Датчик положения - многоотсчетныйиНдуКТОКОР Советский патент 1981 года по МПК H02K24/00 G01B7/30 

(54) ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ - МНОГООТСЧЕТНЫИ ИНДУКТОКОР

I

Изобретение относится к измерительной технике и электротехнике и может быть использовано в устройствах измерения перемещений подвижных узлов станков, машин и приборов.

В современном машиностроении и приборостроении для определения точного абсолютного углового положения поворотных узлов машин или приборов используются многоотсчетные датчики положения. Одним из наиболее распространенных датчиков этого типа является индуктивный датчик с печатными обмотками, получивший название «индуктосин 1.

Недостатками данных датчиков являются малая надежность и сложность съема выходного сигнала с ротора из-за необходимости применения контактного токосъема.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик положения, содержащий неподвижный и подвижный элементы с плоскими противолежащими поверхностями, снабженными печатными обмотками, выполненными в виде периодического .зигзага и объединенными в две группы по три обмотки в каждой, причем две обмотки группы сдвинуты одна относительно другой на 1/4 своего периода и размещены на одном элементе датчика, а третья обмотка группы расположена напротив указанных двух обмоток группы на другом элементе датчика, при этом обмотки первой и второй группы выполнены с разными периодами. Обмотки первой группы с малым периодом образуют канал точного отсчета, а второй группы с большим периодом - канал грубого отсчета 2.

Указанный датчик имеет ряд недостатков, одним из которых является сложность съема сигнала с ротора. Сигнал снимается либо при помощи кольцевых токоподводов и щеток, что снижает надежность и усложняет конструкцию датчика, либо с помощью кольцевых трансформаторов, первичные обмотки которых выполняются на подвижном элементе (роторе), а вторичные - на неподвижном элементе (статоре). Использование кольцевых трансформаторов также усложняет конструкцию и вследствие возникновения взаимных индуктивных связей между обмотками трансформаторов точного и грубого отсчета снижает точность датчика.

Другой недостаток датчика - ограниченная точность измерения, связанная с

3

ошибкой, возникающей во вторичном преобразователе сигнала. Известно, что в фазовых датчиках при изл:ерении фазы сигнала вторичным преобразователем, (фазометром) возникает погрешность. Очевидно, что при одной и той же относительной погрешности абсолютная погрешность тем меньше, чем меньше период изменения фазы сигнала. В индуктосине этот период равен периоду чгзага обмоток , и его уменьшение, к коорому стремятся в обмотках точного отсчета, ограничено технологическими возможностями изготовления печатных проводников.

Цель изобретения - повышение надежности и точности.

Поставленная цель достигается тем, что обмотки двух групп, размещенные на подвижном элементе, соединены последовательно в замкнутую цепь, а периоды обмоток первой и второй группы выполнены равными 4л/п + п 1 и 4л/п - п 1, где п и п i-целые, одновременные четные или нечетные числа, п П1. Датчик может быть снабжен также третьей группой обмоток, аналогичной первой и второй, выполненных с периодом, равным 435рп + П1-2пг, где п -произвольное целое число, , а на подвижном элементе его может быть размещено по одной или по две обмотки каждой группы, в последнем случае неподвижный элемент снабжен дополнительной обмоткой в первой группе.

На фиг. 1 изображен один из вариантов предлагаемого датчика; на фиг. 2 - датчик, установленный на поворотном столе; на фиг. 3 - схема обмоток датчика на фиг. 1; на фиг. 4 и 5 - функциональные схемы вариантов выполнения датчика.

Датчик содержит неподвижный элемент (статор) 1 и подвижный элемент (ротор) 2. Они выполнены в виде дисков, на плоской поверхности которых закреплены печатные обмотки, состоящие из радиально расположенных проводников. Проводники соединены последовательно для протекания тока в двух соседних проводниках в противоположном направлении, благодаря чему обмотки имеют вид периодического зигзага. Датчик содержит также обмотки 3 - 5 первой группы, например точного канала отсчета, период зигзага которых Ti выполнен равным -f + п .1, обмотки 6 - 8 второй группы, например грубого канала отсчета, с периодом зигзага Т 2, равным 4з1(/п - n-j. Обмотки 5 и 8 ротора соединены между собой последовательно в замкнутую цепь. Две обмотки одной и той же группы на статоре смещены между собой на 1/4 часть периода.

