CN105444663B - 一种基于黑盒的rvdt设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种基于黑盒的RVDT设计方法。本发明的设计方法不需要测定设计的RVDT壳体、定子以及项圈导线的相关特性参数，包括气隙厚度、空气导磁系数，同时也不需要计算给定电压下特定圈数初级线圈的电流密度，借鉴了黑盒子的测试方法，对这些参数在设计中由于进行了约化，从而简化RVDT的设计。

Description

一种基于黑盒的RVDT设计方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种基于黑盒的RVDT设计方法。

背景技术

能够测量角位移的传感器有感应同步器、光栅、磁栅、激光传感器以及旋转可变差动变压器式角位移传感器(RVDT)等。其中，RVDT是在工业中应用最多的一种。与其它传感器相比，RVDT有以下优点：采用非接触结构，具有无触点、无噪声、高灵敏度、高重复性、高可靠性、无限分辨率、理论无限寿命、高频响应性好。由于其环境适用性强，在航空电控领域，RVDT的应用范围及功能越来越广泛，诸如发动机进油活门位置、舵面位移、控制杆指令、电磁阀开度等。

RVDT的结构与工作原理

RVDT由定子组件和转子组件组成。定子组件包括定子铁芯和绕组两部分。定子铁芯一般由导磁性能良好的软磁材料冲片叠成，其圆周上均匀分布4n个凸极(n为正整数)。凸极上错位嵌有2n个一次线圈和2n个二次线圈，且相邻的一次或二次线圈的线圈绕线方向相反。目前应用最多的为4极、8极、12极及16极，随着极数增多，其线性角度范围减小。飞机各系统常用为4极(n＝1)RVDT，其理论最大线性角度范围可达到±40°。

4极RVDT原理见图1、图2所示。在4个凸极上分别嵌绕四只一次线圈N11、N12、N13、N14串联后构成一次侧线圈，当供以交流励磁电压U时，定子各凸极上产生的磁通为φ₁、φ₂、φ₃、φ₄，其瞬时方向如图1中箭头所示。由于铁芯中存在变化的磁场，在4只二次线圈N21、N22、N23、N24中将产生感应电动势，二次线圈的接法应保证e21、e23同相、并与e22、e24反相。这样，输出电压为及和值电压为

U_o＝(e₂₂+e₂₄)-(e₂₁+e₂₃) (1)

U_sum＝(e₂₂+e₂₄)+(e₂₁+e₂₃)

设δ为定子极掌与转子极端面之间的气隙厚度；S_a、S_b为定子极掌与转子极端面覆盖表面积；r为转子半径；α为转子转角，单位为rad(弧度)；h为定子铁芯的有效宽度；2θ为定子磁极的角度，单位为rad(弧度)；μ₀为空气导磁系数。现对以下条件做以假设：

(1)定子及转子结构几何状态对称、绕组匝数对称；

(2)定子及转子铁芯磁极工作位于铁芯磁化曲线的线性段，材料的初始导磁率很高；

(3)忽略铁芯磁阻、忽略负载的大小和性质、忽略漏电抗和铁损。

则磁路的磁阻完全为气隙磁阻，为：

R_δ1＝R_δ3＝δ/μ₀S_a＝δ/(μ₀r(θ-α)h) (2)

R_δ2＝R_δ4＝δ/μ₀S_b＝δ/(μ₀r(θ+α)h) (3)

由于4只极上一次线圈的匝数均相等，即N11＝N12＝N13＝N14＝N1，流过的电流相等，均为I1，所以磁动势也相等，即

F_M1＝F_M2＝F_M2＝F_M2＝N₁I₁ (4)

可以求出磁通为

φ₁＝φ₃＝F_M1/R_δ1＝I₁N₁μ₀rh(θ-α)/δ (5)

φ₂＝φ₄＝F_M1/R_δ1＝I₁N₁μ₀rh(θ+α)/δ (6)

在空载状态下，可以求得各二次线圈的感应电动势为

式中f为励磁电源频率。

4只极上二次线圈匝数相等，即N21＝N22＝N23＝N24＝N2，将式(5)、(6)(7)代入式(1)可得

U_o＝8πfN₁N₂I₁μ₀rhα/δ＝K·α (8)

