БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
CONTACTLESS ANGULAR POSITION SENSOR

Изобретение относится к приборостроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано в системах автоматического управления, где требуется бесконтактное измерение угла поворота вращающегося объекта, например вала.
Известны устройства, относящиеся к измерительной технике, например бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в 360° (патент РФ №2312363 от 10.12.2007 г., МКИ G01P 3/488).
Бесконтактный датчик углового положения ротора содержит постоянный цилиндрический магнит и датчик Холла, детектирующий компоненты магнитного поля и выдающий сигнал об угле поворота магнита. Цилиндрический магнит закреплен на роторе так, что его ось совпадает с осью вращения ротора. Датчик Холла расположен на неподвижном статоре так, что центр датчика Холла находится на оси вращения ротора.
Недостатком данного датчика является жесткое конструктивное ограничение на расположение датчика Холла относительно магнита, что снижает область применения датчика. Датчик не позволяет измерять угол поворота объекта с полой осью вращения, например, когда необходимо через ось проложить проводники или передать лазерное излучение.
Известен датчик положения дроссельной заслонки (патент РФ №2313711 от 27.12.2007 г., МКИ F16K 3/00).
Бесконтактный датчик угла поворота втулки дроссельной заслонки содержит кольцевой магнит и датчик Холла, по величине выходного сигнала которого определяют угол поворота втулки. Кольцевой магнит закреплен на вращающейся втулке так, что его ось совмещена с осью ее вращения, причем датчик Холла смещен относительно оси вращения втулки, а плоскость чувствительности датчика Холла перпендикулярна плоскости, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита.
Недостатком данного устройства является высокая нелинейность выходного сигнала и ограниченный диапазон измерения углов поворота 0°…121°.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является датчик углового положения с дипольным кольцевым магнитом, магнитное поле которого при вращении параллельно поверхности магнитоуправляемой интегральной схемы, так называемого датчика Холла (см. С.Сысуева. Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения. Часть 2. Новые рекомендации по разработке датчиков с магнитным ротором. Журнал «Компоненты и технологии», №2, 2007, стр.23-28, рис.14, б).
Датчик углового положения содержит кольцевой дипольный магнит с диаметральной намагниченностью, ось которого совмещена с осью вращения объекта, например вала, и датчик Холла, детектирующий компоненты магнитного поля и выдающий сигнал об угле поворота кольцевого магнита. Причем датчик Холла смещен относительно оси вращения кольцевого магнита, а плоскость чувствительности датчика Холла параллельна плоскости, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита.
Недостатком данного датчика являются высокая нелинейность выходного сигнала и изменение чувствительности более чем в 10 раз в диапазоне углов поворота 0°…360°, а также низкая чувствительность в диапазонах углов поворота 60°…160° и 220°…320°.
Целью предлагаемого технического решения является повышение линейности и выравнивание чувствительности датчика в угловом диапазоне 0°…360° при увеличении чувствительности в диапазонах углов поворота 60°…160° и 220°…320°.
Поставленная цель достигается тем, что в бесконтактном датчике углового положения, содержащем дипольный кольцевой магнит с диаметральной намагниченностью, ось которого совмещена с осью вращения объекта, и датчик Холла, смещенный относительно оси вращения кольцевого магнита, угол между плоскостью чувствительности датчика Холла и плоскостью, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита, составляет 40°±10°, а расстояния от центра датчика Холла до оси вращения и до плоскости, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита, составляют соответственно 0,9±0,3 и 1±0,25 внешнего радиуса кольцевого магнита.
Заявленное техническое решение поясняется графическими изображениями:
на фиг.1 показан бесконтактный датчик углового положения;
на фиг.2 приведены графики зависимостей выходного 12-битного цифрового сигнала с датчика Холла от угла поворота кольцевого дипольного диаметрально намагниченного магнита.
Заявляемый бесконтактный датчик углового положения состоит из кольцевого магнита 1 с центральным отверстием 2, который расположен на вращающемся объекте 3, и датчика Холла 4, причем ось кольцевого магнита 1 совмещена с осью вращения объекта 5.
