Индуктивный абсолютный преобразователь угловых перемещений
INDUCTIVE ABSOLUTE CONVERTER OF ANGULAR MOVEMENTS

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных абсолютных измерений угловых перемещений.
Существуют различные типы индуктивных преобразователей угловых перемещений [SU 1394345A1, WO 2018/002568A1, US 9945653B2], среди которых наиболее перспективными являются абсолютные преобразователи, изготовленные на основе плоских индуктивных элементов, ввиду простоты их изготовления, надежности и компактности.
Известен абсолютный индуктивный преобразователь угловых перемещений [US9013192B2], содержащий неподвижную пластину статора, выполненную из гибкого диэлектрического материала, с расположенными на ней приемными и передающими планарными обмотками и тонкую профилированную металлическую ленту - пластину ротора, закрепленную на внешней боковой стороне вала преобразователя. С целью увеличения точности измерений шкала грубого отсчета преобразователя (кодовая шкала) дополнена шкалой точного отсчета (инкрементной шкалой), обеспечивающей однозначное определение относительного угла поворота вала преобразователя в пределах единичного периода кодовой шкалы.
Кодовая и инкрементная шкалы пластины ротора выполнены на поверхности металлической ленты с равным периодом путем формирования ступенчатого рельефа: кодовая шкала состоит из двух инверсно-сопряженных дорожек n-битной псевдослучайной последовательности, инкрементная шкала представляет собой дорожку регулярного линейного растра.
Считывание каждого бита кода, нанесенного на металлическую ленту ротора, осуществляется отдельной группой обмоток статора, включающей прямоугольную передающую обмотку и индуктивно связанную с ней приемную обмотку, состоящую из двух встречно включенных сегментов. Ток, возбуждаемый в передающей обмотке источником переменного напряжения, наводит напряжение в приемной обмотке, полярность которого является информационным сигналом значения бита кода и определяется рельефом сегмента кодовой шкалы ротора, совмещенным с данной группой обмоток статора.
Для определения относительного угла поворота вала преобразователя в пределах единичного периода кодовой шкалы служит передающая обмотка статора инкрементного канала, подключенная к источнику переменного напряжения, и пара приемных обмоток, сдвинутых друг относительно друга на ¼ периода растра. При демодуляции сигналов напряжения, снимаемых с приемных обмоток, формируется пара синусно-косинусных сигналов, зависящих от положения инкрементной шкалы ротора относительно пластины статора, на основе величины которых определяется значение точного отсчета.
Недостатком данного преобразователя является сложность технологии создания рельефа на поверхности металлической ленты и высокие требования к точности ее реализации. Кроме того, ограничение области считывания локальным участком инкрементной шкалы пластины ротора приводит к ухудшению точности измерений, ужесточению требований при сборке и установке преобразователя, росту чувствительности преобразователя к дефектам изготовления и загрязнениям пластины ротора.
Известен абсолютный индуктивный преобразователь линейных и угловых перемещений [US9217628B2], содержащий неподвижную и подвижную диэлектрические пластины. На неподвижной пластине преобразователя расположена передающая обмотка прямоугольной формы и пара вписанных в нее взаимно перекрывающихся приемных обмоток, каждая из которых выполнена в виде двух зеркально-симметричных последовательно включенных проводников, образующих периодическую систему индуктивных витков с чередующимся направлением намотки. Особенность приемных обмоток данного преобразователя состоит в том, что витки выполнены разной ширины. На подвижной пластине расположены два резонансных контура, настроенных на разные частоты, каждый из которых состоит из спиральной обмотки и последовательно включенного с ней конденсатора.
Передающая обмотка, подключенная к источнику напряжения двойной частоты, создает магнитное поле, индуцирующее вторичный ток в каждом контуре подвижной пластины и, соответственно, вторичное магнитное поле, наводящее напряжение в приемных обмотках. При демодуляции сигналов напряжения на каждой из двух несущих частот формируется две пары сигналов, величина которых однозначно определяет положение пластин преобразователя относительно друг друга.
