Редукционные электромагнитные фазовращатели и информационно-измерительные системы на их основе

Состояние проблемы.

Развитие информационно-измерительных систем (ИИС) управления и контроля предполагает широкое использование датчиков. Датчики являются первичным звеном любой ИИС и в значительной мере определяют величину ее результирующей погрешности.

Большой вклад в разработку ИИС для измерения механических величин внесли Н. Е. Конюхов, Е. П. Осадчий, Е. А. Мокров, В. М. Шляндин, А. И. Мартяшин, Е. А. Ломтев, А. Н. Трофимов и В. И. Батищев.

Проектирование систем управления и контроля, в которые входит большое количество датчиков различных параметров, связано с некоторыми трудностями. Датчики подобных систем имеют различные принципы действия, часто требуют индивидуальных источников питания и устройств обработки информации. Разнообразие входных измеряемых параметров ставит задачу создания типовых рядов датчиков, которые целесообразно использовать для удовлетворения тех или иных потребностей при сборе первичной измерительной информации. Унификация предполагает переход к базовым моделям и внедрение единой элементной базы.

Для измерения угловых перемещений используются ИИС с датчиками, разработанными на основе самых разнообразных физических явлений. Большую часть датчиков угловых перемещений составляют электромагнитные датчики, в которых используются эффекты электромагнитного взаимодействия обмоток или проводников.

Набор ИИС для измерения угловых перемещений настолько широк, что при проектировании и эксплуатации датчиков в качестве элементов ИИС возникают проблемы. Датчики имеют различные принципы действия, различные метрологические характеристики, вид и уровень выходного сигнала и нуждаются в специализированных схемах обработки информации и источниках питания. Унификация конструкций, принципов действия и аппаратуры обработки информации является одним из основных путей сокращения стоимости и повышения надежности автоматизированных систем контроля и управления различными технологическими процессами.

Важнейшим показателем качества датчиков является стабильность характеристик, то есть их неизменность при изменении условий эксплуатации датчиков. Среди датчиков угловых перемещений наиболее стабильные характеристики имеют датчики, у которых носителем информации об измеряемой величине является фаза выходного сигнала — электромагнитные фазовращатели (ЭМФ).

При изменении угла поворота ротора ЭМФ изменяют фазу выходного напряжения, поэтому важной характеристикой ИИС является соответствие изменения фазы угловому перемещению. Соответствие фазы угловому перемещению нормируется погрешностью, определяемой степенью разброса отклонений фазы от линейного закона, так как в большинстве ИИС угловых перемещений предполагается использование линейной характеристики.

В настоящей работе для измерения угловых перемещений предлагается использовать ИИС на основе редукционных электромагнитных фазовращателей, построенных на взаимодействии бегущего магнитного поля с неоднородным магнитопроводом фазовращателя. Предлагаемая конструкция электромагнитной системы (ЭМС) электромагнитных фазовращателей позволяет значительно расширить область применения ЭМФ при использовании уже разработанной аппаратуры обработки информации. Практически речь идет об унификации устройств измерения параметров угловых перемещений. Кроме того, предлагаемая конструкция ЭМФ имеет гораздо меньшие габаритные размеры по сравнению с использовавшимися ранее датчиками угловых перемещений. ЭМФ, построенные по предлагаемому принципу, обеспечивают увеличение разрешающей способности ИИС в десятки раз, не прибегая к увеличению числа пар полюсов или к усложнению конструкции обмотки фазовращателя.

Рассматриваемая электромагнитная система относится к ЭМС с распределенными параметрами, с одной стороны, и к фазовра-щающим устройствам, с другой стороны. Идея использования теории электрических линий с распределенными параметрами для анализа ЭМС с распределенными параметрами встречается в работах М. Ф. Зарипова [33, 35] и Л. Ф. Куликовского [46, 47]. Однако полную аналогию провести нельзя, так как особенность магнитных линий с распределенными параметрами заключается в том, что в них, как правило, имеет место распределение в пространстве не только пассивных параметров, но и намагничивающих сил.

Для анализа существующих ЭМФ используется теория асинхронных двигателей в связи с тем, что информационные ЭМФ конструктивно выполнены как энергетические преобразователи. Анализу ЭМФ на базе теории асинхронных двигателей посвящен ряд работ А. А. Ахметжанова [2 — 4] и А. А. Батоврина [6, 7]. Однако использование обобщенного магнитного потока в качестве базового положения в теории ЭМФ не позволяет учесть влияние большинства конструктивных параметров магнитопровода на погрешность датчика.

