Кольцевой индукционный датчик угла

Магнитный поток  , если пренебречь падением напряжения на собственном сопротивлении обмотки возбуждения, остается постоянным и его можно найти из следующего уравнения

 

. (3.7)

 

Поперечный  поток  создается н. с. вторичных обмоток и его величина в общем случае зависит от угла поворота ротора a

 

 (3.8)

 

Этот  поток будет индуктировать во вторичных обмотках добавочную э.д.с, что приведет к искажению синусоидальной зависимости вторичных напряжений от угла поворота ротора a. При замкнутой накоротко квадратурной обмотке этот поток демпфируется и выходные напряжения сохраняют синусоидальную зависимость от угла поворота ротора при любых сопротивлениях нагрузки. В этом случае говорят, что выполнено первичное симметрирование.

 

Рисунок 3.3 Схема замещения двух обмоточного КИДУ.

 

Рисунок 3.4 Приведение КИДУ к двум одно фазным трансформаторам.

 

Поперечный  поток  , равен также нулю, если

 

.                                                           (3.9)

 

Токи  и равны

 

                                                           (3.10)

 

где Z –  собственное сопротивление вторичной  обмотки.

Подставляя  эти выражения в формулу (3.9), получим  . При этом условии, называемом условием вторичного симметрирования, вторичное напряжение изменяется по синусоидальному закону от угла поворота ротора.

4 Параметры КИДУ

 

КИДУ характеризуется рядом величин, определяющих возможность его применения в той или иной схеме и точность работы. К величинам первой группы относятся: – номинальное напряжение возбуждения; f – частота сети; k – коэффициент трансформации или коэффициент передачи по напряжению ; – входное и выходное сопротивления; – угол сдвига фазы между вторичной э. д. с. и приложенным напряжением.

Их схемы  замещения, приведенной на рисунке 3.3, получаем:

 

 – сопротивление холостого  хода;

 

 – сопротивление короткого замыкания;

 

 – входное сопротивление при некотором сопротивлении нагрузки;

 

 – угол сдвига фазы между  вторичной э.д.с. и приложенным  напряжением, где Z_н – сопротивление источника.

 

Имея  эти параметры, нетрудно определить любые электромагнитные величины, характеризующие  работу КИДУ в схеме: потребляемые ток и мощность, выходное напряжение, оптимальную нагрузку и т.п.

Наиболее  важными являются величины второй группы, характеризующие точность; они определяют, насколько реальная машина отличается от идеализированной. К этим величинам  относятся:

1. Относительная амплитудная ошибка в синусоидальной зависимости вторичной э.д.с. от угла поворота ротора; она выражается в процентах или угловых минутах:

 

,                                                       (3.17)

 

где максимальная угловая ошибка в минутах

По амплитудной  относительной ошибке, выраженной в %, определяются классы точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2;0,3.

2. Асимметрия нулевых точек, характеризующая неперпендикулярность обмоток статора и ротора КИДУ. Для ее определения КИДУ поочередно возбуждается со стороны первичных обмоток, и затем определяются угловые положения ротора, при которых э.д.с. вторичных обмоток равна нулю. Отклонение этих угловых положений от углов, кратных 90^о, представляет собой асимметрию нулевых точек КИДУ.

Из () следует, что для данного класса точности максимальное значение асимметрии в угловых минутах не должно превосходить

 

         ,                                              (3.18)

 

где e — относительная амплитудная ошибка в процентах.

3. Остаточная э.д.с в нулевых точках (е_ос, %). Вследствие электрической и магнитной асимметрии магнитопровода от различных'технологических причин при однофазном питании КИДУ образуется эллиптическое вращающееся магнитное поле, которое индуктирует во вторичных обмотках э.д.с, сдвинутую по фазе на некоторый угол по отношению к э.д.с. от основного магнитного потока. Эта добавочная э.д.с. Может быть разложена на две составляющие (рисунок 3.6): совпадающую по фазе с основной э.д.с. и квадратурную э.д.с. Совпадающая по фазе э.д.с. компенсируется поворотом ротора, что обусловливает асимметрию нулевых точек. Квадратурная э.д.с. не может быть скомпенсирована, она представляет собой остаточную э.д.с, которая состоит из э.д.с. основной частоты и э.д.с. высших гармоник, появляющихся от нелинейности кривой намагничивания магнитопровода.

