CN110906958A - 一种多励磁角度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种多励磁角度的测量方法，解决现有技术存在的角度测量精度低，稳定性不足，适应能力差的问题。该方法采用双通道无接触旋转变压器分别对单对极的粗机旋转变压器和多对极的精机旋转变压器组合而成，并利用多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法，在提供高精度角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。该方法的角度测量精度高，稳定性好，抗冲击振动能力强，能够适应高低温等多种环境。

Description

一种多励磁角度的测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种角度测量精度高，稳定性好，抗冲击振动能力强，能够适应高低温等多种环境的多励磁角度的测量方法。

背景技术

作为角度位置传感元件，过去采用重力摆锤原理、陀螺原理、重力加速度原理等方法测量倾角，无法进行360度连续转动的测量。近年来随着新材料、新工艺等技术的发展，常用的有这样几种：光学编码器、磁性编码器和旋转变压器；但是，由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，无法满足宽温，振动的需求；而旋转变压器数据处理比较方便，主要用于机械设备的角位置测量，且由于其抗冲击等环境能力强，分辨率高，能输出连续信号等特点，得到广泛的应用。很多现有的应用场合都需要使用角度传感器进行较高精度的旋转角度测量，但角度传感器在安装时必须要平行于物体旋转轴线，而很多由人工安装的测量系统不能确保角度传感器轴线与物体旋转轴线绝对平行，存在很大误差。故有必要对现有技术的角度测量方式和装置予以改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种角度测量精度高，稳定性好，抗冲击振动能力强，能够适应高低温等多种环境的多励磁角度的测量方法。

本发明所采用的技术方案是：该多励磁角度的测量方法包括如下步骤：

步骤一、确定环形变压器绕组，在确定激磁电压U、频率f、空载阻抗Z_i0、变压比k_u的条件下，选取较大的环形变压器定子和转子绕组匝数比K₁及计算参数k_e，进而计算环形变压器的原端绕组匝数：

式中，D_δ1、l_δ1、δ₁、k_u1、分别为环形变压器气隙直径、定子铁心边长、气隙径向长度和磁饱和系数；由上述k₁和W_s1算出环形变压器副端绕组W_r1=W_s1/k₁；

步骤二、确定旋转变压器绕组，旋变部分原端绕组的有效匝数计算公式为：

式中，D_δ2、l_δ2、δ₂、k_u2，分别为旋变气隙直径、定子铁心边长、气隙径向长度和磁饱和系数；由W_r2进行正弦分布绕组的设计计算，并对原端参数进行校核；

步骤三、结构上，第一级为环形变压器，第二级为旋转变压器，利用正弦分布绕组抑制加工工艺等误差对旋转变压器精度的影响；并且，为防止环形变压器轴向磁路对旋转变压器的干扰，影响精度，采取隔离措施、转轴、机壳采用非导磁材料；

步骤四、旋变发送机的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为如下形式：

式中，U_1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率；励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势；当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化；

同时，由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如下所示：

式中，U_2Fs—正弦相的输出电压，U_2Fc—余弦相的输出电压，U_2Fm—次级输出电压的幅值，α_F—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ_F—发送机转子的转角。

所述步骤三，环形变压器采用环形变压器式无刷旋转变压器的结构；右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子，在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组，作信号变换；左侧是环形变压器；它的一个绕组在定子上，一个在转子上，同心放置；转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联，它的电信号的输入和输出均由环形变压器完成。

所述步骤三，旋转变压器是一个10对极的磁阻式旋转变压器，磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动；但励磁绕组和输出绕组的形式不一样；两相绕组的输出信号，仍然是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号；转子磁极形状作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形；转子形状的设计也必须满足所要求的极数。

本发明的有益效果：由于本发明采用双通道无接触旋转变压器分别对单对极的粗机旋转变压器和多对极的精机旋转变压器组合而成，并利用多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法，在提供高精度角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。该方法的角度测量精度高，稳定性好，抗冲击振动能力强，能够适应高低温等多种环境。

附图说明

图1是本发明中的环形变压器的一种结构示意图。

图2是本发明中的旋转变压器的一种结构示意图。

图3是图2的侧视图。

图中序号说明：1普通旋转变压器、2环形变压器、3测量引线、4环形变压器外套、5环形变压器线圈、6环形变压器磁芯、7普通旋变线圈一组、8普通旋变中轴、9普通旋变线圈二组、10引线、11旋转变压器中轴、12旋转变压器外套、13外导线、14内导线。

具体实施方式

详细说明本发明的具体步骤。该多励磁角度的测量方法包括：

步骤一、确定环形变压器绕组，在确定激磁电压U、频率f、空载阻抗Z_i0、变压比k_u的条件下，选取较大的环形变压器定子和转子绕组匝数比K₁及计算参数k_e，进而计算环形变压器的原端绕组匝数：

式中，D_δ1、l_δ1、δ₁、k_u1、分别为环形变压器气隙直径、定子铁心边长、气隙径向长度和磁饱和系数；由上述k₁和W_s1算出环形变压器副端绕组W_r1=W_s1/k₁。

