RU1796891C - Дифференциальный индукционный датчик углового положени и частоты вращени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и имеет целью повышение достоверности и качества информации путем снижени  помех в выходных сигналах индукционного дифференциального датчика углового положени  и частоты вращени , содержащего статор с  вно выраженными полюсами, на которых размещены обмотки возбуждени  и две группы вторичных обмоток , в одной из которых формируютс  выходные сигналы в функции положени , а в другой - в функции частоты вращени  ротора датчика. На части поверхности ротора закреплены ферромагнитные вставки, образующие зубцы, а полюсы статора выполнены магнитно изолированными один от другого и имеющими различную ширину, наход щуюс  в определенной зависимости от ширины зубцов ротора. 6 ил.

Description

Изобретение Относитс  к измеритель-/ ной технике и позвол ет измер ть частоту вращени  и угловое положение ротора вращающего объекта, например, ротора вентильной электрической машины.

Известны индукционные датчики положени , содержащие статор с чувствительными элементами трансформаторного типа, имеющие общую или раздельную магнитные системы и ротор с управл ющими маг- нитом гкими элементами.

Значение выходного напр жени  таких датчиков не зааисит от частоты вращени , в то врем  как частота выходного напр жени  пропорциональна этой частоте:

Как правило, дл  обеспечени  оптимального управлени  и контрол  исполнительных двигателей след щих систем необходимо иметь, по крайней мере, два канала управлени : по положению а ротора и по частоте п его вращени . При этом дл  каждого канала требуетс  различна  крутизна характеристик по контролируемому параметру. Например, дл  управлени  двигателем привода по положению ротора требуетс  выбирать значение крутизны выходной характеристики датчика, равное числу пар полюсов р1 двигател . Число пар полюсов исполнительных микродвигателей автоматических устройств обычно мало р 3. Дл  контрол  и управлени  привода по частоте вращени  и обеспечени  высоких точностных характеристик требуетс  иметь значение крутизны не менее чём на пор док большее числа пар полюсов двигател .

Недостатком таких устройств  вл ютс  их большие габариты и масса из-за наличи  в машине двух раздельных блоков, контрол  и управлени  по положению и частоте враг щени  ротора объекта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  дифференциальный индукционный датчик перемещени , в котором два датчика совме3

О 00 Ю

щены в одном блоке с целью снижени  габаритов и масс.ы устройства.

Датчик содержит статор электромашинного типа с обмоткой возбуждени  и двум  системами выходных обмоток (коммутационных и стабилизирующих), а также зубчатый безобмоточный ротор. Этот датчик при минимальных габаритах обеспечивает выходные характеристики с крутизной р дл  одного канала управлени , и выходные характеристики с крутизной на пор док большей р дл  второго канала управлени  вентильной машиной,

Недостатками этого датчика  вл ютс  невысокие достоверность и качество выдаваемой информации из-за помех в формируемых сигналах, а также сложность конструкции из-за наличи  компенсационных обмоток, располагаемых в наружных пазах статора. Плохое качество сигналов датчика определ етс  тем, что выходные обмотки обеих систем датчика расположены на общей магнитной системе (статоре электромашинного типа) и пронизываютс , общим магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждени  датчика.

Целью изобретени   вл етс  повышение достоверности и качества информации путем снижени  помех в формируемых сигналах .

Указанна  цель достигаетс  тем, что в дифференциальном индукционном датчике углового положени  и частоты вращени , содержащим статор с  вновыраженными полюсами, размещенными согласно последовательно или параллельно, и две группы вторичных обмоток, в одной и которых пары обмоток соединены встречно-последовательно , и безобмоточный ротор, на части поверхности которого закреплены ферромагнитные вставки шириной, bz, образующие зубцы с шагом tz, полюсы статора выполнены магнитно изолированными один от другого.ширина bn полюсов, на которых размещены встречные обмотки дл  контрол  положени  ротора, равна шагу зубцов ротора, а ширина Ьс полюсов, на которых размещены вторичные обмотки дл  контрол  частоты вращени , равна ширине bz одной ферромагнитной вставки и не превышает 1/3 tz.