На работу КИДУ в компенсационных схемах главное влияние оказывает остаточная э.д.с. основной частоты. Ее величина не должна превосходить половины полезного сигнала, соответствующего максимальной угловой ошибке.

4. Э.д.с. квадратурной обмотки (e_k, %). В идеальном КИДУ взаимоиндукция между перпендикулярными обмотками статора (ротора) должна отсутствовать. В действительности, вследствие различного рода технологических погрешностей коэффициент взаимоиндукции между обмотками не равен нулю, что приводит к появлению э.д.с. на одной обмотке при включении в сеть другой. Эту э.д.с. называют э.д.с. квадратурной обмотки. Она состоит из основной гармоники, имеющей частоту сети, и высших временных гармоник. Э.д.с. квадратурной обмотки зависит от углового положения ротора и содержит постоянную составляющую, не зависящую от углового положения ротора, переменную составляющую, изменяющуюся с двойной периодичностью от угла поворота ротора, и зубцовые гармоники (рисунок 3.7).

 

Рисунок 3.6 Векторная диаграмма остаточной э. д. с.

 

Рисунок 3.7 Зависимость э. д. с. квадратурной обмотки от угла по ворота ротора

 

Кривая  э. д. с. квадратурной обмотки является весьма полезной при анализе качества изготовления магнитопровода КИДУ. Обычно для КИДУ как электрической машины задается максимальное значение э. д. с. квадратурной обмотки, выраженное в процентах от напряжения возбуждения

 

                            .                                                  (3.19)

 

5. Относительная разница (в %) коэффициентов передачи по напряжению косинусной и синусной обмоток

                            .                                                      (3.20)

 

Вследствие  разницы в числе витков вторичных  обмоток коэффициенты передачи по напряжению могут несколько отличаться. Это  отклонение для данного класса точности не должно превосходить относительной  амплитудной ошибки воспроизведения  синусоидальной зависимости.

5 Погрешности КИДУ

5.1 Классификация погрешностей

 

Всем  описывающим электроэлементам присущи  погрешности, которые по физическим причинам можно разделить на четыре основные группы:

1. погрешности, вытекающие из принципа работы датчика;
2. погрешности от конструктивных ограничений;
3. технологические погрешности;
4. погрешности, вызванные влиянием внешней среды.Первая группа погрешностей, вытекающих из принципа действия, свойственна счетно-решающим электроэлементам, которые предназначены для решения тех или иных функциональных зависимостей.

С этой точки  зрения датчики угла являются списывающими элементами, работа которых заключается  в преобразовании углового перемещения  ротора в пропорциональный ему электрический  сигнал. Для выше рассмотренных типов  датчиков погрешности, вызывающие нарушение  этой пропорциональности, которая чаще всего выражается линейным законом, не связаны с принципом работы датчиков, а являются следствием влияния  причин последующих групп. Поэтому  остановимся именно на последних  трех группах причин, вызывающих погрешности  датчиков.

Конструктивные  погрешности. Наличие магнитопровода статора и ротора в датчиках угла, как и во всех электрических машинах  и аппаратах, приводит к искажению  идеальной кривой намагничивания. Нелинейность кривой намагничивания обусловливает  нелинейный характер изменения величины выходного напряжения от угла поворота ротора. Кроме того с нелинейностью  кривой намагничивания связано появление  высших временных гармоник в намагничивающем  токе. Рассмотренные типы датчиков являются дифференциальными только по отношению к основной и нечетным гармоникам выходного напряжения. Поэтому  нелинейность кривой намагничивания, приводит к. увеличению остаточного  напряжения датчиков за счет присутствия  в нем четных гармоник.

Следует отметить, что все явления, связанные  с искажением кривой намагничивания, в датчиках рамочного типа проявляются  в значительно меньшей степени, чем в других датчиках. Это объясняется  наличием в датчиках рамочного типа значительного по величине воздушного зазора, представляющего собой большое  линейное магнитное сопротивление, по сравнению с которым нелинейное сопротивление стального участка  магнитной цепи составляет незначительную величину.

