Фазовый датчик линейных перемещений
PHASE LINEAR DISPLACEMENT SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в каналах обратной связи замкнутых позиционных систем автоматического управления для воспроизведения пространственных координат, например, в станках с числовым программным управлением, крупногабаритных промышленных роботах и манипуляторах.
Известны фазовые датчики для измерения линейных перемещений (авт. свид. СССР №392539, №830118) с использованием информационных линеек с размещенными на них обмотками. Например, в линейных индуктосинах на изоляционную основу неподвижной части наносятся печатным способом одну или две обмотки, сдвинутые на четверть периода и имеющие форму меандра. На измерительной подвижной части располагаются соответственно две или одна печатные обмотки.
Недостаток таких датчиков заключается в использовании формы витков информационной линейкой в виде меандра, при котором реализация многофазной обмотки для создания бегущего поля затруднена ввиду неизбежных пересечений проводников.
Известен фазовый датчик с бегущим полем по пат. РФ №2272244, в котором бегущее поле формируется двух- или трехфазными обмотками, уложенными в пазы линейного магнитопровода. На неподвижной части располагаются синусная и косинусная обмотки, размещенные на явно выраженных полюсах. Число витков на каждом полюсе должно быть строго определенным и изменяемым по синусоидальному закону. На этих же полюсах располагается неподвижная измерительная обмотка с одинаковым числом витков на каждом полюсе. Выходной сигнал формируется с помощью магнитного шунта, который может перемещаться вдоль линейки. Недостатком такого датчика является технологическая сложность при изготовлении магнитопровода и обмоток.
По технической сущности наиболее близким к заявленному устройству является линейный сельсин по авт. свид. СССР №304562, принятый за прототип. На неподвижной части расположена трехфазная обмотка, уложенная в пазы магнитопровода, являющегося телом вращения. Числа витков обмоток, уложенных в пазы каждой фазы вдоль магнитопровода, соответствуют синусоидальному закону. На подвижной части расположен магнитопровод с однофазной обмоткой, охватывающей неподвижную часть.
Недостатком является технологическая сложность выполнения магнитопровода и обмоток, особенно при большой длине перемещения. Для обеспечения синусоидального закона изменения индукции вдоль магнитопровода необходимо обеспечить точное число витков по пазам, меняющееся по синусоидальному закону. Так как число витков может быть только целым, то имеет место методическая погрешность воспроизведения синусоидального закона. Такую же погрешность имеют приведенные выше устройства - аналоги.
Целью данного изобретения является повышение точности и технологичности датчиков линейных перемещений.
Поставленная цель достигается тем, что датчик, содержащий неподвижную линейку, на которой размещена многофазная обмотка, подключенная к многофазному генератору электрического напряжения, и подвижную часть в виде разомкнутого магнитопровода с однофазной обмоткой, расположенную над линейкой, в котором, согласно изобретению, многофазная обмотка выполнена в виде вложенных друг в друга плоских секций по числу фаз, каждая из которых образована путем намотки на линейку обычного провода в прямом и обратном направлениях с одинаковым шагом, при этом намотка в обратном направлении осуществлена со смещением на полпериода так, что участки проводников, формирующие активные контура полюсов каждой отдельной фазы, сохраняют ромбовидную форму.
На фиг. 1 приведено устройство-прототип; на фиг. 2 - плоская линейка с однофазной обмоткой; на фиг. 3 - плоская линейка с трехфазной обмоткой, секции которой вложены друг в друга в одной плоскости; на фиг 4 - обмотки нескольких датчиков, соединенные последовательно в общую звезду; на фиг. 5 - взаимное расположение подвижной и неподвижной частей фазового датчика; на фиг. 6 - размещение информационной линейки на несущей раме деревообрабатывающего станка длиной 2200 мм; на фиг. 7 - фрагмент обмотки на линейки (без защитного покрытия); на фиг. 8 - расположение неподвижной и подвижной частей датчика на упомянутом станке.
Конструкция прототипа содержит неподвижный 1 магнитопровод, в пазах которого уложена трехфазная обмотки 2, и подвижный 3 магнитопровод с обмоткой 4. Принцип работы известных устройств переменного тока, имеющих многофазные обмотки, одинаков. Например, в прототипе (фиг. 1) поданное на обмотку 4 подвижной части переменное напряжение наводит ЭДС в фазные обмотки 2, по амплитудам которых можно однозначно определить положение подвижной части в пределах одного полюсного деления обмоток фаз. Линии индукции магнитного поля замыкаются через неподвижный магнитопровод 1. Известно что все электрические машины обратимы: питающее напряжение можно подавать на неподвижные фазные обмотки, а информацию снимать с обмотки подвижной части. В современной автоматике сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины и родственные им устройства наиболее часто используются в режиме фазовых датчиков: на неподвижную многофазную обмотку подают симметричное многофазное напряжение с соответствующим числом фаз и формируют вращающееся или бегущее магнитное поле. Обмотка 4 подвижной части, чаще однофазная, измеряет ЭДС, значение модуля которой остается неизменным, а значение фазы однозначно отображает координату подвижной части в пределах одного полюсного деления. Такой принцип предпочтительнее, так как фаза является наиболее удобным и естественным параметром для дальнейшей цифровой обработки.