Используемые методики проектирования датчиков ориентированы на получение параметров элементов конструкции, исходя из энергетических характеристик. Достаточно полно разработана теория многофакторного эксперимента, позволяющая определить воздействие внешних влияющих факторов на погрешность ИИС. С другой стороны, воздействие конструктивных влияющих факторов (внутренних влияющих факторов) на погрешность ИИС для измерения угловых перемещений изучено не в полном объеме. Практически полностью отсутствует теория проектирования ИИС из условия получения заданных метрологических характеристик.

В данной работе для определения степени влияния конструктивных факторов на погрешность ИИС для измерения угловых перемещений предлагается использовать имитационную модель, что частично решает существующую на сегодняшний момент проблему. Имитационная модель была создана автором на основе анализа физических процессов, происходящих при работе ИИС для измерения угловых перемещений, и математической обработки экспериментальных данных. В настоящее время этот метод не требует больших материальных затрат, наиболее доступен и позволяет выработать рекомендации для проектирования ИИС за короткий отрезок времени.

Актуальность темы

.

Для анализа работы ИИС для измерения угловых перемещений на основе ЭМФ необходимо наличие следующей информации:

— электрических параметров редукционного ЭМФ, определенных с учетом особенностей конструкции,.

— результатов анализа работы редукционного ЭМФ в различных режимах,.

— передаточной функции, позволяющей получить статические и динамические характеристики ИИС.

Наиболее важной задачей проектирования и разработки новых конструкций фазовращателей является повышение разрешающей способности и снижение погрешности ИИС. Вторичная аппаратура обработки информации, как правило, вносит меньшую погрешность в ИИС. Основным элементом, определяющим погрешность всей системы, является ЭМФ. Таким образом, уменьшение погрешности ЭМФ является одной из важнейших задач.

Повышение разрешающей способности ИИС с классическими фазовращателями достигается путем увеличения числа пар полюсов электромагнитной системы и использованием принципа электромагнитной редукции. Увеличение числа пар полюсов приводит к резкому увеличению габаритных размеров фазовращателя. Использование эффекта электромагнитной редукции в классических фазовращателях с поперечным магнитным полем ограничено жестким требованием к точности изготовления элементов магнитопро-вода. Весьма незначительные конструктивные ошибки изготовления элементов электромагнитной системы приводят к значительному увеличению погрешности. Явление электромагнитной редукции используется при разработке ИИС для измерения угловых перемещений, однако добиться надлежащего распределения потока в ЭМС с поперечным электромагнитным полем при больших коэффициентах редукции достаточно проблематично, поэтому коэффициент редукции классических фазовращателей достаточно мал (он колеблется в пределах от 4 до 8). Коэффициент редукции предлагаемых редукционных ЭМФ с продольным бегущим магнитным полем в десятки раз больше. Как показали исследования, разрешающая способность ИИС пропорциональна квадрату коэффициента редукции ЭМФ. Следовательно, одним из способов повышения разрешающей способности ИИС с ЭМФ является увеличение коэффициента редукции ЭМФ.

Таким образом, разработка ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ с бегущим магнитным полем является чрезвычайно актуальной, так как позволяет уменьшить погрешность измерений и повысить разрешающую способность ИИС.

Предмет исследований — информационно-измерительная система на основе редукционного электромагнитного фазовращателя, предназначенная для измерения угловых перемещений. и.

Цель исследований — разработка ИИС с повышенной разрешающей способностью для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ.

Задачи исследования:

1. Проведение анализа и математическое описание ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ.

2. Определение передаточной функции ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ.

3. Выбор методов анализа, разработка и обоснование методов определения погрешности ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ.

4. Определение степени влияния различных факторов на пог грешность ИИС для измерения угловых перемещений, построенной на базе редукционного ЭМФ с бегущим магнитным полем.

5. Разработка ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и компьютерных технологий.

Методы исследований. Методологическую основу работы составила классическая теория электромагнитных устройств с использованием введенных удельных первичных параметров, идеализации процессов в электромагнитной системе и дискретизация характеристик магнитопровода.

В процессе исследований использованы методы математического анализа, имитационного моделирования и натурных испытаний ИИС для измерения угловых перемещений, построенной на основе редукционного ЭМФ и компьютерных технологий.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработана новая конструкция электромагнитного фазовращателя с повышенным коэффициентом редукции.

2. Разработана методика получения передаточной функции ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ, работающим в однофазном и двухфазном режимах.

3. Разработан алгоритм имитационной модели ИИС угловых перемещений на основе ЭМФ с электромагнитной редукцией.

4. Создана имитационная модель ИИС для измерения угловых перемещений на базе электромагнитного фазовращателя, позволяющая учесть влияние наиболее значимых конструктивных факторов на погрешность ИИС.

