книги / Технические измерения и приборы

В настоящее время речь идет о погрешностях функционирования, исчисляемых угловыми минутами, а во многих случаях – угловыми секундами в диапазоне углов поворота контролируемого объекта 360 .

Это и определяет два направления развития электромашинных датчиков угла – увеличение числа пар полюсов датчиков при неизменных габаритах, что уменьшает собственную погрешность датчиков, и разработка новых компенсационных схем включения датчиков, позволяющих исключить влияние ряда внешних и внутренних факторов, снижающих точность функционирования.

Следует отметить, что количество существующих модификаций датчиков весьма велико. Это объясняется, с одной стороны, многообразием специфических условий их эксплуатации, а с другой, – низким по сравнению с иными элементами автоматики уровнем их унификации и стандартизации. Поэтому из-за ограниченного объема пособия в нем не дана всеобъемлющая информация о параметрах, характеристиках и способах применения рассматриваемых датчиков, а приведены справочные данные лишь по наиболее перспективным и широко используемым разработкам и указаны области возможного применения.

10.1.1. Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) классической конструкции являются, за небольшим исключением, неявнополюсными электрическими машинами. На статоре и роторе такого трансформатора, собранных из листов электротехнической стали или пермаллоя, имеются равномерно распределенные пазы, в которых размещаются, как правило, по две одинаковые взаимно перпендикулярные обмотки. Оси МДС каждой пары обмоток сдвинуты в пространстве на угол 90 /р, где р – число пар полюсов ВТ, т.е. на электрический угол 90 . Выходное напряжение вращающегося трансформатора является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. При этом зависимость выходного напряжения от входного линейная, а от угла по-

351

ворота ротора зависимость может быть как линейной, так и синусной или косинусной.

Первичные обмотки обычно называются: одна – обмоткой возбуждения, другая – квадратурной обмоткой, а вторичные – синусной и косинусной. Однако такие названия весьма условны, например, возбуждение может подаваться на обе первичные обмотки, одна из обмоток может вообще отсутствовать и т.п. Тем не менее в дальнейшем используются общепринятые терминология и система индексов, указывающих на принадлежность какого-либо параметра ВТ к одной из его обмоток: f – возбуждения, k – квадратурная, а – косинусная, b – синусная.

Большая часть серийно выпускаемых ВТ изготовляется в корпусном исполнении (рис. 10.1). Токосъем (токоподвод) осуществляется контактным (с помощью контактных колец и щеток) или бесконтактным (с помощью кольцевых трансформаторов или спиральных пружин) способом. Созданы и двухотсчетные ВТ совмещенной конструкции, у которых в одном корпусе на общем валу расположены два ВТ – двухполюсный и многополюсный.

В системах автоматического управления, к которым предъявляются повышенные требования по точности функционирования, получили распространение плоские бескорпусные многополюсные ВТ (рис. 10.2), выполняемые в виде отдельных сборок статора и ротора.

Эта конструкция обеспечивает удобство компоновки самых различных приборов, в которых используются ВТ, но одновременно предъявляет очень жесткие требования к точности установки статора и ротора в корпус прибора. В связи с этим представляет интерес конструктивная схема плоского ВТ с подшипниками, приведенная на рис. 10.3.

Используются в различных областях автоматики и бескорпусные двухотсчетные ВТ, у которых двухполюсные и многополюсные обмотки расположены на общем магнитопроводе. Их несомненным достоинством являются малые габариты, однако в этом случае очень сложно устранить наведение в обмотке точного отсчета ЭДС от электромагнитного поля грубого отсчета, приводящее к снижению точности преобразователя.

352

Рис. 10.1. Конструктивная схема контактного (а)

и бесконтактного (б) ВТ: 1 – корпус: 2 – статор; 3 – ротор; 4 – контактные кольца со щетками; 5 – крышки

с подшипниками; 6 – вал; 7 – кольцевой трансформатор

Рис. 10.2. Плоский	Рис. 10.3. Плоский ВТ
бескорпусиый ВТ	с подшипииковым узлом

353

Рис. 10.4. Электрическая схема СКВТ

Из различных режимов ВТ главными являются синусно-коси- нусный (СКВТ), линейный (ЛВТ), преобразователь координат (ПК), индукционный фазовращатель (ФВ), датчик и приемник дистанционной передачи (ВТД) и (ВТП).

10.1.1.1. Режим СКВТ

Схема включения ВТ в режиме СКВТ приведена на рис. 10.4. Одна из первичных обмоток (обмотка возбуждения) подключена

к источнику переменного напряжения Uf, вторая первичная обмотка (квадратурная) замкнута на симметрирующий резистор, а вторичные обмотки – на сопротивления нагрузок.