На фиг. 1 изображен продольный разрез Б-Б на фиг.2 датчика; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - схема электрических соединений обмоток дл  контрол  положени  ротора; на фиг,4 - схема электрических .соединений обмоток дл  контрол  частоты вращени ; на фиг.5 - формы кривых напр жени  на вторичных обмотках дл  контрол  положени  ротора; на фиг.6 - формы кривых

напр жений на вторичных обмотках дл  контрол  частоты и направлени  вращени . Датчик содержит статор 1, закрепл емый в корпусе 2 вентильной электрической

машины р дом с ее статором 3, и ротор 4, закрепленный на валу 5 машины, р дом с ее индуктором 6. Статор 1 датчика имеет  вно- вырзженные полюсы 7, 8 и 9 с обмотками возбуждени  и вторичными обмотками дл 

контрол  положени  ротора и полюсы 10, 11, 12 и 13 с обмотками возбуждени  и вторичными обмотками дл  контрол  частоты вращени . Каждый полюс датчика выполнен в виде П-образного магнитопровода, на од5 ном из стержней которого располагаетс  первична  обмотка возбуждени , на другом - вторична  обмотка дл  контрол  положени  ротора или вторична  обмотка дл  контрол  частоты вращени  ротора. Между

0 полюсами с обмотками установлены магнитные экраны Ни 15 в виде пр моугольных пластин из магнитом гкого материала. Между статорами датчика и контролируемого двигател  установлен магнитный экран

5 1 б в виде кольца из магнитом гкого материала .

Ротор 4 датчика представл ет собой втулку из диэлектрического материала, в пазах которой установлены вставки (зубцы) 17

0 мз магнитом гкого материала.

На полюсах 7, 8 и 9 первого типа расположены первичны© обмотки возбуждени  18, 19 и 20, соединенные последовательно или параллельно, и вторичные обмотки 21,

5 22 и 23; образующие многофазную (в данном случае трехфазную) систему вторичных обмоток, которые используютс  дл  управлени  и контрол  двигател  по положению ротора. На полюсах 10. 11, 12 и 13 второго

0 типа расположены первичные обмотки возбуждени  24,25 26 и 27, соединенные последовательно или параллельно, и вторичные обмотки 28, 29, 30 и 31, сгруппированные попарно, при этом обмотки каждой пары

5 соединены последовательно-встречно.

Ширина bn полюсов 7,8 и 9 первого типа с обмотками дл  контрол  положени  ротора выполнена равной ширине зубцового шага tz ротора. Ширина Ьс полюсов 10,11,12 и

0 13 второго типа с обмотками дл  контрол  частоты и направлени  вращени  выполне- на равной ширине bz зубцов (вставок) ротора , при этом зубцы ротора выполнены с шириной, не превышающей 1 /3 tz,

5 Обмотки дл  контрол  положени  ротора сдвинуты друг относительно.друга в пространстве на угол 2 л/птр. рад., где m - число фаз двигател ;

р - число полюсов датчика, равное числу пар полюсов контролируемого двигател .

.Зубцовые зоны ротора образуют полюсы с дугой, равной  /р рад. Встречно включенные обмотки дл  контрол  частоты вращени  каждой пары сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол  /р рад.

Обмотки дл  контрол  частоты вращени  первой группы (28 и 29) сдвинуты в пространстве относительно обмоток второй группы (30 и 31) на угол кратныйп /Ар zp рад., где Zp - число зубцов в полюсе ротора. Этот угол соответствует длине дуги кратной 1/4 tz,

Датчик работает следующим образом.

На выводы первичных обмоток возбуж- дени  18, 19, 20, 24, 25, 26 и 27 подаетс  напр жение переменного тока высокой частоты (10-50 кГц). Ток возбуждени  создает в полюсах 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 статора переменный магнитный поток, замыкаю- щийс  по ротору (путь показан на фиг 1 пунктиром ). Значение потока полюса зависит от магнитного сопротивлени  внешней магнитной цепи полюса. При вращении ротора А магнитное сопротивление внешней цепи полюса мен етс  в зависимости от положени  относительно его ферромагнитных вставок 17 ротора.

При этом происходит модул ци  вторичных напр жений на вторичных обмотках датчика в функции угла поворота ротора, как видно на фиг.5 и 6, где приведены зависимости напр жений U2i, U22 и U23 на вторичных обмотках 21, 22 и 23 дл  контрол  положени  ротора и зависимости напр же- ний U28 и U29 на вторичных обмотках 28 и 29 дл  контрол  частоты вращени  от угла а поворота ротора../

Минимальное напр жение на каждой вторичной обмотке 21, 22 и 23 дл  контрол  положени  ротора будет когда зубцова  зона (вставки) наход тс  вне соответствующих полюсов 7, 8 и 9 статора. Напр жение на этих обмотках начинает увеличиватьс  с момента подхода крайней вставки (зубца) к соответствующему полюсу и достигает максимума при полном перекрытии зубца и полюса . При дальнейшем повороте ротора напр жение это не будет мен тьс , так как по мере выхода одного из зубцов из полюса в него будет входить соседний зубец, при этом магнитное сопротивление внешней магнитной цепи полюса не мен етс , так как ширина полюса bn прин та равной зуб- цовому шагу (bp tz}. Снихсение же напр - жени  на этих обмотках начнетс  после того, когда с полюса статора будет выходить последний зубец зубцовой зоны ротора. За один оборот напр жение вторичных обмоток 21, 22 и 23 изменитс  р раз, поэтому крутизна выходной характеристики каждого канала по положению ротора равно;

-Ј-.