Важно отметить, что в описанном выше преобразователе возможность определения абсолютной координаты достигается в том числе за счет несимметричности приемных обмоток (витки обмоток имеют разную ширину), поэтому
- область пространственного перекрытия обмоток подвижной и неподвижной пластин преобразователя ограничена полушириной наиболее узкого из витков одной из приемных обмоток;
- в случае углового преобразователя, обмотки как подвижной, так и неподвижной пластин не могут быть выполнены симметричными относительно оси вращения.
Указанные выше причины приводят к снижению точности измерений и повышению чувствительности преобразователя к дефектам изготовления токопроводящего рисунка обмоток, определяют повышенные требования при сборке и установке преобразователя.
Принцип частотного разделения сигналов, использующийся при определении положения обмоток подвижной пластины, обуславливает сложность методики вычисления измеряемой координаты и, следовательно, ограничивает его быстродействие.
К недостаткам указанного преобразователя относятся:
- ограниченная точность измерений,
- повышенная чувствительность преобразователя к дефектам изготовления токопроводящего рисунка обмоток,
- чрезмерно высокие требования при сборке и установке элементов преобразователя,
- низкое быстродействие.
Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности, выбранному в качестве прототипа, является индуктивный преобразователь линейных и угловых перемещений [US10323959B2], содержащий неподвижную и подвижную диэлектрические пластины с расположенными на них планарными обмотками шкал грубого и точного отсчета. На неподвижной пластине преобразователя расположена передающая обмотка прямоугольной формы и пара вписанных в нее взаимно перекрывающихся приемных обмоток шкалы грубого отсчета, каждая из которых выполнена в виде двух зеркально-симметричных последовательно включенных проводников, образующих систему индуктивных витков с чередующимся направление намотки и периодом повторения Т токопроводящего рисунка. Указанные обмотки сдвинуты относительно друг друга на ¼⋅Т. Шкала точного отсчета выполнена аналогично, но с меньшим периодом повторения токопроводящего рисунка обмоток.
Обмотка подвижной пластины состоит из двух последовательно включенных сегментов: прямоугольного, расположенного над передающей обмоткой и приемной обмоткой шкалы грубого отсчета, и синусообразного, расположенного над приемной обмоткой шкалы точного отсчета.
Передающая обмотка, подключенная к источнику переменного напряжения, создает магнитное поле, индуцирующее вторичный ток в обмотке подвижной пластины. С целью увеличения амплитуды вторичного тока последовательно с обмоткой включен конденсатор, компенсирующий индуктивную составляющую сопротивления обмотки. В свою очередь, магнитное поле, созданное вторичным током, наводит напряжение на приемных обмотках преобразователя. При демодуляции сигналов напряжения, снимаемых с приемных обмоток преобразователя, формируется две пары синусно-косинусных сигналов, величина которых однозначно определяет относительное положение пластин преобразователя.
К недостаткам данного преобразователя относится ограниченная точность измерений и большие радиальные габариты, обусловленные пространственно-разнесенным расположением шкал грубого и точного отсчета.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание индуктивного абсолютного преобразователя угловых перемещений, характеризующегося повышенной точностью измерений, устойчивостью к воздействию негативных климатических факторов, а также высоким быстродействием и компактностью.
