RU175874U1 - Датчик положения вала - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к элементам систем автоматического управления и представляет собой датчик для непрерывного определения положения вала в диапазоне 360°. Датчик положения вала может быть использован в системах управления синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, работающих в режимах малых скоростей и применяемых для управления подвижными конструктивными элементами грузоподъемных машин.

Полезная модель направлена на упрощение конструктивного исполнения датчика положения вала, технологии его сборки и установки, повышение точности определения положения вала.

Указанная цель достигается тем, что датчик положения вала содержит, по меньшей мере, два электрических преобразователя с линейной выходной характеристикой, разнесенных на определенное расстояние по отношению друг к другу, дополнительно на электронной плате размещены два аналоговых датчика Холла, программируемый микроконтроллер, схема согласования уровней и схема преобразователя напряжения. При этом датчики Холла расположены на расстоянии от 3,5 до 20 мм друг от друга, а плата установлена ортогонально оси вращения вала ротора на расстоянии от 2 до 10 мм от торца барабана ротора. Плата встраивается непосредственно в корпус синхронного электродвигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к элементам систем автоматического управления и представляет собой датчик для непрерывного определения положения вала в диапазоне 360°. Датчик положения вала может быть использован в системах управления синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, работающих в режимах малых скоростей и применяемых для управления подвижными конструктивными элементами грузоподъемных машин.

Известна конструкция управляемого привода лифта (патент РФ на полезную модель №48179 дата публикации 27.09.2005 г.), содержащего электродвигатель, блок управления лифтом, датчик положения ротора электродвигателя, ротор и статор которого жестко соединены с ротором и статором электродвигателя, управляющий инвертор, выход которого соединен с обмотками статора электродвигателя, первый управляющий вход подключен к выходу датчика положения ротора, а второй управляющий вход - к выходу блока управления лифтом, при этом электродвигатель выполнен синхронным и имеет 12 пар полюсов, ротор электродвигателя изготовлен из редкоземельного магнитного сплава и состоит из постоянных магнитов с индукцией 1,4-1,9 Тл, воздушный зазор между статором и активной областью ротора электродвигателя составляет 0,8-1,0 мм.

Недостатком описанной конструкции являются увеличенные массогабаритные характеристики и низкий коэффициент полезного действия, связанный с механическими потерями.

Известна конструкция датчика угла поворота (патент РФ на полезную модель №152876 дата публикации 20.06.2015 г.), содержащего преобразователь угловых перемещений в электрический информационный сигнал, выполненный в виде абсолютного углового магнитного энкодера, питающую сеть, автономный источник питания, супервизор, первый вход которого подключен к питающей сети, и коммутатор, рабочие входы которого подключены к питающей сети и выходу автономного источника питания. Он снабжен микроконтроллером с запоминающим устройством и блоком операционных усилителей с низкоомными выходами, при этом магнитный энкодер выполнен на основе туннельного магниторезистивного эффекта, а микроконтроллер - с возможностью перехода в режим микропотребления при снижении значения напряжения питающей сети ниже допустимого значения, входы питания микроконтроллера, блока операционных усилителей и второй вход супервизора подключены к выходу коммутатора, а вход питания магнитного энкодера - к питающему выходу микроконтроллера, информационные выходы магнитного энкодера подключены к соответствующим входам блока операционных усилителей, информационные входы микроконтроллера подключены к низкоомным выходам блока операционных усилителей, управляющий вход - к сигнальному выходу супервизора, а выход - к линии связи датчика с регистрирующим прибором непосредственно или через согласующее устройство. Кроме того, микроконтроллер выполнен с возможностью формирования импульсного питания магнитного энкодера, запоминания адреса датчика, присваиваемого с помощью внешнего устройства по линии связи с регистрирующим прибором, установки выходного сигнала датчика в заданное значение при определенном фиксированном положении вала магнитного энкодера и с возможностью изменения направления отсчета относительно начала координат, формирования цифрового информационного сигнала для передачи в регистрирующий прибор как сигнал тревоги при снижении напряжения автономного источника питания ниже допустимого значения. Датчик дополнительно снабжен элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи датчика с регистрирующим прибором.

Недостатком описанной конструкции является сложность конструктивного исполнения датчика угла поворота и низкая точность определения положения вала.