Анализ токов, протекающих по обмоткам двухполюсного ВТ, показывает, что выходные напряжения ВТ изменяются по косинусоидальному и синусоидальному законам от угла поворота ротора при выполнении одного из условий: Zf =Zk (первичное симметрирование) или Zа = Zb (вторичное симметрирование), где Zf и Zk – сопротивления контуров обмоток возбуждения и квадратурной, включающие сопротивления источника питания и симметрирующее сопротивление; Za, Zb – сопротивления контуров вторичных обмоток, включая сопротивления нагрузок Zнга и Zнгb; Хm – индук-

тивное сопротивление взаимной индукции первичных и вторичных обмоток; n – коэффициент трансформации, равный отношению чисел эффективных витков вторичных и первичных обмоток; α – угол поворота ротора ВТ, отсчитываемый от положения, при котором совпадают оси обмоток f и а.

Важнейшей характеристикой ВТ является точность выполняемых им функциональных преобразований. В режиме СКВТ класс точности датчика угла определяется по следующим параметрам: погрешности отображения синусной (косинусной) зави-

354

симости; асимметрии нулевых точек; ЭДС квадратурной обмотки; остаточной ЭДС; разности коэффициентов трансформации.

Под погрешностью отображения синусной (косинусной) зависимости понимается отношение отклонения изменения выходного напряжения в функции угла поворота ротора от синусоидального (косинусоидального) закона к максимальному выходному напряжению и выражается в процентах:

ε % = 100 ∆Uвыx / Uвых max,

где ∆Uвыx – отклонение выходного напряжения от расчетного; Uвых max – максимальное выходное напряжение. ∆Uвыx вычисляется как полусумма абсолютных значений максимальной положительной и максимальной отрицательной погрешностей.

Асимметрию нулевых точек определяют при питании ВТ со стороны каждой из первичных обмоток. Асимметрия нулевых точек оценивается полусуммой абсолютных значений максимального положительного и максимального отрицательного отклонений ротора от углов, кратных 90 , когда ЭДС вторичных обмоток минимальны (Еост).

ЭДС квадратурной обмотки (Еk) определяется на основной гармонике питающего напряжения при подаче на обмотку возбуждения номинального напряжения Uf и выражается в процентах:

Еk % = 100 Еk / Uf.

Остаточная ЭДС в нулевых точках определяется также по основной гармонике в процентах максимального значения выходного напряжения:

Еост % = 100 Еост/ Uвых max.

Разность коэффициентов трансформации, определяемая неидентичностью синусной и косинусной обмоток, вычисляется по формуле

∆n % = 100 (nmax – nmin) / nmax,

где nmax, nmin – соответственно больший и меньший коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и вторичными обмотками.

Деление СКВТ по классам точности приведено в табл. 10.1.

355

Т а б л и ц а 1 0 . 1

Классы точности СКВТ

Параметр			Класс точности
	0,005	0,01		0,02	0,05	0,1	0,2
ε, %	±0,005	±0,01		±0,02	±0,05	±0,1	± 0,2
Асимметрия нулевых точек	±10	±20		±40	±100	±200	±400
∆α0, угл. с
Ek, %, не более	0,04	0,08		0,12	0,3	0,6	1,2
Eост, %, не более	0,003	0,006		0,01	0,025	0,05	0,1
∆n, %, не более	0,005	0,01		0,02	0,05	0,1	0,2

В режиме CKBT используются главным образом двухполюсные датчики. Точностные и массогабаритные показатели различных типов СКВТ приведены в табл. 10.2, где Dн – наружный диаметр корпуса; m – масса.

Т а б л и ц а 1 0 . 2

Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы

Тип СКВТ	ε, %	∆ 0, угл.	Ek, %	Eост, %	∆n, %	Dн, мм	m, кг
		мин			,
ВТ-3А	±0,06	±1,5	0,365	–	–	45	0,5
5БВ Т	±0,02	±0,67	–	0,02	0,02	50	0,81
В Т-5	±0,02	±0,5	0,125	0,015	0,02	50	0,68
ВТМ-Б	±0,06	±2	–	0,33	0,08	56	0,68
ВТ-2А	±0,06	±1,5	0,365	–	–	70	2,08
МВТ-2	±0,02	±1	–	0,05	0,031	38	0.35
МВТ-Б	±0,2	±6	–	0,08	0,165	35	0,22
2,5МВТ	±0,05	±1,67	0,6	0,05	0,05	25	0,12
2,6БВТ-2, С	±0,1	±3,3	1,2	0,1	0,1	25	–

10.1.1.2. Режим ЛВТ

Схемы включения ВТ в этом режиме приведены на рис. 10.5. Линейность выходного напряжения ВТ в функции угла поворота достигается при определенных условиях симметрирования и коэффициенте трансформации. Если удается обеспечить пропорциональ-

356

ность напряжения на нагрузке функции sin / (1+0,536cos ), то в диапазоне изменения угла от – 60 до +60 эта функция не будет отличаться от линейной более чем на 0,06 %.

Рис. 10.5. Электрическая схема ЛВТ:

а – с первичной симметрией; б – со вторичной симметрией

На практике наибольшее распространение получила схема с первичным симметрированием.

При этом для упрощения симметрирующий резистор в цепь квадратурной обмотки не включают, а замыкают ее накоротко. Исследования показывают, что в этом случае оптимальное значение коэффициента трансформации ВТ лежит в пределах n = 0,56÷0,68.

