線圈隨傳感器外殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將傳感器轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化而改變輸出電壓，通過(guò)變頻器使多電機(jī)同步運(yùn)行。該傳感器具有無(wú)接觸式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧輕便、線性好、控制精度高等特點(diǎn)。

圖5 輸出電壓與角位移的關(guān)系曲線

[1] 梁長(zhǎng)垠,晏凱.基于單片機(jī)的電容式角位移測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(8):52-54.

[2] 黃麟.交流調(diào)速系統(tǒng)及應(yīng)用[M].大連理工大學(xué)出版社,2009:181-183.

[3] 潘湘高,李曉峰.紡織印染機(jī)械多電機(jī)群變頻調(diào)速同步DCS[J].紡織學(xué)報(bào),2007,28(4):116-120.