Электромагнитные датчики положения.

Главным элементом электромагнитного датчика положения (ЭДП) является индуктивный ЧЭ с подвижным магнитопроводом (сердечником). Информативным параметром является индуктивность ЧЭ или наведенная в его обмотках ЭДС индукции. В первом случае ЭДП является индуктивным(т.е. параметрическим), во втором – индукционным (т.е.генераторным).

В наиболее точных ЭДП магнитный контур образуют несколько катушек (первичных и вторичных), причем во вторичных индуцируется ЭДС индук­ции, пропорциональная относительному положению катушек. Такие ЭДП, получившие название индукционные, относят к классу электрических ма­шини подразделяют на шесть основных групп:

1. дифференциальные трансформаторы;

2. индукционные потенциометры и микросины;

3. сельсины;

4. резольверы (или вращающиеся трансформаторы);

5. растровые ЭДП;

6. редуктосины;

7. индуктосины.

Индукционные потенциометры

Использование: для измерения линейных перемещений, с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.

Устройство: индукционный датчик положения содержит неподвижную часть и подвижную часть, установленную с возможностью перемещения относительно неподвижной части с одной степенью свободы. Неподвижная и подвижная части датчика выполнены из диэлектрического материала и обращены друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. Подвижная часть датчика установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной части вдоль активных длинных проводников зигзагоподобных прямоугольных катушек. Неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками.

Технический результат: расширение диапазона измерений, упрощение конструкции датчика, повышение точности измерений линейных перемещений.

Резольверы-ВТ

Резольвер — это четырехобмоточная двух- и более полюсная электриче­ская машина с индукционным взаимодействием роторных и статорных об­моток. (вращающиеся трансформаторы (ВТ)

Синусно-косинусный вращающийся трансформатор, резольвер (angle-
component solver) - синусно-косинусный датчик угла, представляющий
трансформатор, состоящий из ротора и статора, несущих по паре взаимно-
перпендикулярных обмоток. При повороте ротора в зависимости от режима
Рис.3

В зависимости от формы выходного сигнала различают: синусно-косинусные, линейные и резольверы-построители.

Вращающимся трансформатором (ВТ) называется индукционная электрическая машина переменного тока, предназначенная для выработки напряжений, пропорциональных синусу и косинусу угла поворота или напряжений, пропорциональных углу поворота ротора машины (в зависимости от схемы включения обмоток статора и ротора).

Рис.9. Схема вращающегося трансформатора.

На статоре и роторе ВТ помещаются по две обмотки, сдвинутые в пространстве под углом 90° (рис.9). Магнитные оси этих обмоток взаимно перпендикулярны. Одна из обмоток статора является обмоткой возбуждения и питается от однофазной сети переменного тока. Если при этом ротор ВТ повернуть на угол a, то ЭДС, наводимые в обмотках ротора, будут пропорциональны синусу и косинусу угла поворота:

(20)

где Е₁,Е₂- действующие значение ЭДС в обмотке ротора; Е_max- максимальное значение ЭДС в обмотке ротора (при совпадении осей обмоток ротора и статора).

Максимальное значение ЭДС (без учета потерь) в обмотке ротора определяется из выражения

(21)

где U- напряжение возбуждения ВТ;

v_р- число витков в обмотке ротора;

v_с- число витков в обмотке статора;

К- коэффициент трансформации ВТ.

Следовательно, напряжение, снимаемые с синусной и косинусной обмоток ВТ, определяются следующим образом:

U₁=KU sin a; U₂=KU cos a. (22)

Вращающиеся трансформаторы применяются в автоматике очень широко как датчики угловых величин, а так же как функциональные элементы аналоговых счетно-решающих устройств. Они применяются при решении тригонометрических задач, связанных с вычислением параметров треугольников и преобразованием координат.

Счетно-решающие устройства, датчики рассогласования угла, ЛВТ.

Различные схемы применения СКВТ рассматриваются на ЛР. Наиболее распространенная схема -датчик угла рассогласования приведена ниже.

Т.о. для получения резолъверов различных типов можно использовать одну и ту же машину с двумя об­мотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включе­ния.

