Датчик угла поворота

 

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности преобразователя угла поворота в электрический сигнал Преобразователь содержит установленные соосно с возможностью относительного вращения два магнитопровода с П-образным поперечным сечением На внутреннем торце первого магнитопровода закреплен кольцевой постоянный магнит, а на внешнем его торце выполнены с постоянным шагом зубцы На внешнем торце второго магнитопровода размещены группы магниточувствительных элементов, которые выполнены с переменной длиной, изменяющейся по синусоидальному закону, период которого зависит от номера подавляемой гармоники магнитного поля Каждый магниточувствительный элемент может быть выполнен в виде последовательно соединенных магниторезистивных полосок количество которых изменяется в зависимости от номера элемента в группе 1 з п ф-лы. 4 ил СП С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 В 7/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О

К)

О (21) 4687982/28 (22) 23.05,89 (46) 30.12.91. Бюл, ¹ 48 (72) В.И. Белов, И.П. Дешко, Е.В, Замолодчиков, Н.В. Петропольский. В,С. Туревский и В.А, Урьяс (53) 621,317.39;531.71(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹1268945,,кл, G 01 В 7/30, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1263997, кл. G 01 В 7/30, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 777733442266, кл. G 01 В 7/30, 1980. (54) ДАТЧИК УГЛА ПОВОРОТА (57) Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности преобразователя угла поворота в электрический сигнал. Преобразователь соИзобретение относится к изл ерительной технике и может быть использовано в качестве первичного преобразователя угла поворота в электрический сигнал.

Известен датчик угла поворота, содержащий установленные соосно торцами два кольцевых магнитопровода, ольцевой постоянный магнит, расположенные по окружности зубцы, пары смещенных один относительно другого на четверть зубцового деления магниточувствител ьных элементов, соединенных электрически в две группы.

Магниточувствительные элементы каждой группы расположены равномерно по окружности, причем разность между шагами расположения магниточувствительных элементов, принадлежащих к одной группе, постоянна.

„„SU „„1702170 А1 держит установленные соосно с возможностью относительного вращения два магнитопровода с П-образным поперечным сечением. На внутреннем торце первого магнитопровода закреплен кольцевой постоянный магнит, а на внешнем его торце выполнены с постоянным шагом зубцы. На внешнем торце второго магнитопровода размещень. группы магниточувствительных элементов, которые выполнены с переменной длиной, изл1еняющейся по синусоидальному закону, период которого зависит от номера подавляемой гарл1оники л агнитного поля. Каждыи магниточувствительный элемент может быть выполнен в виде последовательно соединенных магниторезистивных полосок. количество которых изменяется в зависимости от номера элемента в группе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил, Недостатком такого датчика является низкая точность измерений вследствие содержания в выходных сигналах паразитных пространственных гарл1оник. некратных числу зубцов, обусловленных технологическими погрешностями изготовления зубцов и неравномерным характером расположения.магниточувствительных элементов.

Известен датчик угла поворота, содержащий установленные соосно торцами друг к другу два кольцевых магнитопровода, кольцевой постоянный магнит, равномерно расположенные по окружности торцовые зубцы, группы из последовательно соединенных и равномерно расположенных по окружности магниторезисторов. смещенных один относительно другого на четверть зубцового деления. Магниторезисторы выполнены зигзагообразными с равномерным

1702170 шагом и огибающей в виде полуволны синусоиды с длиной, равной половине зубцового деления.

Недостатком такого датчика является низкая точность измерений вследствие содержания в выходных сигналах ряда паразитных пространственных зубцовых гармоник, некратных числу зубцов.

Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению является датчик угла поворота вала. содержащий установленные соосно торцами друг к другу первый и второй кольцевые магнитопроводы П-образного сечения, кольцевой постоянный магнит и выполненные равномерно по окружности зубцы на первом кольцевом магнитопроводе, группы магниточувствительных элементов, расположенные на втором кольцевом магнитопроводе, магниточувствительные элементы каждой из групп расположены равномерно по окружности, соединены между собой последовательно и смещены относительно магниточувствительных элементов соседней группы на четверть зубцового деления.

Недостатком такого датчика является низкая точность измерений вследствие содержания в выходных сигналах ряда паразитных пространственных гармоник, а также существенного влияния на них технологических погрешностей изготовления зубцов и магниточувствительных элементов.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг. 1 представлен датчик угла поворота. общий вид; на фиг. 2 — сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — сечение Б — Б на фиг. 1; на фиг. 4 — вариант выполнения магниточувствительных элементов в виде последовательно соединенных с помощью проводящих эакороток магниторезистивных полосок.

Датчик угла поворота содержит два кольцевых магнитопровода 1 и 2, установленных соосно и разделенных зазором.

Магнитопроводы имеют П-образную форму поперечного сечения и установлены торцами один к другому. На внутреннем торце магнитопровода 1 установлен кольцевой постоянный магнит 3. Внешний торец магнитопровода 1 содержит 2 равномерно расположенных по окружности зубцов. На внешнем торце магнитопровода 2, сопряженном с внешним торцом магнитопровода

1, размещены группы последовательно соединенных магниточувствительных элементов 4 и 5, расположенных равномерно по окружности, магниточувствительные элементы 4 и 5 смещены один относительно

55 другого на четверть эубцового деления, т,е. на 0,5л/Z рад.

Датчик угла поворота работает следующим образом. Магнитопровод 1 присоединен к валу (на чертеже не показан), а магнитопровод 2 закреплен неподвижно, Магнитное поле датчика создается постоянным магнитом 3. Величина магнитной индукции в зазоре между магнитопроводами 1 и 2 должна обеспечивать работу магниточувствительных элементов — магниторезисторов 4 и 5 на линейном участке характеристики. Период изменения индукции для каждого магниторезистора при взаимном повороте магнитопроводов 1 и 2 соответствует зубцовому делению 2л/ /Z.

