4.2.1. Электромагнитные первичные преобразователи в ДП.

Наибольшее распространение в этой группе ПП получили вращающиеся трансформаторы, индуктосины, сельсины. Все они предпочтительно используются в режимах фазового представления информации. Источником информации чаще всего служит двигатель привода подачи, информация об угле поворота ротора которого связана с фазой выходного гармонического сигнала:


Вращающийся трансформатор (ВТ) представляет собой индукционную микромашину с неявно выраженными полюсами, выходное напряжение которой является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. При этом зависимость от входного напряжения линейная, а от угла поворота ротора - синусная или косинусная. На статоре 2 и роторе 3 (рис.10) вращающегося трансформатора размещены по две одинаковые обмотки с пространственным сдвигом друг относительно друга на 90°. Обмотки статора, к которым подводится питающее напряжение, называются одна - обмоткой возбуждения, а вторая - компенсационной, а обмотки ротора, с которых снимается выходной сигнал, синусной и косинусной. Следует отметить, что при работе ВТ в режиме непрерывного вращения ротора, что, как правило, характерно для металлорежущих станков, обмотку возбуждения располагают на роторе, а синусную и косинусную на статоре, что позволяет в два раза уменьшить число контактных колец щеточно-коллекторного узла. В зависимости от способа осуществления токосъема или токоподвода различают контактные или бесконтактные вращающиеся трансформаторы. В первом случае токосъем осуществляется посредством контактных колец и щеток, во втором - посредством кольцевых трансформаторов или спиральных пружин

Различают два режима работы ВТ - фазовый и трансформаторный.
В фазовом режиме, который в большинстве случаев и используется в ДП, обмотки статора запитываются переменным синусоидальным напряжением, сдвинутым по фазе для каждой из обмоток на угол 90° (это напряжение получается расцеплением опорного напряжения в специальном устройстве - фазорасцепителе). Такая система катушек образует вращающееся магнитное поле, которое является круговым и вращается с угловой частотой, равной угловой частоте тока ?. При этом в роторных обмотках наводится ЭДС той же частоты, но сдвинутая на угол поворота ротора ?, то есть выходное напряжение с роторных обмоток меняется по закону синуса и косинуса и с учетом принципа суперпозиции (СКВТ):

Выходные напряжения как синусной, так и косинусной обмоток зависят от угла поворота ротора. Если одно из напряжений, питающих статорную обмотку, принять за опорное, то фазовый сдвиг выходных сигналов обмоток ротора соответствует его угловому смещению а, то есть ВТ, ротор которого кинематически связан с узлами станка, осуществляет измерительное преобразование перемещения узлов станка в фазомодулированный сигнал, сдвиг фазы которого соответствует величине перемещения. Большинство ВТ рассчитано на питание синусоидальным напряжением частотой 400 Гц, но могут работать и в широком диапазоне частот - до нескольких тысяч герц. Повышение частоты повышает мощность выходного сигнала.
В зависимости от метрологических свойств все ВТ делятся на шесть классов точности: 0.005; 0.01; 0.02; 0.05; 0.1 и 0.2. В среднем угловая погрешность ВТ составляет десятые доли градусов (0.3°); разработаны ВТ с погрешностью 5 угл. мин.
Из принципа действия вращающегося трансформатора следует, что за один оборот ротора с синусной или косинусной обмоток снимается один период напряжения. Это не обеспечивает требуемой дискретности формирования выходного сигнала. Учитывая, что шаг ходового винта составляет 10 мм, а требуемая дискретность -0.01 мм, для ее обеспечения необходимо увеличивать редукцию между вращающимся трансформатором и подвижными элементами станка так, чтобы суммарная электрическая (деление фазы на 100 или 200) и механическая редукции обеспечили бы требуемую дискретность измерения - тысячекратное деление фазы.
Чаще всего вместо дополнительной механической редукции, вносящей существенную погрешность в преобразование, используют многополюсные индукционные преобразователи - редусины (редуктосины) или специальные электронные блоки АЦП выходных сигналов ВТ, обеспечивающие цифровой выход информации при необходимой ее дискретности.


