Введение к работе
Актуальность работы. В современных цифровых системах автоматического управления решение задачи высокоточного преобразования угловых механических перемещений в цифровой двоичный код на уровне десятков и единиц угловых секунд преимущественно осуществляется с помощью двухканальных цифровых преобразователей угла (ЦПУ) типа "угол-параметр-код", в которых первичное преобразование угла в функциональный электрический сигнал осуществляют двухотсчетные индукционные преобразователи угла (ИПУ).
Одним из основных источников угловой погрешности ЦПУ является погрешность ИПУ, уровень которой в настоящее время не должен превышать ±(1,5*3) угл.с, а в отдельных случаях и точнее. Поэтому актуальной является задача повышения точности ИПУ.
В ЦПУ указанных систем и устройств нашли широкое применение, в качестве датчиков точного отсчета, цилиндрические ИПУ с сосредоточенными обмотками, отличающиеся высокой точностью, стабильностью работы при эксплуатации и удобством механического монтажа. Эти ИПУ получили наименование "Датчики синхронной передачи угла" (ДСПУ) и выпускаются серийно с угловой погрешностью на уровне ±(6*12) угл. с. Однако повышение точности указанных ИПУ до уровня единиц угловых секунд невозможно без соответствующего уровня метрологического и технологического обеспечения (МО и ТО) их разработок и производства, в частности без специальных угломерно-задающих устройств (УЗУ), обеспечивающих высокоточное изготовление магннтопроводов и контроль угловой погрешности ИПУ. Проработка путей решения возникшей проблемы показала возможность создания универсальных, с точки зрения комплексного обеспечения исследований, разработок и производства высокоточных ИПУ типа ДСПУ, УЗУ с погрешностью на уровне десятых долей угловой секунды при условии создания дискретных преобразователей угла (ДПУ) типа "призма" с повышенным числом, не менее 200 - 500, равномерных отсчетов на целом обороте. Одновременно, тенденции расширения круга решаемых задач в приборостроении, предполагают создание приводов повышенной плавности вращения на основе следящих систем стабилизации, что также реализуемо на базе указанных
ДПУ типа "призма" с числом равномерных отсчетов 400-500 и статической погрешностью их расположения на уровне ±0,5 угл.с. в области частот питающего напряжения и выходного сигнала до 100 кГц.
В связи с выше изложенным, появилась необходимость настоящей работы, направленной на исследования и создание новых конструкций прецизионных ДПУ и разработку на их основе методов исследований и комплекса автоматизированных средств ТО и МО производства высокоточных преобразователей угла с сосредоточенными обмотками.
Прн непосредственном участии автора, было выдвинуто предложение о создании индукционных ДПУ типа электромеханическая призма (ПЭ), способных обеспечить выполнение указанных требований.
Актуальность настоящей работы, поставленных целей и задач также подтверждается тем, что работа является частью комплексных исследований и разработок, выполнявшихся в ЦНИИ "Электроприбор" по темам "Прогресс", "Корвет-2", "Переколка", "Рнверс" и "Алеут".
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование прецизионного индукционного дискретного преобразователя угла с повышенным числом равномерных отсчетов и точностью на уровне ±(0,3+1) угл.с, а также выработка рекомендаций по его использованию в производстве высокоточных ИПУ. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
выработка и анализ требований к датчикам угловых положений высокоточных УЗУ технологического и метрологического назначения, предложение и обоснование принципиального конструктивно-технологического построения прецизионного индукционного ДПУ;
разработка методик расчетов, выработка рекомендаций по проектированию конструкции и установлению рациональных геометрических параметров прецизионного индукционного ДПУ с повышенными числом равномерных отсчетов и крутизной выходного сигнала;
исследование влияния технологических факторов на точностные параметры индукционного ДПУ и выработка рекомендаций по способу его производства и пооперационному контролю;
выработка рекомендаций по использованию индукционных ДПУ в производстве высокоточных ИПУ с сосредоточенными обмотками;
проведение экспериментальных исследований разработанных
прецизионных индукционных ДПУ типа ПЭ и автоматизированных средств производства на их основе; выполнение экспериментальной проверки полученных в работе выводов, предложений и рекомендаций.
Методы исследований. В работе использованы расчетно-аналитн-ческне методы с экспериментальной проверкой результатов; численные методы расчета магнитных полей в области воздушного зазора электрических машин; основные положения теории вероятности, математической статистики и планирования экспериментов, теории рядов и интегрального исчисления. Численные расчеты выполнялись на ПЭВМ.