Поскольку внешний торец магнитопровода 1 выполнен зубчатым. то закон изменения магнитной индукции в зазоре между магнитопроводами 1 и 2 содержит помимо рабочей гармоники с периодом 2 / /7 (номер К равен Z), паразитные пространственные гармоники и может быть описан математически в виде

Кмакс

Bja ) В, + . Bk sir (K a + p< ), (1)

k=1 где а- угол поворота;

Во — амплитуда постоянной составляющей магнитной индукции;

Вк — амплитуда к-й пространственной зубцовой гармоники;

p; — фаза к-й пространственной эубцовой гармоники;Кмакс — номер высшей пространственной зубцовой гармоники, амплитуда которой еще подлежит учету.

При работе магниторезисторов на линейном участке характеристики 4 законы изменения их сопротивления линейно зависят от воздействующей магнитной индукции, поэтому в них содержатся наряду с постоянной составляющей и рабочей гармоникой параэитные пространственные гармоники.

Рассмотрим группу из m последовательно соединенных магниторезисторов, длина Ь i-го магниторезистора (I = 1, ... m) изменяется по закону

Ь = Ьо(1+ sin ), (2) где bp — постоянная составляющая длины.

В предлагаемом датчике магнитореаисторы 4, 5 в каждой группе расположены равномерно по окружности, а соседние магниторезисторы смещены на 0,57г /Z рад. Поэтому, учитывая (1, 2) законы изменения суммарного сопротивления R4 (a) и Rq(a ) групп магниторезисторов 4 и 5 имеют вид

R4(a) = Rpf 1т1ЬОВ,сов(2 а+ р,) (3)

Rga ) = 4+ mbpBzsin(Z а+ р,) (4) 1702170 где R< — постоянная составляющая сопротивления, обусловленная постоянной составляющей магнитной индукции;

pz — фаза рабочей гармоники магнитной 5 индукции.

Таким образом, когда длина магниточувствительных элементов в группе изменяется по закону (2), достигается исключение 10 из выходных сигналов датчика угла поворота паразитных пространственных гармоник, снижающих точность измерений.

Следует отметить, что при числе зубцов

Z, кратном числу m магниточувствительных 15 элементов в группе, выражение (2) принимает вид Ь = Ьо, что соответствует прототипу, т.е. заявленное распределение длины является более общим случаем по отношению к прототипу. 20

При числе зубцов Z некратном m на интервале 2 л рад укладывается целое число и периодов закона (2), причем величины Z, m и и удовлетворяют соотношению Z = im n, где — целое положительное число. 25

Технологические погрешности изготовления датчика характеризуются величиной допуска на линейное смещение осей зубцов и магниточувствительных элементов с расчетных положений. Величина соответствую- 30 щего углового смещения, определяющая влияние этих параметров на выходные сигналы датчика, обратно пропорциональна диаметрам расположения зубцов и магниточувствительных элементов. В отличии от 35 прототипа в предлагаемом датчике зубцы и магниточувствительные элементы расположены на внешних торцах магнитопроводов, диаметр которых превышает диаметр внутренних торцов. Следовательно, при одина- 40 ковом допуске технологические погрешности изготовления в данном датчике будут оказывать на выходные сигналы меньшее влияние, чем в прототипе.

Магниточувствительные элементы 4, 5 45 можно выполнить в виде магниторезисторов, состоящих из ряда последовательно соединенных с помощью проводящих закороток 6 магниторезистивных полосок 7 (фиг. 4). Коэффициент преобразования та- 50 ких магниторезисторов прямо пропорционален количеству полосок.

Современная технология микроэлектроники позволяет формировать в каждом магниторезисторе несколько десятков таких полосок, что обеспечивает аппроксимацию закона (2) с высокои точностью.

Таким образом, предлагаемый датчик преобразует угол поворота в электрические сигналы с повышенной точностью даже при значительных технологических допусках на изготовление зубцов и магниточувствительных элементов.

Формула изобретения

1. Датчик угла поворота, содержащий установленные соосно и обращенные выступающими торцами один к другому с возможностью относительного вращения первый и второй кольцевые магнитопроводы П-образного сечения, на одном торце первого магнитопровода установлен кольцевой постоянный магнит, а на другом его торце выполнены равномерно расположенные по окружности зубцы, группы ма ниточувствительных элементов, которые в каждой группе расположены равномерно по окружности торца второго магнитопровода, соединены между собой последовательно и смещены относительно соседних магниточувствительных элементов другой группы на четверть зубцового деления, первого магнитопровода, и т л и ч а ю шийся тем, что с целью повышения точности, магниточувствительные элементы в каждой группе выполнены переменной длинь, Ь = bo(1+sin

2 тЛ;

), где bp — среднее значение длины, i — номер магниточувствительного элемента в группе (i = 1, 2, ...m); п1 — количество магниточувствительных элементов в каждой группе, Z — число зубцов, постоянный магнит закреплен на внутреннем торце первого магнитопровода, а зубцы расположены на внешнем торце этого же магнитопровода.

2. Датчик по и. 1, отличающийся тем, что, каждый магниточувствительный элемент в группе выполнен в виде последовательно соединенных магниторезистивных полосок, количество которых изменяется в зависимости от номера элемента в группе.

1702170 рие2

8-b

Составитель С,Скрыпник

Техред М.Моргентал

Редактор Л.Народная

Корректор С,Черни

Р /

Заказ 4534 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород ул.Гагарина, 101