Датчики угла поворота на основе СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы)

Министерство Образования РФ

Санкт-Петербургский

государственный электротехнический Университет “ЛЭТИ”

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«датчики угла поворота на основе СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы)»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель: Тупик В. А.

Студент: Громов А. А.

Группа: 0193

 

Санкт-Петербург

2014

 

Актуальность.

Датчик угла поворота — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Датчики угла поворота имеют множество применений. Они широко применяются в промышленности (в частности в сервоприводах), в роботостроении, в автомобилестроении (возьмем хотя бы определение угла поворота рулевого колеса), в компьютерной технике, например, для определения угла поворота колеса компьютерной мыши. Область их применений поистине широка, они используются как в гражданской, так и в военной промышленности. Самолеты, корабли, автомобили, да практически любая сложная техника требует их наличия для успешной работы. Также датчики угла поворота называют энкодерами.

Обзор проблемы.

Данные сенсоры позволяют решать целый спектр проблем управления, что видно из их актуальности. Достаточно сказать, что без датчика угла поворота рулевого колеса управлять автомобилем было бы попросту невозможно. Естественно, что столь широкая область применения требует различных качеств от различных датчиков. Кому-то важна низкая стоимость, другим надежность, третьим точность. СКВТ, изобретенные еще в 1930-х годах, до сих пор остаются актуальными и успешно применяются в качестве датчиков угла поворота. Свою известность СКВТ обрели благодаря относительно простой конструкции, надежной работе в самых тяжелых условиях эксплуатации и очень высокой точности измерения (в двухотсчетном варианте) угла поворота вала в следящих системах сервисных прецизионных приводов. Современные датчики угла поворота, использующие альтернативные физические принципы (фотоэлектрический, магниторезистивный, эффект Холла, вибро-, гироскопический и др.), привлекательны, но, к сожалению, не могут конкурировать с СКВТ ни по диапазонам, ни по совокупности параметров условий эксплуатации. Поэтому именно СКВТ сегодня наиболее востребованы в специальной и военной аппаратуре: до сих пор им нет равных по указанным параметрам. Главные проблемы СКВТ, всегда сдерживавшие их широкое практическое применение, заключаются в необходимости разработки сложных схемотехнических приемов подсоединения и способов выделения результатов измерений.

 

Наиболее успешное применение эти датчики, недавно отметившие свое восьмидесятилетие, находят в космической, авиационной и военной промышленности. В этих сферах очень нужна точность и, что более важно, надежность. Космос – недружелюбное место, а уж поле боя – тем более, и энкодеры на основе СКВТ до сих пор держат пальму первенства в столь тяжких условиях эксплуатации.

Физико-химические основы преобразования информации с помощью сенсора и его конструкция.

Начиная рассматривать основы преобразования информации датчика угла поворота на основе СКВТ и его конструкцию, нельзя не упомянуть принцип работы вращающихся трансформаторов (ВТ). 
Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ) предназначены для получения напряжения, находящегося в определенной функциональной зависимости от угла поворота ротора. По конструкции вращающийся трансформатор схож с асинхронной машиной, выполненной с фазным ротором. Он состоит из:

1. корпуса
2. шихтованного сердечника статора
3. обмотки шихтованного сердечника статора
4. шихтованного сердечника ротора
5. обмотки шихтованного сердечника ротора
6. контактных колец
7. щеток

1.Устройство вращающегося трансформатора

На статоре ВТ обычно располагают две распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град. Обмотки статора могут быть разделенными или соединенными по мостиковой схеме. Одна из обмоток статора называется обмоткой возбуждения и подключается к сети переменного тока; другая называется компенсационной, и ее схема включения зависит от назначения ВТ. В пазах ротора расположены также две взаимно перпендикулярные обмотки, называемые вторичными. Схема соединения их зависит от назначения ВТ.

Выводы обмоток, расположенных на статоре, обозначают С1, С2, СЗ и С4, в отличие от обмоток, расположенных на роторе, выводы которых обозначают P1, Р2, РЗ и Р4. Ротор ВТ может поворачиваться относительно статора на некоторый угол или вращаться. Электрический контакт с обмотками ротора осуществляется либо посредством контактных колец и щеток (см. рис. 1), либо посредством спиральных пружин, если ВТ работает в режиме ограниченного поворота. В последнем случае угол поворота ротора ограничивается максимальным углом закручивания спиральных пружин.

Принцип работы ВТ основан на том, что при повороте его ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора изменяется в определенной функциональной зависимости от угла поворота. При этом э. д. с., наводимые в обмотках ротора пульсирующим магнитным потоком, строго следуют этой зависимости.

