автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование линейного измерительного преобразователя индукционного типа с плоскими многополюсными обмотками

На правах рукописи

ЛУЗИНСКИИ ВИКТОР ТИМОФЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНДУКЦИОННОГО ТИПА С ПЛОСКИМИ МНОГОПОЛЮСНЫМИ ОБМОТКАМИ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2004

Работа выполнена на кафедре «Технические и информационные средства систем управления» Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты Веду щая организация

д.т.н., профессор

Лотоцкий Владимир Леонтьевич

к.т.н., профессор

Кочемасов Александр Вячеславович

д.т.н., профессор Вильданов Ка миль Якубович к.т.н., старший научный сотрудник Цаиенкин Виктор Кириллович

Институт проблем управления РАН им. Трапезникова

Защита состоится <« /У>> НСЛ. 2004 г. в п на заседании диссертационного совета Д 212.131 103 Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) по адресу: 117454, г. Москва, пр. Вернадского,78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (тех-ническо го уни вер ситета).

А втореферат разоелан

Л

004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Тягунов О А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Повышение технического уровня производственных процессов, широюе использование комплексного управления автоматизированными производствами, появление и применение эффективных робототехнических систем, высокоточных автоматических систем обнаружения и наведения в аэроюсмической области, проведение достаточно сложных научных экспериментов в различных областях науки и техники, включая биологию и медицину - все это стало возможным благодаря получению и использованию высококачественной первичной измерительной информации.

Одной из актуальных, технически сложных задач является прецизионное измерение линейных перемещений или позиционирование подвижных органов систем автоматического управления объектами различной физической природы и различного назначения. Первичная аналоговая измерительная информация получается с помощью первичных преобразователей. Физические принципы, по которым реализуются измерительные преобразователи перемещений, достаточно разнообразны, обладают специфическими качественными показателями и метрологическими возможностями. Среди них широко применяются многополюсные индукционные преобразователи с плоскими обмотками. Значительное увеличение точности, достигаемое в этих, преобразователях по сравнению обычными (двухполюсными) преобразователями трансформаторного типа, стало возможным благодаря применению принципа электрической редукции, что произвело подлинный переворот в измерительной технике.

Линейный многополюсный индукционный преобразователь является важнейшим элементом устройства для автоматического измерения линейных перемещений повышенной точности. Чем качественнее спроектирован первичный преобразователь, тем выше точностные показатели автоматической системы, в которой аналоговая измерительная информация преобразуется в цифровую. Однако итоговые качественные показатели в значительной степени определяются самим первичным преобразователем.

Вопросам проектирования и расчета индукционных преобразователей с электрической редукцией, конструктивным, технологическим и схемным методам повышения их точности посвящено достаточное количество специальной литературы, как зарубежной, так и отечественной. Значительный вклад в теорию рабочего процесса многополюсных индукционных преобразователей внесли российские ученые: ШЛ. Александров, Э.В. Андреев, АА. Ахметжанов, ДА. Бычатин, И.Я. Гольдман, Б.К. Карпенно, Л.В. Ко-пылова, Т.Д. Королева, Н.Д. Махотин, ОА. Павлов, Н.В. Петропольский, Д.А. Попов, Ю.М. Пульер, Б.Ф. Самойленко, Л.Н Сафонов, Г.В. Тазов,

В.В. Хрущев, Ю.М. Чечет и другие. г— ____

I НАЦИОНАЛА

i библиотека

Несмотря на достаточно большое количество различных подходов к исследованию электромагнитных процессов в индукционных преобразователях перемещений с плоскими обмотками, к настоящему времени не создано единой общепризнанной теоретической базы для формирования стратегии проектирования. Причем некоторые исследовательские модели неадекватно, грубо отражают специфику исследуемых процессов и подчас совсем не отвечают требованиям оптимального проектирования. Так, в становлении электромагнитной теории многополюсного индукционного преобразователя перемещений получило известное распространение положение о достаточно точном соответствии кривой распределения магнитодвижущей силы(МДС) первичной обмотки и кривой магнитной индукции (или напряженности) поля в плоскости проводников вторичной (сигнальной) обмотки, от которой непосредственно зависит форма огибающей выходной ЭДС. Указанная методика приюдит к недопустимым погрешностям в случае, если магнитная цепь индукционного преобразователя выполнена из немагнитных материалов. Кроме того, практически все известные методики получены для преобразователей угловых перемещений и не могут быть использованы для преобразователей линейных перемещений в силу значительного влияния краевых эффектов. В связи с этим существует необходимость дальнейшего развития теории рабочего процесса линейного многополюсного индукционного преобразователя с целью более полного учета особенностей конструкции и технологии изготовления его плоских обмоток.