Рисунок 11. Элемент конструкции редуктосина(а) и временные диаграммы (б)
Чаще всего вместо дополнительной механической редукции, вносящей существенную погрешность в преобразование, используют многополюсные индукционные преобразователи - редусины (редуктосины) или специальные электронные блоки АЦП выходных сигналов ВТ, обеспечивающие цифровой выход информации при необходимой ее дискретности.
Многополюсные индукционные преобразователи – редуктосины представляют собой многополюсный вращающийся трансформатор с Р пар полюсов по окружности статора 1 (рис.11). На каждом полюсе расположены обмотки возбуждения а, б и выходная обмотка в. Обмотки возбуждения соединены через полюс, и фазы питающих их напряжений смещены на 90°.
Соединение обмоток обеспечивает чередование соседних полюсов. При работе редуктосина в режиме фазовращателя фаза его выходного сигнала определяется угловым положением ротора 2 (по аналогии с вращающимся трансформатором).
При этом за один период питающего напряжения магнитное поле повернется на угол 2 π /Р, а не на 2 π, как это имеет место у вращающегося трансформатора, а значит и фаза выходного напряжения изменится на угол 2 π при повороте ротора на угол 2 π /Р, то есть сдвиг выходного сигнала у редуктосина по фазе в Р раз больше угла поворота его ротора (рис.11 б). Расположение всех обмоток редуктосина на его неподвижной части - статоре 1, существенно облегчает проблему токосъема.
В настоящее время редуктосины выпускаются с числом пар полюсов до 180, что позволяет устанавливать их непосредственно на валу двигателя без повышающей передачи и устраняет внесение дополнительной погрешности, не снижая надежности.
Проблема миниатюризации датчиков обратной связи представляет значительный интерес с точки зрения удобства их встройки в привод и в связи с развитием робототехники. Поэтому представляют интерес датчики типа ДЛПР, представляющие собой линейные редуктосины.
На сердечнике (рис.12) датчика расположены три обмотки - сосредоточенная катушечного типа обмотка возбуждения В, синусоидально распределенная с шагом в один зубец, синусная С и косинусная К обмотки.

В металлорежущих станках также применяют в качестве датчиков обратной связи индукционные электрические машины с тремя расположенными по окружности статора одинаковыми обмотками - сельсины. В сельсинах угол поворота ротора, как и во вращающемся трансформаторе, преобразуется в сдвиг фаз а, выходного и опорного напряжений.

В настоящее время в качестве датчика обратной связи применяются сельсины разных типов, и в частности бесконтактный сельсин модели БС-155А, имеющий номинальное напряжение питания 100 В при частоте 400 (500) Гц, максимальное выходное напряжение 62-70 В. Его погрешность в трансформаторном режиме - до 60 угл. мин.
Кроме относительно большой погрешности, доходящей в общем случае 1.5°, сельсины сложны по конструкции, их стоимость больше, чем, например, вращающегося трансформатора. Они имеют относительно сложную схему формирования измерительной информации, включающую источник стабильного опорного напряжения, и, как вращающийся трансформатор, не охватывают обратной связью пару винт-гайка.
Поэтому в настоящее время все более широкое распространение в качестве датчика обратной связи получает индуктосин - многополюсный вращающийся трансформатор с печатными обмотками. Он отличается высокой точностью (погрешность - несколько угловых секунд (2-5с) для угловых и несколько тысячных долей миллиметров (2-5 мкм) для линейных перемещений) и надежностью, малой потребляемой мощностью, хорошей воспроизводимостью характеристик, относительной простотой конструкции (технологичностью) и малыми габаритами, а значит, и удобством встройки в станок.
Круговой индуктосин представляет собой два диска из изоляционного материала, один из которых - статор - неподвижно закрепляется на станке, а второй - ротор - кинематически связан с подвижным элементом станка. Ротор поворачивается относительно статора на измеряемый угол. На торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, печатным способом наносятся обмотки, представляющие собой ряд токопроводящих пластин-проводников с явно выраженными лобовыми участками (рис.13) Конструктивно индуктосин имеет две первичные многополюсные обмотки и одну вторичную.
Диски индуктосина располагаются соосно и удалены друг от друга примерно на 0.1 мм.
Круговой индуктосин аналогичен СКВТ, но отличается от него большим числом полюсов - до 360 и более. Выбор их числа зависит от назначения индуктосина. Например, при использовании двоичного кода удобны 128- и 256-парные полюсные приборы, а для градусного отсчета используются индуктосины с числом пар полюсов 180 и 360.