Бесконтактный датчик углового положения работает следующим образом: датчик Холла 4 детектирует компоненты магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом 1, и выдает сигнал об угле его поворота.
Выравнивание чувствительности датчика (с точностью 5…7%) в диапазоне углов поворота кольцевого магнита 0°…360° обеспечивается при соблюдении следующих зависимостей:
оси
Р=0,9R±0,3R,
км
Р=1R±0,25R,
α=40°±10°,
где R - внешний радиус кольцевого магнита;
оси
Р - расстояние от центра датчика Холла до оси вращения объекта;
км
Р - расстояние от центра датчика Холла до плоскости Т, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита;
α - угол между плоскостью чувствительности Н датчика Холла и плоскостью Т, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита.
оси
оси
оси
оси
При Р меньше 0,6R и Р больше 1,2R отмечается изменение чувствительности датчика. Например, при Р=0 мм чувствительность изменяется на 12%, при Р=1,5R чувствительность изменяется на 20%.
км
км
км
км
При Р меньше 0,75R и Р больше 1,25R отмечается изменение чувствительности датчика. Например, при Р=0,5R чувствительность изменяется на 15%, при Р=1,5R чувствительность изменяется на 12%.
При α меньше 30° и α больше 50° отмечается изменение чувствительности датчика. Например, при α=0° чувствительность изменяется на 20%, при α=90° чувствительность изменяется на 15%.
В качестве датчика Холла 4 используется любая микросхема с функцией магнитного датчика угла. Кольцевой магнит 1 может иметь различные геометрические параметры.
Наилучшей реализацией является бесконтактный датчик углового положения, при котором угол α между плоскостью чувствительности Н датчика и плоскостью Т, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита, составляет 40°, а расстояния от центра датчика Холла до оси вращения и до плоскости Т, проходящей через торцевую поверхность кольцевого магнита, составляют соответственно 18 мм и 20 мм.
Использован дипольный диаметрально намагниченный кольцевой магнит из материала NdFeB с величиной остаточной индукции, равной 1,2 Тл, с размерами ⌀40 мм × ⌀15 мм × 3 мм и датчик Холла AS5046 с выходным 12-битным цифровым сигналом.
км
оси
На фиг.2 представлены графики зависимости выходного сигнала от угла поворота кольцевого магнита одного из вариантов (α=40°, Р=18 мм, Р=0 мм) реализации заявленного датчика (А) и датчика-прототипа (Б). Для данного варианта вращающийся объект был выполнен из диэлектрического материала.
Зависимость выходного сигнала (Б) датчика-прототипа от угла поворота кольцевого магнита в диапазоне 0°…360° характеризуется изменением чувствительности от 2 до 30 дискрет/град, т.е. примерно в 15 раз. Причем в угловых диапазонах, лежащих между указанными диапазонами, чувствительность датчика имеет нелинейный характер. Минимальная величина чувствительности наблюдается в диапазонах углов поворота 60°-160° и 220°-320° и составляет 2 дискрет/градус. По сравнению с прототипом заявленное устройство обеспечивает постоянную чувствительность, равную 11 дискрет/град (с точностью 5…7%), в диапазоне углов поворота 0…360°.
Следовательно, обеспечивается постоянная чувствительность датчика во всем угловом диапазоне по сравнению с изменяющейся в 15 раз чувствительностью датчика-прототипа, причем в суммарном угловом диапазоне 200° чувствительность предлагаемого датчика повышена (с 2 до 11 дискрет/градус) в 5,5 раз.
Благодаря использованию простых конструктивных решений, применению в датчике кольцевого магнита с центральным отверстием, диапазону геометрических параметров расположения датчика Холла относительно оси вращения и торцевой поверхности кольцевого магнита заявляемое устройство обладает широкими функциональными, конструктивными и технологическими возможностями, что определяет промышленную полезность нового технического решения.
Простота конструкции основных элементов заявляемого устройства обеспечивает низкую себестоимость датчика.