3.1.2.2. Растровые электромагнитные датчики положения

Системы, использующие растровые сопряжения широко распространены в прецизионных средствах измерения линейных и угловых перемещений. Первоначально, растры разрабатывались применительно к различным оптическим системам для модуляции светового потока. Оптический растр представлял собой некоторую периодическую структуру, обладающую различной пропускающей или отражающей способностью. Позже данный подход нашел применение и в магнитных системах, с той лишь разницей, что растровое сопряжение модулировало магнитный поток. Аналогом различной пропускающей способности в оптическом растре служит различное магнитное сопротивление - в магнитном. Самым известным решением, позволяющим формировать магнитные растры, стало использование зубцовых сопряжений. В этом случае, тип растрового сопряжения зависит от формы, количества зубцов статора Z_с и ротора Z_р, а также их взаимного расположения. Именно по этому принципу построены бесконтактные растровые ЭДП (РЭДП), широко используемые в качестве датчиков линейных и угловых перемещений в системах управления станков.

Наиболее известны зубцовые растры двух типов: нониусные и комбинационные (муаровые).

В общем случае, нониусное сопряжение - это совокупность двух шкал с различной ценой деления, одна из которых смещается относительно другой в процессе измерения. Эффективность таких систем обусловлена тем, что дискретность преобразования определяется не ценой деления шкал, а их нониусным соотношением. (Приме­ром нониусных сопряжений являются шкалы штангенциркуля и микрометра). Цена деления нониусной шкалы а_н связана с ценой деления опорной шкалы а₀ зависимостью вида:

а_н = а₀ g ± С

здесь С - значение дискретности нониуса, g - модуль нониусной шкалы.

Для получения подобных сопряжений статор и ротор РЭДП делают с различным количеством зубцов. Системы этого типа используются при построении измерителей линейных перемещений.

В муаровом сопряжении растров деления шкалы формируются не отдельными зубцами статора и ротора, а их совокупностью, так называемой, комбинационной полосой. При этом, как правило, шаг и количество зубцов статора и ротора одинаково, а сами зубцы располагаются под углом друг к другу. Муаровое сопряжение применяют в измерителях угла.

В обеих схемах измерительный сигнал снимается с обмоток считывания, которые, как и обмотки возбуждения, расположены в проточках статора. Таким образом, в конструкции РЭДП отсутствует щеточный узел.

В зависимости от типа преобразователя (линейный или угловой) в РЭДП используются разные комбинационные сопряжения. Для измерителей линейных перемещений: параллельные и сеточные, для измерителей углов: кольцевые, радиальные и спиральные.

В основе работы РЭДП лежит принцип периодического изменения магнитной проводимости m участков магнитной цепи, образованной статором, ротором и воздушным зазором между их зубцами при перемещении ротора относительно статора. Магнитная проницаемость зависит от площади взаимного перекрытия зубцов. В простых угловых РЭДП один период изменения выходного напряжения соответствует одному обороту ротора; в более точных схемах применяется электрическая редукция.

Наиболее известное комбинационное сопряжение в линейных РЭДП образуется двумя параллельными растрами. Разрешающую способность в таких датчиках достигает ~ 0,01 мм.

ВРЭДП обычно используются секционные обмотки возбуждения (ОВ) и считывания (ОС). Так, если РЭДП содержит несколько ОС, то, аналогично многополюсному Р фазы выходных напряжений будут сдвинуты друг относительно друга на уголb, зависящий от числа обмоток n и расстояния между ними r, причем

r = g_c/n tg Dj,

где Dj - угол наклона зубцов ротора относительно зубцов статора, g_c - зубцовый шаг статора, g_c = 1/Z_с

Один из видов развертки сопрягаемых поверхностей стато­ра и ротора, описанный в [ ] имеет вид, представленный на рис. 3.28. Заштрихованными показаны участки взаимного перекрытия зубцов статора и ротора. В данной конструкции ОВ и ОС разбиты на четыре секции каждая. Магнитный зазор, развиваемый секциями ОВ 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 замыкается между статором и ротором через зубцовый зазор, пересекая ОС 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 и наводит в них ЭДС, смещенные друг относительно друга на угол b = 90^о. Изменяя такие параметры датчика как Z_с и Z_р, n и Dj можно изменить разрешающую способность датчика и форму выходного сигнала.

Фаза выходного сигнала с каждой ОС вращается относительно опо­рного напряжения ОВ синхронно с поворотом ротора РЭДП на угол q. Как и в схемах Р имеем:

U_вых = k_R U_{в max} sin (wt - y),

Здесь U_в - напряжение ОВ, k_R - конструктивный параметр РЭДП, y » q.

При соединении ОС между собой фаза U_вых оказывается связанной с фазой поворота ротора q соотношением: y »4 q.

На рис. 3.29 представлен пример РЭДП комбинационного типа. В датчике используется сопря­жение спирального (по спирали Архимеда) и кольцевого растров [ ]. Датчик состоит из статора, на торцевой поверхности которого выполнены кольцевые проточки 1 и радиальные пазы с угловым шагом 90⁰, в которые уложены 4 секции ОВ 2 и ОС 3, выполненные в виде секторов. Ротор 4 представляет собой ферромагнитный диск, жестко закрепленный на оси 5 и вращающийся в подшипниках качения 6. На торцевой поверхности диска выполнена проточка в виде спирали Архимеда, ширина проточки равна половине шага спирали.

Принцип действия РЭДП основан на том, что магнитный поток, развиваемый ОВ, замыкается через зубцовый зазор и наводит ЭДС в ОС. При повороте ротора происходит периодическое изменение проводимости участков сопряжения статор - ротор, охваченных ОС 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 путем изменения площади взаимного перекрытия спиральных и кольцевых выступов ротора и статора (они заштрихованы).