RU2342634C1

RU2342634C1 - Angle detector

Info

Publication number: RU2342634C1
Application number: RU2007110253/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Шкуратов (RU); Александр Васильевич Шкуратов; Сергей Павлович Скворнюк (RU); Сергей Павлович Скворнюк; ева Оксана Николаевна Чурл (RU); Оксана Николаевна Чурляева; Юрий Николаевич Глубокий (RU); Юрий Николаевич Глубокий; Дмитрий Александрович Шкуратов (RU); Дмитрий Александрович Шкуратов
Original assignee: ФГОУ ВПО "Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова"
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-12-27
Also published as: RU2007110253A

Abstract

FIELD: physics; measurement.

SUBSTANCE: invention is related to instrumentation and may be used in automatic devices in order to obtain output voltages that are proportional to turn angle. Angle detector contains rotary transformer, which contains rotor and stator with windings. At that the second stator is additionally introduced in detector, which is rigidly connected to detector axis, in which two props are provided, at that similar windings of both stators are connected parallel. The first stator is rigidly connected to detector base. Rotor is installed with the possibility to create mutual induction between its windings and windings of both stators, and is movably installed on detector axis, and rotor is also equipped with prop installed between props of the second stator.

EFFECT: higher accuracy of turn angle measurement in case of their measurement range increase.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения углов поворота, и может быть использовано в устройствах автоматики для получения напряжений, пропорциональных углу поворота.The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring rotation angles, and can be used in automation devices to obtain voltages proportional to the angle of rotation.

Для измерения углов поворота в устройствах автоматики могут использоваться вращающиеся трансформаторы. Такие трансформаторы конструктивно выполняют так же, как асинхронный двигатель с фазным ротором. Как правило, на статоре и роторе размещено по две обмотки, сдвинутые между собой на 90 эл. град. (Н.И.Волков, В.П.Миловзоров. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1986, с.198). Статорная обмотка подключается к источнику переменного напряжения, выходное напряжение снимается с роторных обмоток. Однако такие трансформаторы позволяют получить линейную зависимость выходного напряжения лишь при изменении угла в пределах 4,5°.Rotating transformers can be used to measure rotation angles in automation devices. Such transformers are structurally performed in the same way as an asynchronous motor with a phase rotor. As a rule, on the stator and rotor, two windings are placed, offset by 90 el. hail. (N.I. Volkov, V.P. Milovzorov. Textbook for high schools. - M.: Higher School, 1986, p.198). The stator winding is connected to an AC voltage source, the output voltage is removed from the rotor windings. However, such transformers make it possible to obtain a linear dependence of the output voltage only when the angle changes within 4.5 °.

Наиболее близким к предлагаемому является линейный вращающийся трансформатор, содержащий статор, на котором размещены главная и вспомогательная статорные обмотки, и ротор, на котором размещены синусная и косинусная роторные обмотки. В линейном вращающемся трансформаторе с помощью специальной схемы включения обмоток можно получить на выходе напряжение в виде функцииClosest to the proposed one is a linear rotary transformer containing a stator on which the main and auxiliary stator windings are located, and a rotor on which the sine and cosine rotor windings are placed. In a linear rotary transformer, using a special winding switching circuit, the output voltage can be obtained as a function

где α - угол поворота. При С=0,52 линейность выходного напряжения обеспечивается с точностью до 0,1% в пределах углов до 55° (Н.И.Волков, В.П.Миловзоров. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1986, с.204). Таким образом, в пределах углов до 55° можно получить с точностью до 0,1% зависимость выходного напряжения от входного и угла поворота в виде U_вых=кU_вхα, где к - коэффициент трансформации.where α is the angle of rotation. At C = 0.52, the linearity of the output voltage is provided with an accuracy of 0.1% within angles up to 55 ° (N.I. Volkov, V.P. Milovzorov. Textbook for high schools. - M.: Higher School, 1986, p. .204). Thus, in the range of angles up to 55 ° can be obtained with an accuracy of 0.1% of the output voltage depending on the input rotation angle and a U _out = kU _Rin α, where k - conversion coefficient.

Существенным недостатком такого датчика является малый диапазон углов поворота, на котором обеспечивается линейность выходной характеристики и низкая точность измерения углов при их измерении в большем диапазоне.A significant drawback of such a sensor is the small range of rotation angles, which ensures the linearity of the output characteristic and low accuracy of measuring angles when measuring them over a wide range.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения углов поворота при увеличении диапазона их измерений.An object of the invention is to improve the accuracy of measurement of rotation angles while increasing the range of their measurements.

