Исследование датчиков угла поворота

Цель работы: изучение конструкций датчиков угла поворота, схем их включения и статических характеристик, связывающих выходной сигнал с входным углом перемещения.

Краткие теоретические сведения

Датчики угла поворота нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в том числе и в горной, для определения углов поворота, например, режущих органов добычных и проходческих машин, барабанов для навивки тросов скиповых и клетьевых подъемных машин и т.д.

В данной работе исследуется три датчика угловых перемещений: сельсинный, емкостной и поворотный трансформатор.

Сельсинный датчик является разновидностью электрической микромашины, предназначенной для использования в дистанционных системах передачи угла. Для реализации дистанционной передачи необходимо, как минимум, две микромашины, называемые сельсин-датчиком (СД) и сельсин-приемником (СП).

По конструкции СД и СП совершенно идентичны. Они имеют однофазную обмотку на статоре и трехфазную обмотку на роторе. Для подвода тока к роторной обмотке используются контактные кольца и щетки (это самый большой недостаток контактных сельсинов). Известны также бесконтактные сельсины. Они имеют сложную конструкцию и бывают двух модификаций: с тороидальными трансформаторами и конструкции Иосифьяна-Свечарника.

В лабораторной работе используются контактные сельсины типа ДИД-101ТВ. Их основные технические данные представлены в таблице 3.1.

Т а б л и ц а 3.1

Тип сельсина	Uном, В	fном, Гц	Iном, А	Погрешность следования Dq, мин	Масса, кг
ДИД-101ТВ	50	50	0,15	±45	0,8

Существует две схемы включения сельсинов для работы в режиме дистанционной передачи угла: индикаторная и трансформаторная.

Схема индикаторной синхронной передачи угла представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема индикаторной синхронной передачи угла поворота

При подаче на обмотку возбуждения сельсина однофазного напряжения в его воздушном зазоре создается пульсирующий магнитный поток Ф, индуктирующий в фазных обмотках ротора (обмотки синхронизации) трансформаторные эдс, амплитуды которых пропорциональны косинусу угла между осью соответствующей фазной обмотки и направлением магнитного потока.

;

; (3.1)

,

где E_ф – эдс фазы при a = 0.

Угол поворота a задается вращением ротора СД. При этом между соответствующими точками роторной обмотки СД появится разность потенциалов

;

; (3.2)

,

которая вызовет в цепи роторов СД и СП уравнительные токи I₁, I₂, I₃. При взаимодействии этих токов с потоком обмотки возбуждения ОВ в роторе СП возникает синхронизирующий вращающий момент, благодаря которому ротор СП поворачивается в согласованное с ротором СД положение.

Ошибка рассогласования сельсинной передачи зависит от качества машин и определяется главным образом трением в подшипниках и контактных кольцах. По величине ошибки рассогласования Dq сельсины делятся на три класса: 1-й класс – Dq до ±0,75⁰; 2-й класс – Dq до ±1,5⁰; 3-й класс – Dq до ±2,5⁰.

Схема трансформаторной синхронной передачи угла поворота представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Трансформаторная схема включения сельсинов

В этом режиме ротор сельсин-приемника СП механически затормаживается, а к обмотке возбуждения ОВ подключается вольтметр переменного тока. Если поворачивать ротор СД, то на зажимах "а, б" обмотки ОВ СП напряжение будет изменяться в соответствии с выражением

, (3.3)

где U_m - амплитудное значение напряжения при a = 0.

Для суммирования углов поворота от 2-х датчиков или изменения нулевого положения сельсин-приемника применяются дифференциальные сельсины. Эти микромашины имеют трехфазные обмотки как на роторе, так и на статоре. В работе используется дифференциальный сельсин СПД типа НЭД-101ТВ. Его технические данные аналогичны приведенным в табл. 3.1.

Дифференциальная схема включения сельсинов представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Дифференциальная схема включения сельсинов

Ротор СПД не изменяет своего нулевого положения, если роторы СП и СД находятся в нулевых положениях, т.е. углы a₁ и a₂ равны 0. При повороте только ротора СД или только ротора СП ротор СПД поворачивается на тот же угол в соответствующую сторону и, таким образом, дифференциальный сельсин может производить суммирование или вычитание двух угловых величин a₁ и a₂.

