Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Тенденции их совершенствования . 12
1.1 Бесконтактные двигатели устройств автоматизированного привода. Области применения и особенности требований, предъявляемых к двигателям. 12
1.2 Основные направления совершенствования характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока. Методы реализации перспективных направлений ., 14
1.3 Обратная связь в системе управления бесконтактным двигателем. Датчики обратной связи. 21
1.4 Желаемые идеализированные механические характеристики БДПТ устройств автоматизированного привода. 24
1.5 Бесконтактные двигатели торцевого исполнения. 27
Выводы. 28
Глава 2. Способы и схемы формирования рабочих характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока . 31
2.1 Формирование механической характеристики двигателя для
режима стабилизации средней за оборот скорости вращения. 31
2.1.1 Принцип формирования механической характеристики . 31
2.1.2 Схема формирования сигнала обратной связи по скорости. 37
2.1.3 Устройство формирования токовых импульсов в якорных обмотках с использованием сигналов обратной связи. 38
2.1.4 Формирование механической характеристики бесконтактного двигателя с помощью обработки импульсных сигналов управления. 40
2.2 Блок управления БДПТ с одновременной стабилизацией мгновенной и средней за оборот скоростей вращения двигателя. 46
2.2.1 Анализ закономерностей формирования ЭДС вращения и электромагнитного момента бесконтактного двигателя при торцевом исполнении его силового блока 46
2.2.2 Бесконтактный двигатель с тактовой стабилизацией мгновенной скорости. 53
2.3 Формирование рабочих характеристик БДПТ для режимов стабилизации электромагнитной мощности и момента. 60
Выводы. 67
Глава 3. Датчики углового положения ротора . 71
3.1 Анализ требований, предъявляемых к датчикам положения ротора. 71
3.2 Принцип построения индуктивного датчика положения ротора . 73
3.3 Взаимодействие ЧЭ индуктивного датчика с ферромагнитным индуктором. 79
3.4 Взаимодействие ЧЭ индуктивного датчика с немагнитным проводящим индуктором. 87
3.5 Индуктивный резонансный датчик положения ротора. 92
3.6 Емкостной датчик положения ротора. 98
3.6.1 Принцип построения емкостного датчика положения. 98
3.6.2 Конструкция и схема построения емкостных датчиков углового положения ротора. 99
3.6.3 Экспериментальные исследования емкостных датчиков. 106
Выводы. 107
Глава 4. Экспериментальные исследования бесконтактного двигателя постоянного тока . 110
4.1 Разработка элементов конструкции и схемы управления бесконтактного двигателя постоянного тока. 110
4.2 Цели и задачи экспериментальных исследований. 112
4.3 Исследование пространственного распределения магнитной индукции в воздушном зазоре БДПТ. 113
4.4 Исследование ЭДС самоиндукции в якорных обмотках БДПТ . 116
4.5 Исследование стационарных рабочих характеристик опытного образца двигателя с отключенной обратной связью. 117
4.6 Исследование временных зависимостей изменения напряжений и токов в якорных обмотках двигателя. 120
4.7 Исследование механических характеристик управляемого бесконтактного двигателя. 128
4.7.1 Бесконтактный двигатель с использованием в цепи обратной связи микропроцессора. 128
4.7.2 Результаты экспериментальных исследований рабочих характеристик управляемого БДПТ." 131
4.8 Исследование выходных характеристик индуктивного датчика углового положения ротора. 133
Выводы. 135
Заключение. 137
Список литературы.
- Основные направления совершенствования характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока. Методы реализации перспективных направлений
- Принцип формирования механической характеристики
- Принцип построения индуктивного датчика положения ротора
- Исследование ЭДС самоиндукции в якорных обмотках БДПТ
Введение к работе
Развитие техники, в особенности в отраслях автоматизированного производства, робототехники и средств обработки и передачи информации существенно расширяет уровень требований, предъявляемых к исполнительным электромеханическим устройствам. В первую очередь это касается областей, связанных с производством роботов и манипуляторов.
