Датчики электромашинного типа

Среди электромеханических систем технологического оборудования значительное место занимают системы дистанционной передачи перемещений (как линейных, так и угловых). К датчикам электромашинного типа относятся: сельсины, магнесины, редуктосины, вращающиеся трансформаторы (в т. ч. синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы), индуктосины, цифраторы.

Сельсин представляет собой электрическую машину, статор и ротор которой набран из листовой электротехнической стали. На статоре (или роторе) размещают трехфазную (или однофазную обмотку), а на роторе (статоре) – однофазную (или трехфазную) обмотку. Трехфазная обмотка выполняется по схеме треугольника или звезды. Трехфазные обмотки сельсин-датчика и сельсин-приемника соединяются в параллель.

В зависимости от соединения однофазных обмоток различают схемы включения «индикаторную» (рис. 2.4.1) и «трансформаторную» (рис. 2.4.2).

Рис. 2.4.1

Недостатки сельсинов – питание от источника переменного тока частотой 100÷200 Гц, точность угловых измерений - ±10÷15^о, возможно проскальзывание на n ∙120^о, М _кр ≈n (градусов) в «индикаторной» схеме, наличие искрящего токосъемника (в «индикаторной» схеме).

Рис. 2.4.2

Сельсины применяются для грубой работы в системах позиционирования, например, антенн в радиолокации, радионавигации и т. д.

Магнесин – бесконтактный датчик угловых перемещений. Применяется для дистанционного контроля угла поворота вала при ничтожно малой нагрузке на валу, например, в магнитных компасах.

Статор выполняется из мягкой листовой технической стали, а ротор представляет собой постоянный магнит (жесткая электротехническая, предварительно намагниченная сталь). Ротор механически связан с контролируемым объектом. На статоре размещается две обмотки: обмотка питания и выходная обмотка.

Магнесин питается переменным током частотой 400÷500 Гц и строится по схеме, показанной на рис. 2.4.3.

Рис. 2.4.3

В зависимости от материала ротора качество датчика изменяется (табл. 2.4.1). Погрешность магнесина, как элемента следящей системы, примерно 25^о. Действие магнесина достигает максимума, если состояние магнита ротора соответствует точке кривой размагничивания, т. е. точке, где максимально значение Bh _max, точнее максимальна магнитная энергия единицы объема материала. Максимальный эффект дают ферримагнитные интерметаллические соединения редкоземельных элементов Sm (самарий), Nd (неодим) и Со (кобальт).

Таблица 2.4.1

	Материал ротора	Коэрцитивная сила	Магнитная индукция B(r)	BHmax	Дата первого образца
Ферромагниты	Углеродистая сталь			0,26
Кобальтовая сталь			0,9
Сплав Fe-Ni-Al			1,05
Ферримагниты	Бариевый гексагональный феррит			0,9
Сплав Pt-Co			9,5
Соединение SmCo5

Вращающийся трансформатор (ВТ) имеет (рис. 2.4.4) обмотки в статоре и роторе, набираемых из листовой электротехнической (магнитомягкой) стали, в пазы укладывают по одной или по две обмотки так, чтобы они были взаимно перпендикулярны, а воздушный зазор между статором и ротором сохранялся постоянным.

Рис. 2.4.4

Для ВТ, имеющего по одной обмотке в статоре и роторе, на обмотку ω ₁ подается переменное входное напряжение U _вх, а во вторичной обмотке ω ₂ наводится переменная ЭДС взаимоиндукции, значение которой определяется расположением обмоток ω₁ и ω₂ друг относительно друга. Если обмотки перпендикулярны, то ЭДС U ₂=0, если направление осей магнитного поля обмоток ω ₁ и ω ₂ совпадает, то U ₂= U _вх= max,

,

(11.1)

При наличии нагрузки (при Z _н≠∞) в косинусоиде U ₂ появляется искажение, которое можно устранить первичным и вторичным симметрированием. Для этого на статоре и роторе укладывают по две взаимно перпендикулярные (в электрическом смысле) обмотки. Но такой трансформатор называют синусно-косинусным ВТ (СК ВТ) (рис. 2.4.5).

Рис. 2.4.5.

Вторичное симметрирование достигается равенством параметров ω ₂′= ω ₂″ и Z _н1= Z _н2, а первичное симметрирование обеспечивается равенством параметров ω ₁′= ω ₂″ и введением Z _с1.

Если в одну из первичных обмоток СК ВТ подать переменное напряжение U ₁, то в обмотках ω ₂′ и ω ₂″ наводятся ЭДС самоиндукции, изменяющиеся при повороте ротора по закону:

.

(2.4.2)

Точность измерения угловых перемещений СК ВТ составляет ±(2÷3)′, что достигается прецезионной технологией набора пакетов статора и ротора, а также использованием различных методов компенсации погрешности (например, схема с обратной связью по квадратурной обмотке датчика).