Наиболее близкой, выбранной в качестве прототипа, является конструкция датчика углового положения (патент РФ на полезную модель №2540455 дата публикации 20.01.2014 г.), содержащего статор, ротор, соединяемый с валом. На статоре или роторе расположены постоянные магниты чередующейся полярности. Также датчик содержит магнитный контур для канализирования магнитной индукции, создаваемой магнитами, с обеспечением ее пропорциональности синусоидальной функции углового положения ротора. Магнитный контур представляет собой зубцовый контур и содержит по меньшей мере один измерительный модуль, содержащий три зубца на каждую пару магнитов, причем каждый из зубцов модуля содержит зазор, в котором размещен преобразователь. Датчик содержит, по меньшей мере, два электрических преобразователя с линейной выходной характеристикой, разнесенные по отношению один к другому на угол и расположенные в зазорах, предусмотренных в указанном контуре.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции, повышенные масса и габаритные размеры датчика, а также необходимость механического крепления ротора и статора двигателя с ротором и статором датчика углового положения соответственно.

Задачей полезной модели является упрощение конструктивного исполнения датчика положения вала, технологии его сборки и установки, повышение точности определения положения вала.

Технический результат достигается тем, что датчик положения вала содержит, по меньшей мере, два электрических преобразователя с линейной выходной характеристикой, разнесенных на определенное расстояние по отношению друг к другу. Для определения углового положения вала использует магнитную индукцию от постоянных магнитов барабана ротора синхронного электродвигателя. При этом датчики Холла расположены на расстоянии от 3,5 до 20 мм друг от друга, а плата установлена ортогонально оси вращения вала ротора на расстоянии от 2 до 10 мм от торца барабана ротора. Плата встраивается непосредственно в корпус синхронного электродвигателя, а программируемый микроконтроллер расположен на плате.

Положительный эффект достигается тем, что датчик положения вала выполнен в виде электронной платы и размещается внутри синхронного электродвигателя, при этом используются постоянные магниты ротора электродвигателя. Такое конструктивное решение позволяет осуществить индикацию положения вала электродвигателя, не изменяя его габаритных размеров, нет необходимости крепления датчика на валу электродвигателя. Применение двух датчиков Холла и микроконтроллера, размещенных на плате, позволило существенно повысить точность измерения и удобство обработки результатов измерения.

Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен датчик положения вала в синхронном электродвигателе, на фиг. 2 - функциональная схема датчика положения вала, на фиг. 3 - график электрических аналоговых сигналов от датчиков Холла.

Датчик положения вала 1 состоит из платы 2, имеющей форму полукольца, и интерфейсного кабеля 3. На плате 2 размешены два аналоговых датчика Холла 4, программируемый микроконтроллер 5, схема согласования уровней 6 и схема преобразователя напряжения 7. Датчики Холла 4 расположены на расстоянии от 3,5 до 20 мм друг от друга и передают электрические сигналы на программируемый микроконтроллер 5. Плата 2 расположена непосредственно в синхронном электродвигателе 8 под крышкой 9, огибая внешний радиус стакана 10, в котором установлен подшипник 11. Плата 2 установлена ортогонально оси вращения вала 12 ротора на расстоянии 2-10 мм от торца барабана 13 ротора, включающего не менее одной пары редкоземельных магнитов 14. Программируемый микроконтроллер 5 преобразует полученные электрические аналоговые сигналы от датчиков Холла 4 в значение угла поворота пары редкоземельных магнитов 14 относительно оси датчиков Холла 4 и передает информационный сигнал через схему согласования уровней 6 в блок управления 15 синхронного электродвигателя 8. Преобразователь напряжения 7 предназначен для питания всей электрической схемы. В схему преобразователя напряжения включены диоды 16, которые предназначены для защиты электрической схемы от подачи обратного напряжения.

