Дифференциальный индукционный датчик углового положения и частоты вращения

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

est)s G 01 В 7/30

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4862207/28 (22) 27.08,90 (46) 23;02.93. Бюл. N 7 (71) Центральное конструкторское бюро

"Алмаз" (72) Ю.Б,Панферов (56) Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. — М.: Энергия, 1967, c,69-70.

Авторское свидетельство СССР

М 267384, кл, 6 08 С 19/44, 1965, (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и.имеет целью повышение доИзобретение относится к измеритель- . ной технике и позволяет измерять частоту вращения и угловое положение ротора вращающего объекта, например, ротора вентильной электрической машины.

Известны индукционные датчики положения, содержащие статор с чувствительными элементами трансформаторного типа, имеющие общую или раздельную магнитные системы и ротор с управляющими магнитомягкими элементами.

Значение выходного напряжения таких датчиков не зависит от частоты вращения, в то время как частота выходного напряжения пропорциональна этой частоте.

Как правило. для обеспечения оптимального управления и контроля исполнительных двигателей следящих систем необходимо иметь, по крайней мере, два канала управления : по положению а ротора и по частоте и его вращения. При этом для каждого канала требуется различная кру„, сЫ „„1796891 А1

2 стоверности и качества информации путем снижения помех в выходных сигналах индукционного дифференциального датчика углового положения и частоты вращения, содержащего статор с явно выраженными полюсами, на которых размещены обмотки возбуждения и две группы вторичных обмоток, в одной из которых формируются выходные сигналы в функции положения, а в другой — в функции частоты вращения ротора датчика. На части поверхности ротора . закреплены ферромагнитные вставки, образующие зубцы, а полюсы статора выполнены магнитно изолированными один от другого и имеющими различную ширину. находящуюся в определенной зависимости 13 от ширины зубцов ротора. 6 ил. ! тизна характеристик по контролируемому 2 параметру; Например, для управления двигателем привода по положению ротора требуется выбирать значение крутизны выходной характеристики датчика.. равное числу пар полюсов р двигателя. Число пар полюсов исполнительных микродвигателей автоматических. устройств обычно мало р

« 3. Для.контроля и управления привода по частоте вращения и обеспечения высоких точностйых характеристик требуется иметь значение крутизны не менее чем на порядок большее числа пар полюсов двигателя, Недостатком таких устройств являются их большие габариты и масса из-за наличия в машине двух раздельных блоков, контроля и управления по положению и частоте вращения ротора объекта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный индукционный датчик перемещения, в котором два датчика совме1796891

10

40

50 щены в одном блоке.с целью снижения габаритов и массы устройства.

Датчик содержит статор эпектромашинного типа с обмоткой возбуждения и двумя системами выходных обмоток (коммутационных и стабилизирующих). а также зубчатый беэобмоточный ротор. Этот датчик при минимальных габаритах обеспечивает вы. ходные характеристики с крутизной р дпя одного канала управления, и выходные характеристики с крутизной HB порядок большей р для второго канала управления вентильной машиной, Недостатками этого датчика являются невысокие достоверность и качество выдаваемой информации из-за помех в формируемых сигналах. а также сложность конструкции из-за наличия компенсационных обмоток, располагаемых в наружных пазах статора, Плохое качество сигналов датчика определяется тем, что выходные обмотки обеих систем датчика расположены на общей магнитной системе (статоре электромашинного типа) и пронизываются общим магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения датчика, Целью изобретения является повышение достоверности и качества информации путем снижения помех в формируемых сигналах. указанная цель достигается тем, что в дифференциальном индукционном датчике углового положения и частотй вращения, содержащим статор с явновыраженными полюсами, размещенными согласно последовательно ипи 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 для контроля положения ротора, равна шагу зубцов ротора, а ширина Ь полюсов, на которых размещены вторичные обмотки для контроля частоты вращения, равна ширине

bz одной ферромагнитной вставки и не превышает 1/3 tz.

На фиг.1 изображен продольный разрез

Б — 5 на фиг,2 датчика; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 — схема электрических соединений обмоток для контроля положения ротора; на фиг,4 — схема электрических .соединений обмоток для контроля частоты вращения; на фиг.5 — формы кривых напряжения на вторичных обмотках для контроля положения ротора; на фиг.6- формы кривых напряжений на вторичных обмотках для контроля частоты и направления вращения.