К электромеханическому приводу предъявляется требование преобразовать командные сигналы в механическое перемещение, обеспечивая при этом устойчивую работу привода во всем рабочем диапазоне. В некоторых случаях закономерности преобразования командных сигналов в механическое перемещение настолько сложны, что невозможно их реализовать с помощью известных электромеханических устройств. В этом случае используются исполнительные устройства, управляемые с помощью микроконтроллера, или в более сложных случаях с использованием ЭВМ. Все эти задачи потребовали разработки электромеханических устройств, механические и регулировочные характеристики которых могут быть перестроены в процессе эксплуатации в соответствии с условиями, определяемыми законом управления.
Одним из наиболее перспективных устройств электропривода по совокупности технических и эксплуатационных характеристик являются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ). Эти двигатели обеспечивают устойчивую работу привода в режимах с изменяющейся нагрузкой, имеют относительно высокий КПД и могут быть реализованы в малых габаритах, что особенно важно в космической технике, или при создании автономных роботов.
Отсутствие коллекторного узла, являющегося необходимым для обычных двигателей постоянного тока, обеспечивает надежную работу устройства в вакууме, взрывоопасных средах, или средах с повышенной запыленностью. Кроме того, бесконтактные двигатели обеспечивают относительно низкий уровень, создаваемый ими уровень радио и акустических помех. Все эти особенности бесконтактных двигателей определили интерес к этой области проектиро- вания исполнительных устройств электропривода как у нас в стране, так и за границей.
В последнее время получены значительные результаты по снижению себестоимости БДПТ, что расширяет возможности использования подобных двигателей в изделиях массового применения: в автомобилестроении, бытовой технике и ряде других отраслей. Особой конструктивной простотой и технологичностью изготовления отличаются бесконтактные двигатели торцевого исполнения.
Электроприводы на базе бесконтактных двигателей постоянного тока обладают потенциальной возможностью формирования рабочих характеристик без изменения его конструкции. Требуемые характеристики могут формироваться в этом случае за счет использования в схеме управления электроприводом внутренних обратных связей и применением аналоговых датчиков углового положения ротора. Таких возможностей лишены наиболее распространенные в настоящее время асинхронные и коллекторные двигатели постоянного тока, в которых требуемые режимы обеспечиваются при существенном усложнении их конструкции и при использовании ряда дополнительных внешних датчиков.
Расширение сферы применения электроприводов с бесконтактными двигателями создает необходимость проведения дальнейших исследований по изучению особенностей их работы в ряде новых областей, а также совершенствования принципов построения устройств автоматизированного привода в тех областях, где они уже сейчас активно используются. Однако возможности БДПТ в настоящее время изучены недостаточно и практически не реализованы. Остаются открытыми вопросы формирования рабочих характеристик, в первую очередь характеристики, обеспечивающие высокую стабильность мгновенных значений электромагнитного момента. Мало изучены вопросы построения и разработки наиболее технологичного варианта БДПТ по торцевой схеме исполнения его элементов. Исследования, проведенные в диссертационной рабо- те, направлены на решение этих вопросов. Это и определяет актуальность данной работы.
Целью работы является разработка способов и средств формирования рабочих характеристик автоматизированного электропривода на базе БДПТ, обеспечивающих заданные режимы его работы.
Конкретными задачами исследований являются:
1. Разработка способов и путей электронного формирования рабочих характеристик электропривода на базе БДПТ, с использованием в схеме его управления внутренних электронных обратных связей для реализации режи мов: а) Режим стабилизация средней за оборот скорости вращения дви гателя при возможности ее переустановки схемой электронного управления. б) Режим стабилизации мгновенной скорости. в) Режим стабилизации электромагнитного момента и мощности, развиваемой двигателем, в рабочем диапазоне.