Рассмотрим работу датчика положения вала на примере синхронного электродвигателя ДС-56 (ООО «Сарапульский электрогенераторный завод»). Для реализации векторного управления и прикладных задач электропривода необходимо непрерывно определять текущее положение вала 12 ротора синхронного электродвигателя 8 относительно статора (на фиг. не обозначено). Барабан 13 ротора синхронного электродвигателя 8 содержит восемь пар постоянных редкоземельных магнитов 14 или восемь условных секторов, которые должен обработать датчик положения вала 1 для определения поворота на 360°. Один условный сектор измерительной системы соответствует 360 электрическим градусам. Барабан 13 ротора с постоянными магнитами 14 вращается под ортогонально расположенными датчиками Холла 4. Два датчика Холла 4 измеряют величину магнитной индукции, создаваемой магнитами ротора 14, и передают полученные электрические аналоговые сигналы, пропорциональные наведенной величине индукции, в программируемый микроконтроллер 5. Программируемый микроконтроллер 5 обрабатывает полученные электрические аналоговые сигналы с помощью встроенного программного обеспечения и определяет текущее угловое положение пары магнитов 14 ротора относительно оси датчиков Холла 4. Так как для векторного управления синхронным электродвигателем 8 требуется точное отслеживание и поддержание угла между магнитным потоком, образуемым обмотками статора и магнитным потоком постоянных магнитов 14 ротора, программируемый микроконтроллер 5 делит 360 электрических градусов на 18 дискретов, для которых определяет текущее угловое положение вала 12 ротора значением от 1 до 18. Программируемый микроконтроллер 5 передает вычисленное значение угла между магнитным потоком, образуемым обмотками статора и магнитным потоком постоянных магнитов 14 ротора, в виде пакета данных через схему согласования уровней 6 последовательного интерфейса в блок управления. Частота передачи пакетов данных 3,2 кГц. Скорость передачи пакета 115200 бит/с. Блок управления использует полученные значения для поддержания постоянного угла опережения между вращающимся магнитным полем статора и магнитами 14 ротора с помощью управляемой коммутации питания на обмотки электродвигателя 8. Полученные значения угла между магнитным потоком, образуемым обмотками статора и магнитным потоком постоянных магнитов 14 ротора, также могут использоваться для других задач электропривода, где необходимо знать точный угол поворота вала синхронного электродвигателя 8. Один оборот вала 12 ротора синхронного электродвигателя 8 состоит из восьми условных секторов, в которых датчик положения вала определяет угол с точность 1/18. То есть за один оборот можно получить 144 значения положения вала 12 ротора. Соответственно точность определения угла положения вала 12 ротора датчиком положения вала 1 составляет 2,5°.ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ВАЛА

Полезная модель относится к элементам систем автоматического управления и представляет собой датчик для непрерывного определения положения вала в диапазоне 360°. Датчик положения вала может быть использован в системах управления синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, работающими в режимах малых скоростей и применяемых для управления подвижными конструктивными элементами грузоподъемных машин.

Известна конструкция управляемого привода лифта (патент РФ на полезную модель №48179 дата публикации 27.09.2005 г.), содержащего электродвигатель, блок управления лифтом, датчик положения ротора электродвигателя, ротор и статор которого жестко соединены с ротором и статором электродвигателя, управляющий инвертор, выход которого соединен с обмотками статора электродвигателя, первый управляющий вход подключен к выходу датчика положения ротора, а второй управляющий вход - к выходу блока управления лифтом, при этом электродвигатель выполнен синхронным и имеет 12 пар полюсов, ротор электродвигателя изготовлен из редкоземельного магнитного сплава и состоит из постоянных магнитов с индукцией 1,4-1,9 Тл, воздушный зазор между статором и активной областью ротора электродвигателя составляет 0,8-1,0 мм.

Недостатком описанной конструкции являются увеличенные массогабаритные характеристики и низкий коэффициент полезного действия, связанный с механическими потерями.

