3.1.2. Электромагнитные датчики положения

Основу электромагнитных датчиков положения (ЭДП) составляют индуктивные или индукционные ЧЭ. Самые простые ЭДП строятся на базе индуктивных ЧЭ дроссельного типа. Пример такого ЭДП с дифференциальным включением катушек, его функция преобразования и эквивалентная схема представлены на рис. 3.10. Номиналы ЧЭ Z₀ при перемещении сердечника изменяются в пределах: Z₁ = Z₀ + DZ и Z₂ = Z₀ - DZ, а функция преобразования может быть описана выражением вида:

где U - напряжение питания.

Принцип включения подобного ЭДП в измерительную цепь показан на рис. 3.11. Здесь перемещение сердечника приводит к изменению электрического импеданса системы катушек Z » Z₀ ± DZ, где составляющая DZ - характеризует изменение индуктивного сопротивления катушек. Синхронный детектор предназначен для выделения из усиленного сигнала компоненты пропорциональной непосредственно DZ. Промышленно выпускаемые индуктивные ЭДП, обладают линейной функцией преобразования в широком диапазоне перемещений: ± 0,1 ... ±200 мм, при e_нл = 0,5 ... 2% и чувствительности S = 10 ... 100 мВ/В мм.

Индуктивные ЭДП, как правило, содержат встроенный сердечник, однако известны схемы, в которых регистрируется изменение поля внешнего магнита. Нередко применяются магниторезистивные ЧЭ и ЧЭ на основе эффекта Холла. Так, например, ЭДП со встро­енными магнитами, работающий по принципу прерывания магнитного зазора между магнитом и ЧЭ, используется в качестве дискретного измерителя угла. Похожие датчики установлены в системах электронного зажигания автомобилей ВАЗ 2108 … 2110 (2AV54).

Во всех схемах ЭДП ЧЭ воспринимают изменение магнитного поля, поэтому они являются также из­ме­рителями индукции. (Промышленно выпускаются магнетометры с диапазонами измерения ± 2 … ± 2500 Гс).

Технические характеристики промышленных индуктивных ЭДП приведены в табл. 3.4. Обозначено: f_раб - частота внешнего магнитного поля.

Таблица 3.4. Примеры промышленных индуктивных ЭДП

Модель	Диапазон, мм (град)	Uп, В	Uвых, В	e, %	fраб, Гц	DT0	Размеры, мм
992АА08	0 … 1,4	9 … 30	± 1,8	± 1	3000	-25 … 80	Æ8´40,1
992АВ30	0 … 16	10 … 30	± 1,8	± 3	250	-25 … 80	Æ30´51,8
НМС 1501	(± 90)	1 … 25	14		5 106	-40 …125	микросхема

Примечания:

1. Датчики разработаны фирмой Honeywell, США,

2. Модель НМС 1501 содержит мостовую схему в виде 4-х плечного магниторезистивного ЧЭ.

Наиболее точные ЭДП строятся на базе индукционного подхода, в соответствии с которым магнитный контур образуют несколько катушек - первичных и вторичных, причем во вторичных индуцируется ЭДС индукции, величина которой про­порцио­нальна относительному положению кату­шек. Поэтому, индукционные ЭДП относятся к классу электрических машин и разделяются на шесть основных групп:

• дифференциальные трансформаторы,

• индукционные потенциометры и микро­сины,

• сельсины;

• резольверы (Р, называемые также вра­щаю­щимися транс­фор­маторами - ВТ);

• индуктосины (И);

• редусины (РД).

Сравнительные характеристики индукционных ЭДП приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Сравнительные характеристики некоторых индукционных ЭДП

Тип ЭДП	Диапазон мм, (град)	eнл	eнл	S, мВ/В мм (мВ/В град)
Дифференциальный трансфо­рматор	1 ...500 (+45о)	0,05 ... 1	0,01...0,05	1... 500 (1 ... 10)
Индукционный потенциометр	(120 ... 180о)	0,1 ... 0,5		(0,5 ... 20)
Микросин	(+10о)	0,5 ... 1		(100)
Сельсин	(360о)	0,05 ... 1		(10 ... 100)

В робототехнике и мехатронных системах чаще используются резольверы, индуктосины и редусины, главным образом, благодаря большей точности при полном диапазоне измерения (± 360⁰) и сравнительно небольших размерах. В дальнейшем ограничимся рассмотрением именно этих типов индукционных ЭДП.

В электрической машине выделяют две группы обмоток - первичные (активные) и вторичные (пассивные). Активные обмотки, называемые также обмотками возбуждения, подключаются к сети переменного тока. Наличие тока в обмотке электрической машины вы­зывает, в общем случае, следующие элек­тромагнитные эффекты:

• ЭДС самоиндукции в «активной» обмотке (за­кон Фарадея):

E₁ = - (dФ₁/dt) = - L (dI₁/dt)

• ЭДС индукции в «пассивных» обмотках:

E₂ = - (dФ₂₁/dt) = - M₂₁ (dI₁/dt).

Коэффициент взаимной индуктивности M₂₁, например, для трансформатора равен:

M₂₁ = N₁ N₂/ R_m, где ,

здесь N₁, N₂ - количество витков первичной и вторичной обмоток, R_m, l и $ - как и прежде магнитное сопротивление сердечника, длина и сечение проводника.

• Магнитодвижущую (намагничивающую) си­лу:

F = I N = Ф R_m,

Данное выражение получило название закона Ома для замкнутой магнитной цепи или формулы Гопкинсона. (Роль магнитного потока в магнитной цепи аналогична роли тока в электрической цепи).

• Магнитный момент p_m = I $ в замкнутом контуре или системе контуров (на­пример, соленоиде). Его направление совпадает с направлением магнитного поля.

Функционирование всех современных индукционных ЭДП основано на общих принципах. Поэтому, без потери общности, при анализе основных процессов, происходящих в электрической машине, ограничимся базовой структурой ЭДП этого типа - резольвером.