Абсолютный датчик угла поворота
Владельцы патента RU 2436037:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала электродвигателя. Технический результат - повышение радиационной стойкости упрощение схемы обработки сигнала. Сущность изобретения заключается в том, что абсолютный датчик угла поворота, включающий магнитную систему, связанную с вращающимся валом, считывающее устройство, содержащее чувствительные элементы и схему обработки сигнала, установленное с зазором относительно магнитной системы, магнитная система выполнена в виде кодирующего магнитного диска, содержащего концентрично расположенные дорожки с магнитными элементами, которые смонтированы в соответствии с кодом Грея, причем одна часть магнитных элементов сдвинута к наружной половине, а другая - к внутренней половине дорожек, а чувствительные элементы представляют линейку из магниторезистивных чувствительных элементов, которые выполнены в виде мостов Уинстона с коллинеарно расположенными магниторезистивными полосками с осью легкого намагничивания вдоль их длинной стороны, причем плечи моста пространственно разнесены так, что два противолежащих плеча моста противостоят магнитным элементам наружной половины дорожки, а два других противолежащих плеча - магнитным элементам внутренней половины дорожки. 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала электродвигателя.
Известны датчики фирмы Honeywell, в которых в качестве считывающего устройства используются магниторезистивные чувствительные элементы типа НМС 1501 и НМС 1512 (application note AN 211, Honeywell, Solid State Electronics Center, www.magneticsensor.com).
Недостатками таких датчиков являются сложность схемы обработки сигнала и необходимость использования датчика Холла, обладающего низкой радиационной стойкостью.
Известны абсолютные энкодеры фирмы SICK серии ARS 60 и ATM 60 ATM 90 (www.stegmann.com), в которых используется кодирующий диск в сочетании с оптической и магниторезистивной технологиями и технологией зубчатых передач. Информация с кодирующего диска легко преобразуется в цифровую форму, но устройство такого энкодера достаточно сложное, содержит большое количество трущихся деталей, имеет ограниченный температурный диапазон и число оборотов, а чувствительные элементы - фототранзисторы и датчики Холла - не имеют радиационной стойкости.
Известен также бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в 360°, описанный в патенте РФ №2312363 С1 от 31.01.2006, взятый нами за прототип. Датчик состоит из двух механически не взаимосвязанных и изолированных друг от друга частей с постоянным воздушным зазором в пространстве между ними, одной частью является роторный узел, другая часть представляет собой статор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, представляющих через контактный интерфейс информацию об угловом положении ротора с магнитом. Информация обрабатывается с использованием функции арктангенса сигналов интегрированного крестообразного массива планарных элементов Холла, чувствительных к градиенту компонентов рабочего магнитного поля.
Недостатками таких датчиков, использующих в качестве чувствительного элемента (считывающего устройства) датчики Холла, являются низкая чувствительность к магнитному полю, высокая чувствительность к температурным воздействиям, низкая радиационная стойкость и сложность схемы обработки сигнала, связанная с переводом аналогового сигнала в цифровую форму.
Техническим результатом изобретения является создание радиационностойкого абсолютного датчика угла поворота, обладающего помехозащищенностью, повышенной чувствительностью и более простой схемой обработки сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в абсолютном датчике угла поворота, включающем магнитную систему, связанную с вращающимся валом, считывающее устройство, содержащее чувствительные элементы и схему обработки сигнала, установленное с зазором относительно магнитной системы, магнитная система выполнена в виде кодирующего магнитного диска, содержащего концентрично расположенные дорожки с магнитными элементами, которые смонтированы в соответствии с кодом Грея, причем одна часть магнитных элементов сдвинута к наружной половине, а другая - к внутренней половине дорожек, а чувствительные элементы представляют линейку из магниторезистивных чувствительных элементов (МРЧЭ), которые выполнены в виде мостов Уинстона с коллинеарно расположенными магниторезистивными полосками с осью легкого намагничивания вдоль их длинной стороны, причем плечи моста пространственно разнесены так, что два противолежащих плеча моста противостоят магнитным элементам наружной половины дорожки, а два других противолежащих плеча - магнитным элементам внутренней половины дорожки.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в абсолютном датчике угла поворота формируется разнополюсный выходной сигнал вследствие пространственного разнесения плеч моста Уинстона и раздельного воздействия на них полями магнитных элементов в строго определенной последовательности (код Грея). Эта последовательность обеспечивается воздействием кодирующего магнитного диска либо на одну половину моста Уинстона (активная единица), либо на вторую - (активный нуль) независимо от знака магнитного поля, но в направлении, перпендикулярном ОЛН и протекающему сенсорному току, что обеспечивает максимальное изменение значения сопротивления в двух плечах моста Уинстона (анизотропный магниторезистивный эффект (AMP эффект).
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлены фрагменты кодирующих дисков 1а - оптического, используемого в аналогах и 1б - магнитного диска с кодом Грея, где:
1 - дорожки, расположенные концентрично относительно центра диска;
2 - наружная половина дорожки магнитного кодирующего диска;
3 - внутренняя половина дорожки магнитного кодирующего диска;
4 - магнитные элементы.
На фиг. 2 показана топология моста Уинстона по известной схеме соединения его плеч (фиг.2а) и предлагаемая схема соединений (фиг.2б), где:
5 - плечо моста Уинстона (выделено);
6 - магниторезистивные полоски, из которых формируются плечи моста Уинстона;
a, b, c, d - условное обозначение плеч моста Уинстона;
ОЛН - ось легкого намагничивания.
На фиг. 3 показано взаимное положение МРЧЭ и кодирующего магнитного диска, где на фиг.3а показана линейка из 8 МРЧЭ, а на фиг.3б - выходной сигнал.
2 - наружная половина дорожки магнитного кодирующего диска;
3 - внутренняя половина дорожки магнитного кодирующего диска;
4 - магнитные элементы;
7 - линейка из восьми МРЧЭ.
Каждая дорожка 1 разделена пополам на наружную 2 и внутреннюю 3 части и снабжена 4 так, что темной части оптического диска соответствуют магнитные элементы 4, смонтированные на наружной половине дорожек, а светлой части оптического диска - магнитные элементы 4, смонтированные на внутренней половине дорожек.
Абсолютный датчик угла поворота содержит смонтированный на вращающемся валу кодирующий магнитный диск фиг.1б, с восемью дорожками 1, расположенными концентрично относительно центра диска (количество дорожек может быть и другим, что определяется требованиями к точности определения угла поворота и размерами диска). Каждая дорожка 1 разделена пополам на наружную 2 и внутреннюю 3 части и снабжена магнитными элементами 4 так, что темной части оптического диска фиг.1а соответствуют магнитные элементы 4 фиг.1б, смонтированные на наружной части дорожек, а светлой части оптического диска фиг.1a - магнитные элементы 4 фиг.1б, смонтированные на внутренней половине дорожек.
В качестве магниторезистивного чувствительного элемента используется мост Уинстона (фиг.2), состоящий из четырех плеч 5 с магниторезистивными полосками 6, объединенными в меандр. ОЛН индуцируется магнитным полем при напылении магниторезистивной пленки и направлена вдоль полосок 6. Все полоски коллинеарны друг другу.
Топология моста Уинстона такова, что противоположные по электрической схеме плечи моста Уинстона попарно расположены рядом и пространственно разнесены так, что два плеча моста Уинстона противостоят магнитным элементам 4 наружной половины 7 дорожки, а два других - внутренней половины 8 дорожки (фиг.3а).
На фиг. 3а показана линейка 9 из восьми магниторезистивных чувствительных элементов, расположенная над кодирующим магнитным диском, а на фигуре 3б - выходной сигнал для данного положения линейки относительно кодирующего магнитного диска.
Работа абсолютного датчика угла поворота происходит следующим образом.
При подаче питания при неподвижном кодирующем магнитном диске магнитные элементы воздействуют на одну (ас) либо на другую (bd) половину мостов Уинстона (фиг.2б), вследствие чего меняется сопротивление, и в диагонали (out) появляются выходные сигналы либо положительного, либо отрицательного значения, как показано на фиг.36, для положения, представленного на фиг.3а. После усиления положительные сигналы идентифицируются с единицей, а отрицательные - с нулем. Так, на фиг.3а мы имеем следующий код: 11011010.
Предлагаемый энкодер надежно работает при воздействии магнитного поля с частотой до 400 кГц (например, при вращении вала электродвигателя при скорости ~30000°/с частота срабатывания составит всего 3 кГц).
Таким образом осуществляется принцип действия абсолютного датчика - определение положения вала не только при его вращении, но и в неподвижном состоянии.
Высокая радиационная стойкость магниторезистивных чувствительных элементов и кодирующего магнитного диска обеспечивается применяемыми для их изготовления материалами.
Для восьмидорожечного кодирующего магнитного диска мы имеем код из 8 цифр, а выходной сигнал будет содержать 256 разных комбинаций, что будет соответствовать разрешению 1,4°. При вращении эти комбинации будут последовательно изменяться и отображать положение вала с точностью 1,4°. Для повышения точности может быть использован кодирующий магнитный диск с большим числом дорожек, что обеспечит разрешение менее 1°.
В связи с малыми размерами моста при одновременном воздействии «протяженной» электромагнитной помехи на все плечи моста, изменение выходного сигнала не происходит. В случае узконаправленной помехи возможно использование МРЧЭ с разной чувствительностью. Для помехи величиной менее 8 мТл могут использоваться магниторезистивные элементы на основе пленок из сплава 83% Ni - 17% Fe, а для помехи до 20 мТл - из сплава 65% Ni - 15% Fe - 20% Со. В этом случае уровень выходного сигнала будет превышать сигнал от помехи, который может быть отфильтрован.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет создать радиационностойкий абсолютный датчик угла поворота с малыми размерами, с компенсацией электрических и магнитных помех, обеспечивающий получение выходных сигналов, идентифицируемых как с активной единицей, так и с активным нулем.
Абсолютный датчик угла поворота, включающий магнитную систему, связанную с вращающимся валом, считывающее устройство, содержащее чувствительные элементы и схему обработки сигнала, установленное с зазором относительно магнитной системы, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде кодирующего магнитного диска, содержащего концентрично расположенные дорожки с магнитными элементами, которые смонтированы в соответствии с кодом Грея, причем одна часть магнитных элементов сдвинута к наружной половине, а другая - к внутренней половине дорожек, а чувствительные элементы представляют линейку из магниторезистивных чувствительных элементов, которые выполнены в виде мостов Уинстона с коллинеарно расположенными магниторезистивными полосками с осью легкого намагничивания вдоль их длинной стороны, причем плечи моста пространственно разнесены так, что два противолежащих плеча моста противостоят магнитным элементам наружной половины дорожки, а два других противолежащих плеча - магнитным элементам внутренней половины дорожки.