Теоретический анализ электромагнитных полей в рабочем зазоре БДПТ торцевого исполнения с учетом обеспечения возможностей формирования закономерностей ЭДС вращения и токовых импульсов в якорных обмотках, обеспечивающих заданные режимы стабилизации.
Исследование и разработка схем электронного управления вышеперечисленными рабочими режимами работы электропривода, с целью формирования требуемых рабочих характеристик. Выработка рекомендаций по расчету и выполнению элементов конструкции силового блока электропривода, обеспечивающего при расчетных управляющих сигналах требуемые режимы его работы .
Исследование возможностей построения малогабаритных аналоговых датчиков положения ротора, построенных на индуктивном и емкостном принципах. Разработка методик расчета выходных параметров датчиков и их конструктивных элементов.
Разработка конструктивных схем построения индуктивных и емкостных датчиков, обеспечивающих измерение угла в диапазоне 0 * 2л-, предназначенных для использования их как в качестве ДПР двигателя, так и для измерения углового рассогласования элементов привода различного назначения в широком диапазоне измерений.
Проектирование, изготовление и экспериментальные исследования макетного образца электропривода с БДПТ торцевого исполнения, выполненного в соответствии с разработанными рекомендациями. Проверка достоверности выводов теоретического анализа.
Результаты решения поставленных задач изложены в 4х главах и приложениях настоящей работы.
В первой главе проведен анализ современного состояния проработанности вопросов, связанных с методиками проектирования и практической разработкой образцов электропривода на базе БДПТ. Рассмотрены используемые методы расчета параметров двигателей и способы формирования их рабочих характеристик. Выявлены недостаточно проработанные к настоящему времени направления проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока, используемых в электроприводе. На основе этого анализа обоснованы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены методы формирования механических и рабочих характеристик БДПТ путем введения в схему управления регулируемой внутренней обратной связи по скорости. Проведен теоретический анализ магнитного поля в рабочем зазоре силового блока двигателя. Получены теоретические зависимости изменения во времени магнитной индукции в зазоре, ЭДС вращения и токов в якорных обмотках двигателей торцевого исполнения. Установлены закономерности подключения якорных обмоток к источнику питания, обеспечивающие минимальную пульсацию электромагнитного момента. Разработаны функциональные зависимости управляющих сигналов обратной связи, обеспечивающих формирование рабочих характеристик для ряда режимов, и предложены схемные решения по их реализации.
В третьей главе рассмотрены методы исследований и схемы построения датчиков положения ротора (ДПР) и обоснована необходимость для двигателей торцевого исполнения разработки углового датчика параметрического типа. Проанализированы электромагнитные поля в пространстве между индуктором и чувствительным элементом датчика торцевого исполнения и выработаны рекомендации по выбору их конструктивных размеров, обеспечивающих высокую чувствительность и линейность выходных характеристик. Рассмотрены закономерности формирования сигнала при взаимодействии плоской катушки индуктивности с ферромагнитным и диамагнитным проводящим индуктором. Предложена конструкция датчика и схема обработки первичного сигнала, обеспечивающая синусоидальную зависимость выходного сигнала в функции углового рассогласования между осями ротора и статора двигателя. Разработан макетный образца емкостного датчика и приведены результаты его испытаний.
В четвертой главе дано описание изготовленного макетного образца электропривода с индуктивным датчиком углового положения ротора. Приведены экспериментальные рабочие характеристики макетного образца. Представлены результаты экспериментальной проверки выводов и рекомендаций теоретических исследований. Приведены результаты исследований электропривода, в схему управления которого введена обратная связь по скорости. Исследованы режимы стабилизации средней за оборот скорости макетного образца.
В приложениях изложена методика схемного и конструктивного проектирования БДПТ торцевого исполнения, приведены расчеты параметров макетного образца двигателя. Приведен алгоритм работы микропроцессора, используемого в цепи обратной связи схемы управления электроприводом на базе макетного образца БДПТ. Приведены таблицы графики, построенные по экспериментальным данным.