Цепь работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в решении важной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке основ моделирования линейного индукционного преобразователя (ЛИП) с плоскими многополюсными обмотками. Необходимость данной разработки заключается в настоятельной потребности иметь эффективный аппарат для проведения исследований и оптимального проектирования ЛИП.

Для достижения поставленной цели в диссертации проведены следующие исследования и решены еледующие основные задачи:

- обзор и критический анализ теоретических методов исследования основных параметров индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками, который показал необходимость углубленного исследования ЛИП на основе моделирования его электр о магнита ых процессов;

- обоснование принципов моделирования магнитного поля вЪзбужце-ния ЛИП и их экспериментальноеподтвержцение;

- моделирование процесса формирования возбуждающего магнитного поля ЛИП;

- моделирование процесса формирования выходной ЭДС (полезного сигнала) ЛИП;

- анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе;

- обоснование принципе в проектирования ЛИП.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения и законы электродинамики, теории поля, теории электромеханических преобразователей. Для решения поставленных задач потребовалось привлечение математического аппарата интегрального и дифференциального исчислений, теории поля, функционального анализа. Для решения и анализа математических выражений использовалась вычислительная техника, пакет математического моделирования Mathcad 2001 Pro и программа Excel 2000.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней вп ер вые р азр аб о тан ы:

- методика моделирования магнитного поля, формируемого уединенным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину и плоское поперечное сечение;

- упрощенная математическая модель поля измерительной линейки ЛИП, допускающая появление некоторой методической погрешности, вызванной наличием конечного размера поперечных проводников обмотки возбуждения и универсальная математическая модель поля измерительной линейки ЛИП, в которой для учета конечных размеров поперечных проводников предложен метод коррекции;

- принцип моделирования магнитного поля, формируемого системой продольных (вспомогательных) про юдни ко в обмотки возбуждения ЛИП и математическая модель поля, формируемого системой продольных (вспомогательных) про водников об мотки возбуждения ЛИП;

- методика построения и анализа картин результирующего магнитного поля, формируемого системами поперечных (рабочих) и продольных (вспомогательных) проводников;

- методика проведения гармонического анализа магнитного поля возбуждения ЛИП;

- математическая модель для описания процесса формирования выходной ЭДС с выделением в ней полезного сигналаи сигнала помехи;

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что в ней:

- поставлена и решена задача обеспечения физической наглядности при формировании магнитного поля ЛИП;

- проведено моделирование магнитного поля, формируемого уединенным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину и плоское поперечное сечение; выполнено решение и построение картины

поля при различных удалениях от плоского проводника как вдоль плоскости, так и в поперечном кней направлении;

- на основе упрощенной математической модели поля проведено компьютерное моделирование и построены графические зависимости поля как в целомдля всей линейки, так и дляотд ел ьных еёучастков;

- на основе универсальной математической модели поля, учитывающей конечные размеры поперечных проводников, с помощью разработанной программы выполнены расчет и построение уточненной картины результирующего магнитного поля ЛИП;

- на основе разработанной модели осуществлен ы расчет и построение картины поля, созданного системой продольных проводников; из анализа картины этого поля следует, что в целях снижения методической погрешности нужно избегать выполнения обмоток возбуждения ЛИП с обратными проводниками;

- на основе результатов гармонического анализа, проведенного по универсальной модели поля, выполнены расчеты и построены зависимости значения амплитуд гармоник в функции коэффициента полюсного перекрытия для различных значений воздушного зазора; эти зависимости, отражая погрешность измерительного процесса, имеют большое значение дляпостановки и проведения оптимальногопроектирования ЛИП;

- получены выражения для вычисления выходной ЭДС полезного сигнала и сигнала помехи, формируемой как высшими гармониками, так и квазинулевой линией поля; сформулировано условие, при выполнении которого в сигнальной об мотке не наводится 5-я гармоника выходной ЭДС;