Сущность изобретения заключается в том, что индуктивный абсолютный преобразователь угловых перемещений содержит неподвижную и подвижную диэлектрические кольцеобразные пластины, размещенные соосно и параллельно друг другу с малым воздушным зазором, на которых расположены планарные взаимно перекрывающиеся обмотки шкалы точного и шкалы грубого отсчета, выполненные из токопроводящих дорожек (проводников). На статоре преобразователя расположена подключенная к источнику переменного напряжения передающая обмотка, состоящая из одного или нескольких дугообразных проводников, как минимум две сдвинутые друг относительно друга на четверть периода идентичные приемные обмотки шкалы точного отсчета, состоящие из периодически расположенных попарно встречно включенных индуктивных элементов, и две группы приемных обмоток шкалы грубого отсчета. Ротор преобразователя имеет резонансный контур, состоящий из конденсатора и последовательно включенных обмоток: приемной обмотки, возбуждаемой магнитным полем передающей обмотки статора, обмотки шкалы точного отсчета, выполненных аналогично соответствующим обмоткам статора, и обмотки шкалы грубого отсчета, выполненные в виде кодовой n-битной псевдослучайной последовательности дугообразных проводников.
Новизна заключается в том, что шкала грубого отсчета ротора преобразователя разбита на две подшкалы: разрядности (n-1) с периодом, равным Т-период шкалы точного отсчета, и разрядности 1 с периодом Т-период шкалы точного отсчета, при этом, приемные обмотки статора шкалы грубого отсчета разрядности 1 выполнены из расположенных с шагом Т- период шкалы точного отсчета попарно встречно включенных индуктивных элементов.
Разделение шкалы грубого отсчета на две кодовые подшкалы позволяет использовать для считывания младшего разряда кода распределенные многосегментные обмотки, многократно увеличивая амплитуду полезного сигнала напряжения, наводимого на приемных обмотках младшей кодовой шкалы, что позволяет существенно увеличить надежность считывания кода и в сочетании с пространственно-совмещенным расположением обмоток шкал точного и грубого отсчета преобразователя позволяет:
- уменьшить габариты преобразователя при сохранении точности измерения и надежности считывания кода,
- увеличить максимально допустимый зазор между пластиной статора и ротора при сохранении габаритов и точности измерения, что облегчает его установку и техническое обслуживание,
- улучшить помехозащищенность преобразователя в условиях воздействия электромагнитных помех.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 - схематично показаны основные конструкционные элементы преобразователя;
На фиг. 2 - представлена блок-схема электронного блока преобразователя и схематично показаны обмотки статора и ротора;
На фиг. 3 - показана обмотка возбуждения и приемные обмотки шкалы грубого отсчета статора, приемная обмотка и обмотка шкалы грубого отсчета ротора;
На фиг. 4 - показаны обмотки статора и ротора шкалы точного отсчета;
Заявляемый абсолютный индуктивный преобразователь угловых перемещений содержит неподвижную 1 и подвижную 2 диэлектрические кольцеобразные пластины (статор и ротор, соответственно), расположенные соосно и параллельно друг другу с воздушным зазором 3 (фиг. 1), электронного блока 4, содержащего генератор переменного напряжения 5, блок буферных усилителей 6, блок детектирования 7 и блок аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов 8 (фиг. 2).
Статор и ротор преобразователя могут быть выполнены по технологии изготовления многослойных печатных плат на основе стеклотекстолита, либо по любой другой технологии, позволяющей создавать многослойные структуры с токопроводящими дорожками заданной формы.
Статор содержит обмотку возбуждения 9, как минимум две идентичные приемные обмотки шкалы точного отсчета 12а и 12б, и как минимум две группы приемных обмоток шкалы грубого отсчета 16 (фиг. 2).
Ротор содержит последовательно включенные приемную обмотку 10, как минимум одну обмотку шкалы точного отсчета 11, как минимум одну обмотку шкалы грубого отсчета 13 и конденсатор, образующие резонансный LC-контур (фиг. 2).
ex
eх
eх
Обмотка возбуждения статора 9 и приемная обмотка ротора 10 (фиг. 3) индуктивно связаны между собой и выполнены в виде одного или нескольких последовательно включенных дугообразных проводников радиуса R±i⋅dR, где (i - целое число, dR - шаг витков). В силу симметричности обмоток, взаимная индуктивность между ними не зависит от угла поворота ротора.