Научная новизна работы заключается в следующем.
I. Обоснована возможность управления рабочими характеристиками электрического привода с БДПТ на основе использования информации о сред- ней за оборот скорости вращения двигателя и текущего взаимного положения его ротора и статора.
Предложен способ и устройство формирования механической характеристики электропривода с БДПТ, основанные на использовании внутренней обратной связи и обеспечивающие стабилизацию средней за оборот скорости вращения двигателя, а также одновременную стабилизацию как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя. Разработана методика схемотехнического проектирования двигателя с управляемыми рабочими ха-р актеристиками.
Установлена возможность существенного уменьшения неравномерности электромагнитного момента, развиваемого двигателем электропривода при изменении углового положения ротора двигателя, за счет взаимной компенсации изменений ЭДС вращения и токов в якорных обмотках.
Установлена возможность стабилизации мощности и электромагнитного момента исполнительного устройства электропривода при изменении скорости вращения в заданном диапазоне. Стабилизация осуществляется с помощью регулируемых обратных связей, используемых в схеме управления электроприводом и изменяющихся по рассчитанным теоретически закономерностям в функции текущего значения скорости вращения двигателя.
Предложен способ и схема построения датчика угла параметрического типа с широким диапазоном измерения, основанных на использовании эффектов изменения индуктивности плоской неподвижной катушки при ее взаимодействии с системой подвижных индукторов, выполненных из различных по магнитным свойствам материалов (ферромагнетика и диамагнетика с высокой электропроводностью). Дано теоретическое обоснование электромагнитных процессов в датчике.
Достоверность результатов исследований подтверждена практической реализацией вариантов электропривода с БДПТ, датчиков положения и блоков автоматического управления электродвигателем, спроектированных в соответ- ствии с выводами теоретических исследований. Результаты практической проверки подтвердили основные результаты теоретических исследований.
Практическая ценность работы заключается в разработке действующих образцов электропривода на базе бесконтактных двигателей постоянного тока торцевого исполнения с электронным формированием механических характеристик, в разработке действующих образцов технологичных в исполнении датчиков угла индуктивного и емкостного типа с широким диапазоном измерений.
Датчики угловых перемещений могут быть использованы не только в составе БДПТ, но и качестве первичных измерительных угловых преобразователей в системах широкого назначения. Методики расчета, разработанные при проведении исследований, могут быть использованы в конструкторских разработках.
Основные результаты исследований доложены на шести международных научно-технических конференциях, разработанные технические предложения защищены двумя патентами на изобретения.
Основные направления совершенствования характеристик бесконтактных двигателей постоянного тока. Методы реализации перспективных направлений
Разработка бесконтактных двигателей постоянного тока на начальном этапе ее становления ставила задачу исключения малонадежного коллекторно-щеточного узла. По мере развития средств электроники и, в особенности, интегральной технологии эти задачи стали существенно расширяться. Одновременно повысились требования по снижению себестоимости систем автоматизированного привода.
В результате проведенных разработок в некоторых случаях бесконтактные двигатели становятся более дешевыми, чем двигатели стандартного исполнения, что существенно расширяет области их применения. Использование блока управления позволяет с помощью бесконтактных двигателей обеспечить такие режимы их работы, которые невозможно было реализовать в предшествующих решениях. Именно поэтому в СССР, а затем в России, вопросам разработки БДПТ уделяется особое внимание. Большой вклад в развитие этой области внесли теоретические и экспериментальные исследования русских ученых и инженеров И.А. Вевюрко, А.А. Дубенского, Н.И. Лебедева, И.Е. Овчинникова, В.Н. Шалыгина, В.К. Лозенко, В. Д. Косулина, Г.Е. Михайлова, М.Г. Чиликина, А.ЬС. Аракеляна и многих других. Это позволило разработать и внедрить в массовое производство серии бесконтактных двигателей, используемых как в робототехнике, так и других отраслях, такие как ДБМ, ДВУ, ДБ, ВДПМ, ДСДА и другие.