- на базе 1ВМ-совместимого компьютера разработана специальная установка для проведения модельных экспериментов с целью получения оптимальных значений характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ЛИП.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы б ьи и и спол ьзо ван ы:

- в учебно-научно-исследовательском центре «СИГМА-МАИ» Государственного Московского авиационного института, где подтверждена практическая значимость разработанного автором аналитического аппарата моделирования линейных индукционных преобразователей с плоскими многополюсными обмотками (акт о внедрении в приложении к диссертации);

- в учеб ном процессе МИРЭА на кафедрах ТИССУ и АС, где разработанные автором методы моделирования магнитных полей использовались

в качестве составных частей методик проектирования линейных индукционных преобразователей с плоскими обмотками (НИРС, курсовое и дипломное проектирование) (акт о внедрении в приложении к диссертации).

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, включая отдельные её разделы, докладывались и обсуждались на Первой Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике (г. Ленинград, ЛЭТИ, 1987) и ежегодных научно-технических конференциях МИРЭА (1981-2003 гг.).

Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре «Технические и информационные средства систем управления» МИРЭА (2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, втомчисле7 авторских свидетельств СССР наизобретения(1981-1992).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований, и приложения. Общий объем диссертации составляет 223 страниц и 94 рисунков.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследуемой в диссертации научно-технической проблемы, охарактеризованы области применения прецизионных преобразователей индукционного типа для измерения линейных перемещений. Сформулированы цель и основные задачи исследования и у казаны пути их достижения.

В первой главе дается характеристика особенностей конструкции ЛИП с плоскими обмотками, обосновывается конструктивное решение, реализованное в унифицированном варианте ЛИП с плоскими многополюсными обмотками; приводится обзор и анализ теоретических методов исследования основных параметров индукционного преобразователя с плоскими обмотками.

Из обзора теоретических работ следует, что практически все известные методики, предназначенные для анализа электромагнитных процессов индукционных преобразователей с плоскими обмотками, получены в основном для преобразователей угловых перемещений и не могут быть использованы для преобразователей линейных перемещений по причине значительного влияния краевых эффектов. Кроме того, в настоящее время не существует простых и надежных аналитических методов, реализующих непосредственную связь между конструкцией плоских обмоток и гармоническим составом распределения магнитного поля в зазоре ЛИП и функ-

циональной зависимости выходной ЭДС отуглового или линейного перемещения.

На основе проведенного анализа сформулирована задача диссертационной работы, для выполнения которой предлагается широкое использование методов математического моделирования с применением компьютерных технологий.

Вторая глава посвящена разработке и обоснованию принципов моделирования магнитного поля возбуждения ЛИП. Предварительно дается описание конструктивных особенностей модели для исследования электромагнитных процессов ЛИП применительно к его унифицированному варианту. Указанная модель позволяет в основу концепции моделирования магнитного поля возбуждения ЛИП положить: принцип декомпозиции обмотки линейки на группыортогональных (поперечных и продольных) проводников; решение и анализ магнитного поля, формируемого уединенным прямолинейным проводником, имеющим конечную длину и плоское поперечное сечение; метод суперпозиции при анализе формируемого поля каждой системой ортогональных проводников (поперечных и продольных) с последующей рекомпозицией полученных результатов; формирование и спектральный анализ результирующего поля возбуждения в плоскости расположения проводников вторичной (сигнальной) обмотки ЛИП; оптимизацию параметров обмотки линейки с целью получения наивысших показателей на стадии формирования поля возбуждения.

Проведено моделирование магнитного поля уединенного прямолинейного проводника с током, являющегося структурной составляющей системы однотипных проводников обмотки линейки (поперечных или продольных). Моделирование проведено в два этапа. Сначала рассматривается проюдник с точечным сечением конечной длины. Для этого проводника с помощью закона Био-Савара-Лапласа получено выражение корректирующего коэффициента К, уточняющего значение напряженности поля, определяемой по закону полного тока. При определении К целесообразно значения координат исследуемой точки удаления от проводника представлять в относительной форме по отношению к длине конечного прямолинейного проводника, принимаемой за единицу. Для этого проюд-ник с линейной длиной, равной единице, располагается в координатной системе таким образом, чтобы он был расположен по оси X, причем его левый конец совпадал с началом координат. В этом случае выражение для корректирующего коэффициента имеет вид

Построенные по (1) графики демонстрируют характер изменения поля (по отношению к полю, вычисленному по закону полного тока, для про-

(1)

водника бесконечной протяженности) по оси X для вполне конкретного расстояния от линии тока, выраженного в долях длины конечного проводника, т. е. в относительной форме.