Обмотки статора 1 выполнены однослойными, секционированными. Секции различных обмоток чередуются, причем секции одной и той же обмотки соединены между собой с помощью проводного монтажа, проходящего по тыльной стороне ротора. В датчике имеются выводы 9-14 обмоток, крепежные отверстия 15 статора 1 и ротора 2.

Статор 1 крепится на неподвижной части поворотного устройства , например станине 16 поворотного стола, а ротор 2 - на подвижной его части (планшайбе) 17 таким образом, что ось вращения стола совпадает с осями вращения статора 1 и ротора 2, причем их печатные обмотки располагаются

ц непосредственно друг против друга, с зазором между ними, который в зависимости бт размеров датчика выбирается равным 0,05- 1,0 мм.

Крепление элементов датчика осуществляется с помощью винтов (не показаны}-,

проходящих сквозь отверстия 15. Станина 16 и планщайба 17 стола снабжены кольцевыми направляющими 18 с щариками 19. Ось вращения 20 планшайбы 17 совпадает с осями вращения ротора 2 и статора 1. В датчике установлены соединительные проVГ-Ч

вода 21.

Обмотки датчика yкpeпJJeны на основаниях ротора 2 и статора 1 с помощью связующего изолирующего слоя. Так как обмотки 3 и 4 расположены на одной кольцевой

5 поверхности, то они обозначены одной выносной линией. Аналогично обозначены обмотки 6 и 7. Обмотка 5 ротора расположена напротив обмоток 3 и 4 статора. Эти три обмотки составляют первую группу. Ко второй группе относятся обмотки 6 и 7 статора 1 и расположенная напротив них обмотка 8 ротора 2.

Так как числа п и n-i, на которые изменяются периоды сигналов первого варианта датчика, должны быть одновременно либо

5 четными, либо нечетными, то это налагает определенные ограничения на возможности применения этого варианта датчика. Как правило, число периодов сигнала точного отсчета на один оборот ротора должно быть выражено или в десятичной системе (п

k Ю), или в двоичной системе (п 2), или иметь градусный отсчет (п K-il80), где k-i, k, m и mi - целые числа, т. е. п должно быть четным. В то же время желательно, чтобы количество периодов сигнала

S грубого отсчета на оборот ротора равнялось единице (п 1). Указанные условия отсчета в предлагаемом варианте датчика не выполняются.

С целью получения сигнала, изменяю0 щегося на п 1 периодов за один оборот ротора 2 где п 2 целое число, не зависящее по четности от п и , предлагается вариант датчика, который в дополнение к расположенным на статоре и роторе группам обмоток снабжен третьей группой об моток, выполненных с периодом, равным:

т

(1)

3 а tri,-2rii

где знак перед п -( совпадает со знаком перед п 1 в выражении для периода обмоток первой группы.

Третья группа обмоток выполнена точно так же, как.и две первые группы. Она состоит из двух обмОтоК 22 и 23 на стато-ре 1-, смещенных между собой на 1/4 часть своего периода, и одной расположенной против них, обмотки 24 ротора 2, которая .соединена с расположенными на роторе 2 обмотками 5 и 8 первой и второй групп последовательно в замкнутую цепь. Позициями 25, 26, 27 обозначены выводы обмоток третьей группы.

В представленных двух вариантах датчика из трех обмоток, содержащихся в каждой группе, две расположены на статоре 1 и одна на роторе 2. Возможно создание датчика и с другим расположением обмоток: две обмотки каждой группы расположены на роторе 2 и смещены между собой на 1/4 часть своего периода, а на статоре 1 изготовлены по одной обмотке каждой группы и, в дополнение к ним, статор снабжен второй обмоткой 28 первой группы, которая смещена относительно первой обмотки 5 на 1/4 часть своего периода. Обмотки различных групп ротора 2 объединены между собой в замкнутую цепь. Обмотка 28 имеет выводы 29. Датчик может быть выполнен как круговым, таки линейным.

Коэффициенты взаимоиндукции Ml(i, у- номера обмоток) обмоток равны: Мз,5 -

Mv M«cosatJa|tb-j Мв,б , Мад-M cosot ;

I CO&4- --,

M43j24 ,где Mm,-максимальное значение взаимной

индуктивности;

(L - поворот ротора 2 в радианах. Запитав обмотки 3 и 4 соответственно токами:

1у I,cos«ot; 1, Г„,5{пс1)1,(2)

где ш - частота питания;

1„- амплитуда тока. На выводах обмотки 5 получаем ЭДС:

(.jr) ((wt .

Под действием Eg в обмотке 8 протекает ток:

- у. ..М о / ...+ -1. -i.tVtni

1 57 «M«cos (ot -t- л),

сопротивление каждой из обмоток 5

где г и 8.