Обмотка шкалы точного отсчета ротора 11 (фиг. 4) и каждая из приемных обмоток шкалы точного отсчета статора 12а и 12b взаимно перекрываются, обладают симметрией вращения и состоят из 2⋅р сегментов, повернутых относительно друг друга на ½Т (р - полюсность обмоток шкалы точного отсчета, при этом Т=360°/р).
Каждая пара сегментов может быть выполнена в виде двух отдельных обмоток (например, 12а и 12b на фиг. 4), либо является частью одного или нескольких непрерывных зигзагообразных проводников (например, 11 на фиг. 4), либо образована посредством комбинации двух данных способов, при этом соседние сегменты каждой из обмоток имеют встречное включение. Приемные обмотки шкалы точного отсчета идентичны и сдвинуты относительно друг друга на ¼⋅Т.
n
Обмотка шкалы грубого отсчета ротора 13 (фиг. 3) разбита на две подшкалы разрядности (n-1) с периодом равным Т-период шкалы точного отсчета, и разрядности 1 с периодом Т-период шкалы точного отсчета и выполнена в виде кодовой n-битной псевдослучайной последовательности согласно включенных дугообразных элементов 14а и 14b угловой ширины кратной Т и вспомогательных соединяющих их радиальных проводников 15, где n - целое число, такое что р=2. Пространственно перекрываясь с ней, на статоре расположены 2⋅n приемных обмоток шкалы грубого отсчета 16 (фиг. 3), образующих две группы 17а и 17b по n обмоток в каждой. Внутри группы обмотки расположены с шагом, равным Т, а группы между собой сдвинуты на Т⋅(k+½), где k - целое число.
В одном из возможных вариантов исполнения, приемные обмотки подшкалы грубого отсчета статора разрядности 1 могут быть выполнены в виде попарно встречно включенных сегментов, увеличивая амплитуду полезного сигнала напряжения, наводимого на обмотках.
При определении абсолютного угла поворота ротора при единичном измерении используется одна группа обмоток. Выбор группы зависит от относительного угла поворота ротора в пределах одного периода шкалы точного отсчета Т.
Обмотка возбуждения статора 9 подключена к генератору переменного напряжения 5 электронного блока преобразователя 4 (фиг. 2), причем частота генерируемого напряжения совпадает с резонансной частотой LC-контура ротора и преимущественно находится в диапазоне от 100 кГц до 10 МГц.
Переменный ток, протекающий в обмотке возбуждения статора 9, наводит вторичный ток в индуктивно связанной с ним приемной обмотке 10 LC-контура ротора. Амплитуда вторичного тока (тока обмоток ротора) определяется выражением
при
rot
где f - резонансная частота LC-контура ротора, L - суммарная величина индуктивности последовательно включенных и пространственно перекрывающихся обмоток ротора, С - емкость конденсатора, U - амплитуда напряжения, прикладываемого к обмотке возбуждения статора, М - коэффициент взаимной индукции обмотки возбуждения статора и приемной обмотки ротора (величина М не меняется при вращении ротора относительно статора ввиду симметричности данных обмоток),
stat
stat
rot
L - индуктивность обмотки возбуждения статора, R и R - сопротивление обмотки возбуждения статора и суммарное сопротивление обмоток ротора, соответственно.
В одном из возможных вариантов исполнения, например, при  и  конденсатор, компенсирующий индуктивную составляющую импеданса контура, может не использоваться. В этом случае последовательно включенные обмотки ротора короткозамкнуты, а амплитуда вторичного тока определяется выражением:
i
i
i
Ток, протекающий через обмотки ротора, наводит напряжение в приемных обмотках статора, каждая из которых подключена к буферному усилителю напряжения блока буферных усилителей 6. Амплитуда наводимого напряжения определяется выражением U=-MωI, где М - взаимная индуктивность соответствующих обмоток.
