Глава 3 (Учебник - информационные системы), страница 3

Индуктивные ЭДП, как правило, содержат встроенный сердечник, однако известны схемы, в которых регистрируется изменение поля внешнего магнита. Нередко применяются магниторезистивные ЧЭ и ЧЭ на основе эффекта Холла. Так, например, ЭДП со встро­енными магнитами, работающий по принципу прерывания магнитного зазора между магнитом и ЧЭ, используется в качестве дискретного измерителя угла. Похожие датчики установлены в системах электронного зажигания автомобилей ВАЗ 2108 … 2110 (2AV54).

Во всех схемах ЭДП ЧЭ воспринимают изменение магнитного поля, поэтому они являются также из­ме­рителями индукции. (Промышленно выпускаются магнетометры с диапазонами измерения ± 2 … ± 2500 Гс).

Технические характеристики промышленных индуктивных ЭДП приведены в табл. 3.4. Обозначено: f_раб - частота внешнего магнитного поля.

Таблица 3.4. Примеры промышленных индуктивных ЭДП

Примечания:

1. Датчики разработаны фирмой Honeywell, США,

2. Модель НМС 1501 содержит мостовую схему в виде 4-х плечного магниторезистивного ЧЭ.

Наиболее точные ЭДП строятся на базе индукционного подхода, в соответствии с которым магнитный контур образуют несколько катушек - первичных и вторичных, причем во вторичных индуцируется ЭДС индукции, величина которой про­порцио­нальна относительному положению кату­шек. Поэтому, индукционные ЭДП относятся к классу электрических машин и разделяются на шесть основных групп:

• дифференциальные трансформаторы,

• индукционные потенциометры и микро­сины,

• сельсины;

• резольверы (Р, называемые также вра­щаю­щимися транс­фор­маторами - ВТ);

• индуктосины (И);

• редусины (РД).

Сравнительные характеристики индукционных ЭДП приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Сравнительные характеристики некоторых индукционных ЭДП

В робототехнике и мехатронных системах чаще используются резольверы, индуктосины и редусины, главным образом, благодаря большей точности при полном диапазоне измерения (± 360⁰) и сравнительно небольших размерах. В дальнейшем ограничимся рассмотрением именно этих типов индукционных ЭДП.

В электрической машине выделяют две группы обмоток - первичные (активные) и вторичные (пассивные). Активные обмотки, называемые также обмотками возбуждения, подключаются к сети переменного тока. Наличие тока в обмотке электрической машины вы­зывает, в общем случае, следующие элек­тромагнитные эффекты:

• ЭДС самоиндукции в «активной» обмотке (за­кон Фарадея):

E₁ = - (dФ₁/dt) = - L (dI₁/dt)

• ЭДС индукции в «пассивных» обмотках:

E₂ = - (dФ₂₁/dt) = - M₂₁ (dI₁/dt).

Коэффициент взаимной индуктивности M₂₁, например, для трансформатора равен:

M₂₁ = N₁ N₂/ R_m, где ,

здесь N₁, N₂ - количество витков первичной и вторичной обмоток, R_m, l и $ - как и прежде магнитное сопротивление сердечника, длина и сечение проводника.

• Магнитодвижущую (намагничивающую) си­лу:

F = I N = Ф R_m,

Данное выражение получило название закона Ома для замкнутой магнитной цепи или формулы Гопкинсона. (Роль магнитного потока в магнитной цепи аналогична роли тока в электрической цепи).

• Магнитный момент p_m = I $ в замкнутом контуре или системе контуров (на­пример, соленоиде). Его направление совпадает с направлением магнитного поля.

Функционирование всех современных индукционных ЭДП основано на общих принципах. Поэтому, без потери общности, при анализе основных процессов, происходящих в электрической машине, ограничимся базовой структурой ЭДП этого типа - резольвером.

3.1.2.1. Резольверы

Резольвер - это четырехобмоточная двух- и более полюсная электрическая машина, использующая индукционное взаимодействие роторных и статорных обмоток. (Р применяются в качестве угловых ЭДП, а также в качестве решающих устройств в аналоговых системах автоматики).

В зависимости от формы выходного сигнала выделяют три ос­нов­ных типа Р: синусно-косинус­ный; линейный и Р-построитель. Для получения Р различных типов можно использовать одну и ту же машину с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включения.

Конструктивно Р выполнен подобно асинхронному двигателю с фазным ротором, который, также как и статор, представляет собой многополюсный сердечник из листов электротехнической стали (или пермаллоя). В пазах ротора и статора (или между зубьями магнитопровода) размещены по две распределенные обмотки, сдви­нутые на 90⁰ друг относительно друга. В общем случае, пазов может быть боль­­­ше, чем полюсов. Концы обмоток выводятся на клеммник, причем статорных - непосредственно, а роторных - посредством 4-х токосъемных колец ротора и щеток. На рис. 3.12а представлена обмотка синусной фазы с осью S, а также магнитопровод с 2 парами полюсов и тремя пазами (рис. 3.12б). Эта схема адекватна конструкции с, например, 32 парами полюсов и 48 пазами.

Выпускаются также бесконтактные Р с подключением роторных обмоток посредством плоских пружин, с углом поворота до 700⁰ и Р со вспомогательными переходными трансфор­мато­рами.

Схема Р показана на рис. 3.13. Обмотки С1С2 и С3С4 называются главной и квадратурной обмотками статора, а Р1Р2 и Р3Р4 - синусной и косинусной обмотками ротора.

При подключении обмотки возбуждения (главной обмотки Р) к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Ф_пр пу­льсирующий с частотой сети. Этот поток в обмотках ротора индуцирует две ЭДС E_с0 и E_к0, частота которых равна частоте сети, а действующие значения зависят от положения ротора относительно статора.

Каждая замкнутая обмотка Р эквивалентна магниту, представляемому в виде пары полюсов S-N.

В многополюсных машинах с p парами полюсов за один полный поворот ротора изменение магнитного поля (период изменения выходного сигнала) соответствует пространственному углу q^* = 360p⁰. Этот прин­цип, получивший название «электри­ческой редукции» позволяет существенно повысить точность Р, и в настоящее время является общепринятым. В соответствии с этим принципом, фаза U_вых меняется в р раз чаще, чем фаза угла поворота ротора. «Электри­чес­кие» гра­дусы q_эл, U_вых связаны с «ге­­омет­ри­ческими» градусами q_геом угла поворота соотношением q_эл = p q_геом (рис. 3.14).

В Р число пазов (или зубцов) полюса, а также распределение обмоток в пазах (т.е. распределение магнитного потока на полюсе) определяют, насколько точно выходной сигнал соответствует функции синуса угла. Так, если в двухполюсном Р число пазов (зубцов) статора z_с = 20, а число пазов (зубцов) ротора z_р = 12, то в выходном сигнале будут значительно ослаблены 3 и 5-ая гармоники. С той же целью в многополюсном Р имеющем p пар полюсов должны быть выполнены на роторе z_р = 12 p зубцов, а на статоре z_с = 20 p зубцов.

Важным достоинством Р является высокий уровень выходного сигнала, достигающий 100% величины напряжения возбуждения.

В зависимости от характеристик обмоток и способа их соединения различают синусно-косинусную (СКР) и линейную (ЛР) схемы включения Р.

Сначала рассмотрим схемы СКР (рис. 3.15а). Для него формат выходных напряжений U_с и U_к записывается выражениями:

U_с = k_с U_в sin (wt + a₁) sin q,

U_к = k_к U_в sin (wt +a₂) cos q.