Емкостный датчик угла поворота представляет собой многопластинчатый переменный конденсатор, позволяющий измерять входное угловое воздействие в пределах 0-180⁰. В основу его работы положено изменение емкости под воздействием изменяющейся площади перекрытия пластин.

Многопластинчатый статор датчика закреплен неподвижно, а многопластинчатый ротор может поворачиваться, изменяя площадь перекрытия пластин от нуля до полного вхождения пластин ротора в пластины статора.

Емкость С такого датчика изменяется в соответствии с выражением

, (3.4)

где С₀ – начальная емкость датчика; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами датчика (для воздуха 1); a - угол поворота подвижных пластин датчика относительно неподвижных (входное воздействие); y - изменение площади перекрытия пластин на единицу угла поворота; d – расстояние между пластинами (или толщина диэлектрика).

Емкость С₀ определяется из выражения

, (3.5)

где S₀ – действующая площадь пластин конденсатора при угле поворота многопластинчатого ротора, равном нулю.

Относительное изменение емкости, характеризующее коэффициент преобразования датчика, составит

, (3.6)

где DS = ay (n-1) – приращение действующей площади пластины конденсатора.

Величины С₀ и DС измеряются в пикофарадах (1пф=10^-12Ф). Выходное сопротивление датчика, определяемое как 1/wС, где w = 2pf, даже на высоких частотах f достаточно велико (порядка 50-100 кОм), а выходная мощность настолько мала, что на нем не возможно без применения усилителя измерить падение напряжения даже вольтметром с очень большим входным сопротивлением. Поэтому емкостные датчики подобного типа используются, как правило, в комплекте с усилителем и соединяются с ним во избежание наводок экранированным проводом или коаксиальным кабелем.

Достоинства емкостных датчиков угла поворота: высокая чувствительность; простота конструкции и возможность за счет соответствующего выбора формы подвижной и неподвижной частей получать заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым перемещением; малая инерционность.

Недостатки датчика: большое внутреннее сопротивление и необходимость питания током высокой частоты; необходимость тщательной экранировки для уменьшения влияния внешних электрических полей паразитных ёмкостей.

Для исследования в лабораторной работе представлен емкостной датчик со следующими параметрами: n = 15; d = 0,3 мм; e = 1.

Поворотные трансформаторы так же, как и сельсины представляют собой микро­машины переменного тока.

Поворотный трансформатор имеет две обмотки на статоре, сдвинутые в пространстве на 90°, и такие же две обмотки на роторе. Ток к обмоткам ротора подводится через кольца или спиральные пружины.

Основное требование, предъявляемое к поворотным транс­форматорам,— обеспечение на выходе напряжения, изменяюще­гося с углом поворота ротора по закону синуса. Отклонение от синусоиды не должно превышать 0,05%, что обеспечивается конструктивными приемами: схемой и характером обмоток, ско­сом пазов и т. п.

Синусно-косинусные поворотные трансформаторы работают с обмоткой возбуждения ОВ статора, подключенной к источни­ку переменного тока. Одна из обмоток ротора (синусная) со­единяется— с нагрузкой (рис. 3.4). При повороте ротора взаимная индуктивность обмоток будет изменяться по закону синуса и соответственно, если сопротивление нагрузки велико (R_н®¥),

, (3.7)

где E_р max — максимальная ЭДС в обмотке ротора при a = 90°, когда оси обмоток совпадают.

Рис. 3.4. Схема включения поворотного трансформатора при первичном симметрировании

E_р max сочетается с напряжением сети, к которой подключен поворотный трансформатор, как

, (3.8)

где k_т = w_p/w_c — коэффициент трансформации, определяемый отношением числа витков обмоток ротора и статора.

Если вторичную синусную обмотку замкнуть на некоторое сопротивление R_н ¹ ¥, то по обмотке потечет ток I_р.с, который создаст магнитный поток Ф, направленный по оси обмотки. Поток можно разложить на две составляющие: продольную Ф_d, направленную по оси обмотки статора, и поперечную Ф_q, направленную перпендикулярно к этой оси (рис. 3.5). Продольная составляющая действует навстречу потоку обмотки возбуждения Ф_в и компенсируется соответствующим увеличением тока в этой обмотке. Поперечная составляющая, которую нельзя скомпенсировать со стороны статора, индуцирует в обмотке ротора ЭДС самоиндукции

, (3.9)

где w — угловая частота питающей сети; L—индуктивность обмотки, пропорциональная квадрату числа витков.