Классификация ЛВТ производится по погрешности отображения линейной зависимости и остаточной ЭДС. Под погрешностью отображения линейной зависимости (εл) понимается отклонение изменения выходного напряжения в функции угла поворота ротора от прямой линии. Она равна полусумме абсолютных значений максимальных положительной и отрицательной погрешностей в диапазоне углов от минус 60 до плюс 60 и выражается в процентах:

εл % = 100 ∆Uвыx / Uвых max.

357

Деление ЛВТ по классам точности приведено в табл. 10.3, а основные параметры ЛВТ, выпускаемых отечественной промышленностью,

в табл. 10.4.

Т а б л и ц а 1 0 . 3

Классы точности ЛВТ

Параметр		Класс точности
	0,05		0,1	0,2
εл, %	±0,05		±0,1	±0,2
Eост, %, не более	0,025		0,05	0,1

Т а б л и ц а 1 0 . 4

Линейные вращающиеся трансформаторы

Тип ЛВТ	εл, %	Eост, %,	Dн, мм	m, кг
ВТ-2А	±0,11	–	70	2
ВТМ-Б	±0,1	0,33	56	0,68
В Т-5	±0,11	0,02	50	0,68
ЛВТ-5Я	±0,03	0,01	50	0,6
5БВТ	±0,3	0,1	50	0,81
ВТ-3А	±0,11	–	45	0,5
МВТ-2	±0,2	–	38	0,35
2,5ВТ	±0,2	0,2	25	0,12
3ВТ-2ТВ	±0,2	0,2	25	0.115
2,5БВТ-Л	±0,8	0,3	25	–

10.1.1.3.Преобразователь координат

Спомощью ВТ можно производить преобразование координат вектора из декартовой системы в полярную и из одной декартовой

системы в другую, повернутую относительно первой на угол .

10.1.1.4.Режим фазовращателя

Вавтоматике до 1990 г. широко применялись преобразователи угла поворота вала в цифровой код, в которых в качестве датчика угла использовались ВТ в режиме фазовращателя (ФВ). Особенно

358

широко фазовращатели используются как датчики положения в контуре положения следящих приводов в станках с ЧПУ с аппаратной реализацией функций.

Возможны две основные схемы включения ВТ для получения режима ФВ – с двухфазным и однофазным возбуждением.

Рис. 10.6. Электрическая схема ФВ:

а– с вращающимся магнитным полем;

б– с пульсирующим магнитным полем

Впервой схеме на две обмотки вращающегося трансформатора подают напряжения, фазы которых сдвинуты на 90 эл. град.

Во второй схеме напряжение подается на одну из обмоток, на выходе вращающегося трансформатора ставится фазорасщепитель. Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки. Недостаток первой схемы – необходимость двух усилителей, на выходе которых должны быть два квадратурных напряжения одинаковой амплитуды. Достоинство ее – в отсутствии фазовой ошибки от вращения ротора. Вторая схема проще, но она предопределяет наличие фазовой ошибки в зависимости от частоты вращения ротора.

Выходное напряжение на обмотке ротора вращающегося трансформатора при двухфазном питании при вращении вала с угловой скоростью ω определяется как

359

U = (ωc + ω) МL I / cos (ωct + τ),

где МL – коэффициент взаимоиндукции обмоток; I – ток статорной обмотки; τ – механический угол поворота роторной обмотки, τ = ωt.

Таким образом, фаза выходного напряжения вращающегося трансформатора, включенного по двухфазной схеме питания в фазовращательном режиме, равна механическому углу поворота роторной обмотки τ относительно одной из статорных обмоток. Амплитуда синусоиды растет с увеличением скорости вращения. Частота питания обмоток ωc вращающегося трансформатора выбирается таким образом, чтобы относительное изменение амплитуды от угловой скорости вращения ω было бы невелико и не влияло на точность обработки сигнала. Так, при ускоренном входе привода подачи v = 9,6 м/мин, при цене дискреты перемещения 1 = 0,01 мм и при числе импульсов на один оборот датчика, равном Z = 1000 имп/об, угловая скорость

ω1 = v 1000 2π/60Z 1 = 9,6 1000 2π /60∙1000∙0,01 = 2π∙16 1/c.

При частоте питания обмоток датчика f = 2 кГц (ωc =2mf = 2π∙2000) можно показать, что изменение амплитуды от угловой скорости вращения ротора не будет превышать 1 %:

А ω1 = 100 ω1 / (ω + ωc) = 0,8 %.

Поскольку формирователь измерительной системы преобразует сигналы синусоидальной формы в прямоугольную, то такое изменение амплитуды практически погрешности не внесет.

При работе вращающегося трансформатора, включенного по однофазной схеме питания и работающего в фазовращательном режиме, ток, протекающий по роторной обмотке, наводит в статорных обмотках ЭДС. Выходное напряжение на R–С цепи равно сумме ЭДС обмоток.

Опуская промежуточные вычисления, можно показать, что для малых значений отношения механической частоты вращения ω к частоте ωc питающего напряжения, имеющих место на практике, фазовая ошибка может быть вычислена по формуле

tg δх = – /2 sin 2 ωt.

360