Указанная задача достигается тем, что согласно изобретению в датчик угла, включающий вращающийся трансформатор, содержащий ротор и статор с обмотками, введен дополнительно второй статор, который жестко связан с осью датчика, и на котором установлены два упора, причем соответствующие обмотки обоих статоров соединены параллельно, первый статор жестко связан с основанием датчика, а ротор расположен с возможностью создания взаимной индукции между его обмотками и обмотками обоих статоров и установлен подвижно на оси датчика, и имеет упор, установленный между упорами второго статора.This task is achieved by the fact that according to the invention, in the angle sensor including a rotary transformer containing a rotor and a stator with windings, an additional second stator is introduced, which is rigidly connected to the axis of the sensor, and on which two stops are installed, and the corresponding windings of both stators are connected in parallel, the first stator is rigidly connected to the base of the sensor, and the rotor is located with the possibility of creating mutual induction between its windings and the windings of both stators and is mounted movably on the axis of the sensor, and has an emphasis tanned between the stops of the second stator.

Существенным отличием предлагаемого технического решения является введение в датчик второго статора, возможность поворота ротора относительно обоих статоров и ограничение углов поворота ротора относительно одного из статоров линейным участком выходной характеристики с помощью установленных упоров. Параллельное соединение обмоток статоров позволяет получить выходной сигнал с ротора датчика при повороте его относительно каждого из статоров, а если поворот осуществляется одновременно относительно обоих статоров, то выходной сигнал будет пропорционален суммарному углу поворота оси датчика относительно его основания. При этом если поворот ротора относительно каждого из статоров осуществляется в пределах линейного участка выходной характеристики, то и суммарный выходной сигнал датчика от поворота ротора относительно обоих статоров также будет в пределах линейного участка выходной характеристики. Таким образом, линейный участок выходной характеристики увеличивается вдвое, т.е. такой датчик с двумя статорами позволяет получать линейную выходную характеристику при повороте оси датчика относительно основания на углы, в два раза большие, чем у датчика с одним статором.A significant difference of the proposed technical solution is the introduction of a second stator into the sensor, the possibility of rotation of the rotor relative to both stators and limitation of the angles of rotation of the rotor relative to one of the stators by a linear section of the output characteristic using the installed stops. Parallel connection of the stators windings allows to obtain the output signal from the sensor rotor when it is rotated relative to each of the stators, and if the rotation is carried out simultaneously relative to both stators, the output signal will be proportional to the total angle of rotation of the sensor axis relative to its base. Moreover, if the rotation of the rotor relative to each of the stators is carried out within the linear portion of the output characteristic, then the total output signal from the rotation of the rotor relative to both stators will also be within the linear portion of the output characteristic. Thus, the linear section of the output characteristic is doubled, i.e. such a sensor with two stators allows to obtain a linear output characteristic when the sensor axis is rotated relative to the base by angles twice as large as that of a sensor with one stator.

На фиг.1 показан датчик угла при повороте второго статора относительно ротора.Figure 1 shows the angle sensor when the second stator is rotated relative to the rotor.

На фиг.2 показан датчик угла при повороте второго статора вместе с ротором относительно первого статора.Figure 2 shows the angle sensor when the second stator is rotated together with the rotor relative to the first stator.

Датчик угла содержит основание 1 и жестко связанный с ним первый статор 2, второй статор 3 с установленными на нем упорами 4 и 5 и жестко связанный с осью датчика 6, ротор 7 с установленным на нем упором 8.The angle sensor contains a base 1 and a first stator 2 rigidly connected to it, a second stator 3 with stops 4 and 5 mounted on it and a rotor 7 rigidly connected to the axis of the sensor 6, with a stop 8 mounted on it.

Второй статор 3 жестко связан осью 6 датчика и может поворачиваться вместе с ней относительно ротора 7 на угол α₁=0-А. Ротор 7 может поворачиваться относительно второго статора 3 на угол α₁ (фиг.1), а относительно первого статора 2 на угол α₂ (фиг.2). Между упорами 4 и 5, расположенными на втором статоре 3, находится упор 8, расположенный на роторе 7. Одноименные обмотки обоих статоров соединены параллельно.The second stator 3 is rigidly connected by the axis 6 of the sensor and can rotate with it relative to the rotor 7 by an angle α ₁ = 0-A. The rotor 7 can be rotated relative to the second stator 3 by an angle α ₁ (figure 1), and relative to the first stator 2 by an angle α ₂ (figure 2). Between the stops 4 and 5, located on the second stator 3, there is a stop 8 located on the rotor 7. The same windings of both stators are connected in parallel.