Рисунок 13. Круговой индуктосин: а) обмотка статора; б) обмотка ротора
Принцип работы кругового индуктосина заключается в том, что при питании обмоток статора переменным током в роторе может индуцироваться ЭДС, амплитуда и фаза которой (или только амплитуда, или только фаза) являются функциями угла поворота ротора относительно статора.
В фазовом режиме при питании первичных обмоток напряжениями - равных амплитуд, но сдвинутыми по фазе на 90 градусов, индуктосин работает в режиме вращающегося поля. В этом случае амплитуда ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, остается неизменной, а фаза является функцией перемещения обмоток относительно друг друга. В этом режиме напряжение, снимаемое с ротора, имеет постоянную амплитуду, а фаза является многозначной линейной функцией взаимного расположения дисков индуктосина, то есть с ротора снимается напряжение:


Информация, содержащаяся в этой фазе, может передаваться на расстояние по соответствующим линиям связи. При этом необходимо также передавать опорное напряжение. Разность фаз этих напряжений несет информацию о взаимном расположении дисков или линеек, т.е. об угловом и линейном перемещениях.
Совершенствование технологии производства индуктосинов, и в частности промышленное освоение тонких фольгированных диэлектрических пленок, позволило перейти к индуктосинам с многослойными обмотками, применение которых увеличивает точность и мощность выходного сигнала, расширяет функциональные возможности индуктосина при одновременном уменьшении их габаритов.
Частота питания индуктосина составляет 10 кГц, недопустима частота менее 2 кГц (ввиду малости в этом случае выходного сигнала) и более 20 кГц (ввиду проявления в этом случае емкостных сопротивлений и неравномерностей распределения тока по сечению проводников).
Линейный индуктосин, кроме конструктивного исполнения, аналогичен круговому. Линейный индуктосин имеет две линейки - длинную I (у кругового это статор) и короткую II (головку считывания - у кругового это ротор) (рис.14
а). Длинная линейка устанавливается на неподвижной части станка и имеет однофазную многополюсную обмотку, головка считывания устанавливается на подвижной части станка, величину линейного перемещения которой необходимо измерить и имеет двухфазную обмотку.
Обмотка 1 на линейке нанесена печатным способом с шагом 2 мм в форме «меандр». Обмотки 2,3 на головке более короткие и сдвинуты друг относительно друга на 90°; обмотки питаются током частотой 10 кГц. При включении питания образуется бегущее поле. Волна гармонически распределенной в воздушном зазоре между линейкой I и головкой II магнитной индукции перемещается вдоль линейки и индуцирует в ее обмотке 1 ЭДС. Фаза этой ЭДС (или выходного напряжения обмотки линейки) определяется перемещением головки II относительно линейки I.

При перемещении подвижной части станка подвижная линейка имеет возможность перемещаться параллельно с постоянным зазором относительно, неподвижной линейки. Обычно длина линейки равна 250 мм, а головки -100 мм. Линейный индуктосин позволяет измерить линейные перемещения рабочего органа станка с большой точностью (примерно до ±2.5 мкм на длине 250 мм). На большие длины перемещения рабочих органов линейки (которые имеют длину 250 мм) стыкуют, причем так, чтобы они образовывали одну измерительную шкалу необходимой длины.
Первым линейным индуктосином отечественного производства является индуктивный датчик линейного перемещения - ДЛП.
Эти ДП образовали серии ПИЛП (линейные) и ПИКП (круговые).
В ряде стран проводятся работы по миниатюризации индуктосина. В этой связи появились так называемые модульные индуктосины, сущность которых заключается в том, что их многослойные обмотки уложены в пазы зубчатого набираемого сердечника, причем каждый зубцовый элемент содержит слой обмотки и слой сердечника. Эти индуктосины обладают высоким потокосцеплением между обмотками статора и ротора и увеличенным уровнем выходного сигнала за счет ферромагнитной зоны. Модульные индуктосины уступают по точности индуктосинам с многослойными обмотками, но имеют существенно меньшие габариты - их диаметр может быть уменьшен до 30-60 мм.