Наоснове решения полевой задачи получена формула для расчета напряженности поля уединенного проводника, имеющего плоский характер поперечного сечения, при различных удалениях от плоскости проводника (вдол ь о си У). Фор мул а и меет вид

{ .у ■ (2)

Выражение (2) представляет собой полезную математическую модель уединенного плоского проводника с током. Модель дает описание магнитного поля вокруг плоского сечения проводника, имеющего бесконечную длину. Однако в случае значительного удаления рассматриваемой точки от оси про водника полученные по (2) значения напряженностей поля должны корректироваться в соответствии с (1). Модель представляет собой аналитическое выражение функции относительного значения напряженности в зависимости от относительного значения перемещения при постоянных значениях величин воздушного зазора и коэффициента полюсного перекрытия. Все величины, приведенные в (2), представлены в относительной форме. В качестве базовой величины для зазора и перемещения выступает полюсное деление, равное для унифицированной линейки т =1 мм, а для напряженности поля - . Изменяя параметры в (2), можно проследить их влияние на форму распределения поля уединенного проводника с током.

Третья глава посвящена процессу формирования магнитного поля возбуждения ЛИП и его моделированию, в основу которых положен принцип декомпозиции обмотки возбуждения на группы ортогональных проводников:

- рабочих (поперечных), располагаемых перпендикулярно к направлению измеряемого перемещения (вдол ьлинейки);

- вспомогательных (продольных), длина которых совпадает с направлением измеряемого перемещения.

Поперечные проводники выполняют активную роль в измерительном процессе ЛИП, так как они формируют полюсы возбуждающего поля. В свою очередь продольные проводники, являясь замыкателями многополюсного электрического контура, вносят лишь незначительную погрешность методического характера.

Поскольку поперечные проводники обмотки линейки формируют многополюсную систему, то направление тока в проводниках меняется от одного смежного проводнику к другому. Используя нумерацию натур ал ь-

ного рада чисел в виде п =0,1>2,3..., представим порядки номеров четных и нечетных поперечных проводников соответственно в виде: к = 2п = 0,2,4.... и к = 2п + 1 = 1,3,5.... Используя (2) и проведя суммирование по всем однотипным проводникам линейки, получим выражения для вычисления суммарных полей, созданных системой четных проводников

Здесь т -целое число, определяемое количеством проводников обмотки линейки. Для унифицированного ЛИП, имеющего 250 проводников, следует положить м=124. Суммирование полей, созданных указанными выше системами, дает возможность выразить результирующее магнитное полелинейки: Н^ = Н' + Н'п.

Математическая модель индукционного ЛИП, представленная выражениями (3) - (4), достаточно физична и хорошо отображает процесс измерения на этапе формирования магнитного поля возбуждения, являющегося материальным носителем измерительной информации. Эта модель учитывает структуру сечения плоского проводника обмотки и конечный размер измерительной линейки, связанный с появлением её краевых эффектов. При короткой длине линейки выполнение только этих условий было бы достаточно для принятия предложенной математической модели в качестве рабочей модели. Но эта модель допускает появление некоторой методической погрешности, которая вызвана наличием конечного размера поперечных проводников, поскольку в ней предполагается, что поперечные проводники обмотки имеют бесконечную протяженность. Преодоление упрощения, связанное с учетом краевого эффекта конечного проводника, позюлит сделать математическую модель более универсальной, т. е. фактически получить новую модель. Назовем эту модель второй или универсальной, в отличие от первой модели, представленной более простыми математическими выражениями. Последующий гармонический анализ позю-лит установить, насколько целесообразно использовать в теоретических исследованиях более сложную вторую модель. Универсализация не всегда окупается получением более точных результатов.