На фиг.1 и фиг.2 линия Ос1 жестко связана с основанием датчика 1 и первым статором 2, линия Ос2 жестко связана со вторым статором 3 и осью 6 и является биссектрисой угла между упорами 4 и 5, установленными на втором статоре 3. Линия Ор жестко связана с ротором 7 и совпадает с положением упора 8, установленного на роторе 7. В исходном положении при отсутствии поворота оси датчика относительно основания эти три линии совпадают, и сигнал на выходе датчика отсутствует.In Fig.1 and Fig.2, the line Os1 is rigidly connected with the base of the sensor 1 and the first stator 2, the line Os2 is rigidly connected with the second stator 3 and the axis 6 and is the bisector of the angle between the stops 4 and 5 installed on the second stator 3. Line Op rigidly connected to the rotor 7 and coincides with the position of the stop 8 mounted on the rotor 7. In the initial position, in the absence of rotation of the axis of the sensor relative to the base, these three lines coincide, and there is no signal at the output of the sensor.

Поворот оси 6 датчика относительно основания 1 вызывает поворот второго статора 3 относительно ротора 7 на угол α₁ (фиг.1), при этом магнитный поток в роторе, индуктирующий ЭДС в его обмотках, пропорционален этому углу. При повороте оси 6 на угол α₁=А упор 4 второго статора 3 дойдет до упора 8 ротора 7. При повороте на угол α₁>A ось 6 вместе со вторым статором 3 и ротором 7 будет поворачиваться относительно первого статора 2 на угол α₂ (фиг.2), что вызывает появление магнитного потока в роторе, пропорционального углу α₂. ЭДС в обмотках ротора будет пропорциональна сумме двух магнитных потоков, каждый из которых пропорционален углам α₁ и α₂ соответственно, т.е. пропорциональна сумме этих двух углов.The rotation of the axis 6 of the sensor relative to the base 1 causes the second stator 3 to rotate relative to the rotor 7 by an angle α ₁ (Fig. 1), while the magnetic flux in the rotor, inducing the EMF in its windings, is proportional to this angle. When the axis 6 is rotated by an angle α ₁ = A, the stop 4 of the second stator 3 will reach the stop 8 of the rotor 7. When rotated by an angle α ₁ > A, the axis 6 together with the second stator 3 and rotor 7 will rotate relative to the first stator 2 by an angle α ₂ (figure 2), which causes the appearance of magnetic flux in the rotor, proportional to the angle α ₂ . The EMF in the rotor windings will be proportional to the sum of two magnetic fluxes, each of which is proportional to the angles α ₁ and α _2, respectively, i.e. proportional to the sum of these two angles.

Величина угла А, на который разведены упоры второго статора относительно упора ротора в их исходном положении, может быть определена исходя из требований к линейности выходной характеристики. Так, при взятии за основу конструкции прототипа, обеспечивающего линейность выходной характеристики с точностью до 0,1%, эта величина составит 55°. При повороте оси относительно основания на угол α=α₁+α₂=2А линейность выходной характеристики будет аналогичной повороту оси датчика относительно основания на угол α=А, т.е. предлагаемое устройство может обеспечить точность 0,1% при измерении углов в пределах до 110°, что вдвое больше, чем у прототипа.The angle A, at which the stops of the second stator are divided relative to the stop of the rotor in their initial position, can be determined based on the requirements for the linearity of the output characteristic. So, when taking the prototype design as the basis, ensuring the linearity of the output characteristic with an accuracy of 0.1%, this value will be 55 °. When the axis is rotated relative to the base by an angle α = α ₁ + α ₂ = 2A, the linearity of the output characteristic will be similar to the rotation of the sensor axis relative to the base by an angle α = A, i.e. the proposed device can provide an accuracy of 0.1% when measuring angles up to 110 °, which is twice as much as that of the prototype.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность измерения углов поворота при увеличении диапазона их измерений.Thus, the proposed technical solution allows to increase the accuracy of measuring the rotation angles with increasing range of their measurements.

Claims

An angle sensor including a rotary transformer comprising a rotor and a stator with windings, characterized in that an additional second stator is introduced into the sensor, which is rigidly connected to the axis of the sensor and on which two stops are installed, the windings of the same name of both stators are connected in parallel, the first stator is rigidly connected with the base of the sensor, and the rotor is located with the possibility of creating mutual induction between its windings and the windings of both stators and is mounted movably on the axis of the sensor and has a stop mounted between the stops of the second Ator.