步骤二、确定旋转变压器绕组，旋变部分原端绕组的有效匝数计算公式为：

式中，D_δ2、l_δ2、δ₂、k_u2，分别为旋变气隙直径、定子铁心边长、气隙径向长度和磁饱和系数；由W_r2进行正弦分布绕组的设计计算，并对原端参数进行校核。

步骤三、结构上，第一级为环形变压器，第二级为旋转变压器，利用正弦分布绕组抑制加工工艺等误差对旋转变压器精度的影响；并且，为防止环形变压器轴向磁路对旋转变压器的干扰，影响精度，采取隔离措施、转轴、机壳采用非导磁材料。

环形变压器采用环形变压器式无刷旋转变压器的结构；右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子，在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组，作信号变换；左侧是环形变压器；它的一个绕组在定子上，一个在转子上，同心放置；转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联，它的电信号的输入和输出均由环形变压器完成。此原理结构较复杂，电缆用量大，精度也较高，很好地实现了无刷、无接触。环形变压器包括普通旋转变压器1，其中，普通旋转变压器1由普通旋变线圈一组7和普通旋变线圈二组9构成，且普通旋变线圈一组7和普通旋变线圈二组9之间设置有普通旋变中轴8。普通旋转变压器1的一侧设置有环形变压器2，环形变压器2由环形变压器外套4构成，环形变压器外套4内部设置有环形变压器线圈5，环形变压器线圈5内设置有环形变压器磁芯6。并且，环形变压器2与普通旋转变压器1的结合部位设置有测量引线3。

旋转变压器是一个10对极的磁阻式旋转变压器，磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动；但励磁绕组和输出绕组的形式不一样；两相绕组的输出信号，仍然是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号；转子磁极形状作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形；转子形状的设计也必须满足所要求的极数。能够理解的是，转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状。旋转变压器包括旋转变压器外套12，其中，旋转变压器外套123的内部分别设置有外导线13、内导线14和励磁绕组；旋转变压器外套12内部还设置有旋转变压器中轴11，且旋转变压器外套12上布置有引线10。

步骤四、旋变发送机的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为如下形式：

式中，U_1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率；励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势；当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。

同时，由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如下所示：

式中，U_2Fs—正弦相的输出电压，U_2Fc—余弦相的输出电压，U_2Fm—次级输出电压的幅值，α_F—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ_F—发送机转子的转角。

旋转变压器包含三个绕组，即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转，定子绕组位置固定且两个定子互为90度角。这样，绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组，对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因，两个定子绕组的调制输出信号的相位差为90度。通过解调两个信号可以获得马达的角度位置信息，首先要接收纯正弦波及余弦波，然后将其相除得到该角度的正切值，最终通过“反正切”函数求出角度值。由于一般情况下要使用DSP进行算术处理，因而需要将正弦及余弦波数字化。

本发明采用双通道无接触旋转变压器分别对单对极的粗机旋转变压器和多对极的精机旋转变压器组合而成，并利用多圈记忆旋转变压器解码电路及其位置解算方法，在提供高精度角度信息和转速信息的同时，提供电机多圈绝对角度信息，并保证在系统掉电情况下仍然能够完成对旋转变压器信息的解码功能。

Claims (3)

1.一种多励磁角度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、确定环形变压器绕组，在确定激磁电压U、频率f、空载阻抗Z_i0、变压比k_u的条件下，选取较大的环形变压器定子和转子绕组匝数比K₁及计算参数k_e，进而计算环形变压器的原端绕组匝数：

式中，D_δ1、l_δ1、δ₁、k_u1、分别为环形变压器气隙直径、定子铁心边长、气隙径向长度和磁饱和系数；由上述k₁和W_s1算出环形变压器副端绕组W_r1=W_s1/k₁；

步骤二、确定旋转变压器绕组，旋变部分原端绕组的有效匝数计算公式为：

式中，D_δ2、l_δ2、δ₂、k_u2，分别为旋变气隙直径、定子铁心边长、气隙径向长度和磁饱和系数；由W_r2进行正弦分布绕组的设计计算，并对原端参数进行校核；

步骤三、结构上，第一级为环形变压器，第二级为旋转变压器，利用正弦分布绕组抑制加工工艺等误差对旋转变压器精度的影响；并且，为防止环形变压器轴向磁路对旋转变压器的干扰，影响精度，采取隔离措施、转轴、机壳采用非导磁材料；

步骤四、旋变发送机的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为如下形式：

式中，U_1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率；励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势；当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化；

同时，由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如下所示：

式中，U_2Fs—正弦相的输出电压，U_2Fc—余弦相的输出电压，U_2Fm—次级输出电压的幅值，α_F—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ_F—发送机转子的转角。

2.根据权利要求1所述的多励磁角度的测量方法，其特征在于：所述步骤三，环形变压器采用环形变压器式无刷旋转变压器的结构；右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子，在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组，作信号变换；左侧是环形变压器；它的一个绕组在定子上，一个在转子上，同心放置；转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联，它的电信号的输入和输出均由环形变压器完成。

3.根据权利要求1所述的多励磁角度的测量方法，其特征在于：所述步骤三，旋转变压器是一个10对极的磁阻式旋转变压器，磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动；但励磁绕组和输出绕组的形式不一样；两相绕组的输出信号，仍然是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号；转子磁极形状作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形；转子形状的设计也必须满足所要求的极数。

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