Рис. 3.5. Схема действия магнитных потоков обмоток поворотного трансформатора

Выражение для ЭДС принимает вид

, (3.10)

где b — комплексная величина, определяемая параметрами обмотки.

Таким образом, ЭДС существенно отклоняется от синусного закона.

Для того чтобы устранить погрешность, обусловленную поперечной составляющей магнитного потока, используют так называемое симметрирование — первичное и вторичное. При первичном симметрировании вторую, квадратурную обмотку статора замыкают на малое сопротивление. При этом поперечный поток, направление которого совпадает с осью квадратурной обмотки, индуцирует в ней ЭДС, которая, в свою очередь, создает ток и поток. Результирующий поток по поперечной оси теперь определяется суммарной МДС, создаваемой током в обмотке ротора и током в квадратурной обмотке статора. Так как нагрузочное сопротивление, на которое замкнута квадратурная обмотка, мало, то система обмоток: ротора (ее поперечные витки) и квадратурная статора представляют собой трансформатор, работающий в режиме, близком к короткому замыканию. При этом вследствие размагничивающего действия короткозамкнутой обмотки результирующий поток по поперечной оси становится весьма малым и практически не влияет на работу поворотного трансформатора. К недостаткам первичного симметрирования следует отнести непостоянство тока в обмотке возбуждения — зависимость его от угла поворота ротора. Поэтому первичное симметрирование вполне пригодно лишь для поворотных трансформаторов, которые находятся в начале схемы и обмотка возбуждения которых подключена к сети.

При вторичном симметрировании (рис. 3.6) к нагрузочному сопротивлению подключена первая, синусная обмотка, а не задействованная ранее вторая обмотка, скажем косинусная, замыкается на сопротивление, равное нагрузочному. Поперечные составляющие потоков, создаваемые этими обмотками, оказываются равными, но направленными встречно, и они взаимно компенсируются. При этом ток в обмотке возбуждения, расположенной на статоре, при повороте ротора остается неизменным. Недостаток вторичного симметрирования — зависимость выходного сопротивлений поворотного трансформатора от угла поворота ротора.

Наилучшие результаты дает совместное использование первичного и вторичного симметрирования. Линейный поворотный трансформатор используют в том случае, если необходимо напряжение на выходе, пропорциональное не синусу угла поворота, а самому углу. Для обычной схемы включения поворотного трансформатора линейная зависимость обеспечивается в пределах углов 0±30°, так как в этом случае sin a » a.

Рис. 3.6. Схема включения поворотного трансформатора при вторичном симметрировании

Для того чтобы расширить диапазон линейной зависимости, используют специальные схемы включения, причем также возможно первичное и вторичное симметрирование. Схема линейного поворотного трансформатора с первичным симметрированием показана на рис. 3.7. Последовательно с обмоткой возбуждения включена косинусная обмотка ротора, а квадратурная обмотка статора замкнута на малое сопротивление, благодаря чему подавляется поперечная составляющая магнитного потока.

Рис. 3.7. Схема включения линейного поворотного трансформатора при первичном симметрировании

Продольный магнитный поток создается током I_с, протекающим по обмотке возбуждения с числом витков w_c и по косинусной обмотке, которая расположена под углом a к продольной оси; соответственно в создании потока участвует часть витков w_рcosa. При этом в первичной цепи как бы образуется обмотка с числом витков w_c+w_рcosa и в синусной обмотке будет индуцироваться ЭДС E_р.л, которую можно найти из соотношения

, (3.11)

откуда с учетом формулы (3.7)

. (3.12)

Введя в полученное выражение коэффициент трансформации поворотного трансформатора k_т = w_c/w_р, окончательно получим

. (3.13)

Если выбрать k_т = 0,536, то зависимость E_р = f(a) становится линейной в диапазоне углов от -60° до +60° с погрешностью, не превышающей 0,06%. Для того чтобы обеспечить линейность характеристики с учетом падений напряжения в обмотках, коэффициент трансформации обычно принимают равным 0,565.