Сравнение индуктосинов с оптическими, емкостными и другими индукционными датчиками

Введение

Индукционные датчики углового положения типа “индуктосин” дополняют линейку продуктов KUBO для построения современных отечественных электроприводов мехатронных и робототехнических систем специального и промышленного назначения.

Среди всего многообразия физических принципов для создания датчиков углового положения KUBO остановилась именно на индукционном принципе, как обеспечивающим неоспоримые преимущества перед оптическими, емкостными, магнитными и резистивными датчиками в задачах, требующих высокой точности и стойкости к внешним воздействующим факторам.

 

Принцип работы индукционных датчиков углового положения

В 1831 г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, в соответствии с которым электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом конторе, равна производной магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой с отрицательным знаком, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принцип электромагнитной индукции

Этот принцип можно распространить на систему из двух катушек индуктивности (обмоток), расположенных в пространстве так, что они могут иметь общий магнитный поток Ф. Создаваемый первичной обмоткой магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке ЭДС U, величина которой пропорциональна скорости изменения общего магнитного потока обмоток dФ/dt. Отношение величины магнитного потока Ф к току в первичной обмотке называется взаимной индуктивностью.

Принцип работы индукционных датчиков, таких так синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и индуктосины, состоит в том, что взаимная индуктивность катушек является функцией угла поворота между ними.

 

Сравнение с емкостными датчиками

Аналогично индукционным датчикам емкостные датчики построены на принципе модуляции взаимной емкости вращающихся тел углом их взаимного поворота.

Емкость между двумя пластинами, как следует из рисунка 2, определяется площадью их перекрытия, расстоянием между пластинами и диэлектрической проницаемостью среды между ними. Диэлектрическую проницаемость ε принято выражать в виде произведения абсолютной диэлектрической проницаемости ε₀ = 8.85×10⁻¹² Ф/м на относительную диэлектрическую проницаемость εᵣ, ε = ε₀·εᵣ.

Если конструктивно выполнить емкостной датчик угла так, что площадь перекрытия пластин будет являться функцией угла, то, измеряя емкость между ними, можно определить угол. Пластины технологично выполнять в виде печатных плат.

Рисунок 2 – Емкость между двумя пластинами

Для получения достаточного уровня сигнала с емкостного датчика расстояние между пластинами d должно быть существенно меньше 1 мм.

Недостатки емкостных датчиков следуют из физического принципа их работы.

Взаимная емкость между пластинами подвержена влиянию изменения температуры окружающей среды из-за температурной зависимости расстояния d между пластинами, которая имеет тем больший относительный вклад, чем меньше абсолютная величина расстояния d.

Малое расстояние между пластинами само по себе накладывает высокие требования к точности изготовления корпусных деталей, несущих емкостной датчик угла.

Другим фактором, влияющим на нестабильность характеристик емкостных датчиков, является непостоянство диэлектрической проницаемости ε среды между пластинами. Так, в случае выпадения на поверхности пластин росы с относительной диэлектрической проницаемостью εᵣ = 81, показания датчика будут неточными. По этой причине применение емкостных датчиков может быть рекомендовано только в системах, заполненных сухим воздухом или иным газом.

Некоторые емкостные датчики могут оказаться чувствительными к емкостным наводкам, имеющим место в электроприводах ввиду высокой скорости изменения потенциала dU/dt проводов питания, вызванной работой ключей силового инвертора.

Описанных недостатков лишены индуктосины, т. к. расстояние между ротором и статором индуктосинов KUBO составляет около 1 мм, а индукционный принцип работы обеспечивает независимость показаний датчика от диэлектрической проницаемости среды ε.

 

Сравнение с оптическими датчиками

Существуют два наиболее распространенных конструктивных исполнения оптических датчиков угла. К первому типу отнесем датчики кольцевого типа, у которых оптическая головка считывает положение с масштабного кольца с нанесенным на него кодом. Ко второму типу отнесем датчики, работающие по принципу просвечивания диска с нанесенными на нем метками, которые могут иметь характерный размер в единицы микрон.

Несмотря на то, что дорогостоящие оптические датчики могут иметь очень высокую разрешающую способность и точность, они обладают следующими недостатками по сравнению с индукционными датчиками:

– датчики кольцевого типа часто предъявляют крайне высокие требования к точности взаимного расположения кольца и считывающий головки;

– датчики кольцевого типа очень чувствительны к загрязнению и повреждению масштабного кольца, а также выпадению росы;

– все оптические датчики чувствительны к ударам и вибрациям.

По этим причинам оптические датчики не подходят для применения в составе электроприводов, размещенных на подвижных носителях, работающих в широком температурном диапазоне.

 

Сравнение с вращающимися трансформаторами

Несмотря на то, что индуктосины и синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ или резольверы) используют индукционный принцип, между ними существуют существенные различия.

Основные отличия классических СКВТ от индуктосинов состоят в отсутствии у индуктосинов магнитопровода и намотанных медным проводом катушек. Эти обстоятельства обуславливают ряд преимуществ индуктосинов:

– отсутствие погрешности, связанной с явлением гистерезиса в железном сердечнике;

– существенно меньшую массу индуктосинов;

– высокую технологичность производства обмоток индуктосинов методом печатного монтажа.

Кроме того, некоторые высокоточные двухотсчетные СКВТ могут иметь зазор между статором и ротором порядка 50 ÷ 100 мкм, что накладывает высокие требования к точности изготовления корпусных деталей.

Индуктосины KUBO обладают встроенным контроллером цифровой обработки сигналов, реализующим сложные алгоритмы усиления и преобразования аналоговых сигналов, а также последующее извлечение из них информации об угловом положении ротора. В отличие от СКВТ индуктосины являются законченным решением, не требующим внешней электроники (АЦП ВТ, resolver to digital converter и т. п.).

Индуктосины могут быть подключены непосредственно к микроконтроллеру электропривода, имеющему распространенный интерфейс SPI с физическим уровнем стандарта RS-422.

Заполненный прочным компаундом внутренний объем индуктосинов, показанный на рисунке 3, обеспечивает прекрасную устойчивость к таким внешним воздействующим факторам как вибрация, удары и влажность.

Рисунок 3 – Вид разреза индуктосина

 

Выводы

Отечественные индуктосины KUBO, использующие индукционный принцип для определения углового положения ротора, являются оптимальным решением для современных цифровых электроприводов, подверженных широкому спектру внешних воздействующих факторов.