  Поворот ротора ВТ осуществляется посредством редукторного механизма высокой точности, который либо встраивается в корпус машины, либо изготавливается отдельно, а затем соединяется с валом ВТ. Если ВТ предназначен для работы в режиме поворота ротора в пределах определенного угла, то обмотки возбуждения и компенсационную располагают на статоре, а вторичные — на роторе. В случае работы ВТ в режиме непрерывного вращения ротора обычно применяют «обратное» расположение обмоток: обмотки возбуждения и компенсационную располагают на роторе, а вторичные— на статоре. Если компенсационная обмотка замыкается накоротко, то при обратном расположении обмоток на роторе будет лишь два контактных кольца, что имеет большое значение при больших частотах вращения ротора. В зависимости от характера изменения э. д. с. Е2 выходной обмотки при повороте ротора ВТ разделяются на следующие типы:

1. синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), на выходе которого имеется два напряжения: U2— находящееся в синусной зависимости от угла поворота ротора α; U3—находящееся в косинусной зависимости от угла α;

 

2. линейный вращающийся трансформатор (ЛВТ), у которого выходное напряжение U2 находится в линейной зависимости от угла α;

 

3. вращающийся трансформатор-построитель (ПВТ), предназначенный для решения геометрических задач.

 

Выпускаемые отечественной промышленностью ВТ предназначены для работы от сети с

Рассмотрим синусно-косинусный вращающийся трансформатор, который и есть суть наш датчик. Он может работать в нескольких режимах.

СКВТ в синусном режиме. В этом режиме СКВТ используется лишь одна (синусная) обмотка ротора ω2 (рис. 2, а). При включении в сеть обмотки возбуждения ω1 в ней появляется ток I1, который наводит магнитный поток Ф1.

 

Рисунок 2

Сцепляясь со вторичной обмоткой, этот поток индуктирует в ней э. д. с. 
E2, величина которой зависит от положения вторичной обмотки относительно обмотки возбуждения, т. е. от угла поворота ротора α. При холостом ходе на выходе ВТ появляется напряжение

 Ů2 = Ů2наиб sin α, (1)

где Ů2наиб — наибольшее значение напряжения, соответствующее α =90°. При подключении нагрузки Zн к зажимам вторичной обмотки Р1 — Р2 в ее цепи появляется ток I2. Созданный этим током магнитный поток Ф2 можно разложить на две составляющие: составляющую Ф2d =Ф2 sin α, направленную по продольной оси ВТ встречно магнитному потоку возбуждения, и составляющую Ф2 sin α, направленную по поперечной оси ВТ, т. е. перпендикулярно обмотке возбуждения, и вызывающую искажение магнитного поля ВТ (рис. 2,б). Размагничивающее влияние составляющей Ф2d уравновешивается увеличением тока в обмотке возбуждения.

 

Э. д. с. самоиндукции, наводимая составляющей Ф2q, в обмотке ω2, нарушает синусоидальную зависимость напряжения U2 от угла α и вызывает значительную погрешность вращающегося трансформатора, которая возрастает с увеличением нагрузки (тока I2). Устранение искажающего действия э. д. с. самоиндукции обычно осуществляется так называемым симметрированием трансформатора. Симметрирование может быть первичным и вторичным. В синусном режиме СКВТ, когда включена только одна вторичная обмотка, применяется первичное симметрирование, основанное на использовании компенсационной обмотки ωк. Если внутреннее сопротивление источника Z1 и соединительных проводов Zл мало (Z1≈Zл), то обмотка ωк замыкается накоротко. Если же Z1 достаточно велико, что имеет место при питании ВТ от источника небольшой мощности, то обмотка замыкается на резистор сопротивлением Zк.н= Z1+Zл 
Магнитный поток Ф2q, сцепляясь с компенсационной обмоткой, наводит в ней э. д. с. Eк. Так как обмотка замкнута накоротко, то в ней появляется ток Iк, который создает в магнитной цепи машины магнитный поток компенсационной обмотки Фк. Этот поток в соответствии с правилом Ленца, направлен против потока Ф2q (поток Ф2q является причиной возникновения Ек и потока Фк). В результате поток Ф2q окажется в значительной степени скомпенсированным потоком Фк, и погрешность ВТ, вызванная нагрузкой, значительно уменьшится.

