3.1.2.4. Индуктосины

Среди ЭДП с электрической редукцией особое место занимают И - многополюсные Р с плоскими печатными обмотками. И был разработан для использования в специальных устройствах автоматики, однако получил широкое применение, и в настоящее время является самым перспективным прецизионным ЭДП. Сейчас, более 30% станков с ЧПУ оснащены И. По внешнему виду он представляет собой Р с увеличенным числом пар полюсов, статорные и роторные обмотки которого расположены в одной плоскости. Отсюда следует главное достоинство И - возможность тиражирования магнитопроводов при использовании одного комплекта фотошаблонов.

По виду входного сигнала И разделяют на две группы: линейные, и угловые (поворотные).

По своей конструкции И - это линейно развернутый многополюсный Р. Его обмотки выполнены на соосных изоляционных (обычно керамических) пластинах путем высокоточного химического травления. Такая технология обеспечивает одинаковые реактивные сопротивления в цепях. В угловых И обмотки располагаются на торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу и имеют вид радиального растра из плоских проводников. Воздушный зазор между дисками составляет ~ 0,1 ... 0,2 мм.

В простейших схемах первичная обмотка - статор имеет 2n проводников, последовательно соединенных на внутренней и внешней части диска с помощью лобовых шин. Вторичная обмотка - ротор имеет 2N групп проводников по 2r проводников в группе. Шаг между проводниками W на статоре и роторе обычно одинаков. Деление на группы необходимо для образования многофазной системы. Вторичная обмотка И, как правило, двухфазная (рис. 3.32).

Для двухфазных обмоток пространственные сдвиги групп должны составлять электрический угол 0⁰, 90⁰, 180⁰ … и т.д., что достигается их смещением на расстояние ~ ¼ W. Тогда, соединенные последовательно-встречно нечетные группы образуют первую фазу, четные - вторую. Следовательно, число секторов в фазе N должно быть четным.

Каждый проводник ротора соответствует полюсу, а совокупность двух дифференциально включенных про­водников устанавливает угловой или линейный шаг W. Так, ротор из 720 проводников (2n = 720), имеет угловой шаг . Следовательно, для поворотного И справедливо: W = 360⁰/n, где n - число пар проводников.

В линейных И статор получил название линейки, а ротор - скользящего нониуса. Шаг каждой из обмоток линейного И обычно не превышает 1мм.

Наиболее популярная схема включения И - схема фазовращателя в режиме с вращающимся магнитным полем. Обмотки нониуса запитываются двумя синусоидальными напряжениями U₁ и U₂, частотой 2 ... 20 Кгц, фазы напряжений в ОВ смещены друг относительно друга на угол p/2 радиан. При таких час­тотах емкостные сопротивления достаточно малы и обеспечивается необходимый уро­вень выходного сигнала. Заметим что на частотах свыше 10 Кгц обмотки И можно рассматривать как чисто активное сопротивление.

Имеем:

U₁ = E sin wt, U₂ = E sin (wt + p/2) = E cos wt.

Тогда в обмотке линейки индуцируется синусное напряжение U_вых, фаза которого линейно зависит от смещения сканирующей головки в пределах одного шага обмотки нониуса:

U _вых = k (U₁ cos 2p x/W + U₂ sin 2 px/W) = k E cos( wt - 2 px/W).

где x - смещение головки.

Функция преобразо­вания И (в пределах шага) имеет вид:

здесь j - фаза выходного напряжения. Следовательно, фаза j является линейной функцией перемещения х.

Для получения абсолютных значений перемещений в И также как и в других ЭДП используются двухотсчетные измерительные системы. При построении такой системы в канале ГО производится подсчет числа шагов с помощью реверсивного электронного счетчика, а непосредственное измерение осуществляется в пределах шага.

Для уменьшения погрешности преобразования, связанной с наличием в выходном сигнале гармонических составляющих высших порядков в И применяют специальные меры. Типичным решением является использование распределенных статорных обмоток, т.е. таких, у которых шаг статорной обмотки отличается от шага роторных. Также разрабатываются многослойные обмотки, которые позволяют наряду с увеличением точности поднять и мощность выходного сигнала. Каждый слой представляет собой однофазную бессекторную обмотку. Например, в четырехслойной схеме обмотки выполняют таким образом, чтобы фазовые сдвиги между слоями составляли электрический угол 0, 90, 180, и 270⁰. Двухфазная роторная обмотка получится при соответствующем соединении слоев. Так, соединенные дифференциально (встречно) внешний и внутренний слои образуют первую фазу, а средние - вторую.

Современные двухотсчетные линейные И имеют измерительную линейку длиной свыше 2500 мм. Погрешность таких систем достигает 10^-4 %. (Это соответствует абсолютной погрешности в 1 мкм при измерении перемещения в диапазоне 1 м).

Рассмотрим пример использования И в следящей системе (рис.3.33). Функцию формирования потока возбуждения выполняют роторные об­мотки. (Такое включение, из­ве­стно как схема с вра­щаю­щи­м­ся маг­нит­ным полем). Выходной си­г­нал И U_вых зависит от фазы измеряемого перемещения q:

U_вых = k U_{в max} sin (wt + q)

Исполнительная следящая си­стема включает силовой усилитель, двигатель со встроенным редуктором и датчик обратной связи на базе фазочувствительного выпря­ми­те­ля. Вал двигателя жестко связан с валом фазовращателя.

Один из входов фазочувствительного выпря­ми­те­ля питается непосре­дственно от задающего ге­нератора, на другой поступает сигнал, пропорциональный фазе U_вых. Следовательно, величина оши­бки DU будет зависеть от разности фаз двух сигналов (wt + q) и wt и окажется пропорциональной q.

И обладают наивысшей точностью по сравнению со всеми ранее рассмотренными ЭДП. Это обусловлено как технологическими особенностями таких ДПП, так и конструктивными решениями (использованием многослойных обмоток, значительным количеством полюсов, что, кроме прочего, «усредняет» отдельные погрешности, связанные с каждым полюсом и др.). В И достигнуты следующие метрологические показатели:

• для поворотных: разрешающая способность (аддитивная погрешность) D_a = ± 0,05”, воспроизводимость (повторяемость) = ± 0,1”, e ~ 0,00005% (D = ± 0,5” на диапазоне измерения 360⁰);

• для линейных: D_a = ± 0,1 мкм, воспроизводимость = ± 0,25 мкм, e ~ 0,0001% (D = ± 1 мкм на диапазоне измерения 1 м).

В таблице 3.10 приведены характеристики некоторых известных моделей И. D - абсолютная погрешность.

Таблица 3.10. Примеры промышленных И

Модель	Тип	Диапазон о, (м)	D, “, (мкм)	Æ, мм	l, мм	b, мм	W, о, (мм)
ПИКП1-А3	поворотный	0 ... 360	5	178	8		2
ПИЛП-Л	линейный	зависит от дли­ны линейки	13 (на дли­не 190 мм)		300	20	(2)
HDR-1	поворотный	0 ... 360	0,7	305 (12’’)			1
HDL-I	линейный	1 ... 5 (от 10’’)	1,5				2,54
IC512	поворотный	0 ... 360	1,5	302	19

Примечание.

1. Датчики модели HD разработаны фирмой Hei­denhain, Германия, количество полюсов - 2000.

2. Модель IC изготовлена фирмой Inductosyn Corp., США. Этот И имеет 512 полюсов.

Достоинствами И являются наивысшая из всех ЭДП точность измерений, высокая технологичность и малый вес. Недостатки те же, что и для всех ЭДП.