Известна конструкция датчика угла поворота (патент РФ на полезную модель №152876 дата публикации 20.06.2015 г.), содержащего преобразователь угловых перемещений в электрический информационный сигнал, выполненный в виде абсолютного углового магнитного энкодера, питающую сеть, автономный источник питания, супервизор, первый вход которого подключен к питающей сети, и коммутатор, рабочие входы которого подключены к питающей сети и выходу автономного источника питания. Он снабжен микроконтроллером с запоминающим устройством и блоком операционных усилителей с низкоомными выходами, при этом магнитный энкодер выполнен на основе туннельного магниторезистивного эффекта, а микроконтроллер - с возможностью перехода в режим микропотребления при снижении значения напряжения питающей сети ниже допустимого значения, входы питания микроконтроллера, блока операционных усилителей и второй вход супервизора подключены к выходу коммутатора, а вход питания магнитного энкодера - к питающему выходу микроконтроллера, информационные выходы магнитного энкодера подключены к соответствующим входам блока операционных усилителей, информационные входы микроконтроллера подключены к низкоомным выходам блока операционных усилителей, управляющий вход - к сигнальному выходу супервизора, а выход - к линии связи датчика с регистрирующим прибором непосредственно или через согласующее устройство. Кроме того, микроконтроллер выполнен с возможностью формирования импульсного питания магнитного энкодера, запоминания адреса датчика, присваиваемого с помощью внешнего устройства по линии связи с регистрирующим прибором, установки выходного сигнала датчика в заданное значение при определенном фиксированном положении вала магнитного энкодера и с возможностью изменения направления отсчета относительно начала координат, формирования цифрового информационного сигнала для передачи в регистрирующий прибор как сигнал тревоги при снижении напряжения автономного источника питания ниже допустимого значения. Датчик дополнительно снабжен элементами для защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи датчика с регистрирующим прибором.

Недостатком описанной конструкции является сложность конструктивного исполнения датчика угла поворота и низкая точность определения положения вала.

Наиболее близкой, выбранной в качестве прототипа, является конструкция датчика углового положения (патент РФ на полезную модель №2540455 дата публикации 20.01.2014 г.), содержащего статор, ротор, соединяемый с валом. На статоре или роторе расположены постоянные магниты чередующейся полярности. Также датчик содержит магнитный контур для канализирования магнитной индукции, создаваемой магнитами, с обеспечением ее пропорциональности синусоидальной функции углового положения ротора. Магнитный контур представляет собой зубцовый контур и содержит по меньшей мере один измерительный модуль, содержащий три зубца на каждую пару магнитов, причем каждый из зубцов модуля содержит зазор, в котором размещен преобразователь. Датчик содержит, по меньшей мере, два электрических преобразователя с линейной выходной характеристикой, разнесенные по отношению один к другому на угол и расположенные в зазорах, предусмотренных в указанном контуре.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции, повышенные масса и габаритные размеры датчика, а также необходимость механического крепления ротора и статора двигателя с ротором и статором датчика углового положения соответственно.

Задачей полезной модели является упрощение конструктивного исполнения датчика положения вала, технологии его сборки и установки, повышение точности определения положения вала.

Технический результат достигается тем, что датчик положения вала содержит, по меньшей мере, два электрических преобразователя с линейной выходной характеристикой, разнесенных на определенное расстояние по отношению друг к другу, дополнительно на электронной плате размещены два аналоговых датчика Холла, программируемый микроконтроллер, схема согласования уровней и схема преобразователя напряжения. При этом датчики Холла расположены на расстоянии от 3,5 до 20 мм друг от друга, а плата установлена ортогонально оси вращения вала ротора на расстоянии от 2 до 10 мм от торца барабана ротора. Плата встраивается непосредственно в корпус синхронного электродвигателя.

Положительный эффект достигается тем, что датчик положения вала выполнен в виде электронной платы и размещается внутри синхронного электродвигателя, при этом используются постоянные магниты ротора электродвигателя. Такое конструктивное решение позволяет осуществить индикацию положения вала электродвигателя, не изменяя его габаритных размеров, нет необходимости крепления датчика на валу электродвигателя. Применение двух датчиков Холла и микроконтроллера, размещенных на плате, позволило существенно повысить точность измерения и удобство обработки результатов измерения.

Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен датчик положения вала в синхронном электродвигателе, на фиг. 2 - функциональная схема датчика положения вала, на фиг. 3 - график электрических аналоговых сигналов от датчиков Холла.