Рис. 3 Синусно-косинусный вращающийся трансформатор

СКВТ в синусно-косинусном режиме. В этом режиме в схему СКВТ включают обе обмотки ротора — ω2 и ω3, смещенные в пространстве относительно друг друга на 90° (рис. 3, а). Зависимость напряжения обмотки от угла поворота ротора α определяется выражением (1), а напряжение на выходе обмотки ω3

U3 = U3наиб sin(90°+α) = U3наиб  cos α (2) 
 
Из выражения (2) видно, что напряжение U3 при повороте ротора на угол α изменяется пропорционально косинусу этого угла. Таким образом, на выходе СКВТ получается два напряжения — U2 и U3: первое изменяется пропорционально sin α, а второе—пропорционально cos α (рис. 3, б).

 

Обмотки ω2 и ω3 обычно имеют одинаковые параметры, а поэтому наибольшие значения напряжений U2наиб и U3наиб также одинаковы:

U2наиб = U3наиб = (ω2/ ω1)U1,

где U1 — напряжение на входе ВТ, т. е. на зажимах обмотки возбуждения ω1.

Таким образом, выражения напряжений на выходе СКВТ (см. (1) и (2)) могут быть записаны иначе:

U2 = U1 (ω2/ ω1) sin α (3) 
U3 = U1 (ω3/ ω1) cos α (4)

Рассмотрим работу СКВТ в случае неравенства нагрузок:

Z’н ≠ Z”н

где Z’н — сопротивление нагрузки в цепи синусной обмотки; Z”н — сопротивление нагрузки в цепи косинусной обмотки. 
При включении этих нагрузок в цепях обмоток ротора появятся токи İ2 и İ3, которые создадут в магнитной цепи ВТ магнитные потоки Ф2 и Ф3 (рис. 3(в)). Поперечные составляющие этих потоков Ф2q=Ф2 cos α и Ф3q=Ф3 sin α направлены навстречу друг другу и частично взаимно компенсируются. Полная взаимная компенсация поперечных потоков происходит при равенстве м. д. с. синусной и косинусной обмоток по поперечной оси:

i2 ω2 k2 cos α = i3 ω3 k3 sin α (5)

где k2 и k3 — обмоточные коэффициенты обмоток ротора. Токи в обмотках ротора при полной компенсации:

                                                                   (6)

                                                     (7)

 

где Z2 и Z3 полные сопротивления синусной и косинусной обмоток трансформатора. 
Подставив выражения токов из (6) и (7) в равенство (5) получим

             

(8)

Синусная и косинусная обмотки делаются одинаковыми, поэтому ω2 = ω3 и Z2 = Z3. Тогда равенство (8) видоизменяется:  
Z2 + Z’н = Z3 + Z”н или Z’н = Z”н

Таким образом, полная взаимная компенсация поперечных составляющих потоков обмоток ротора происходит при равенстве нагрузочных сопротивлений в синусной и косинусной цепях вращающегося трансформатора. Такая компенсация поперечных составляющих потоков реакции вторичных обмоток называется вторичным симметрированием. Если же нагрузочные сопротивления Z’н и Z”н не равны, то вторичное симметрирование получается неполным, так как поперечные составляющие Ф2q и Ф3q взаимно компенсируются лишь частично и в магнитной цепи ВТ появляется магнитный поток, направленный по поперечной оси:

Фq = Ф2q + Ф3q

Этот поток наводит в роторных обмотках э. д. с. самоиндукции, что ведет к искажению заданных функциональных зависимостей выходных напряжений. Магнитный поток Фq при Z’н ≠ Z”н может быть скомпенсирован за счет первичного симметрирования, т. е. за счет потока Фк, создаваемого током Iк короткозамкнутой компенсационной обмотки. 
При полном вторичном симметрировании ВТ входное сопротивление ZBX не зависит от положения ротора (угла α). Поэтому ток и мощность, потребляемые ВТ, также не зависят от угла α. На этом основан метод подбора нагрузочных сопротивлений синусной Z’н и косинусной Z”н обмоток для осуществления полного вторичного симметрирования, называемый методом амперметра. (рис.4)

Рис. 4 схема настройки симметрирования СКВТ методами амперметра и вольтметра.

Сущность метода состоит в том, что подбираются такие значения Z’н и Z”н, при которых поворот ротора не вызывает изменения показаний амперметра А, включенного в цепь обмотки возбуждения. Более точным методом вторичного симметрирования является метод вольтметра. Так как при полном вторичном симметрировании поперечные составляющие потоков синусной и косинусной обмоток взаимно уравновешиваются, то в компенсационной обмотке э. д. с. не наводится. Следовательно, сопротивления Z’н и Z”н подбираются такими, чтобы показание вольтметра V, включенного в цепь компенсационной обмотки, было нулевым во всех положениях ротора.