В предлагаемом устройстве неподвижные обмотки не имеют собственного магнитопровода, их наматывают на плоскую линейку 5 из изоляционного материала. На фиг. 2 показана обмотка 6 одной фазы. Ее наматывают сначала в прямом, затем в обратном направлении с одинаковым шагом L прямыми участками, поэтому витки образуют треугольную форму с вершинами 7. В конце линейки 5 намотку начинают в обратном направлении таким образом, чтобы вершины 8 ее треугольников оказались напротив вершин 7 прямого направления, то есть для этого витки прямого и обратного направлений сдвигают на полпериода, образуя ромбовидные контуры 9. При этом направления плотностей токов соседних контуров оказываются противоположными, как показано круглыми стрелками на фиг. 2. Противоположными будут и магнитные полюса соседних контуров.
На фиг. 3 показана трехфазная обмотка, секции 10 которой вложены друг в друга в одной плоскости. Секции соединяются в треугольник или звезду. Важным качеством такой конфигурации обмоток является технологическая простота обеспечения геометрического равенства конфигураций фаз, и, следовательно, идентичность электрических параметров. Это повышает точность всего устройства.
Дальнейшее повышение точности может быть достигнуто простым увеличением числа фаз. Очевидно, что максимальное число фаз будет ограничено минимально возможным диаметром намоточного провода. Кроме того, при данном способе укладки обмоток перекрещивание электрических связей, как это имеет место при «меандровой» укладке, отсутствует, что повышает технологичность изготовления и эксплуатационную надежность устройства. Наличие промежутков между проводниками исключает межвитковое замыкание. Линейка достаточно легко монтируется на криволинейную поверхность.
Для обеспечения преобразований линейных перемещений по нескольким координатам, например в многокоординатной автоматической системе, обмотки нескольких датчиков могут быть соединены параллельно или последовательно в соответствии с правилами соединения многофазных схем. Например, на фиг. 4 приведена схема двух датчиков 11 и 12, соединенных в общую звезду.
Измерительный элемент, т.е. подвижная часть предлагаемого устройства, представляет собой трансформатор с разомкнутым магнитопроводом 13 П- или Ш-образной формы, размещенным над линейкой 5. Расстояние между полюсами равно половине (или близко к ней) шага обмотки L (фиг. 2). Взаимное расположение подвижной и неподвижной частей датчика приведено на фиг. 5. Текстолитовая или пластмассовая информационная линейка 5 с многофазной обмоткой 14 наклеивается непосредственно на несущую конструкцию объекта 15, например автоматической системы, через изоляционную прокладку 16. Поверх линейки 5 наклеивается защитное покрытие 17 из текстолита или пластмассы. Магнитопровод 13 содержит однофазную обмотку 18. Магнитное поле, создаваемое многофазной обмоткой 14, замыкается через конструкцию объекта 15 и магнитопровод 13, расположенный на подвижной части системы. При питании многофазной обмотки симметричной системой многофазных напряжений создается бегущее магнитное поле, которое наводит в однофазной обмотке 18 подвижной части ЭДС постоянной амплитуды и фазой, значение которой пропорционально линейному перемещению подвижной части относительно неподвижной. Преобразование фазы сигнала в обмотке 18 в сигнал управления, например постоянное напряжение, производится известными широко применяемыми схемотехническими средствами.
Апробация устройства проведена на многокоординатном деревообрабатывающем станке с числовым программным управлением. Трехфазное напряжение в виде сдвинутых на угол 120 град, меандров вырабатывается микропроцессорной системой управления станком. После усиления оно подается через согласующий трансформатор на несколько датчиков по числу координат системы, включенных, например, по схеме на фиг. 4. Информационным параметром является фаза первой гармоники в обмотке трансформатора, которая выделяется фильтрацией. При «меандровой» форме напряжений в многофазной обмотке 14 сигнал в однофазной обмотке 18 будет иметь ступенчато-синусоидальную форму. Как известно из теории трехфазных систем, третья гармоника и кратные ей при симметричной системе напряжений отсутствуют, поэтому фильтрация первой гармоники упрощается. Предлагаемая конструкция позволяет технологически просто увеличить число фаз, а создание многофазной системы меандров для микропроцессорной системы не представляет трудностей. Это повышает синусоидальность выходного сигнала в однофазной обмотке 18 датчика за счет увеличения числа его ступеней, следовательно, повышается точность воспроизведения фазы и упрощается фильтрация.
На фиг. 6 показана установка линейки на несущую раму станка с длиной 2200 мм, на фиг. 7 фрагмент обмотки информационной линейки (защитное покрытие не установлено). Шаг обмотки 14 составляет 36 мм, поэтому функционально такой датчик идентичен многополюсной электрической машине или многооборотному датчику с вращающимся полем. Эти устройства широко используются в современной автоматике. На фиг 8 показано взаимное расположение подвижной и неподвижной частей датчика.
Магнитопровод 13 трансформатора располагается на расстоянии 1-5 мм от поверхности линейки 5. Изменение расстояния в процессе работы влияет только на амплитуду сигнала в обмотке 18 трансформатора и практически не влияет на его фазу. Мало влияет также угловое и поперечное смещение в плоскости линейки 5. Надежная механическая защита и жесткость крепления частей датчика на элементах конструкции системы обеспечивает стабильность параметров и высокую эксплуатационную надежность всей системы с датчиками данного типа.
Предлагаемое изобретение выгодно отличается от устройства-прототипа за счет достижения следующих положительных качеств:
- высокая технологичность изготовления устройства, особенно при большой длине информационной линейки;
- увеличение точности воспроизведения требуемой конфигурации магнитного поля достигается простым добавлением числа фаз многофазной обмотки;
- высокая эксплуатационная надежность устройства за счет отсутствия перекрещивающихся электрических связей и наличия изоляционных промежутков как между витками, так и фазами;
- технологичность монтажа на конструкции автоматических устройств (станков, роботов, манипуляторов);
- возможность монтажа на криволинейные поверхности.