Устройство: конструктивно резольвер выполнен подобно асинхронному двигателю с фазным ротором, который, как и статор, представляет собой многополюс­ный сердечник из листов электротехнической стали или пермаллоя. В пазах ротора и статора размещены по две распределенные обмотки, сдвинутые на 90 одна относительно другой. В общем случае пазов может быть больше, чем полюсов. Концы обмоток выведены на разъем, причем статорные непо­средственно, а роторные с помощью четырех токосъемных колец ротора и щеток.

Выпускают также бесконтактные резольверы с подключением ро­торных обмоток посредством плоских пружин с углом поворота до 700 и резольверы со вспомогательными переходными трансформаторами.

Резольверы широко используют в качестве ДПП в системах управления оборудованием, роботами и манипуляторами.

Совместно с АЦП ВТ разработаны и широко используются прецизионные датчики положения: (12-20) разрядные.

Пример серийно выпускаемого ВТ 100.

Резольверы широко используют в качестве ДПП в системах управления оборудованием, роботами и манипуляторами.

Редуктосины

Его принцип действия напоминает многополюсный резольвер. Однако при этом редуктосин обычно выполняют бескорпусным (так называемая встраиваемая конструкция), что позволяет строить мехатронные модули, объединяющие двигатель, датчик и систему управления двигателем. Такие схемы применяют в бесконтактных моментных приводах, где редуктосин служит для контроля положения ротора дви­гателя. С этой целью его устанавливаюг непосредственно на валу ротора без применения повышающих редукторов.

Индукционный редуктосин представляет собой бесконтактный синус-косинусный поворотный трансформатор. Первичная и две вторичные обмотки размещены на статоре. Ротор выполнен в виде зубчатого кольца из электротехнической стали.

Редуктосины не имеют скользящих контактов, что повышает надежность и точность их работы. При питании первичной обмотки синусоидальным напряжением со вторичных обмоток снимают два напряжения, амплитуды которых изменяются в функции угла поворота ротора. Повороту ротора на угол, равный зубцовому делению, соответствует полный период изменения амплитуды выходного напряжения (зубцовым делением ротора называется расстояние между зубцами ротора).

К достоинствам редуктосинов можно отнести их высокую точность на большом диапазоне измерений, отсутствие щеточного узла и сравнительно малые габаритные размеры. Они имеют те же недостатки, что и все ЭДП.

Отметим, что резольверы и редуктосины являются поворотными ЭДП, т. е. на их основе можно строить только измерители угла.

Индуктосины

Индуктосином называют бесконтактную информационную машину без магнитопровода с печатными первичной и вторичной обмотками, возбуждаемую однофазным напряжением. Выходное напряжение индуктосина является функцией углового положения ротора.

Конструктивно индуктосин представляет собой два диска (ротор и статор) из изоляционного материала (керамика, стекло). Один из дисков соединяется с валом, угловое положение которого подлежит изменению, второй неподвижен. На торцевых поверхностях, обращенных друг к другу, диски несут печатные обмотки.

Индуктосин

Индуктосины были разработаны для использования в специальных устрой­ствах автоматики, однако получили широкое применение, и в настоящее время являются самыми перспективными прецизионными ЭДП. Более 30 % станков с ЧПУ оснащены индуктосинами. Главное достоинство индуктосинов — возможность тиражирования магнитопроводов при использовании одного комплекта фотошаблонов. Обмотки индуктосина выполнены на соосных изоляционных (обычно керамических) пластинах путем высокоточ­ного химического травления. Такая технология обеспечивает одинаковые реактивные сопротивления в цепях.

Сельсины

Сельсин - это информационная электрическая машина переменного тока, вырабатывающая напряжения, амплитуды и фазы которых определяются угловым положением ротора.

Сельсины позволяют осуществить согласованное вращение или поворот механизмов без общего механического вала.

Рис. 3. Сельсин

Известны два режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный. При работе сельсинов в индикаторном режиме происходит передача на расстояние угла поворотамеханической системы.

При работе сельсинов в трансформаторном режиме передается сигнал, воздействующий на исполнительный механизм таким образом, чтобы заставить его отработать заданный поворот.

Рис. Схемы включения сельсинов: а - по системе датчик - приемник; б - сельсин-приемник в трансформаторном режиме; в - дифференциального