5. Разработана ИИС для измерения угловых перемещений, реализованная на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана электромагнитная система для измерения параметров угловых перемещений, позволяющая расширить область применения фазового признака выходного сигнала.

2. Разработана новая конструкция ЭМФ, основанная на использовании продольного бегущего магнитного поля, с повышенным коэффициентом редукции.

3. Создана базовая имитационная модель ИИС с редукционным ЭМФ, позволяющая проводить предварительную оценку электрических и метрологических свойств ИИС для измерения угловых перемещений.

4. Решена задача разработки ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и персонального компьютера с использованием программного обеспечения, реализованного в среде MatLab.

Реализация и внедрение. ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ внедрена в качестве элемента действующего оборудования оборонного значения (ВЧ 68 501, Пензенская обл.). Имитационная компьютерная модель ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ также внедрена в практику проектных работ ООО «Вектор плюс» (г. Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» Пензенского государственного университета при подготовке студентов по дисциплине «Контактные и неконтактные датчики».

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических симпозиумах и конференциях: ежегодный Международный симпозиум «Надежность и качество» (Пенза, 2006;2008), Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007) — Международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» («Измерения-2006») (Пенза, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные положения диссертации полностью представлены в опубликованных работах.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная конструкция ЭМФ с повышенным коэффициентом редукции, основанная на использовании продольного бегущего магнитного поля.

2. ИИС с повышенной разрешающей способностью для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ.

3. Передаточные функции ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного электромагнитного фазовращателя, работающего в однофазном и двухфазном режимах.

4. Имитационная модель ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного электромагнитного фазовращателя.

5. Анализ влияния наиболее значимых факторов на погрешность ИИС для измерения угловых перемещений.

6. ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.

7. Результаты экспериментального исследования ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 102 наимено.

Выводы.

1. Автором решена задача разработки ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и персонального компьютера с использованием программного обеспечения, реализованного в среде MatLab, отличающаяся простотой построения и использования.

2. Для функционирования ИИС было разработано соответствующее программное обеспечение в среде MatLab, управляющее звуковой картой персонального компьютера и обработкой выходных напряжений ЭМФ, и включающее дополнительную обработку выходных напряжений с целью получения цифрового значения фазового сдвига напряжений с повышенной точностью.

3. Проведенные экспериментальные исследования ИИС для измерения угловых перемещений, построенной на базе опытного образца редукционного ЭМФ с продольным магнитным полем и персонального компьютера, показали ее хорошие метрологические характеристики.

4. В ходе натурных испытаний выявлено практически полное соответствие результатов, полученных с помощью имитационной модели ИИС для измерения угловых перемещений, и результатов практического эксперимента с реальной ИИС, что позволяет судить о том, что предложенная автором имитационная модель ИИС вполне адекватно отражает физические процессы, происходящие при работе ИИС. Таким образом, данная имитационная модель ИИС может быть использована на стадии проектирования в качестве альтернативы проведению натурных испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках диссертационной работы решена задача создания ИИС с повышенной разрещающей способностью на базе редукционного ЭМФ, которая предназначена для измерения угловых перемещений, проведен анализ ее работы, определены передаточная функция и метрологические характеристики.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На базе редукционного ЭМФ разработана ИИС для измерения параметров угловых перемещений, позволяющая снизить погрешность измерений.

2. Усовершенствована конструкция редукционного ЭМФ, основанная на использовании продольного бегущего магнитного поля, что позволило существенно увеличить разрешающую способность ИИС при снижении габаритных размеров ЭМФ.

3. Для анализа свойств систем автоматического управления и регулирования определены передаточные функции ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ, работающим в однофазном и двухфазном режимах.

4. Предложена имитационная модель и реализована методика исследования ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ.

5. На основе предложенной модели разработана методика предварительной оценки работы ИИС, позволяющая прогнозировать метрологические характеристики на этапе проектирования без проведения трудоемких математических расчетов.

6. Создана ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и персонального компьютера с использованием разработанного автором программного обеспечения в среде MatLAB, отличающаяся простотой построения, что позволяет работать в автоматическом режиме.

ИИС для измерения угловых перемещений была разработана для применения в качестве одного из элементов следящих систем установок оборонного значения, испытана и внедрена в постоянную эксплуатацию на одной из таких систем (ВЧ 68 501, Пензенская обл.). Она зарекомендовала себя как простая в использовании, не требующая особой квалификации обслуживающего персонала и пригодная для интеграции в действующее оборудование информа-циионно-измерительная система.