Ток I g, в свою очередь, наводит ЭДС в обмотке 6:

ЕЬ-/И8,б 1 1 sm(u)t- ) X

xsin« СЗ)

Е, -Мад 3 Ь«Xsi( Ы)х

П-П|

X

и в обмотке 7:

J a ;n 4ifnrn - -(«t +

-f ).

(4)

Для получения необходимых сигналов поворачивают Eg на ± 90° и затем слагают полученную ЭДС с E:j. Такой поворот фазы сигнала одной из секционированных обмоток и суммирование с сигналом другой обмотки применяется в индуктосине при его работе в фазовом режиме и питании со стороны непрерывной обмотки.

Поворачиват Е 6 на 90° и слагая с Е,, получают:

Е )(4ut ),

(5)

90° и сложении

а при повороте Eg на с EY имеют: Ь

Е 1 (u)t + Ai,).(6)

Фаза указанных сигналов меняется так же, как и фаза сигналов точного и грубого каналов отсчета индуктосина. Для варианта датчика с тремя группами обмоток ЭДС на обмотках 22 и 23 равны

If uo-M sin ct ) sirv« :{T)

.M sinCi-tu Vos tli, (8)

где г - сопротивление каждой обмотки 5, 8 и 24.

Сигнал точного отсчета равен (5) при повороте ЕВ на + 90° и сложении с Е, а поворачивая -90° и слагая с , получают сигнал грубого отсчета:

Im

E i oo2M2,sin(tot + ofriz).

(9)

Причем,как от.мечалось выще, числа п и п. не зависят между собой по четности.

В предлагаемом варианте датчика имеется возможность получения еще двух отсчетов в дополнение к (5) и (9). Первый из них образуется при повороте Е в на - 90° и сложении с Et, а второй - при повороте

Е гг на + 90° и сложении с Ejj, что приводит к получению соответственно сигналов:

I

Ер (ot +Лп,);

(10)

Е «t -f d(n + п,) (II)

Сигналы (5) и (11) мало отличаются по,величине периода изменения своей фазы. поэтому целесообразно использовать один из них, тогда как периоды фаз сигналов (9) и (10) могут отличаться в несколько раз, что позволяет использовать их в практических целях для получения грубого и среднего отсчета. Соединение обмоток групп, размещенных на подвижном элементе датчика, последовательно в замкнутую цепь, а также выполнение групп обмоток с периодами 4ai/n + п, 4э«/п - п-1 и 4350п + п-| - 2п позволяет упростить и усовершенствовать токоподвод к обмоткам ротора и съем выходного сигнала, что повышает надежность и точность работы датчика. При выполнении периода обмоток равным периоду обмоток точного отсчета известного индуктосина. период изменения сигнала в предлагаемом датчике в два раза меньше, чем в известном, что позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую во вторичном преобразователе. Формула изобретения 1. Датчик положения - многоотсчетный индуктокор, содержащий неподвижный и подвижный элементы,с плоскими противолежащими поверхностями, снабженными печатными обмотками, выполненными в виде периодического зигзага и объединенными в две группы по три обмотки в каждой, причем две обмотки группьГ сдвинуты одна относительно другой на 1/4 своего периода и размещены на одном элементе датчика, а третья обмотка группы расположена напротив указанных двух обмоток группы на другом элементе датчика, при этом обмотки первой и второй группьГвыполнены с разными периодами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности, обмотки двух групп, размещенные на подвижном элементе, соединены последовательно в замкнутую цепь, а периоды обмоток первой и второй группы выполнены равными + п и 4э«/п -Пф где п и п. - целые, одновременно четные или нечетные числа, п Xii. 2.Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен третьей группой обмоток, аналогичной первой и второй, выполненных с периодом, равным 4л/п-Ь Пч-2пг, где Hi-произвольное целое число, Пх.п. 3.Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на подвижном элементе размещено по одной обмотке каждой группы. 4.Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на подвижном элементе размещены по две обмотки каждой группы, а неподвижный элемент снабжен дополнительной обмоткой в первой группе. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 392539, кл. Q 08 С 9/04, 1971. 2.Патент США № 2994051, кл. 336-115, 1957.

зл

16 6,7

IT З-г 57-,

3

JlfUlJ

mm

f/

21

лллЛЖ

Ж

пж

ш:

тпжмл

-I-. . J

П1 Г i

/f

7J

f

.Zf

Фиг. 4

Фиг. 5