Дифференциальный индукционный датчик углового положения и частоты вращения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 7 30 51) ЕТЕНИЯ АВТ 2 65,И ИНДУКЦИ- ПОЛОЖЕНИЯ изме ятьроторотор дротораом дляя круГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Центральное конструкторское бюро "Алмаз"(56) Дубенский А.А. Бесконтактные двигате ли постоянного тока, - М,: Энергия, 1967 с,69-70.Авторское свидетельство СССР % 267384, кл, 6 08 С 19/44, 19 (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫ . ОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и.имеет целью повышение доИзобретение относится к ритель. ной технике и позволяет измер частотувращения и угловое. положение ра вращающего объекта, например, а вентильной электрической машины,Известны индукционные датчики поло- .жения, содержащие статор с чувствительными элементами трансформаторного типа,имеющие общую или раздельную магнитные системы и ротор с управляющими магнитомягкими элементами,Значение выходного напряжения такихдатчиков не зависит от частоты вращения, вто время как частота выходного напряженияпропорциональна этой частоте.Как правило, для обеспечения оптимального управления и контроля исполнительных двигателей следящих системнеобходимо иметь, по крайней мере, ваканала управления: по положению аи по частоте и его вращения. При эткаждого канала требуется различнас.Ц 1796891 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 параметру; Например, для управления двигателем привода по положению ротора требуется выбирать значение крутизны выходной характеристики датчикаравное числу пар полюсов р двигателя, Число пар полюсов исполнительных микродвигателей автоматических. устройств обычно мало р3. 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 совме5 10 20 25 30 40 50 щены е одном блоке с целью снижения габаритое и массы устройства.Датчик содержит статор электромашинного типа с обмоткой возбуждения и двумясистемами выходных обмоток (коммутационных и стабилизирующих), а также зубчатый беэобмоточный ротор, Этот датчик приминимальных габаритах обеспечивает вы, ходные характеристики с крутизной р дпяодного канала управления, и выходнце характеристики с крутизной на порядок большей р для второго канала управленияеентильной машиной,Недостатками этого датчика являютсяневысокие достоверность и качество выдаваемой информации из-за помех в формируемых сигналах, а также сложностьконструкции из-за наличия компенсационных обмоток, располагаемых в наружныхпазах статора, Плохое качество сигналовдатчика определяется тем, что выходные обмотки обеих систем датчика расположенына общей магнитной системе (статоре электромашинного типа) и прониэыва 1 отся общим магнитным потоком, создаваемымобмоткой возбуждения датчика,Целью изобретения является повышение достоверности и качества информациипутем снижения помех в формируемых сигналах,указанная цель достигается тем, что едифференциальном индукционном датчикеуглового положения и частоты вращения,содержащим статор с явновыраженнымиполюсами, размещенными согласно последовательно ипи параллельно, и две группывторичных обмоток, в одной и- которых пары обмоток соединены встречно-последовательно, и безобмоточный ротор, на частиповерхности которого закреплены ферромагнитные вставки шириной Ь, образующие зубцы с шагом т, полюсы статоравыполнены магнитно изолированнымиодин от другого, ширина Ьп полюсов, на которых размещены встречные обмотки дляконтроля положения ротора, равна шагузубцов ротора, а ширина Ьс полюсов, накоторых размещены вторичные обмотки дляконтроля частоты вращения, равна ширинеЬг одной ферромагнитной вставки и не превышает 1/3 и.На фиг.1 изображен продольный разрезБ - Б на фиг,2 датчика; на фиг.2 - разрез А-Ана фиг.1; на фиг,З - схема электрическихсоединений обмоток для контроля положения ротора; на фиг,4 - схема электрических,соединений обмоток для контроля частотывращения; на фиг.5 - формы кривых напряжения на вторичных обмотках для контроляположения 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 явно- выраженные 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 видепрямоугольных 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 (зубцц) 17 иэ 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, которце 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 Ьл полюсов 7, 8 и 9 первого типа с обмотками для контроля положения ротора выполнена