SU817895A1

SU817895A1 - Rotor postion sensor

Info

Publication number: SU817895A1
Application number: SU792730859A
Authority: SU
Inventors: Александр Сергеевич Суляев
Original assignee: Дальневосточный Ордена Трудового Крас-Ного Знамени Политехнический Институтим. B.B.Куйбышева
Priority date: 1979-02-27
Filing date: 1979-02-27
Publication date: 1981-03-30

Description

(54) ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА(54) ROTOR POSITION SENSOR

Изобретение относитс к электромеханике , в частности к датчикам положени ротора вентильных электродвигателей с позиционно-зависимой широтно-импульсной Модул цией фазных напр жений. Известен датчик положени ротора, например , дл бесконтактного двигател посто нного тока с регулированием длительности управл ющих импульсов, содержащий на зубцах статора чередующиес между собой катущки первичной и вторичной абмоток . Катушки первичной обмотки соединены в отдельные группы, раздельно регулируемые по. напр жению, а катушки вторичной обмотки подключены к фазочувствительным демодул торам 1. Недостатком датчика положени ротора вл етс больша дискретность в измерении углового положени сигнального элемента ротора. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс магнитомодул ционный датчик углового положени , например, ротора бесконтактного электродвигател посто нного тока, содержащий индуктивные чувствительные элементы и дополнительные магниты, установленные попарно на статоре с фиксированным углом сдвига, и вращающийс посто нный магнитмодул тор . Датчик снабжен установленным на статоре между чувствительными эл ментами и магнитом-модул тором, управл емым магнитным шунтом, выполненным из четного числа подмагничиваемых во встречных направлени х тороидальных сердечников, несущих обмотки управлени 2. Основным недостатком датчика вл ютс его узкие функциональные возможности. Датчик удовлетворительно работает в составе вентильного электродвигател , обеспечива плавность вращающего момента электрической машины. В то же врем при использовании магнитомодул ционного датчика в качестве источника информации дл устройств измерени скорости вращени вентильных электродвигателей вследствие синусоидальности формы огибающей средней составл ющей его выходного напр жени возникают значительные пульсации тахометрического сигнала, ограничивающие область применени датчика. Таким образом, к внешней характеристике устройства предъ вл ютс противоречивые требовани : а) дл вентильногоThe invention relates to electromechanics, in particular, to rotor position sensors of valve motors with position-dependent pulse-width modulation of phase voltages. A rotor position sensor is known, for example, for a contactless DC motor with regulation of the duration of control pulses, which contains alternating coils of primary and secondary windings on the stator teeth. The coils of the primary winding are connected in separate groups, separately regulated by. voltage, and the coils of the secondary winding are connected to phase-sensitive demodulators 1. A disadvantage of the rotor position sensor is a large discreteness in measuring the angular position of the rotor signal element. The closest in technical essence to the present invention is a magnetically-modulated angular position sensor, for example, a rotor of a contactless DC motor, containing inductive sensing elements and additional magnets installed in pairs on a stator with a fixed shear angle, and a rotating constant-magnet modulator. The sensor is equipped with a magnetic shunt mounted on the stator between the sensitive elements and the magnet-modulator, made of an even number of toroidal cores that are magnetically directed in opposite directions, carrying control windings 2. The main disadvantage of the sensor is its narrow functionality. The sensor works satisfactorily in the composition of the valve motor, ensuring the smoothness of the torque of the electric machine. At the same time, when using a magnetic modulation sensor as a source of information for devices measuring the rotational speed of valve electric motors, due to the sinusoidal shape of the envelope of the average component of its output voltage, significant pulsations of the tachometer signal occur, which limit the field of application of the sensor. Thus, contradictory requirements are imposed on the external characteristics of the device: a) for the valve

электродвигател наилучшей, с трчки зрени получени минимума пульсаций вращающего момента, вл етс синусоидальна форма внещней характеристики; б) дл тахометрических устройств форма должна приближатьс к пилообразной, позвол ющей снизить пульсации тахосигнала.the best motor, from the viewpoint of obtaining a minimum of torque ripple, is the sinusoidal form of the external characteristic; b) for tachometric devices, the shape should approach that of a sawtooth, which makes it possible to reduce tacho signal pulsations.

Цель изобретени - расщирение функциональных возможностей магнитомодул ционного датчика положени ротора.The purpose of the invention is to extend the functionality of a magnetic modulating rotor position sensor.