В ЦНИИРТК (г. Санкт-Петербург) проводится разработка электромеханических модулей для промышленных роботов. В то же время следует отметить, что в настоящее время отечественная промышленность не освоила в массовом производстве двигатели, которые бы обеспечивали все расширяющиеся требования к электромеханическому приводу как для робототехнических систем или вычислительной техники, так и для устройств специального назначения, например, используемых в космической технике. Как правило, в публика циях приводится информация о конкретных исследованиях и разработках в области расчета и проектирования бесконтактных двигателей, и в недостаточной степени освещаются общие принципы проектирования этих двигателей. В известных работах обнаруживается противоречивость рекомендаций по оптимальному выбору направлений проектирования двигателей и их зависимости от требований, предъявляемым к конкретным образцам [2, 6, 14, 18, 29, 41, 69, 81].
Хотя в настоящее время достаточно полно проработаны вопросы проектирования машинной части БД [16, 25, 51, 69, 75], методика проектирования блока управления и вспомогательных датчиков изучена еще недостаточно. Мало исследованы вопросы формирования характеристик коммутационных импульсов в силовом блоке, оказывающих существенное влияние на выходные параметры двигателя и исполнительного блока в целом. Учитывая, что сфера использования бесколлекторных двигателей непрерывно расширяется, необходимо рассмотреть общие подходы в решении специфических задач, которые являются превалирующими для определенных классов двигателей.
Одной из важнейших характеристик любого двигателя является его КПД. В работах [37, 44, 64, 69] показано, что улучшение этого параметра, прежде всего, может быть достигнуто путем снижения уровня гармонических составляющих в кривой ЭДС вращения на интервале коммутации, так как при этом уменьшаются пульсации тока, а, следовательно, потери мощности в якорных обмотках. При постоянном напряжении питания секций это соответствует выполнению следующего условия для любого текущего значения угла поворота ротора а на участке коммутации.
При произвольной форме напряжений питания секции в обмотке наилучшие энергетические показатели достигаются, если производная разности напряжения питания w(a) и суммарная ЭДС вращения е(а) при одновременной работе нескольких обмоток была бы постоянной в любой момент времени [44], т. е. 8\u(a)-Y,e(a)\ = 0 (1.2) да
Важным условием повышения энергетических показателей является уменьшение потерь в блоке коммутации, которые, как правило, являются определяющими в суммарном расходе энергии в блоке управления. При питании обмоток от источника постоянного напряжения желательно, чтобы ЭДС была бы постоянной во всем интервале коммутации соответствующей обмотки, что, возможно, обеспечить при распределении потокосцепления у индукции вдоль образующей ротора, меняющегося по линейному закону.
На практике требуемая форма ЭДС вращения обеспечивается путем подключения дополнительных секций вольтодобавки, пространственно сдвинутых относительно основной обмотки на некоторый угол [44]. Возможна приближенная реализация постоянства ЭДС путем использования специальных форм индуктора (постоянного магнита), либо изменением величины воздушного зазора в интервале полюсного деления. Однако эти меры приводят к усложнению конструкции двигателя, значительному увеличению габаритов и снижению коэффициента использования электрической машины по мощности.
Одним из путей улучшения энергетических характеристик двигателя является моделирование формы тока к соответствующей форме ЭДС вращения в интервале коммутации. Эта задача решается путем создания БД с позиционной модуляцией [44, 47, 55]. Бесконтактные двигатели с позиционной модуляцией (БДПМ) обеспечивают такой режим, при котором функция изменения тока в якорных обмотках соответствует закономерности изменения ЭДС в интервале позиционного смещения полюсов ротора относительно якорных обмоток статора.