равной ширине эубцового шага т ротора. Ширина Ьс полюсов 10, 11, 12 и 13 второго типа с обмотками для контроля частоты и направления вращения выполнена равной ширине Ьг зубцов (вставок) ротора, при этом зубцы ротора выполнены с шириной, не превышающей 1/3 тг,Обмотки для контроля положения ротора сдвинуты друг относительно, друга в пространстве на угол 2 Ющ р. рад.,где в - число фаз двигателя;р - число полюсов датчика, равное числупар полюсов контролируемого двигателя,,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-. Ьстранстве друг относительно друга на угол 5рл/р рад. где бс - 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. группьс(30 и 31)науголкрэтныйл/4 рррад., 10 При принятых соотношениях Ь, где лр - число зубцов в полюсе ротора. Этот =Ь 1/3 1 напряжения нэ вторичных обмотугол соответствует длине дуги кратной ках 28, 29, 30 и 31 не будет постоянным при 1/4 т, перемещении относительно полюсов 10, 11,Датчик работает следующим образом, 12 и 13 зубцовых эон ротора, Минимальное На выводы первичных обмоток возбуж 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 чэ- не перекрывают указанные полюсы, а также стоты (10-50 кГц). Ток 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, замыкасо отдельные зубцы не перекрывают полюсы. щийсяпоротору(путь показан нафиг.1 пун- Максимальное напряжение на вторичных ктиром). Значение потока полюса зависит обмотках 28,29, ЗОи 31 будетпри перекрьсотмагнитногосопротивления внешней маг- тии зубцовыми зонами соответствующих нитной цепи полюса. При вращении ротора полюсов 10, 11, 12 и 13, но только при поло 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- пряжений 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 021, 022 и 02 з на вто- указанных обмотках осуществляется не в ричных обмотках 21, 22 и 23 для контроля полном диапазоне углов, э только в предеположения ротора и зависимости напряже лах зубцовых зон ротора. Для обеспечения ний 02 э и 029 на вторичных обмотках 28 и 29 модуляции напряжений в полном диапазодля контроля частоты вращения от угла не углов поворота ротора 2 лрад, каждая а поворота ротора, выходная обмотка датчика частоты вращеМинимальное напряжение на каждой ния формируется иэ двух последовательно вторичной обмотке 21, 22 и 23 для контроля 40 и встречно включенных вторичных обмоток, положения ротора будет когда зубцовая зо- сдвинутык в пространстве на угол ю/р рад., нэ (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 02 э= 02 в+ 029 и 0 зо-з 1 = 0 зо+ 0 з 1 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 с, пропорциональной частоте вращения лсоса. При дальнейшем повороте ротора ротора к числу зубцов ротора,напряжение зто 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 пэтом магнитное сопротивление внешней "= - 2 ррмагнитной цепи полюса не меняется, так где гр - число зубцов в одном полюсе (в как ширина полюса Ьп принята равной зуб- одной зубцовой зоне) ротора;цовому шагу(Ьр = тг), Снижение же напря 1, - 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 эубцовой зоны ротора. За В приведенном примере г = 4; р = 2,р= Р= один оборот напряжение вторичных обмо- тогдаКс16 б 7 сГцПространственный сдвиг полюсов двухгрупп относительно друг друга полюсов 10и 11 относительно полюсов 12 и 13) на угол 5- обеспечивает сдвиг по фазе выходйргрных напряжений 02 вв и Озо-з 1 на угол Ф 2эл.рад. рис.6), что дает информацию о направлении вращения контролируемого обьекта,Благодаря малому рассеянию, отсутствию злектромагнитной связи между обмотками разных полюсов предлагаемый датчикобеспечивает при минимальных размерах 15высокое качество выдаваемой информациипо положеии о, частоте и направлению вращения контролируемого обьектл,Формула изобретения 20 Дифференцйальный индукционный датчик углового положения и частоты вращения, 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 т, о тличающийся 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 положенил ротора, равна шагу зубцов ротора, а ширина Ь полюсов, на которых размещены вторичные обмотки для контроля частоты вращения, равна ширине Ь одной ферромагнитной вставки и не превышает 1/3 ь,оставитель Ю. ПанФеровехред М.Моргентал Корректор С. Ш Редактор О. Стенина ательский комбинат "Патент", г, Ужгоро Производстве аз 643 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открц113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5