Ток обмотки шкалы точного отсчета ротора 11, состоящей из 2⋅р встречно включенных сегментов, создает вокруг нее разнонаправленное переменное магнитное поле (фиг. 4), индуцирующее напряжение в каждом из 2⋅р приемных сегментов каждой обмотки шкалы точного отсчета статора 12а и 12b. Амплитуда напряжения, индуцируемого в соседних сегментах каждой обмотки, одинакова по модулю, но различается по знаку, и зависит от угла поворота ротора относительно статора α. Амплитуда суммарного напряжения обмотки представляет из себя периодическую функцию с периодом Т=360°/р и в силу встречного включения сегментов по абсолютному значению в 2⋅р раз превышает амплитуду, индуцируемою на единичном сегменте обмотки.
Переменное напряжение с приемных обмоток шкалы точного отсчета 12а и 12b подается на входные буферные усилители блока буферных усилителей 6 и, далее, на пару синхронных детекторов блока детектирования 7. Поскольку приемные обмотки шкалы точного отсчета сдвинуты друг относительно друга на величину, равную четверти периода Т, на выходе блока детектирования 7 формируется пара ортогональных координатно-периодических сигнала, однозначно определяющих угол поворота ротора а в пределах Т.
Преимущественным является исполнение, при котором форма передающей и приемной обмоток шкалы точного отсчета выбрана таким образом, что зависимость величины коэффициента взаимной индукции между ними от угла поворота α носит гармонический характер. В этом случае на выходе синхронных детекторов формируется пара синусно-косинусных сигналов, которые могут быть оцифрованы специализированным АЦП (интерполятором) разрядности n'.
0
1
ex
0
ex
1
ex
Обмотка шкалы грубого отсчета ротора 13 выполнена в виде кодовой n-битной псевдослучайной последовательности согласно включенных дугообразных проводников 14а, 14b и вспомогательных радиальных проводников 15 (фиг. 3). Логическому нулю кода соответствуют дугообразные элементы радиуса R, логической единице - R. Приемные обмотки шкалы грубого отсчета 16 (фиг. 3) имеют один или несколько витков, образованных преимущественно из основных дугообразных проводников с радиусами  и  где (i и j - целые числа, dR - шаг витков). Преимущественным является симметричное исполнение дугообразных проводников относительно R, при котором |R - R|=| R-R|.
0
1
Определяющий вклад в величину амплитуды индуцируемого в каждой приемной обмотке шкалы грубого отсчета напряжения вносят пространственно перекрывающиеся с ней дугообразные проводники кодовой шкалы ротора 14а и 14b. Вклады элементов кодовой шкалы ротора, соответствующие логическому нулю и единице (элементы радиуса R и R), имеют противоположные знаки. Переменный сигнал напряжения с каждой из приемных обмоток 16 шкалы грубого отсчета подается на буферный усилитель блока буферных усилителей 6, и далее на синхронный детектор блока детектирования 7. Посредством дальнейшего компарирования аналоговый сигнал напряжения преобразуется в цифровое значение двоичного кода.
В блоке управления и обработки сигналов 8 происходит считывание и конкатенация цифровых значений шкалы грубого отсчета разрядности n и шкалы точного отсчета разрядности n' с формированием абсолютного значения угла поворота ротора разрядности (n+n').
0
1
В одном из возможных вариантов исполнения (фиг. 3) обмотка возбуждения статора 9 содержит дополнительные парные дугообразные проводники 18а и 18b, выполненные радиусом R и R, соответственно, что увеличивает размах напряжения, наводимого во всех приемных обмотках, за счет роста тока обмоток ротора.
В одном из возможных вариантов исполнения дугообразные проводники кодовой шкалы ротора 14а и 14b могут быть выполнены отличной от Т угловой ширины.
С целью увеличения взаимной индуктивности какой-либо пары обмоток одна, либо каждая из них могут быть выполнены в виде многослойных планарных структур.