Принцип формирования механической характеристики
Устройство, разработанное в процессе выполнения данной работы [97] содержит (рис. 2.6): датчик положения ротора 1, регуляторы длительности импульсов 2 и 3, электронный коммутатор 4 и цепь обратной связи 5.
Регулятор длительности импульсов первого канала 2 включает: первый и второй управляемые компараторы 10 и 11, детектор с обратно включенным диодом 12, детектор с прямо включенным диодом 13. В этом варианте исполнения двигателя на статоре размещаются две якорные обмотки, смещенные относительно друг друга в пространстве на л/2 рад. Условно эти обмотки называют синусной и косинусной.
Датчик углового положения ротора 1 имеет два выхода. По первому выходу датчика углового положения ротора формируется сигнал, пропорциональный синусу угла рассогласования, по второму - косинусу. Работа управляемых компараторов 6, 7, 10 и 11 (рис. 2.6) как в управляемом, так и в неуправляемом режиме проходит одинаковым образом. Она отличается только тем, что в режиме разгона на управляющие электроды компараторов подается постоянное на пряжение смещения, исключающее появление сквозных токов в коммутаторе в моменты коммутации обмоток. двигателем постоянного тока.
В режиме стабилизации скорости вращения двигателя это напряжение регулируется сигналом обратной связи, который начинает поступать на входы компараторов 6, 7 первого канала регулятора длительности импульсов 2, а также компараторы 10,11 второго канала регулятора длительности импульсов 3. Модуляция рабочих импульсов в якорных обмотках осуществляется по сигналам, поступающим от датчика положения ротора I и от цепи обратной связи 5. При изменении уровня сигнала обратной связи меняется интервал времени, в течение которого протекает ток в якорных обмотках, а, следовательно, средний за период электромагнитный момент, развиваемый двигателем. На рисунке 2.7 показано, как изменяется интервал открытого состояния одного из плеч компаратора при изменении напряжения обратной связи.
Анализ особенностей работы способа управления, рассмотренного в разделе 2.1.3, показал, что он, решая задачу стабилизации средней скорости, имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся: повышенная пульсация мгновенной скорости, усложнение схемы управления, связанное с необходимостью исключения возможности появления сквозных токов в якорных обмотках, и ряд других.
Совершенствование электронной схемы управления было осуществлено за счет использования импульсных методов обработки сигналов, коммутирующих якорные обмотки. При таком построении блока управления полностью исключается опасность возникновения сквозных токов. Функциональная схема устройства представлена на рис. 2.8.
Она включает датчик положения ротора 1, усилитель ограничитель 2, блок формирования коммутирующих импульсов 3, коммутатор 4, схему сравнения 5, блок установки 6 и регулятор глубины обратной связи 7. Устройство работает следующим образом. Якорные обмотки подключаются к выходу коммутатора. Усилитель ограничитель из аналоговых сигналов на выходах датчика положения (рис. 2.9 а, г) формирует напряжение в виде прямоугольных импульсов (рис. 2.9 б, д), которые после выпрямления приобретают вид (рис. 2.9 в, е).
В блоке формирования коммутирующих импульсов входные сигналы преобразуются в четыре последовательности одно полярных прямоугольных импульсов скважностью 0,25. Эти импульсы поступают на соответствующие входы коммутатора, обеспечивая последовательное подключение якорных обмоток.
Принцип построения индуктивного датчика положения ротора
В настоящее время индуктивные датчики получили широкое распространение, к ним относятся вращающие трансформаторы, магнесины, микросины и ряд других. Основной недостаток таких датчиков - их большая сложность и, соответственно, высокая себестоимость. Это существенно ограничивает возможности их применения [43, 62, 91]. В этом разделе рассматривается принцип и схема построения аналогового ДПР, отличающегося от известных решений конструктивным исполнением ЧЭ и СЭ, а также способом формирования информационного сигнала [95].
