Датчики угла поворота на основе СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы)

 

Принцип действия: пример.

Рис. 5 Схематический разрез вращающегося трансформатора и график распределения индукции вдоль окружности его статора и ротора

В этом примере будем считать, что обмотки В и К расположены на статоре, а обмотки S и С — на роторе. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Фd (рис. 5, а), пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток индуцирует ЭДС ES0 и EС0, частота которых равна частоте сети f1, а действующее значение зависит от положения ротора относительно статора. Допустим, что магнитный поток Фd распределен в пространстве синусоидально (рис. 5, б); в этом случае индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности статора и ротора по закону

Вх = В0 cos (πx/τ)sin ωt,

где B0 — индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В. В обмотке статора В поток Фd индуцирует ЭДС

Ев = 4,44f1 w1 koб1 Фdm ,

Еде w1 и koб1 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора; Фdm — максимальное значение потока. Стоит помнить, что все основные положения и выводы остаются неизменными только в том случае, когда обмотки В и К расположены на роторе, а обмотки S и С — на статоре. Предположим, что ось обмотки С ротора сдвинута относительно оси обмотки статора на некоторый угол θ = πx0 /τ (рис. 5, а). В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой С,

Фсm = Фdm cos θ,

а ЭДС, индуцированная в этой обмотке,

EС0 = 4,44f1 w 2 koб2 Фdm cos θ,

где w2 и koб2 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Из соотношения EС0 /Ев = [w2 koб2 /(w1 koб1 )]cosθ = k cosθ выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе

EС0 = kЕв cos θ.

Обмотка S ротора сдвинута относительно обмотки С на угол π/2, следовательно, выходное напряжение в этой обмотке

ES0 = 4,44w2 koб2 Фdm cos (θ - π/2) = kЕв cos (θ - π/2) = kЕв sin θ.

Обмотка статора К с потоком Фd не связана, а следовательно, он не индуцирует в ней ЭДС. Эту обмотку используют для компенсации поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке вращающегося трансформатора. Таким образом, в обмотках ротора при холостом ходе индуцируются ЭДС, пропорциональные синусу или косинусу угла поворота ротора относительно соответствующего потока.

Метрология и интерфейс.

Главные проблемы СКВТ, всегда сдерживавшие их широкое практическое применение, заключаются в необходимости разработки сложных схемотехнических приемов подсоединения и способов выделения результатов измерений. Они нуждаются в сложных электрических схемах подключения, управления и формирования данных. В этом пункте я опишу (с помощью временных диаграмм) не только стандартные способы обработки информации и подключения, но также и новые схемотехнические решения, существенно упрощающие процесс получения данных из СКВТ и устраняющие указанные недостатки. В них можно использовать как распространенные дешевые радиочастотные аналоговые, так и цифровые микросхемы.

Амплитудный способ получения данных СКВТ

Этот способ традиционно используется чаще других и заключается в возбуждении первичной обмотки синусоидальным током, полученным от генератора высококачественного гармонического сигнала с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. Далее, для выделения данных, заложенных в амплитудах считанных сигналов с косинусной и синусной обмоток, необходимо их демодулировать.

 

Рис. 6. Временные диаграммы напряжений на обмотках СКВТ:

1. Красный график — сигнал модуляции на первичной обмотке возбуждения.
2. Синий график — ФКМ-сигнал на выходной синусной обмотке.
3. Зеленый график — ФКМ-сигнал на выходной косинусной обмотке.
4. Черный график — косинусный сигнал СКВТ на выходе фазового демодулятора.
5. Черный график — косинусный сигнал СКВТ после фильтрации модулирующей частоты

Временные диаграммы возбуждающего и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 6. По виду сигналы на рис. 6 (второй и третий сверху) принято называть фазокодоманипулированными (ФКМ). Они описываются известными формулами: (9)

где ϕ(t) — угол поворота выходного вала СКВТ. (Показан случай равномерного вращения). Функциональная схема формирования сигналов управления и обработки данных СКВТ показана на рис. 7а, а на рис. 76 приведена схема одного из главных узлов фазового демодулятора.

Рис. 7. а) Функциональная схема обработки сигналов СКВТ; б) схема фазового демодулятора

Ведущий генератор меандра Gen2 синхронизирует генератор синусоидального тока Gen1 и, кроме того, передает этот меандр в фазовые демодуляторы. Фазовый демодулятор представляет собой повторитель напряжения с управляемой полярностью сигнала на выходе. Отфильтрованный выходной косинусный сигнал (пятый график на рис. 6) и есть результат работы СКВТ. Аналогично поступают с ФКМ-синусным сигналом. Ответственными узлами за точность полученных результатов работы, а потому и схемотехнически сложными, являются генераторы модуляции Gen1 и Gen2, формирующие меандр и высококачественный гармонический сигнал со стабилизированной амплитудой, фазовые демодуляторы и фильтры. Полная электрическая схема обработки сигналов СКВТ оказывается непростой и обычно вызывает у разработчиков желание поискать какой-нибудь датчик попроще.