Датчик содержит статор 1, закрепляемый в корпусе 2 вентильной электрической машины рядом с ее статором 3, и ротор 4, закрепленный на валу 5 машины, рядом с ее индуктором 6, Статор 1 датчика имеет явновыраженные полюсы 7, 8 и 9 с обмотками возбуждения и вторичными обмотками для контроля положения ротора и полюсы 10, 11, 12.и 13 с обмотками возбуждения и вторичными обмотками для контроля частоты вращения. Каждый полюс датчика выполнен в виде П-образного магнитопровода, на одном из стержней которого располагается первичная обмотка возбуждения, на другом — вторичная обмотка для контроля положения ротора или вторичная обмотка для контроля частоты вращения ротора. Между полюсами с обмотками установлены магнитные экраны 14 и 15 в виде прямоугольных пластин из магнитомягкого материала.

Между статорами датчика и контролируемого двигателя установлен магнитный экран

16 в виде кольца из магнитомягкого материала.

Ротор 4 датчика представляет собой втулку из диэлектрического материала, в пазах которой установлены вставки (зубцы) 17 из магнитомягкого материала.

На полюсах 7, 8 и 9 первого типа расположены первичные обмотки возбуждения

18, 19 и 20, соединенные последовательно или параллельно, и вторичные обмотки 21, 22 и 23; образующие многофазную (в данном случае трехфазную) систему вторичных обмоток, которые используются для управления и контроля двигателя по положению ротора. На полюсах 10. 11, 12 и 13 второго типа расположены первичные обмотки возбуждения 24, 2526 и 27, соединенные последовательно или параллельно, и вторичные обмотки 28, 29, 30 и 31, сгруппированные попарно, при этом обмотки каждой пары соединены последовательно-встречно.

Ширина b> полюсов 7, 8. и 9 первого типа с обмотками для контроля положения ротора выполнена равной ширине зубцового шага tz ротора. Ширина bc полюсов 10, 11, 12 и

13 второго типа с обмотками для контроля частоты и направления вращения выполнена равной ширине Ь зубцов (вставок) ротора, при этом зубцы ротора выполнены с шириной, не превышающей 1/3 tz, Обмотки для контроля положения ротора сдвинуты друг относительно. друга в пространстве на угол 2 л/m р. рад.. где m — число фаз двигателя; р — число полюсов датчика, равное числу пар AohlocoB контролируемого двигателя.

1796891.Зубцовые зоны ротора образуют полю- ток 21, 22 и 23 изменится р раз, поэтому сы с дугой, равной >т/р рад. Встречно вклю- крутизна выходной характеристики каждого ченные обмотки для контроля частоты канала по положению ротора равно: вращения каждой пары сдвинуты в про-. К Ь странстве друг относительно друга на угол 5 р л/p рад. где f — частота выходных (вторичных) наОбмотки для контроля частоты враще- пряженийобмотокдля контроля положения ния первой группы (28 и 29) сдвинуты в про- ротора; Гц; странстве относительно обмоток второй и — частота вращения ротора, об/с. группы(30и31)науголкратныйл /4р ррад., 10 При принятых соотношениях Ь, где zp — число зубцов в полюсе ротора. Этот =Ь| 1/3 tz напряжения на вторичных обмотугол соответствует длине дуги кратной ках 28, 29, 30 и 31 не будет постоянным при

1/4 tz, перемещении относительно полюсов 10, 11, Датчик работает следующим образом, 12 и 13 зубцовых зон ротора, Минимальное