Отечественной промышленностью выпускаются ВТ типов ВТМ, ВТП, МВТ, СКТ, БСКТ, СКВТ и др.

Основные характеристики некоторых СК ВТ приведены в табл. 2.4.2.

В системах автоматизации ВТ используют не только как датчики, но и как элементы сравнения, измеряющие угол рассогласования. Для этого СК ВТ соединяют по схеме, показанной на рис. 2.4.6.

Таблица 2.4.2

Технические данные	Тип трансформатора
ВТП-6	МВТ-1В	ВТ-5
1) Напряжение питания, В
2) Частота, Гц
3) Коэффициент трансформации	-	-	0,56
4) Ток холостого хода, мА	6,5
а) Несинусоидальность, % б) Остаточное напряжение, мВ в) Крутизна выходной характеристики, мВ/угл. мин	- 30-50   1,6	- -   -	0,02-0,06 -   -
5) Погрешность в дистанционной передаче, угл. мин	±(5-10)	±(5-10)	±(1-3)
6) Масса, г

Рис. 2.4.6

Выходное напряжение U _вых пропорционально сигналу рассогласования ∆φ= φ _вх –φ _вых.

U _вых.д. описывается системой:

U ад= k д U 1 cos φ вх, U вд= k д U 1 sin φ вх.

(2.4.3)

Выходные напряжения датчика U _ад и U _вд – входные напряжения приемника.

Постоянства k _д и k _п и их независимость от φ достигают двусторонним симметрированием, тогда U _вых представляет собой

U вых= U вп ’ + U вп ’’ = k п k д U 1 sin (φ вх– φ вых),

(2.4.4)

а при малых значениях ∆φ:

U вых= k п k д U 1Δ φ.

(2.4.5)

Структурно СК ВТ изображают так, как показано на рис. 2.4.7.

Рис. 2.4.7

Передаточная функция СК ВТ имеет вид W (s)= U _вых(s)/ ∆φ (s)= k, где k = k _n k _д.

В динамическом отношении ВТ и СК ВТ – инерционные звенья, но при малых значениях ∆ φ можно считать безынерционными.

Индуктосин – датчик угловых (рис. 2.4.8) или линейных (рис. 2.4.9) перемещений, не имеет гальванических контактов, состоит из ротора и статора. На роторе размещают одну обмотку, на статоре – две, со смещением на 90^о (электрических) друг относительно друга. В нем магнитопровод не имеет стали и его сопротивление магнитному потоку R _м зависит от зазора между ротором и статором. Ротор питается переменным входным напряжением U _вх частотой 10 кГц, со вторичных обмоток снимается U _вых.

Рис. 2.4.8

Большое число неявно выраженных пар полюсов, точное выполнение рисунка обмоток (при изготовлении способом печатного монтажа или напыления), отсутствие стали и связанных с ней потерь позволяет получить точную синусоидальную зависимость взаимоиндукции между статором и ротором от угла поворота (α) или смещения (Х).

Рис. 2.4.9

Зазор между статором и ротором (примерно 0,1 мм) через износостойкий лак, допускающий скольжение.

Погрешность углового индуктосина – несколько угловых минут, погрешность линейного индуктосина – 2÷3 мкм.

Цифратор (кодовый датчик) угловых и линейных перемещений – электрическая машина, в которой в статоре размещается щелевой источник света (обычно ИК) и многоячеечный элемент, ротор выполняется перфорированным в двоичном, двоично-десятичном коде так, что дорожки перфорации располагаются против фотоэлементов, а содержимое перфорации (по числу пробивок) отражает двоичную или двоично-десятичную возрастающую на порядок информацию (рис. 2.4.10).

Рис. 2.4.10

Ротор располагают так, что, вращаясь (или перемещаясь), он последовательно затемняет или засвечивает фотоэлементы и по информации с их выходов в двоичном или двоично-десятичном, или в другом коде оценивается результат измерения.

При лазерной перфорации ротора точность измерения угла – α ≈0,1 ″, а расстояния – 0,0001 мм.

Цифраторы, выпускаемые отечественной промышленностью, представлены в табл. 2.4.3.

Таблица 2.4.3

Тип	Количество ступеней	Количество разрядов	Диапазон кодируемых углов	Используемый выходной код
КПВК-7			0÷360^о	Грея
КПВК-11			(0÷360^о)∙32	Баркера
КПВК-17			(0÷360^о)∙64	Грея и Баркера
КПВК-19			(0÷360^о)∙64∙64	Грея – 1 ступень Баркера – 2 ступени

Область применения цифраторов – прецизионное технологическое оборудование (например, обрабатывающие центры), а в электронном приборостроении – коммутация в ИМС на кристалле.