Научная новизна работы:
- показана возможность построения индукционных ДПУ типа приз
ма электромеханическая с повышенным числом равномерных отсчетов и
погрешностью на уровне десятых долен угловой секунды;
предложена методика расчета выходного сигнала н его крутизны в функции геометрических параметров индукционного ДПУ н получены математические выражения и соотношения для расчета и оптимизации геометрии зубцовой зоны во взаимосвязи с числом равномерных отсчетов, габаритными размерами и крутизной выходного сигнала;
определены взаимосвязи н получены аналитические выражения для расчета асимметрии равномерных отсчетов индукционного ДПУ в функции технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны, формирования обмоток и неравномерности воздушного зазора;
предложены метод контроля угловой погрешности НПУ в угловом интервале нескольких периодов функции его выходного сигнала н аналитические выражения для расчета методической ошибки п определения условий равномерности точек контроля при использовании ДПУ;
предложены принципы и структурные схемы построения высокоточных УЗУ электромеханического типа на основе индукционных ДПУ.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- предложены принципы построения индукционного ДПУ, соотно
шения и рекомендации для расчета геометрии зубцовой зоны и опреде
ления рациональных геометрических параметров, величин их отклонений
с учетом совокупности конструктивно-технологических н электромаг
нитных ограничений, позволяющие проектировать и изготавливать ин
дукционные ДПУ типа ПЭ с повышенным числом равномерных отсчетов
и погрешностью на уровне долей угловой секунды;
- получены аналитические выражения для расчета асимметрии равномерных отсчетов индукционного ДПУ в функции технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны, формирования обмоток и неравномерности воздушного зазора, и, на нх основе, выработаны рекомендации по способу производства и пооперационному контролю;
- предложены методика и средства проведения электромагнитного контроля зубцовой зоны магннтопроводов индукционного ДПУ;
- предложен метод высокоточного контроля угловой погрешности ЦПУ в угловом интервале нескольких периодов функции его выходного сигнала при использовании индукционных ДПУ;
- разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены ряд индукционных ДПУ типа ПЭ с числом равномерных отсчетов 360, 496 и 512 и погрешностью не более ±(0,3+0,8) угл.с. и УЗУ электромеханического типа, выполненных на индукционных ДПУ типа ПЭ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы н внедрены в ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор" и на заводе "Азимут-Электроприбор" при разработке и изготовлении: ряда модификаций индукционных ДНУ типа ПЭ: ПЭ-360М, ИЭ-496, ИЭ-512 и другие; УЗУ для изготовления и контроля ИПУ: ЭМДГ-2, стендов НСИсп - ИПУ-ДВ и НСИ - ІШУ; ППУ с сосредоточенными обмотками типа ИПУ-ДВ, ДП-180, НПУ-ДУЦ, ППУ-Д, 2ВТ-5, УС-21, УС-22. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретический анализ возможностей построения цилиндрических нндукционных ДПУ с относительно малыми геометрическими размерами, обладающих повышенным числом равномерных отсчетов и погрешностью нх расположения на уровне десятых долей угловой секунды.
-
Методика расчета выходного сигнала н его крутизны, математические выражения и соотношения для расчета и оптимизации при проектировании геометрии зубцовой зоны индукционных ДПУ с повышенным числом равномерных отсчетов.
-
Аналитические выражения, описывающие взаимосвязи технологических погрешностей изготовления с асимметрией равномерных отсчетов индукционных ДПУ и рекомендации по установлению рациональных геометрических соотношений и величин их отклонений.
-
Методика и средства проведення электромагнитного пооперационного контроля зубцовой зоны магнитопроводов индукционных ДПУ.
-
Рекомендации по использованию индукционных ДПУ в производстве высокоточных ИПУ с сосредоточенными обмотками: принципы и структурные схемы построения высокоточных УЗУ электромеханического типа; метод высокоточного контроля угловой погрешности ИПУ и аналитические выражения для расчета методической ошибки и определения условий равномерности точек контроля.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: 31-ой НТК Л ПАП (Ленинград, 1981 г.); на 14-ой Межотраслевой НТК, посвященной памяти Н.Н.Острякова (Ленинград, 1985 г.); на Научном совещании по проблемам движения и навигации АН СССР "Школа-85" (Ленинград, 1985 г.); на 8-ой Всесоюзной НТК "Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности" (Тбилиси, 1987 г.); на 1-ом Всесоюзном совещании-семинаре "Датчики и преобразователи информационно-управляющих систем" (Москва, 1987 г.).
Публикации. По теме и материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы, из них 11 авторских свидетельств на изобретения.
Личный вклад автора. Все основные результаты, выносимые на защиту получены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Она содержит 140 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 12 таблиц и 18 страниц приложений. Список литературы содержит 164 наименования.