где fn - частота выходных (вторичных) напр жений обмоток дл  контрол  положени  ротора, Гц;

п - частота вращени  ротора, об/с. При прин тых соотношени х bc bzS1 /3 tz напр жени  на вторичных обмотках 28, 29, 30 и 31 не будет посто нным при перемещении относительно полюсов 10, 11, 12 и 13 зубцоаых зон ротора. Минимальное напр жение на этих обмотках будет при положени х ротора, когда его зубцовые зоны не перекрывают указанные полюсы, а также и при перекрытии этими зонами полюсов, но только в тех положени х ротора, когда отдельные зубцы не перекрывают полюсы. Максимальное напр жение на вторичных обмотках 28, 29, 30 и 31 будет при перекрытии зубцовыми зонами соответствующих полюсов 10, 11, 12 и 13, но только при положени х ротора, когда его отдельные зубцы перекрывают указанные полюсы статора.

Таким образом, при вращении ротора осуществл етс  модул ци  выходных напр жений на обмотках 28, 29, 30 и 31 с

частотой, пропорциональной частоте вращени  и числу зубцов ротора. Однако, как видно из фиг.6, модул ци  напр жений на указанных обмотках осуществл етс  не в полном диапазоне углов, а только в пределах зубцовых зон ротора. Дл  обеспечени  модул ции напр жений в полном диапазоне углов поворота ротора 2 л рад, кажда  выходна  обмотка датчика частоты вращени  формируетс  из двух последовательно

и встречно включенных вторичных обмоток, сдвинутых в пространстве на угол л/р рэд., при этом выходные напр жени  на каналах контрол  частоты и направлени  вращени 

U28-29 U28 + U29 И U30-31 U30 + U31

будут представл ть собой непрерывные во времени сигналы переменного тока с частотой fc, пропорциональной частоте вращени  ротора к числу зубцов ротора.

Крутизна выходной характеристики датика по второму каналу управлени  равна

Кс Г 2р2р

де гр - число зубцов в одном полюсе (в дной зубцовой зоне) ротора;

fc частота напр жени  на выводах рупп обмоток дл  контрол  частоты и наравлени  вращени  ротора.

В приведенном примере Zp 4; р 2, огда

- 2-2-4

Пространственный сдвиг полюсов двух групп относительно друг друга (полюсов 10 и 1.1 относительно полюсов 12 и 13) на угол

-тр-- обеспечивает сдвиг по фазе выход- ц Р ч ных напр жений U28-29 и изо-зч на угол nil

эл.рад. (рие.6), что дает информацию о направлении вращени  контролируемого объ- екта.

Благодар  малому рассе нию, отсутствию электромагнитной св зи между обмотками разных полюсов предлагаемый датчик обеспечивает при минимальных размерах высокое качество выдаваемой информации по положению, частоте м направлению вращени  контролируемого объекта.

форму л а и зоб ре т о и и   Дифференциальный индукционный датчик углового положений и частоты вращени , содержащий статор с  вно выраженными полюсами, размещенные на нем первичные обмотки возбуждени , соединенные согласно последовательно или параллельно , и две группы вторичных обмоток, в одной из которых пары обмоток соединены встречно последовательно, и безобмоточный ротор, на части поверхности которого закреплены ферромагнитные вставки, шириной bz, образующие зубцы с шагом г, о т- л и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью повышени  достоверности и качества информации путем снижени  помех в выходных сигналах датчика, полюсы статора выполнены магнитно изолированными один от другого, ширина bn полюсов, на которых размещены вторичные обмотки дл  контрол  положени  ротора, равна шагу зубцов ротора, а ширина be полюсов, на которых размещены вторичные обмотки дл  контрол  частоты вращени , равна ширине bz одной ферромагнитной вставки и не превышает 1/3 tz.

U,

Z6

л/wv

/w

Vt9

L/vwv

Ц.

W 29

0

WVVWV

a.

0

-H-

1

оаллллллд/уш

-. . . «

Фил. б

YV/VX/v

6 ,: