Датчик перемещений

 

Союз Советских

-- Сооциалистических

Республик

О П И С А Н И Е >817893

ИЗОБУЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01.06.78 (21) 2624682/24-07 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М.К .

Н 02 К 24/00

G08C 9/04

Генудлретнннный кнмнтет

СССР (53) УДК 621.313.. 17 (088.8) аю делам нзабретеннй н нткрытнй

Опубликовано 30.03.81. Бюллетень № 12

Дата опубликования описания 31.03.81

71) Заявитель (54) ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

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

В современном машиностроении и приборостроении для определения точного углового положения поворотных узлов машин, станков и . приборов широко используются индуктивные датчики с печатными обмотками, получившие название индуктосин; Датчик этого типа содержит статор- и ротор- 1о элементы, на которых расположены плоские печатные обмотки, выполненные в виде периодического зигзага. На одном из элементов, как правило на статоре, расположены две обмотки, которые сдвинуты между собой на 1/4 часть периода, а на другом элементе. 5 размещены одна обмотка или две, также сдвинутые между собой на 1/4 часть периода (1).

Одним из недостатков датчиков этого типа является погрешность, которая возникает при перекосах во взаимном располо- . жении обмоток ротора и статора. Эти перекосы, выражающиеся в радиальном биении обмоток относительно оси вращения ротора и торцовых перекосах обмоток относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения, возникают при изготовлении датчика и его установке в корпусе или оборудовании.

Максимальные величины переменной . и постоянной составляющей погрешности при торцовых и осевых биениях обмоток определяются Ч.„= «Я(»А» аМ J где P — число пар полюсов;

R — средний радиус обмотки;

Е, и Ei — эксцентриситет геометрического центра обмоток соответственно статора и ротора относительно оси вращения ротора;

6», оа — максимальные переносы обмоток соответственно статора и ротора относительно плоскостей, проведенных перпендикулярно оси вращения, измеренные на расстоянии

R от оси вращения.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик перемещений, содержащий дисковые статор и ротор с печатными обмотками, выполненными в виде периодического

817893

3 зигзага и объединенными в две группы с разными периодами в каждой из групп, группы обмоток смещены друг относительно друга в радиальном направлении, первая из групп состоит из двух смещенных относительно друг друга на 1/4 периода обмоток статора и размещенных напротив них обмоток ротора, а вторая группа — из расположенных напротив друг друга обмоток на статоре и на роторе, обмотки ротора второй группы подключены параллельно обмоткам ротора первой группы (2).

Одним из недостатков этого датчика является погрешность, возникающая при радиальных и торцовых перекосах обмоток ротора и статора, которая определяется теми же выражениями, что и для индуктосина.

Цель изобретения — уменьшение погрешности, возникающей при радиальных и торцовых перекосах обмоток ротора и статора.

Указанная цель достигается тем, что обмотки ротора выполнены в виде одинаковых секций, равномерно распределенных по окружности ротора, при этом параллельно, включены каждая пара из диаметрально расположенных секций обмоток первой и второй групп.

На фиг. 1 изображен один из вариантов датчика; на фиг. 2 — датчик, установленный на поворотном столе; на фиг. 3 — схема обмоток датчика, изображенного на фиг. 1; на фиг. 4 — схема обмоток датчика, установленных с перекосом.

Датчик содержит неподвижный элемент (статор) 1 и подвижный элемент (ротор) 2.

Они выполнены в виде дисков, на плоской поверхности которых укреплены 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. Период зигзага обмоток первой группы 3 — 5 равен Т, обмоток второй группы 6 — 9 — Т . Все обмотки выполнены однослойными, а каждые две обмотки одной и той же группы, расположенные на одном элементе, роторе 2 или статоре 1, смещены между собой на

1/4 часть своего периода.

Обмотки 3 с длиной проводников 3 и 7 с длиной проводников 1 статора 1 выполнены непрерывными, а обмотка 6 с длиной проводников каждой части ее состоит из двух кольцевых частей, которые оХватывают обмотку 7 с внешней и внутренней стороны, и соединены между собой последовательно при помощи проводного монтажа, проходящего по тыльной стороне статора 1.

Обмотка 3 снабжена двумя кольцевыми проводниками 10, служащими для компенсации контурных токов, т. е. токов, наводимых в соединительных проводниках.

Обмотки 4, 5, 8 и 9 ротора 2 выполнены из отдельных секций, гальванически не связанных между собой в пределах одной обмотки. Количество секций во всех обмотках одинаково, и секции различных обмоток 4 и 5 и 8 и 9 между собой чередуются. Каждой секции обмоток 4 и 5 первой группы соответствует диаметрально противоположная секция обмоток 8 и 9 второй группы. Эти секции соединены между собой попарно в коротко замкнутые цепи (например, секции

1о обмотки 4 — с секциями обмотки 8, а секции обмотки 5 — с секциями обмотки 9) с помощью проводного монтажа 11, проходящего по тыльной стороне ротора 2. Обмотки статора 1 имеют выводы 12 — 14, а статор 1 и ротор 2 — крепежные отверс15 тия 15.

Статор 1 крепится на неподвижной части поворотного устройства, например станине 16 поворотного стола, а ротор 2 — на подвижной части (планшайбе) 17 таким

zo образом, что ось 18 вращения стола совпадает с осями вращения статора 1 и ротора 2, причем их печатные обмотки располагаются непосредственно друг против друга с зазором между ними, который в зависимости от размеров датчика выбирается равным

0,05 — 1,0 мм. Крепление элементов датчика осуществляется с помощью винтов (не показано), проходящих сквозь отверстия 15.

Станина 16 и планшайба 17 стола снабжены кольцевыми направляющими 19 с шариказо ми 20.

Обмотки датчика укреплены на основаниях статора 1 и ротора 2 с помощью связующего изолирующего слоя (не показан). Так как обмотки 4 и 5 расположены на одной кольцевой поверхности, они обозна35 чены и одной выносной линией (фиг. 2).

Аналогично обозначение обмоток 8 и 9. Обмотки 4 и 5 ротора 2 расположены над обмоткой 3 статора. Эти три обмотки составляют первую группу. Ко второй группе относятся обмотки 8 и 9 ротора и располо40 женные против них обмотки 6 и 7 статора.

При фазовом режиме работы датчика обмотки 6 и 7 статора 1 запитывают синусоидальными токами, смещенными между

45 собой на 90 . При этом в обмотках 8 и 9 ротора 2 наводится ЭДС и по соединенным с ними обмоткам 4 и 5 протекают токи, которые, в свою очередь, наводят в обмотке 3 статора 1 ЭДС, используемую для измерения перемещений.

so Схема расположения обмоток датчика (фиг. 3) включает кольцевые обмотки 3, 6 и 7 статора 1 и 4, 5, 8 и 9 ротора 2, которые развернуты в линейные, причем печатные проводники изображены в виде линий, проведенных по их осям, и каждая из обмоток 4, 5 5, 8 и 9 представлена одной из своих секций.

Обе части обмотки 6 изображены как единое целое — обмоткой, имеющей проводники суммарной длины (а обмотки ротора 2

817893

5 имеют направление перемещения ц .Стрелками обозначено направление тока в обмотках, принятое за положительное. Mgp, М, М g, М э, М М вЂ” коэффициенты взаимоиндукции соответственно обмотки 6 и секции обмотки 8, обмотки 7 и секции обмотки 8 и т. д. В отсутствие перекосов при перемещении ротора они меняются по синусоидальным законам амплитудой о ной и той же группы. 0 — центр вращения ротора, 0 и 0 — герметические центры обмоток соответственно статора и ротора.

R q — средний радиус обмотки 3 статора 1, R q — средний радиус обмоток 6 и 7 ста5 тора 1.

При наличии эксцентриситетов имеют место изменения во взаимном положении проводников ротора и статора. Проводники сдвигаются друг относительно друга в радиальном направлении, имеет место взаимный угловой сдвиг, переменный по окружности. Кроме того, так как обмотки установлены с перекосом относительно плоскости, перпендикулярной оси .вращения ротора, то зазор между обмотками ротора и статора оказывается переменным по окружности и каждая точка проводника ротора, спроектированная на плоскость, перпендикулярную оси вращения, движется не по окружности, а по эллипсу. Ре все из указанных факторов

2о оказывают заметное влияние на величину погрешности, поэтому при расчетах погрешностей учитывают только переменный угловой сдвиг между проводниками и переменный зазор между обмотками.

При этих условиях соотношения (2) нарушаются, так как для различных проводников величины М„, и срстановятся различными.

М,q — — — М cosQcp

Мв, = М, = М sin Qy, M, s= — М sa

Мчз= M os Р у

+g3 M s n 19 й3

Расчет коэффициента взаимоиндукции

30 любого проводника ротора 2 и соответствующей обмотки статора 1 производят по положению точки этого проводника, расположенной на окружности, имеющей радиус, равный среднему радиусу активной части проводников обмотки, и проведенной из геометрического центра обмоток статора 1 или ротора 2 или из центра вращения ротора 2.

В нашем случае проводники обмоток ротора 2 несколько длиннее.

Расчеты показывают, что оценка макси4о мальных величин переменной и постоянной составляющих погрешности предлагаемого датчика для всех практических случаев может производиться по формулам

Ъ

Сравнение полученных результатов показывает, что погрешность предлагаемого датчика как постоянная, так и переменная, вызываемая эксцентриситетом и перекосами, в 1,3 N раз меньше, чем погрешность прототипа. Увеличивая число N секций, на которые разделяются обмотки ротора, эту поЫ грЕшность можно снизить до любой заданной величины.

Погрешность уменьшается, когда количество пар полюсов обмоток первой и второй где Р и Р— — — число пар полюV1 Т сов обмоток соответственно первой и второй групп.

Предположим, что датчик работает в фазовом режиме. При этом обмотки 6 и 7 статора запитывают синусоидальными токами амплитудной 1,„и фазовым сдвигом в 90 .

Под действием этих токов в каждой из секций обмоток 8 и 9 наводятся соответственно ЭДС

Eв= — (Мед — + М @ — )

Мь ctI

dt «-Ь

Eэ= (M 6, + Му,9 ) По каждой из секций обмоток 4 и 5 протекают соответственно токи

11= - и 15= —, F Е ,Р гдето — суммарное сопротивление секции обмотки 8 или 9, секции обмотки 4 или 5 и соединяющих их проводов. Эти токи, в свою очередь, наводят ЭДС в обмотке 3 статора 1 е =-й(М â€” +Ì ) = ч,, 5р

= > НМ ж вмГЕ-(Р.Р,И, где N — количество секций обмоток 4, 5, 8, 9, у — суммарное сопротивление секций обмотки 8 или 9.

Таким образом, на выходе датчика получают синусоидальный сигнал со строго линейной зависимостью его фазы от угла поворота ротора. Измеряя величину . этой фазы относительно опорного сигнала (з1п Ы). получают точные данные об угле поворота ротора.

Посмотрим теперь, что происходит, когда обмотки ротора и статора установлены с перекосом. На фиг. 4 представлена схема расположения обмоток с эксцентриситетом.

Сплошными линиями обозначены проводники обмоток ротора 2, пунктирными линиями — проводники обмоток статора.

На фиг. 4 - — угол между двумя имеющими один и тот же порядковый номер проводниками соседних секций обмоток од(6 (+ ью= Ми(Е161+ Еаь) 817893 групп, средние радиусы обмоток этих групп выбираются из условий

Р Р

Р Р илов

1- и - Кх

Выполнение каждой из обмоток ротора в виде не связанных между собой одинаковых секций, равномерно распределенных по окружности ротора, и параллельное подключение диаметрально противоположных секций обмоток каждой из групп позволяют повысить точность датчика при радиальных торцовых переносах обмоток статора и ротора.

Формула изобретения

Датчик перемещений, содержащий дисковые статор и ротор с печатными обмотками выполненными в виде периодического зигзага и объединенными в две группы с разными периодами в каждой из групп, группы обмоток смещены друг относительно друга в радиальном направлении, первая из групп состоит из двух смещенных относительно друг друга на 1/4 периода обмоток статора и размещенных напротив них обмоток ротора, а вторая группа — из расположенных напротив друг друга обмоток на статоре и роторе, обмотки ротора второй группы подключены параллельно обмоткам ротора первой группы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности, возникающей при радиальных и торцовых переносах обмоток ротора и статора, обмотки ротора выполнены о в виде одинаковых секций, равномерно распределенных по окружности ротора, при этом параллельно включены каждая .пара из диаметрально расположенных секций обмоток первой и второй группы.

15 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 2799835, кл. 336-123, 1957.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2466881/24-07, кл. Н 02 К 24/00, го С 08 С 9/04 1977

817893

17 1о ф,5 я я мв, Составитель В. Никаноров

Техред А. Бойкас Корректор Г. Назарова

Тираж 730 Подписное

Редактор Н. Безродная

Заказ 1460/74

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Уж.ород, ул. Проектная, 4