Способ фазового сдвига сигналов СКВТ.

Этот способ используют гораздо реже, чем первый, хотя бы из-за того, что в нем требуется не один, а два высококачественных гармонических сигнала: синусоидальной и косинусоидальной формы со стабилизированными амплитудами и с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. В отличие от первого способа возбуждение СКВТ производят гармоническими токами синусной и косинусной формы, подавая их на соответствующие «синусную» и «косинусную» обмотки. Они порождают в магнитопроводе СКВТ вращающееся магнитное поле, в которое помещена еще одна, выходная обмотка. В ней-то и индуцируется выходное напряжение, сдвинутое по фазе на угол поворота вала датчика относительно опорного сигнала, например относительно сигнала «синусной» обмотки.

Рис. 8. Временные диаграммы возбуждающих и выходных напряжений на обмотках СКВТ:

1. Красный график Y = U0 sin(ω t) — сигнал возбуждения, подаваемый на выходную «синусную» обмотку.
2. Синий график — сигнал возбуждения, подаваемый на выходную «косинусную» обмотку.
3. Зеленый график Y = U0 sin(ω + ϕ) — выходной сигнал СКВТ на входной «возбуждающей» обмотке, сдвинутый по фазе на угол ср поворота выходного вала.
4. Черный график — выходной сигнал «меандр», модулированный частотой генератора счетных импульсов  

В качестве опорного можно использовать сигнал «косинусной» обмотки с соответствующими поправками в расчетах. Затем фазовый сдвиг, как правило, измеряют подсчетом заполняющих высокочастотных импульсов (рис. 8, четвертый график). Чем выше частота их следования, тем выше точность измерений СКВТ. Временные диаграммы возбуждающих и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 8. Видно, что выходной сигнал «меандр» импульсов нужно синтезировать по формуле:

Y=f and (sin(ω t)>0) и (U0 sin(ω + ϕ)<0),

 где f— логический сигнал, формируемый высокочастотным генератором счетных импульсов с частотой, стабилизированной кварцем. Полная электрическая схема, построенная по этому способу, ничуть не проще схемы предыдущего варианта.

 Следящий способ выделения сигналов СКВТ.

Analog Devices — единственная в мире компания, которая для реализации этого способа выпускает серию AD2S аналого-цифровых микросхем, например AD2S90, применив в них следящий принцип. Стоимость этих микросхем сегодня немалая, в диапазоне от $50 до 300, но других фирм-конкурентов на рынке нет. В России есть компании (например, «Военмех», Санкт-Петербург), выпускающие с приемкой «5», под заказ, единичные изделия в виде одноплатных контроллеров в формате плат PC-104 и Micro-PC со следящим принципом обработки, аналогичным применяемому в микросхемах AD2S90 фирмы Analog Devices. Стоимость этих плат еще выше и составляет от $200 до 700 при стоимости самого СКВТ от $500 до 1500. Способ реализуется «хитро» и достаточно сложно. Не будем на нем останавливаться. Своему практическому применению, он, вероятно, обязан тем, что основные узлы следящей системы изготовлены в виде самодостаточного набора микросхем, приобретаемых у фирмы Analog Devices по монопольным ценам. На рис. 9 показан вариант построения такого преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу.

Рис. 9. Вариант построения преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу

 Все описанные выше известные способы построения схем для управления и выделения данных СКВТ не вызывали у разработчиков большого энтузиазма их применения ни раньше, ни потом, когда на заводе «Фиолент» (СССР, г. Симферополь, 1980-2000 гг.) было освоено изготовление по гибридной технологии микросхем специальных серий «Поле» и «Колос». В них использовался следящий алгоритм работы, как позже и в упомянутых микросхемах AD2S90 (США). Учитывая высокие цены на комплектующие детали и сложность схем, я хочу показать иные схемы подключения и способы выделения данных СКВТ, принципиально отличающиеся от известных способов.

 

Способ преобразования вида модуляции сигналов СКВТ из ФКМ в AM.

Необычность предлагаемого способа заключается в предварительном преобразовании ФКМ-сигналов, формируемых СКВТ, в вид AM (амплитудной модуляции) этих же сигналов. Напомним, что в общем виде АМ-сигнал описывается известной формулой:

(10)

При λ > 1 возникает так называемый эффект «перемодуляции» сигнала. Раскрыв скобки, перепишем (9) так:

 (11)

Сравнивая формулы (11) и (9), можно заметить, что первое слагаемое в формуле (11) имеет вид гармонического сигнала возбуждения (рис. 9, первый график). Второе слагаемое в формуле (11) имеет почти такой же вид, но дополнительно каждый из ФКМ-сигналов в формуле (9) умножен на λ < 1. Таким образом, «синусный» и «косинусный» AM-сигналы могут быть получены алгебраическим сложением сигнала возбуждения СКВТ с соответствующим ФКМ-сигналом, аттенюированным с помощью резистивного делителя, то есть умножением на λ < 1. 
На рис. 10 приведены графики, показывающие реализацию этого способа.