В катушке индуктивности при протекании тока возбуждается магнитное поле, интенсивность которого зависит от геометрических размеров катушки, а также от среды, в которой размещена катушка. Материалы с высокой магнитной проницаемостью являются концентраторами магнитного поля. Поэтому, если в области реагирования поместить ферромагнетик, возникает увеличение магнитного потока Ф катушки, а, следовательно, и увеличение ее индуктивности, которая определяется соотношением где і — ток в катушке, w число витков катушки.
Таким образом, если вращающий индуктор выполнить из материала, магнитная проницаемость которого меняется от точки к точке, то при его вращении относительно катушки ЧЭ, ее индуктивность будет меняться. Изменение величины индуктивности катушки ЧЭ может быть преобразовано в электрический сигнал, параметры которого определяются взаимным положением сигнального и чувствительного элементов. Для повышения уровня полезного сигнала конструкция ЧЭ должна выполняться таким образом, чтобы его магнитное поле в максимальной степени вытеснялось в области, где расположены элементы СЭ. Теоретический анализ показывает: таким условиям отвечает плоская катушка, закрепленная на носителе [69] из немагнитного материала (либо диэлектрика, либо проводящего диамагнетика). Индуктор должен быть изготовлен из ферромагнетика, чтобы его магнитное поле концентрировалось в области его расположения.
Для увеличения уровня взаимодействия катушки с индуктором, зазор между ними должен быть минимальным. Его величина определяться технологическими возможностями изготовления ДПР. Для того, чтобы осуществлять модуляцию индуктивности в соответствии с угловым положением индуктора, можно предложить ряд конструктивных решений. Если ЧЭ датчика размещаются на цилиндрической поверхности его корпуса, то модуляцию индуктивности можно реализовать за счет изменения зазора между катушкой и поверхностью индуктора [88] (рис. 3.1а). Используется и такой метод, при котором зазор между ЧЭ и индуктором не меняется, но меняются характеристики материала индуктора, взаимодействующего с ЧЭ, в зависимости от координаты углового рассогласования положения между статором и ротором датчика. На рис. 3.16 приведен вариант исполнения индуктора [88], в котором одновременно используются оба метода воздействия на ЧЭ. В нем индуктор выполнен в явно полюсной форме, причем полюса индуктора, выполненные из разнородных по магнитным свойствам материалов, чередуются. Полюса индуктора изготавливаются из магнитотвердого, или магнитомягкого материала. Магнитные свойства этих материалов существенно различаются, что приводит к модуляции индуктивности. Такой индуктор совмещает функции активного и пассивного принципов формирования сигнала.
При торцевом исполнении катушек ЧЭ и полюсов индуктора более целесообразно, не изменяя величины зазора, варьировать материалы, взаимодействующие с катушками ЧЭ. Примеры исполнения таких индукторов приведены на рис. 3.2а, 3.26. Индуктор (рис. 3.2а) представляет собой немагнитный носитель (диэлектрик) 1, на котором закреплены чередующиеся полюса, выполненные из ферромагнетика 2 и диамагнетика 3. В качестве материалов полюсов используются феррит и медь. Выбор феррита в качестве материала индуктора обоснован относительно высокой его магнитной проницаемостью и низкой электропроводностью, что практически исключает появление в этом материале вихревых токов.
Исследование ЭДС самоиндукции в якорных обмотках БДПТ
Одним из перспективных направлений построения датчиков угла и датчиков положения ротора являются емкостные неконтактные датчики [15, 22, 90, 93]. Ограниченность их использования связана с трудностями обеспечения достаточно больших изменений емкости в малогабаритных датчиках положения. Действительно, датчики, построенные на индуктивном принципе, или на использовании эффекта Холла, позволяют построить датчик положения, имеющий меньшие габариты, чем емкостный. В тоже время емкостные датчики имеют ряд достоинств, которые позволяют считать их более перспективными в тех устройствах, где размеры датчика не являются определяющими.