式中K为RVDT的灵敏度，单位为V/rad(伏每弧度)，其表达式为

K＝8πfN₁N₂I₁μ₀rh/δ (9)

次级线圈的和值常用作RVDT工作状态的监控值，表达式为：

U_sum＝(e₂₂+e₂₄)+(e₂₁+e₂₃) (10)

＝8πfN₁N₂I₁μ₀rhθ/δ＝K·θ

RVDT在设计中，重点考虑两个电气参数，次级线圈输出电压差U₀与U_sum，决定这两个关键参数的因素较多，主要包括：

1)初级线圈匝数N₁，初级线圈电流密度I₁；

2)次级线圈匝数N₂

3)空气导磁系数μ₀

4)定子铁芯的有效宽度h，转子半径r

5)定子极掌与转子极端面之间的气隙厚度δ；

这些参数要么未知，要么不能准确获取，这便给RVDT设计带来了一定的难度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种原理简单、实用性强的RVDT设计方法，在RVDT壳体及定子一定的情况下，此方法不去要去测定任何参数，仅通过一次样件摸底测试的方法，便可设计出满足要求的RVDT传感器。

本发明的技术方案是：一种基于黑盒的RVDT设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据要求初步设计RVDT摸底样机，并首先初步确定初级线圈匝数N1，次级线圈匝数N2，按照初级线圈跨两级连接，次级线圈分别连接到每对磁极上来制作RVDT摸底样机，初级线圈、次级线圈各线圈间的连接关系见图5图6所示，制作完成后测量RVDT摸底样机的输入输出特性，即：RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o；

2)根据RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o与最大偏角要求输出电压U_{R_O}来设计次级线圈所需的实际匝数N_{R_2}，由于：U_{R_O}＝8πfN₁N_{R_2}I₁μ₀rhα/δ，所以其中，f为励磁电源频率，I₁为初级线圈电流密度，μ₀为空气导磁系数，r为转子半径，h为定子铁芯的有效宽度，α为转子转角，δ为定子极掌与转子极端面之间的气隙厚度；

4)根据理论和值电压U'_sum以及要求和值电压U_{R_sum}，计算和值补偿线圈圈数初级线圈、补偿线圈各线圈间的连接关系见图7图8所示，补偿线圈匝数可正可负，若为正，需要补偿的和值电压为正值，若为负，需要补偿的和值电压为负值，若为零则不需要进行和值补偿，正负值时补偿线圈的接线方式分别见图9、10所示；

5)按照初级线圈匝数N₁，次级线圈匝数N_{R_2}，补偿线圈匝数N_{s_c}制作所需RVDT传感器。

本发明的优点是：不需要测定设计的RVDT壳体、定子以及线圈导线的相关特性参数，包括气隙厚度、空气导磁系数，同时也不需要计算给定电压下特定圈数初级线圈的电流密度，借鉴了黑盒子的测试方法，由于在设计中对这些参数进行了约化，从而简化RVDT的设计。

附图说明

图1为RVDT结构简图；

图2为RVDT工作原理；

图3为RVDT初级线圈布置图；

图4为RVDT次级线圈及补偿线圈布置图；

图5本发明的RVDT初级、次级线圈结构原理图

图6本发明的RVDT初级、次级接线原理图

图7本发明的RVDT初级、补偿线圈结构原理图

图8本发明的RVDT初级、补偿接线原理图

图9本发明的RVDT初级线圈、次级线圈、补偿线圈正补偿电压接线原理图

图10本发明的RVDT初级线圈、次级线圈、补偿线圈负补偿电压接线原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一种基于黑盒的RVDT设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据要求初步设计RVDT摸底样机，并首先根据经验初步确定初级线圈匝数N1，次级线圈匝数N2，按照初级线圈跨两级连接，次级线圈分别连接到每对磁极上来制作RVDT摸底样机，初级线圈、次级线圈各线圈间的连接关系见图5图6所示，制作完成后测量RVDT摸底样机的输入输出特性，即：RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o；

