Датчик положения ротора (варианты)
ROTOR POSITION SENSOR (VERSIONS)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к датчикам положения ротора, и может быть использовано для определения углового положения ротора электродвигателей различных типов и других поворотных устройств.
Известен датчик положения ротора высоковольтного синхронного электродвигателя (Патент на полезную модель РФ № 139890, МПК H02K 29/10) содержащий подвижный диск с прорезями и неподвижный измерительный блок, на котором с одной стороны подвижного диска размещены светоизлучатели, а с другой стороны - светоприемники, образующие оптопары, отличающийся тем, что светоизлучатели выполнены в лазерном исполнении и размещены друг от друга на расстоянии 120±n⋅360 электрических градуса, где n=0, 1, 2, 3..., причем оптопары расположены по линии окружности, а подвижный диск выполнен разъемным со ступицей с внутренним диаметром, равным диаметру вала электродвигателя или соединительной муфты агрегата.
Недостатком аналога является наличие в его конструкции светоизлучателей и светоприемников, вследствие чего вышеупомянутый датчик положения ротора высоковольтного синхронного электродвигателя чувствителен к запыленности и обладает низкой надежностью.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению являются вращающиеся (поворотные) трансформаторы - электрические машины переменного тока, преобразующие угол поворота ротора θ в напряжение, пропорциональное этому углу θ или его функциям (sin θ, cos θ и др.) [Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины - М.: Высшая школа, 1981. - 432 с., стр. 212-224]. На статоре и роторе размещают по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой в пространстве на 90°, магнитопроводы статора и ротора изготавливают из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Одну из обмоток статора (или обе) присоединяют к сети переменного тока. При вращении ротора с обмоток ротора, начала и концы которых выведены на контактные кольца или спиральные пружины токосъема, получают напряжение, пропорциональное углу θ, sin θ или cos θ.
Недостатком прототипа является наличие магнитопроводов статора и ротора, обуславливающих существенные габариты и массу вращающихся (поворотных) трансформаторов.
Целью настоящего изобретения является разработка датчика положения ротора, обладающего минимальными габаритами, массой и моментом инерции ротора, повышенной надежностью, а электронная схема обеспечивает высокую стабильность сдвига фаз напряжения статора.
Техническим результатом настоящего изобретения является датчик, выполненный без магнитопроводов статора и ротора, где обмотки статора и ротора выполнены на печатных платах, при этом угол поворота ротора определяется с повышенной точностью с помощью электронной схемы обработки.
В отличие от прототипа для обеспечения высокой стабильности сдвига фаз трехфазное напряжение для питания обмотки статора генерируется микроконтроллером. Обмотки статора и ротора выполнены в виде печатных плат. Обмотка статора трехфазная, обмотка ротора выполнена в виде двух фаз, соединенных последовательно. Цифровое значение угла поворота ротора определяется с повышенной точностью при помощи электронной схемы обработки, построенной на основе компаратора и микроконтроллера. Угол поворота измеряется между моментом времени, когда напряжение на обмотке ротора становится положительным и моментом времени, когда микроконтроллер начинает формирование положительного полупериода напряжения фазы обмотки статора.
На фигурах показаны:
фиг. 1 - устройство статора (слева) и ротора (справа) датчика положения ротора (по вариантам 1 и 2),
фиг. 2 - структурная схема датчика положения ротора (по вариантам 1 и 2),
A
B
C
DE
фиг. 3 - осциллограммы напряжения U, U, U трехфазной обмотки статора и соответствующая им осциллограмма напряжения U обмотки ротора (по варианту 1),
A
B
C
DE
фиг. 4 - осциллограммы напряжения U, U, U трехфазной обмотки статора и соответствующая им осциллограмма напряжения U обмотки ротора (по варианту 2),
фиг. 5 - макет датчика положения ротора (по вариантам 1 и 2).
На статоре, выполненном в виде неэлектропроводного немагнитного диска 1, печатным способом нанесена трехфазная обмотка 2, у которой начала фаз обозначены буквами А, В, С, концы обозначены буквами x, у, z. На роторе, выполненном в виде неэлектропроводного немагнитного диска 3, печатным способом нанесена двухфазная обмотка 4, фазы которой соединены последовательно, а концы D и Е выведены на устройства токосъема, например, спиральные пружины. При этом диски статора 1 и ротора 3 расположены вблизи друг друга так, чтобы обеспечить наилучшую индуктивную связь обмоток статора и ротора. Цифровое значение угла ϕ поворота ротора определяется при помощи напряжения на обмотке ротора и электронной схемы обработки с повышенной точностью. Трехфазное напряжение 5 для питания обмотки статора генерируется микроконтроллером 6, что обеспечивает высокую стабильность сдвига напряжений фаз. Если подать на обмотку статора 2, соединенную в звезду, трехфазное напряжение 5, начальная фаза напряжения 7, снимаемого с ротора, будет пропорциональна углу ϕ его поворота. При необходимости напряжение ротора может усиливаться и фильтроваться электронной схемой обработки.
A
DE
Существует два варианта взаимного расположения осциллограмм U и U:
A
DE
1) U отстает от U (фиг. 3),
A
DE
2) U опережает от U (фиг. 4).
В соответствии с этим существует два варианта определения угла ϕ.
DE
A
DE
A
Принцип работы датчика положения ротора по варианту 1 заключается в следующем. Угол ϕ определяется, измерив интервал времени отсчитываемый от пересечения нуля в положительном направлении напряжением 7 U на роторной обмотке до пересечения нуля в положительном направлении напряжением одной из фаз, например, U. Для этого снимаемое с обмотки DE ротора напряжение 7 подается на компаратор 8, отрицательный (опорный) вход которого подключен к точке D обмотки ротора. Компаратор устанавливает выход в состояние логической единицы, как только напряжение 7 на обмотке ротора DE становится положительным. Выход компаратора подключен к входу микроконтроллера 6. Таймер микроконтроллера 6 начинает отсчет импульсов от поступления на вход логической единицы, т.е. от начала формирования положительного полупериода U, и прекращает отсчет импульсов при начале формирования микроконтроллером 6 положительного полупериода напряжения U. Число импульсов, полученное на выходе таймера микроконтроллера 6, пропорционально угловому положению ротора ϕ.
A
DE
A
Принцип работы датчика положения ротора по варианту 2 заключается в следующем. Угол ϕ определяют, измерив интервал времени отсчитываемый от пересечения нуля в положительном направлении напряжением одной из фаз, например, U, до пересечения нуля в положительном направлении напряжением 7 U на роторной обмотке. Для этого таймер микроконтроллера 6 начинает отсчет импульсов от начала формирования микроконтроллером 6 положительного полупериода напряжения U. Снимаемое с обмотки DE ротора напряжение 7 подается на компаратор 8, отрицательный (опорный) вход которого подключен к точке D обмотки ротора. Компаратор устанавливает выход в состояние логической единицы, как только напряжение 7 на обмотке ротора DE становится положительным. Выход компаратора подключен к входу микроконтроллера 6. При поступлении на вход микроконтроллера 6 логической единицы его таймер прекращает отсчет импульсов. Число импульсов, полученное на выходе таймера микроконтроллера 6, пропорционально угловому положению ротора ϕ.
Связь числа импульсов, полученных на выходе таймера микроконтроллера 6, с реальным углом поворота ротора ϕ определяют экспериментальным путем при тарировании датчика поворота ротора по вариантам 1 и 2.
Датчик положения ротора по вариантам 1 и 2 передает информацию об угле поворота ϕ после преобразования ее в десятичный формат по цифровому интерфейсу 9 на индикатор или систему сбора данных.