Указанна цель достигаетс тем, что датчик положени ротора, например, дл вентильного электродвигател , содержащий магнитомодул ционные чувствительные элементы , обмотки которых через нагрузочные резисторы подключены к выходу усилител мощности, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, и сигнальный элемент в виде посто нного магнита, причем резисторы подключены к последовательно соединенным выпр мител м и формировател м , датчик снабжен дополнительно двум ключами, двум схемами совпадени , инвертором и дополнительным генератором, выходна частота которого в два раза выше опорной частоты, источник опорной частоты выполнен в виде двух задающих генераторов, один из которых выполнен с возможностью генерировани напр жени пр моугольной формы, а другой - с возможностью генерировани напр жени измен емой формы вершины импульса, причем ко входу усилител мощности подключены через два ключа два задающих генератора, одни входы схем совпадени соединены с выходом формировател , а вторые входы подключены к управл ющим входам первого и второго ключа и к выходам последовательно соединенных дополнительного генератора и инвертора .This goal is achieved by the fact that the rotor position sensor, for example, for a valve motor, contains magnetic modulation sensitive elements, the windings of which are connected to the output of the power amplifier through the load resistors, the input of which is connected to the output of the reference frequency generator, and a signal element in the form of a permanent magnet The resistors are connected to series-connected rectifiers and a driver, the sensor is equipped with an additional two keys, two coincidence circuits, an inverter and an additional with an effective generator, the output frequency of which is twice as high as the reference frequency, the source of the reference frequency is made in the form of two master oscillators, one of which is designed to generate square-shaped voltage, and the other to generate a voltage of a variable form of the pulse top, moreover, two master oscillators are connected to the input of the power amplifier through two keys, one inputs of the matching circuits are connected to the driver output, and the second inputs are connected to the control inputs of the first and second switches and serially connected to the outputs of the additional generator and an inverter.

На фиг. 1 приведена функциональна схема устройства; на фиг. 2 - графики, иллюстрирующие принцип работы устройства .FIG. 1 shows a functional diagram of the device; in fig. 2 - graphs illustrating the principle of operation of the device.

Датчик положени ротора, например, дл вентильного электродвигател , содержит в случае двухфазной конструкции магнитомодул ционные чувствительные элементы 1 и 2, обмотки которых через нагрузочные резисторы 3 и 4 подключены к выходу усилител 5 мощности, и сигнальный элемент б в виде посто нного магнита, причем нагрузочные резисторы 3 и 4 подключены к последовательно соединенным выпр мител м 7 и 8 и формировател м 9 и 10.The rotor position sensor, for example, for a valve electric motor, contains, in the case of a two-phase design, magnetic modulation sensitive elements 1 and 2, the windings of which are connected through the load resistors 3 and 4 to the output of the power amplifier 5, and the signal element b in the form of a permanent magnet, and the load resistors 3 and 4 are connected to series-connected rectifiers 7 and 8 and formers 9 and 10.

Датчик содержит подключенные через два ключа 11 и 12 ко входу усилител 5 мощности два задающих генератора 13 и 14, а также в каждой фазе по две схемы совпадени 15, 16 и 17, 18, одни входы которых соединены с выходом формировател 9 и 10, а вторые входы подключены к управл ющим входам первого 11 и второго 12 ключей и к выходам последовательно соединенных дополнительного генератора 19 и инвертоpa 20. Если число фаз датчика больще двух, то в схему добавл ютс одинаковые каналы, состо щие из последовательно соединенных чувствительного элемента, нагрузочного резистора, выпр мител и формировател , к выходу которого подключены первые входы двух схем совпадений, вторые входы которых соединены с выходами дополнительного генератора и инвертора.The sensor contains two master oscillators 13 and 14 connected to the power amplifier 5 through two switches 11 and 12, as well as in each phase two coincidence circuits 15, 16 and 17, 18, one inputs of which are connected to the output of the driver 9 and 10, and the second inputs are connected to the control inputs of the first 11 and second 12 keys and to the outputs of series-connected additional generator 19 and inverter 20. If the number of phases of the sensor is more than two, the same channels are added to the circuit, consisting of series-connected sensitive elements, ezistora, rectifier and conditioners, which are connected to the output of the first inputs of the two coincidence circuits, whose second inputs are connected to the additional generator and inverter outputs.