На выводы первичных обмоток возбуж- 15 напряжение на этих обмотках будет при подения 18, 19, 20, 24, 25, 26 и 27 подается ложениях ротора, когда его зубцовые зоны напряжение переменного тока высокой ча- не перекрывают указанные полюсы, а также стоты (10-50 кГц). Tok возбуждения создает и при перекрытии этими зонами полюсов, в полюсах 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 статора но только в тех положениях ротора, когда переменный магнитный поток, замыкало- 20 отдельные зубцы не перекрывают полюсы. щийся по ротору(путь показан на фиг.1 пун- Максимальное напряжение на вторичных ктиром). Значение потока полюса зависит обмотках 28, 29, 30 и 31 будет при перекрыотмагнитногосопротивления внешней маг- тии зубцовыми зонами соответствующих нитной цепи полюса. При вращении ротора полюсов 10, 11, 12 и 13, но только при поло4 магнитное сопротивление внешней цепи 25 жениях ротора, когда его отдельные зубцы полюса меняется в зависимости от положе- перекрывают указанные полюсы статора, ния относительно его ферромагнитных Таким образом. при вращении ротора вставок 17 ротора,. осуществляется модуляция выходных наПри этом происходит модуляция вто- пря>кений на обмотках 28, 29, 30 и 31 с ричныхнапряженийна вторичныхобмотках 30 частотой, пропорциональной частоте врадатчика в функции угла поворота ротора, щения и числу зубцов ротора. Однако, как как видно на фиг.5 и 6, где приведены зави- видно из фиг,6, модуляция напряжений на симости напряжений U2t, Ugg и 02з на BTO- указанных обмотках осуществляется не в ричных обмотках 21, 22 и 23 для контроля полном диапазоне углов, а только в предеположения ротора и зависимости напряже- 35 лах зубцовых зон ротора. Для обеспечения ний Uzs u Uzg на вторичных обмотках 28 и 29 модуляции напряжений в полном диапазодля контроля частоты вращения от угла не углов поворота ротора 2 л рад, каждая а поворота ротора. выходная обмотка датчика частоты вращеМинимальное напряжение на каждой ния формируется из двух последовательно вторичной обмотке 21, 22 и 23 для контроля 40 и встречно включенных вторичных обмоток, положения ротора будет когда зубцовая 30- сдвинутык в пространстве на угол zt/р рад., на (вставки) находятся вне соответствую- . при этом выходные напряжения на каналах щих полюсов 7, 8 и 9 статора. Напряжение контроля частоты и направления вращения на этих обмотках начинает увеличиваться с U20 29 = 02/+ U29 и U30-31 = 030+ U31 момента подхода крайней вставки (зубца} к 45 будут представлять собой непрерывные во соответствующему полюсу и достигает мак- времени сигналы переменного тока с частосимума при полном перекрытии зубца и по- той 1,, пропорциональной частоте вращения люса. При дальнейшем повороте ротора ротора к числу зубцов ротора. напряжение это не будет меняться, так как Крутизна выходной характеристикидатпо мере выхода одного из зубцов из полюса 50 чика по второму каналу управления равна в него будет входить соседний зубец, при п этом маг>нитное сопротивление внешней - и магнитной цепи полюса не меняется, так где zp — число зубцов в одном полюсе (в как ширина полюса bn принята равной зуб- одной зубцовой зоне) ротора: цовому шагу (Ьр = tz). Снижение же напря- 55 fc — частота напряжения на выводах жения на этих обмотках начнется после:групп обмоток для контроля частоты и натого, когда с полюса статора будет выходить правления вращения ротора. последний зубец зубцовой зоны ротора. 3а В приведенном примере z = 4; р = 2, р= Р= один оборот напряжение вторичных обмо- тогда

1796891

К -2.2-4 16 б7с

Гц

Пространственный сдвиг полюсов двух групп относительно друг друга (полюсов 10 и 11 относительно полюсов 12 и 13) на угол 5 — обеспечивает сдвиг по фазе выходйргр ных напряжений О в-ж и Озо-з1 на угол тг/2 эл.рад. (рис.6), что дает информацию о направлении вращения контролируемого обь- 10 екта.

Благодаря малому рассеянию, отсутствию электромагнитной связи между обмотками разных полюсов предлагаемый датчик обеспечивает при минимальных размерах 15 высокое качество выдаваемой информации по положению, частоте и направлению вращения контролируемого обьектл, Формула изобретения 20

Дифференцйальный индукционный датчик углового положения и частоты вращений, содержащий статор с явно выраженными полюсами, размещенные на нем первичные обмотки возбуждения, 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 Ь, образующие зубцы с шагом tz, о тлича ющийся тем,что,сцельюповышения достоверности и качества информации путем снижения помех в выходных сигналах датчика, полюсы статора выполнены магнитно изолированными один от другого, ширина Ьл полюсов, на которых размещены вторичные обмотки для контроля положений ротора, равна шагу:зубцов ротора, а ширина Ь полюсов, на которых размещены вторичные обмотки для контроля частоты вращения, равна ширине b< одной ферромагнитной вставки и не превышает 1/3 t, 1796891

Фиг. Х

Составитель Ю. Панферов

Техред M.Moðãåíòàë Корректор C. Шекмар

Редактор О. Стенина

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

Заказ 643 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

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