Емкостной датчик углового положения ротора выполнен по принципу плоского (или цилиндрического) конденсатора переменной емкости. Он включает неподвижные электроды, размещенные на корпусе датчика, и подвижные, размещенные на роторе. При вращении ротора меняется площадь взаимного перекрытия электродов, а, следовательно, емкость датчика. Развитие интегральной технологии позволило существенным образом снизить трудности измерения малых емкостей и обеспечить достаточную точность работы датчика. Как правило, в угловых измерителях перемещений используют двухканальные схемы обработки информации, при этом схема предусматривает использование помимо измерительных каналов, распознающее устройство, определяющую точку начала отсчета информационного сигнала. В некоторых случаях распознающее устройство совмещают с грубым каналом отсчета, например в пределах единого оборота, с точностью до градуса.
В данной работе сделан упор на построение чувствительного элемента, выполняющего двоякую роль — роль датчика угла и датчика положения ротора исполнительного бес коллекторного двигателя. Обычно используются варианты размещения электродов на плоских диэлектрических пластинах и смещенных вдоль образующих в соответствии с предполагаемым законом формирования рабочего сигнала. Такое построение ЧЭ имеет существенный недостаток, связанный с жесткими требованиями по обеспечению перпендикулярности плоских поверхностей к оси вращения ротора датчика [14].
Конструкция и схема построения емкостных датчиков углового положения ротора
В варианте датчика угла, спроектированного при проведении настоящей работы [30], подвижные и неподвижные электроды размещаются на цилиндрических поверхностях соответственно ротора и статора. На рис. ЗЛЗ представлена схема размещения электродов на внутренней поверхности диэлектрического кольца, расположенного на статоре емкостного датчика. На рис. 3.14 представлена конструкция варианта исполнения СЭ, ось которого связана с осью бесконтактного двигателя, на котором установлен ДПР.
Размещение неподвижных электродов ЧЭ емкостного датчика.
При изменении взаимного положения электродов, расположенных на неподвижном цилиндре статора, относительно выступов и пазов СЭ, его емкость то нарастает, то уменьшается. Максимальна она в тот момент, когда поверх 100 ность электрода ЧЭ полностью перекрывается выступом вращающегося электрода. Емкость ЧЭ минимальна, когда под электродами находятся пазы ротора.
Графики изменения емкости ЧЭ, полученные экспериментально, представлены на рис. 2, 3, 4 приложения 3. Один из графиков соответствует величине зазора между вращающимися и не вращающимся электродом 0,2 мм, второй 0,1 мм.
Для формирования выходных сигналов датчика наиболее целесообразно использовать мостовую схему, питаемую от генератора синусоидального напряжения. Выходной сигнал в этом случае определяется разностью напряжений на плечах моста (рис. 3.15). В этом случае напряжение в точке "Й"
После суммирования и выпрямления напряжений иа и щ на выходе операционного усилителя формируется напряжение, величина которого будет равна и =-КЛиа иь) = К (3.41) где к„р- коэффициент преобразования. Эта зависимость практически линейна, если С0 в 2-3 раза больше С]max Gmax- При Со Стах, нелинейность характеристики не превышает 5 %. 101 Частоту генератора выбирается из условия, чтобы энергопотребление моста было минимальным, и при этом обеспечивалось бы эффективное детектирование. Примем хс = 5 кОм, тогда 1 (О = хС 5-103200 = 10 Ус т.е. рабочие частоты должна быть порядка 200 кГц, что позволяет просто реализовать генератор с использованием стандартных интегральных элементов. Как показали расчеты, подтвержденные экспериментом, сигнал, поступающий с емкостного датчика, создает сигнал близкий к треугольной форме (рис. 3.17). Однако в узком диапазоне углов действительный сигнал отличается от линейно изменяющегося, что является причиной снижения точности измерителя угла.