Датчик положения вала 1 состоит из платы 2, имеющей форму полукольца, и интерфейсного кабеля 3. На плате 2 размешены два аналоговых датчика Холла 4, программируемый микроконтроллер 5, схема согласования уровней 6 и схема преобразователя напряжения 7. Датчики Холла 4 расположены на расстоянии от 3,5 до 20 мм друг от друга и передают электрические сигналы на программируемый микроконтроллер 5. Плата 2 расположена непосредственно в синхронном электродвигателе 8 под крышкой 9, огибая внешний радиус стакана 10, в котором установлен подшипник 11. Плата 2 установлена ортогонально оси вращения вала 12 ротора на расстоянии 2-10 мм от торца барабана 13 ротора, включающего не менее одной пары редкоземельных магнитов 14. Программируемый микроконтроллер 5 преобразует полученные электрические аналоговые сигналы от датчиков Холла 4 в значение угла поворота пары редкоземельных магнитов 14 относительно оси датчиков Холла 4 и передает информационный сигнал через схему согласования уровней 6 в блок управления 15 синхронного электродвигателя 8. Преобразователь напряжения 7 предназначен для питания всей электрической схемы. В схему преобразователя напряжения включены диоды 16, которые предназначены для защиты электрической схемы от подачи обратного напряжения.

Рассмотрим работу датчика положения вала на примере синхронного электродвигателя ДС-56 (ООО «Сарапульский электрогенераторный завод»). Для реализации векторного управления и прикладных задач электропривода необходимо непрерывно определять текущее положение вала 12 ротора синхронного электродвигателя 8 относительно статора (на фиг. не обозначено). Барабан 13 ротора синхронного электродвигателя 8 содержит восемь пар постоянных редкоземельных магнитов 14 или восемь условных секторов, которые должен обработать датчик положения вала 1 для определения поворота на 360°. Один условный сектор измерительной системы соответствует 360 электрическим градусам. Барабан 13 ротора с постоянными магнитами 14 вращается под ортогонально расположенными датчиками Холла 4. Два датчики Холла 4 измеряют величину магнитной индукции, создаваемой магнитами ротора 14 и передают полученные электрические аналоговые сигналы, пропорциональные наведенной величине индукции, в программируемый микроконтроллер 5. Программируемый микроконтроллер 5 обрабатывает полученные электрические аналоговые сигналы с помощью встроенного программного обеспечения и определяет текущее угловое положение пары магнитов 14 ротора относительно оси датчиков Холла 4. Так как для векторного управления синхронным электродвигателем 8 требуется точное отслеживание и поддержание угла между магнитным потоком, образуемым обмотками статора и магнитным потоком постоянных магнитов 14 ротора, программируемый микроконтроллер 5 делит 360 электрических градусов на 18 дискретов, для которых определяет текущее угловое положение вала 12 ротора значением от 1 до 18. Программируемый микроконтроллер 5 передает вычисленное значение угла между магнитным потоком, образуемым обмотками статора и магнитным потоком постоянных магнитов 14 ротора, в виде пакета данных через схему согласования уровней 6 последовательного интерфейса в блок управления. Частота передачи пакетов данных 3,2 кГц. Скорость передачи пакета 115200 бит/с. Блок управления использует полученные значения для поддержания постоянного угла опережения между вращающимся магнитным полем статора и магнитами 14 ротора с помощью управляемой коммутации питания на обмотки электродвигателя 8. Полученные значения угла между магнитным потоком, образуемым обмотками статора и магнитным потоком постоянных магнитов 14 ротора, также могут использоваться для других задач электропривода, где необходимо знать точный угол поворота вала синхронного электродвигателя 8. Один оборот вала 12 ротора синхронного электродвигателя 8 состоит из восьми условных секторов, в которых датчик положения вала определяет угол с точность 1/18. То есть за один оборот можно получить 144 значения положения вала 12 ротора. Соответственно точность определения угла положения вала 12 ротора датчиком положения вала 1 составляет 2,5°.

Claims (4)

1. Датчик положения вала, содержащий, по меньшей мере, два электрических преобразователя с линейной выходной характеристикой, разнесенных на определенное расстояние по отношению друг к другу, отличающийся тем, что на электронной плате размешены два аналоговых датчика Холла, программируемый микроконтроллер, схема согласования уровней и схема преобразователя напряжения.

2. Датчик положения вала по п. 1, отличающийся тем, что датчики Холла расположены на расстоянии от 3,5 до 20 мм друг от друга.

3. Датчик положения вала по п. 1, отличающийся тем, что плата установлена ортогонально оси вращения вала ротора на расстоянии от 2 до 10 мм от торца барабана ротора.

4. Датчик положения вала по п. 1, отличающийся тем, что плата встраивается непосредственно в корпус синхронного электродвигателя.

Images