При повороте сигнального элемента ротора 6 измен етс степень подмагничивани чувствительных элементов. 1 и 2, что вызывает соответствующие изменени длительности импульсов тока в нагрузочных резисторах 3 и 4. При питании обмоток чувствительных элементов 1 и 2 напр жением пр моугольной формы зависимость относительных длительностей импульсов тока в нагрузочных резисторах 3 и 4 от угла поворота « ротора 6 близка к синусоидальной,, показанной на фиг. 3 лини ми TJ, ir, имеющими фазовый сдвиг, соответствующий относительному пространственному расположению чувствительных элементов 1 и 2.When the rotor signal element 6 is rotated, the degree of bias of the sensitive elements changes. 1 and 2, which causes corresponding changes in the duration of the current pulses in the load resistors 3 and 4. When the windings of the sensitive elements 1 and 2 are powered by rectangular voltage, the relative durations of the current pulses in the load resistors 3 and 4 depend on the rotation angle of the rotor 6 sinusoidal, shown in FIG. 3 lines TJ, ir, having a phase shift corresponding to the relative spatial arrangement of the sensitive elements 1 and 2.

Третий генератор 19 вырабатывает меандр , несуща частота которого вдвое ниже частот генераторов 13 и 14. Через инвертор 20 генератор 19 управл ет работой ключей 11 и 12 и схем совпадени 15-18 так, что на одном полупериоде выходного напр жени третьего генератора 19 открыт первый ключ 11 и схемы совпадени 15 и 17. На втором полупериоде открыты второй ключ 12 и схемы совпадени 16 и 18, а схемы 15 и 17 закрыты. Поэтому на первом полупериоде напр жени третьего генератора 19 питание чувствительных элементов осуществл етс через усилитель 5 мощности напр жением первого генератора 13, имеющим пр моугольную форму. При этом со схем совпадени 15 и 17 поступают импульсные последовательности V, , V-n, имеющие синусоидальные законы изменени длительности от угла oi. Во втором полупериоде выходного напр жени третьего генератора 19 питание элементов 1 и 2 осуществл етс напр жением со специальной формой, и , вырабатываемой вторым генератором 14 В этом случае импульсы поступают с выходов схем совпадени 16 и 18. Форма выходного напр жени второго генератора обеспечивает получение желаемого закона изменени относительно длительности сигналов V|6. Vjg от угла о.Так, например, дл повыщени точности устройств измерени скорости вращени вентильного электродвигател она должна быть линейной, что и достигаетс в предлагаемой схеме датчика положени путем выбора соответствующей формы изменени вершины импульса напр жени второго генератора 14.The third generator 19 generates a square wave, the carrier frequency of which is twice lower than the frequencies of the generators 13 and 14. Through the inverter 20, the generator 19 controls the operation of the keys 11 and 12 and the matching circuits 15-18 so that in one half-period of the output voltage of the third generator 19 the first key is opened 11 and the matching schemes 15 and 17. In the second half period, the second key 12 and the matching schemes 16 and 18 are open, and the schemes 15 and 17 are closed. Therefore, in the first half period, the voltages of the third generator 19 are supplied to the sensitive elements via the power amplifier 5 by the voltage of the first generator 13, which is rectangular in shape. In this case, from the coincidence circuits 15 and 17, the pulse sequences V,, V – n come in, having sinusoidal laws for varying the duration from the angle oi. In the second half-period of the output voltage of the third generator 19, the elements 1 and 2 are supplied with voltage with a special form, and produced by the second generator 14. In this case, the pulses come from the outputs of the matching circuits 16 and 18. The output voltage of the second generator provides the desired the law of change with respect to the duration of the signals V | 6. Vjg from the angle o. So, for example, to increase the accuracy of devices measuring the rotational speed of a valve electric motor, it must be linear, which is achieved in the proposed position sensor circuit by selecting the appropriate shape of the change in the voltage pulse of the second generator 14.

При питании чувствительных элементов 1 и 2 напр жением типа меандр, имеющим плоскую вершину, форма внешней характеристики определ етс распределением индукции магнитного пол сигнального элемента - ротора (посто нного магнита) вдоль зазора датчика и зависит от угла, как это показано кривыми fj, этом длительность выходных сигналов датчика V|5 определ етс индукцией магнитного пол ротора 6 при его определенном угловом положении. Длительность этих импульсов определ етс также вольтсекундной площадью напр жени питани чувствительных элементов i и 2. Так, если вольтсекундна площадка при данном положении ротора посто нн,а, то можно увеличить продолжительность импульсов V(5-, уменьщив амплитуду питани . И, наоборот, при увеличении амплитуды происходит уменьщение длительности сигнала Viy. При повороте ротора 6 происходит уменьщение длительности сигнала Уцг, зависимость которой от угла о( имеет вид синуса TJ, т. е. каждому участку линии -Сз соответствует свой «кусок вдоль верщины импульса питани Vfj. Поэтому, например, там, где синус тГзвыще линииti (т. е. длительность сигнала дл линии должна быть меньше), необходимо увеличить амплитуду питани . На участках, где надо увеличить длительность, т. е. подн ть реальную характеристику датчика к желаемой, необходимо снизить амплитуду питани .When feeding sensing elements 1 and 2 with a meander type voltage having a flat top, the shape of the external characteristic is determined by the magnetic field induction distribution of the signal element - rotor (permanent magnet) along the sensor gap and depends on the angle, as shown by the fj curves, this duration the output signals of the sensor V | 5 is determined by the induction of the magnetic field of the rotor 6 at its certain angular position. The duration of these pulses is also determined by the volt-second area of the supply voltage of the sensing elements i and 2. Thus, if the volt-second area at a given rotor position is constant, then you can increase the duration of the pulses V (5) by decreasing the amplitude of the power supply. when the rotor 6 rotates, the duration of the signal Uzg decreases, its dependence on the angle o (has the form of the sine TJ, i.e., each section of the line-Сз corresponds to its “piece The power supply pulse is Vfj. Therefore, for example, where the sine is greater than the line (i.e., the signal must be shorter for the line), the power amplitude needs to be increased. In areas where the duration needs to be increased, i.e. sensor performance to the desired, it is necessary to reduce the amplitude of the power supply.

Итак, дл формировани нужной характеристики датчика необходимо определить реальную характеристику, изобразить на том же чертеже желаемую, а затем деформировать верщину импульса питани обратно пропорционально разности между желаемой и реальной характеристиками датчика. Задающий генератор дл синусоидальной формы характеристики, как известно, должен генерировать меандр (например, генератор 13). Второй задающий генератор (например 14) должен иметь форму верщины импульса, деформированную в соответствии с методикой, приведенной выще. Так, например , дл линейной формы характеристики Vt соответствует форма Ущ.So, to form the desired sensor characteristic, it is necessary to determine the actual characteristic, display the desired one in the same drawing, and then deform the power supply pulse inversely proportional to the difference between the desired and actual sensor characteristics. A master oscillator for a sinusoidal characteristic, as is known, must generate a square wave (for example, oscillator 13). The second master oscillator (for example, 14) must be in the form of a pulse width, deformed in accordance with the procedure given above. Thus, for example, for the linear form of the Vt characteristic, the form Ush corresponds.

Форма верщины импульсов генератора 14 может быть произвольной. Все зависит от характеристики, которую надо получить из синуса. Можно, например, получить релейную характеристику при форме напр жени y-iff в виде ступеньки.The shape of the pulse width of the generator 14 can be arbitrary. It all depends on the characteristics that must be obtained from the sine. For example, it is possible to obtain a relay characteristic in the form of a voltage y-iff in the form of a step.

В общем случае датчик положени ротора может вырабатывать несколько произвольных законов изменени его выходных импульсов в зависимости от угла поворота о( ротора 6. При этом должно быть соответствующим образом увеличено число задающих генераторов, ключей, схем совпадени , а схема управлени работой упом нутых элементов, представленна на фиг. 1, третьим генератором 19 и инвертором, может быть, например, кольцевым распределителем импульсов.In the general case, the rotor position sensor can produce several arbitrary laws for changing its output pulses depending on the rotation angle o (rotor 6. In this case, the number of master oscillators, keys, coincidence circuits must be increased accordingly, and the control circuit of these elements presented in Fig. 1, the third generator 19 and the inverter may be, for example, an annular pulse distributor.

Итак, в схеме датчика положени за счет чередовани форм питающих чувствительных элементов напр жени обеспечиваетс выработка различных законов изменени относительной длительности выходных импульсов в зависимости от угла поворота ротора. Отмеченное новое свойство изобретени позвол ет использовать один набор чувствительных элементов дл различных целей, например, в качестве датчика положени ротора вентильного электродвигател , источника информации дл устройств измерени скорости упом нутых двигателей и др.So, in the position sensor circuit, by alternating the shapes of the supply voltage sensing elements, various laws of varying the relative duration of the output pulses depending on the angle of rotation of the rotor are developed. The noted property of the invention allows the use of one set of sensing elements for various purposes, for example, as a rotor motor position sensor of a valve motor, an information source for speed measuring devices of said engines, etc.

Claims

1. USSR author's certificate number 313343, cl. H 02 K 29/02, 1971.

2. USSR author's certificate number 481968, cl. H 02 K 29/02, 1975.

WIG