Специфическая конфигурация магнитопровода, а также  наличие воздушного зазора обусловливают  наличие в датчике значительных полей рассеяния. Распределение  и расчет этих полей представляет известные трудности. Асимметрия, вводимая полями рассеяния в общую картину  поля датчика, вызывает появление асимметрии и нелинейности выходного напряжения датчика при повороте ротора.

Технологические погрешности. Значения допусков на отдельные  детали и несовершенство технологии изготовления и сборки датчиков определяют наличие целого ряда погрешностей датчиков угла.

Необходимым условием при установке в гироскопе  датчика угла с перемещающимся ротором  является требование равномерности  воздушного зазора между статором и  ротором. Это объясняется тем, что  при неравномерном воздушном  зазоре магнитные проводимости под  крайними пальцами различаются, что  приводит к появлению значительного  по величине выходного напряжения в  нулевом положении ротора датчика. В некоторых конструкциях гироскопов выходное напряжение может быть уменьшено  с помощью поворота статора датчика  и подключения фазирующего сопротивления  или за счет использования компенсирующих устройств. Однако, несмотря на это, неравномерный  воздушный зазор приводит к искажению  характеристики выходного напряжения датчика, делая ее несимметричной.

Аналогичное влияние, но в несколько меньшей  степени, оказывает магнитная асимметрия магнитопроводов обоих типов  датчиков. Эта асимметрия вызывается двумя причинами:

1. различной величиной магнитной проводимости пластин магнитопровода вдоль и поперек направления проката;
2. наличием контуров электрической проводимости в магнитопроводе, возникающих при механической обработке пакетов магнитопровода, вследствие замыкания пластин между собой, недостаточной изоляции между пластинами и т. п.

Короткозамкнутые  контуры в магнитопроводе датчика, а также короткозамкнутые витки  в выходных катушках приводят к фазовому сдвигу потока, пронизывающего эти  контуры, следствием чего является дополнительный фазовый сдвиг между напряжениями в левой и правой половине выходной обмотки.

Отличие угла сдвига фазы между напряжениями выходных катушек от 180° приводит к появлению значительного остаточного  напряжения, для устранения которого необходимо использовать один из выше рассмотренных методов и которое  приводит к дополнительному увеличению несимметричности характеристики выходного  напряжения датчиков. Большое влияние  на точность датчика рамочного типа оказывает качество намотки рамки  – двух встречно включенных катушек, перемещающихся в воздушном зазоре. Несимметричное выполнение этих катушек  приводит к тому, что при повороте рамки изменение потокосцепления  с каждой катушкой неодинаково, поэтому  нелинейность и несимметричность характеристики выходного напряжения такого датчика  существенно увеличиваются.

Этим  объясняется более высокая (по сравнению  с датчикам рамочного типа) точность датчиков с перемещающимся ротором  для которых равномерная намотка  выходных катушек не представляет больших  трудностей.

При сборке двухкоординатных датчиков угла предъявляются  высокие требования к запрессовке  пакетов магнитопроводов дл каждой координаты, которые должны быть сдвинуты один относительно другого на 90°. Отклонение от этого угла приводит к созданию электрического сигнала по обеим  координатам приводит к смещению ротора в направлении оси одной  из координат. Сигнал по второй координате дает ложный угол.

Погрешности, вызванные влиянием внешней среды. При работе датчиков угла в гироскопе  на точность их работы оказывают существенное влияние температурные воздействия, а также наличие внешних электромагнитных полей.

Теплоизлучение  других элементов гироскопического прибор может привести к принудительному  нагреву датчика угла. В это  случае решающее значение имеет правильный выбор конструкционных материалов датчика, так как различные коэффициенты линейного расширения деталей датчика  могут привести к нарушению первоначально  установленной величины и равномерности  во; душного зазора, а следовательно, к смещению электрического нуля датчика  и искажению характеристики выходного  напряжения.

При изготовлении материала магнитопровода датчика  из ферритов в результате нагрева  происходит значительное ухудшению  магнитных свойств последних, что  непосредственно привода к ухудшению  параметров датчиков.

В рассматриваемых  датчиках при нулевом положении  ротор воздействие внешнего электромагнитного  поля приводит к увеличению остаточного  напряжения за счет четных гармоник э. д. с складывающихся в дифференциальных выходных обмотках.