Преобразователь угол-фаза Советский патент 1980 года по МПК G01D5/20 

1

Изобретение относится к системам автоматического преобразования неэлектрических величин, например угла поворота в сдвиг фазы электрического сигнала.

Известен преобразователь угол-фаза, содержащий многополюсный синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), Синусная и косинусная входные обмотки которого подключены к источнику двухфазного напряжения 1.

Недостатком такого преобразователя, называемого двухфазным фазовращателем, является погрешность, обусловленная асимметрией двухфазного питающего напряжения, неравенством, коэффициентов трансформации и неортогональностью обмоток.

Наиболее близким техническим рещением к предложенному является преобразователь угол-фаза, содержащий многополюсный СКВТ, синусная и косинуснаявходные обмотки которого подключены к источнику двухфазного напряжения, а синусная и косинусная выходные обмотки выполнены из секций. Один вывод каждой секции синусной выходной обмотки соединен с первым входом соответствующего стабилизатора напряжения, один вывод каждой секции косинусной выходной обмотки соединен с общей шиной. К вторым входа.м стабилизаторов напряжения подключен выход задатчика уровня напряжения, выходы стабилизаторов соединены последовательно 2.

Недостаток этого устройства состоит в сравнительно невысокой точности преобразования.

Цель изобретения - повышение точности преобразователя угол-фаза.

Поставленная цель достигается за счет того, что в преобразователь угол-фаза введены RC-цепи, одни концы конденсатора и резистора каждой RC-цепи подключены к выводам соответствующей секции синусной выходной обмотки, другие концы - к выводам соответствующей секции косинусной выходной обмотки.

На фиг. 1 показана схема обмоток; на фиг. 2 - структурная схема преобразователя; на фиг. 3 и 4 - векторные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Предложенный преобразователь угол-фаза содержит ротор 1, статор 2 (фиг. 1). На роторе размещены входные синусная обмотка с выводами 3, 4 и косинусная обмотка с выводами 5, 6, схематически представленные в виде меандров, радиальные участки которых представляют собой активные участки обмотки, уложенные, например., в пазы магнитопровода (не показаны). На статоре размещена синусная многополюсная обмотка, выполненная из п отдельных секций (на фиг. 1 и 2 из четырех секций) с соответствующими внещними выводами 7-14 и косинусная многополюсная обмотка, также выполненная из п секций с внещними выводами 15-22. К смежным секциям выходных синусной и косинусной обмоток статора 2 (фиг. 2) подключено п RC-цепей (на фиг. 2 показаны четыре цепи), первая из которых составлена из конденсатора 23 и резистора 24, вторая - из конденсатора 25 и резистора 26, третья - из конденсатора 27 и резистора 28 и четвертая - из конденсатора 29 и резистора 30. При этом конденсаторы и резисторы образуют с секциями синусной и косинусной обмоток мостовые схемы, одна из диагоналей которых образует выходы RC-цепей. Входные синусная и косинусная обмотки ротора 1 (выводы 3-6) подключены к источнику 31 двухфазного напряжения. Выходы RC-цепей подключены к первым входам стабилизаторов напряжения 32-35, ко вторым входам которых подключен выход задатчика 36 уровня стабилизируемого напряжения. Выходы всех стабилизаторов соединены последовательно и образуют выход преобразователя угол-фаза.

При подаче двухфазного напряжения на обмотки ротора 1 в воздушном зазоре между ротором и статором образуется вращающееся магнитное поле. При этом с секций выходной синусной обмотки статора снимается напряжение, фаза которого ф sin при идеальном выполнении преобразователя, равенстве и ортгональности составляющих двухфазного питающего напряжения изменяется по закону

р sin « р,

где а - угол поворота ротора, р - число пар полюсов обмотки ротора (коэффициент электрической редукции преобразователя, для фиг. 1 р 16).

С секции выходной косинусной обмотки статора снимается напряжение, фаза которого fcos изменяется по закону

Ч cos ар +

На фиг. 3 а векторами ОА и и ОВ обозначены соответственно выходные напряжения секций синусной и косинусной выходных обмоток для частного значения OL Суммарное выходное напряжение при после- довательном соединении смежных секций обмоток представлено вектором ОС . Для реального преобразователя угол-фаза вследствие неравенства и неортогональности составляющих питающего двухфазного напряжения, неравенства коэффициентов трансформации и неортогональности обмоток выходные напряжения секций синусной и косинусной обмоток, обозначенные векторами ОА и ОВ, сдвигаются на, равные, но противоположные по знаку углы Лфди Афв, при этом амплитуды данных напряжений оказываются неравными (ОВ ОА). Суммарное напряжение, обозначенное вектором ОС, в этом случае оказывается сдвинутым по фазе относительно идеального вектора ОС на величину погрешности Дфс, которая изменяется 2р раз при повороте ротора на угол а 2 я. Однако, если векторы ОА и ОВ сложить, предварительно повернув их соответственно на углы -5и - (фиг. 36), то погрешность сдвига по фазе Д«р суммарного напряжения, обозначенного вектором ОС , относительно идеального вектора будет по сравнению с погрещностью Д рс5величиной второго порядка малости (Aqi(. Д(() при малых исходных углах Дф,,и Дф.Таким образом практически исключается зависящая от угла поворота ротора погрешность, обусловленная несимметрией обмоток и питающего двухфазного напряжения. Поворот векторов на

углы - и - и суммирование произвоА Д

дится с помощью RC-цепи.