2)根据RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o与最大偏角要求输出电压U_{R_O}来设计次级线圈所需的实际匝数N_{R_2}，由于：U_{R_O}＝8πfN₁N_{R_2}I₁μ₀rhα/δ，所以其中，f为励磁电源频率，I₁为初级线圈电流密度，μ₀为空气导磁系数，r为转子半径，h为定子铁芯的有效宽度，α为转子转角，δ为定子极掌与转子极端面之间的气隙厚度；

4)根据理论和值电压U'_sum以及要求和值电压U_{R_sum}，计算和值补偿线圈匝数初级线圈、补偿线圈各线圈间的连接关系见图7图8所示，补偿线圈匝数可正可负，若为正，需要补偿的和值电压为正值，若为负，需要补偿的和值电压为负值，若为零则不需要进行和值补偿，正负值时补偿线圈的接线方式分别见图9、10所示；；

5)按照初级线圈匝数N₁，次级线圈匝数N_{R_2}，补偿线圈匝数N_{s_c}制作所需RVDT传感器。

本发明的工作原理是：通过摸底样机，测得输入输出特性，利用输入输出特性蕴含的综合参数信息，这些信息包含了设计RVDT已知的信息和未知的参数信息，同时根据设计要求的参数，以及RVDT对应参数的计算公式，通过约分的方式约去难以测量的信息，从而给出设计的主要参数与摸底样机已知的相关参数的关系，最终确定出RVDT的设计参数。

实施例1：

1、按照一种基于黑盒的RVDT设计方法对某型RVDT进行了设计，包括以下步骤：

1)按照各初级线圈N1＝60匝、各次级线圈N2＝113匝的参数设计摸底样机,并按图3布置2初级线圈，按照图4布置4次级线圈，按照图5、图6连接2初级线圈与4次级线圈，测量输入输出特性，见表1所示；

表1 RVDT摸底样机输入输出特性

2)根据RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o＝5.6782V与要求输出电压U_{R_O}＝3.7V来设计次级线圈所需的实际匝数

5)按照初级线圈匝数N₁＝60，次级线圈匝数N_{R_2}＝74，为了工程应用方便，又根据对称原理，仅在随意相邻两磁极各连接匝数N_{s_c}＝8的补偿线圈，根据上述参数，并按照图5、图6、图7、图8及图9示意连接各线圈，制作所需RVDT传感器，所设计的RVDT输入输出特性见表2所示。

表2 所设计的RVDT输入输出特性

Claims (1)

1.一种基于黑盒的RVDT设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据要求初步设计RVDT摸底样机，并首先初步确定初级线圈匝数N1，次级线圈匝数N2，按照初级线圈跨两级连接，次级线圈分别连接到每对磁极上来制作RVDT摸底样机，测量RVDT摸底样机的输入输出特性，进而得到RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o；

2)根据RVDT摸底样机最大偏角对应的电压值U_o与最大偏角要求输出电压U_{R_O}来设计次级线圈所需的实际次级线圈匝数N_{R_2}，由于：U_{R_O}＝8πfN₁N_{R_2}I₁μ₀rhα/δ，所以其中，f为励磁电源频率，I₁为初级线圈电流密度，μ₀为空气导磁系数，r为转子半径，h为定子铁芯的有效宽度，α为转子转角，δ为定子极掌与转子极端面之间的气隙厚度；

3)依据给定的初级线圈匝数，次级线圈匝数，测量的RVDT摸底样机最大偏角对应的电压与最大偏角要求输出电压计算出更改次级线圈匝数后的理论和值电压U′_sum，由于RVDT摸底样机和值电压U_sum＝8πfN₁N₂I₁μ₀rhθ/δ，同时U′_sum＝8πfN₁N_{R_2}I₁μ₀rhθ/δ，所以

4)根据理论和值电压U′_sum以及要求和值电压U_{R_sum}，计算和值补偿线圈匝数补偿线圈匝数可正可负，若为正，需要补偿的和值电压为正值，若为负，需要补偿的和值电压为负值，若为零则不需要进行和值补偿；

5)按照初级线圈匝数N₁，实际次级线圈匝数N_{R_2}，补偿线圈匝数N_{s_c}制作所需RVDT传感器。