Рис. 10. Преобразование вида модуляции выходных сигналов СКВТ из ФКМ в AM:

1. Синий график — сигнал модуляции, подаваемый в первичную обмотку возбуждения.
2. Красный график — ФКМ-выходной синусный сигнал.
3. Красный график — АМ-сигнал на выходной синусной обмотке.
4. Красный график — выходной синусный сигнал СКВТ после детектирования.
5. Зеленый график — ФКМ-выходной косинусный сигнал.
6. Зеленый график — АМ-сигнал на выходной косинусной обмотке.
7. Зеленый график — выходной косинусный сигнал СКВТ после детектирования

Последующие методы обработки АМ-сигналов хорошо известны радиоинженерам, так как AM-модуляция давно применяется почти во всех радиоприемниках. По этому способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем с использованием СКВТ типа ВТ-2.5 и распространенных серий (например, 174) радиочастотных интегральных микросхем: AM-детекторов, синхронных АМ-детекторов, УВЧ и УНЧ.

Способ преобразования ФКМ в AM и рефлексивного усиления сигналов СКВТ

Этот, способ отличается тем, что в схеме один и тот же усилитель выполняет сразу несколько операций: преобразования ФМ в AM, детектирования, фильтрации и рефлексивного усиления выпрямленного выходного косинусоидального напряжения СКВТ, тем самым дополнительно уменьшается количество элементов в электрической схеме.

Вариант функциональной схемы, работающей по этому способу, показан на рис. 11.

Рис. 11. Функциональная схема преобразователя ФКМ в AM с детектированием, фильтрацией и рефлексивным усилением сигналов СКВТ на одном операционном усилителе

Синусоидальное напряжение СКВТ следует подать на компаратор для определения знака синусного выходного напряжения.

Номинал резистора R3 задает коэффициент усиления, а резистором R8 можно, при необходимости, регулировать глубину АМ-модуляции.

По этому способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем на базе СКВТ типа ВТ-71 с использованием распространенных серий радиочастотных интегральных микросхем: AM-детекторов, синхронных АМ-детекторов, УВЧ и УНЧ.

 

 

Способ формирования сигналов СКВТ с возбуждением от генератора тока пилообразной формы

Этот способ концептуально отличается от известного «амплитудного» способа тем, что вместо возбуждающего генератора гармонического напряжения в нем применен генератор периодического тока пилообразной формы.

Идея основана на том, что полный магнитный поток в магнитопроводе СКВТ при таком возбуждении будет также периодически линейно изменяться. СКВТ является дифференцирующим элементом. Поэтому напряжения на синусной и косинусной обмотках будут пропорциональны первым производным по времени от их соответствующих нормальных проекций полного магнитного потока, то есть ЭДС на них пропорциональны, соответственно, sin ϕ и cos ϕ угла поворота выходного вала.

На рис. 12 приведены временные диаграммы работы СКВТ по предложенному способу.

Рис. 12. Временные диаграммы работы СКВТ с возбуждением от генератора пилообразного тока (в эксперименте соответствовали ϕ = 18°30'):

1. зеленый график — ток возбуждения СКВТ;
2. коричневый график — напряжение на выходной «косинусной» обмотке;
3. красный график — напряжение на выходной «синусной» обмотке

С помощью этого способа можно непосредственно, без дополнительной обработки, формировать выходные синусные и косинусные сигналы СКВТ в виде импульсов прямоугольной формы с амплитудами, пропорциональными, соответственно, sin ϕ и  
cos ϕ поворота вала. Постоянное «плато» сигналов прямоугольной формы позволяет увеличить время их апертуры до полупериода и подавать их на входы АЦП для считывания без предварительного традиционного сохранения в устройстве выборки-хранения (УВХ).

Способ формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора.

Уникальность этого способа в том, что в электрической схеме вообще отсутствует генератор (генераторы) возбуждения. Вместо него (вместо них) в схему введены элементы положительной обратной связи по напряжению, образующие совместно с элементами СКВТ схему гиратора. Гиратором называют электронную схему, позволяющую с помощью положительной обратной связи перераспределить энергию в электрической цепи с целью преобразования импеданса (R-L-C, активно-реактивного сопротивления) присоединенного к ней элемента (5). Кроме того, с помощью гиратора и дополнительного источника питания можно устранить влияние любого из элементов (R, L, С) на величину и форму протекающего в цепи тока. Датчик тока, установленный в цепи обмотки возбуждения СКВТ, совместно с гиратором и импульсным источником питания компенсирует энергетические потери на активном сопротивлении (R) и преобразует активно-индуктивный (R-L) импеданс обмотки возбуждения СКВТ в идеальное реактивное сопротивление индуктивности (L). При этом по обмотке возбуждения СКВТ станет протекать периодический ток пилообразной формы (а не экспоненциальной). Этот способ позволяет получить гораздо более качественное возбуждение СКВТ, не зависящее от параметров конкретного образца и даже его марки. А это, в свою очередь, повышает точность работы СКВТ. Графики, характеризующие работу СКВТ по этому способу, такие же, как на рис. 12. На рис. 13 показана функциональная схема способа формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора.