Тема 7. Датчики с неограниченным перемещением

Рассмотренные выше потенциометрические и индуктивные и другие датчики в силу особенностей конструкции и схемы включения предназначены для измерения ограниченных перемещений. Статические характеристики этих датчиков определены на ограниченном интервале, как по величине входных перемещений, так и по диапазону изменения выходной величины.

Для измерения неограниченных перемещений необходимо использовать статические характеристики ограниченные только по выходной величине. Наибольшее применение нашли характеристики синусоидального или кусочно-линейного вида, показанные на рис 64.

Рис. 64

Виды статических характеристик при неограниченных перемещениях.

Одним из широко используемых датчиков с неограниченным угловым перемещением является синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)./1,Стр.93-94/

Рис. 65.

Конструкция СКВТ.

Вращающийся трансформатор – электрическая машина, предназначенная для преобразования механического перемещения (угла поворота ротора) в электрический сигнал.

Конструктивно вращающиеся трансформаторы весьма разнообразны, однако в настоящее время наибольшее распространение получили двухполюсные вращающиеся трансформаторы, аналогичные двухфазным асинхронным двигателям с контактными кольцами. Пакеты статора и ротора таких вращающихся трансформаторов изготавливаются из тщательно изолированных друг от друга листов электротехнической стали. В полузакрытых пазах статора и ротора располагаются двухфазные обмотки, оси которых сдвинуты на 90⁰ относительно друг друга. Они имеют одинаковое число витков, одинаковые активные и реактивные сопротивления. Две роторные обмотки также смещены друг относительно друга на 90⁰ и выполнены одинаковыми.

У большинства вращающихся трансформаторов концы обмоток ротора выводятся к контактным кольцам, по которым скользят щетки. Кольца и щетки обычно изготавливаются из сплавов серебра. В некоторых вращающихся трансформаторах, предназначенных для работы с ограниченным углом поворота ротора, кольца и щетки заменяют гибкими спиральными пружинами (токоподводами) из латуни или бронзы.

Особенностью вращающихся трансформаторов является то, что у них взаимоиндуктивность между первичными (статора) и вторичными (ротора) обмотками при повороте изменяется по синусоидальному (или косинусоидальному) в зависимости от угла, что обеспечивает такой же закон изменение амплитуды ЭДС вторичных обмоток.

При использовании СКВТ возможны два способа получения информации об угловом положении вала – амплитудный режим и фазовый режим.

7.1 Амплитудный режим работы сквт

В амплитудном режиме работы питание переменным током подается только на одну статорную обмотку, исполняющую роль обмотки возбуждения. Вторая статорная обмотка остается разомкнутой или замыкается накоротко для симметрирования потока в магнитной системе СКВТ (рис.66).

Рис.66

Обмотки СКВТ в амплитудном режиме работы.

В магнитной системе СКВТ создается пульсирующее магнитное поле, вектор которого всегда направлен по оси обмотки возбуждения. В роторных обмотках, расположенных под девяносто градусов друг к другу будут генерироваться два синфазных напряжения, амплитуды которых будут пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора.

(46)

Графики изменения амплитуды этих сигналов показаны на рис.67. Отметим, что отрицательному значению амплитуды соответствует изменение фазы сигнала на 180⁰.

Рис. 67

Сигналы с роторных обмоток СКВТ в амплитудном режиме.

Для получения значения угла поворота с использованием аналоговой вычислительной техники приходится создавать сложные схемы, с помощью которых путем сравнения величин и знаков сигналов U_S и U_C определяется сектор величиной 45⁰, в котором лежит искомый угол, и вычисляется значение угла в пределах этого сектора по эмпирической формуле

, (47)

которая дает погрешность порядка 1%, если φ не превышает 45⁰.

Зная сектор, в котором находится искомый угол и вычисленное значение φ, можно определить истинное значение угла поворота вала.

При создании современных систем, в которых применяется цифровая техника (микропроцессоры или микроконтроллеры) рационально использовать программный метод определения угла поворота вала. Для этого значения сигналов U_S и U_C оцифровываются с помощью АЦП и передаются в микропроцессор или микроконтроллер, в котором по программе вычисляется значение угла φ с использованием стандартной функции арктангенса.

Поскольку функция tg(φ) имеет период 180⁰, а не 360⁰ как Sin(φ) и Cos(φ), может возникнуть необходимость скорректировать полученное значение угла φ, прибавив ±180⁰. Для этого в программе должна быть предусмотрена соответствующая процедура.

Рассмотренные способы определения угла поворота вала СКВТ работают в пределах одного оборота (±180⁰). Рационально дополнить эти алгоритмы средствами подсчета полных оборотов вала, фиксируя переход измеренного значения угла через границу 0⁰-360⁰ или ±180⁰, и добавляя (или вычитая) единицу в специальный регистр (счетчик). Это позволит с высокой точностью регистрировать угол поворота вала при большом числе оборотов.