На фиг. 4а проиллюстрирована причина появления длиннопериодной погрешности преобразователя. Векторы ОС , и ОСа двух

суммированных с помощью RC-цепей напряжений диаметрально противоположных секций выходных обмоток (например, обмоток с выводами 7, 8 и 15, 16 и 11, 12, 19, 20) сдвинуты на одинаковые, но противоположные по знаку углы Дф1 и Дq)l.

Данные фазовые сдвиги обусловлены, например, неравномерностью нанесения полюсов обмоток ротора вследствие эксцентриситета, допущенного при установке заготовки ротора на станок для нарезания щлицов магнитопровода. При равномерном воздущном зазоре между ротором и статором суммирование векторов ОСг.определяет идеальное положение вектора ОСз выходного напряжения. Это положение соответствует также условию ф1 cpj. О, когда полюса нанесены равномерно. Смещение статора, например, из-за эксцентриситета установки приводит к тому, что воздушный зазор в месте расположения обмоток с .выводами 7, 8; 15, 16 увеличивается, а в

месте расположения обмоток с выводами 11, 12, 19, 20 уменьщается. Вследствие этого вектор ОС , уменьшается до ОС, а вектор ОС2 увеличивается до ОСг,. Суммирование таких векторов дает вектор ОСд, который сдвинут относительно идеального вектора

ОСj на величину погрешности ДРз . изменяющейся с периодом оборота ротора.

На рис. 46 показана векторная диаграмма, иллюстрирующая действие стабилизаторов напряжед1ия 32 и 34, стабилизирующих векторы напряжений ОС i и OCj на одинаковом заданном от задатчика уровне ОС ОС i. При этом суммирование их путем последовательного соединения выходов стабилизаторов дает вектор ОС 5, совпадающий с идеальным вектором ОС з, т. е. для данного случая Д(р 0.

Степень компенсации длиннопериодной погрешности зависит от принятого числа п секций обмоток преобразователя. Так, при п 4 длиннопериодная погрешность уменьшается в 5 раз, при п 6 - в 10 раз, при п 8 - в 20 раз. Таким образом, для эффективного снижения длиннопериодной погрешности на практике достаточно пользоваться числом п 6. Например, современные многополюсные преобразователи угол-фаза обладают длиннопериодной погрешностью 5 угл. сек, при дефектах изготовления и монтажа порядка 0,01 мм. При использовании предложенной схемы с п- 6 их длиннопериодная погрешность будет составлять 0,5 угл.сек. Использование п 4-8 нецелесообразно, так как приводит к усложнению схемы ввиду увеличения числа RC-цепей стабилизаторов напряжения и выводных концов обмоток. Существенным преимуществом предложенного преобразователя угол-фаза является также уменьшение погрешностей, обусловленных нерабочими смещениями ротора и статора вследствие деформации объекта, в котором установлен преобразователь. Это повышает стабильность работы преобразователя.

В качестве стабилизаторов напряжения могут быть использованы, например, усилители с регулируемым от источника (задатчика) постоянного напряжения коэффициентом усиления.

Таким образом, предложенный преобразователь угол-фаза позволяет на порядок уменьшить одну из определяющих погрешностей многополюсных преобразователей угла поворота вала - длиннопериодную погрешность, обусловленную дефектами изготовления, монтажа и нерабочими смещениями в процессе эксплуатации. Выходная информация преобразователя представлена фазовым сдвигом выходного напряжения, пропорциональным углу поворота ротора к коэффициенту электрической редукции, что позволяет применить для кодирования угла поворота стандартные частотомеры в режиме измерения временного интервала.

Формула изобретения

10

Преобразователь угол-фаза, содержащий многополюсный синусно-косинусный вращающийся трансформатор, синусная и косинусная входные обмотки которого подключены к источнику двухфазного напряжения, а синусная и косинусная выходные обмотки выполнены из секций, один вывод каждой секции синусной выходной обмотки соединен с первым входом соответствующего стабилизатора напряжения, один выход каждой секции косинусной выходной обмотки соединен с общей шиной, ко вторым входам стабилизаторов напряжения подключен выход задатчика уровня напряжения, выходы стабилизаторов напряжения соединены последовательно, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены RC-цепи, одни концы конденсатора и резистора каждой RC-цепи подключены к выводам соответствующей секции синусной выходной обмотки, другие концы - к выводам соответствующей секции КОСИНУСНОЙ вь ходной обмотки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Ахметжанов А. А. Высокоточные системы передачи угла автоматических устройств. М., «Энергия 1975, с. 67-68.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2539816/18-24 от 28.10.77, по которой принято положительное решение (прототип).

19 li W fO

Фиг.Ь

.0

игЛ