(3)

и системой нечетных проводников

На основе выражения (1) реализован метод коррекции, учитывающий конечные размеры поперечных проводников, для чего осуществлен вывод корректирующих коэффициентов соответственно для про водников с

четными

(5)

нечетными номерами

Выражения (5) являются математической основой, на базе которой строится система коррекции характеристик магнитного поля. Эта система должна в полной мере учесть влияние, оказываемое на формирование магнитного поля измерительной линейки краевых эффектов всех поперечных проводников обмотки. С помощью этой системы достраивается вторая (у ни вер сальная) математическая модель формирования магнитного поля линейки, теоретически учитывающая наиболее важные факторы её структуры, которая принимает следующий вид соответственно для четного и нечетного проводников:

(6)

Суммирования полей всех поперечных проводников измерительной линейки, представленных выражениями (6), дает формулу, позволяющую определитьрезультирующее магнитноеполелинейки:

Математическая модель, представленная выражениями (6)-(7), является наиболее универсальной, так как она учитывает все наиболее значи-

и

тельные особенности юнструкции измерительной линейки (два вида краевых эффектов и плоский характер поперечного сечения проводников). По этим выражениям с помощью программы Mathcad 2001 Pro выполнены расчет и построение картины результирующего магнитного поля возбуждения.

На основе анализа фрагмента конструкции плоской обмотки ЛИП сформулировано положение для разработки модели, замещающей плоский продольный про во дни к эквивалентным нитевидным проводником, по которому протекает полный токобмотки возбуждения. Затем эта модельрас-пространена на всю систему продольных проводниюв линейки, которую целесообразно представлять состоящей из двух боювых систем продольных проводников. Во всех продольных проводниках обеих систем протекают равные токи одного направления. Промежутки между проводниками одной боковой системы соответствуют линейным размерам проводников другой боковой системы, и наоборот. Разработана математическая модель поля, формируемого системой продольных проводников. В составе этой модели сформулировано понятие системного корректирующего коэффициента, отображающего изменение поля вдоль линии этих проводников при различных удалениях отэтой линии, выражение которого имеет вид

(8)

Построение картин поля по (8) показывает наличие провалов в промежутках между продольными проводниками каждой цепочки. При удалении от линии проводников, равном одному полюсному делению, наблюдается значительная пульсация о юл о среднего значения 0,5, где ее амплитуда пульсации достигает 15%. Но при удалении, равном трем полюсным делениям, пульсацией можно пренебречь (сотые доли процента), что позволяет при дальнейшем удалении полагать наличие гладкого графика. Из этого следует вывод о том, что, начиная с указанного значения, цепочку продольных проводниюв можно считать единым проводником, по которому протекает ток половинного значения по сравнению с током возбуждения.

Таким образом, для анализа магнитного поля, создаваемого обеими боковыми системами продольных про воднико в линейки, следует исходить из следующей модели:

- каждая боковая система продольных проводников замещается эквивалентным по намагничивающему действию одним проводником, равным длинелинейки;

(2п-х\ (2п + 1-хЛ | cos arcctS 1—у.......j +COS arcctg\-^-J

- эквивалентный проводник питается тоюм, равным половине тока обмотки возбуждения;

- направлениятоков в эквивалентных проводниках одинаковы;

- анализ созданного поля должен проводиться в зоне между эквивалентными проводниками за вычетом полосок с каждой стороны, имеющих ширину, превышающую три полюсных деления, где поле искажено пульт сацией.

Если в структуре обмотки возбуждения измерительной линейки имеется обратный проводник, то вторая боковая система продольных проводников совместно с обратным проводником замещается также одним эквивалентным проводником, но имеющим половинный токобратного направления, а участки с разным направлением таюв нейтрализуются. В этом случае картина магнитного поля в пространстве между эквивалентными проводниками будет другой. Соответственно по другому будут о называть влияние на результирующее магнитное поле измерительной линейки бою-вые системы продольных проводниюв. Сравнение картин поля для случаев отсутствия и наличия обратного проводника, показывает, что в перюм случае поля, вносимые боковыми системами продольных проводников, в контуре сигнальной обмотки интегрально нейтрализуются, а во втором случае - суммируются и оказывают подмагничивающее действие, неравномерное по длине линейки, что приведет к искривлению квазинулевой линии. Поэтому в целях снижения методической погрешности следует избегать выполнения обмоток с обратными проводниками.

Построение и сравнение картин результирующего магнитного поля линейки, выполненных по первой и второй моделям, визуально не обнаруживают существенной разницы между ними. Для установления количественных различий требуется проведение гармонического анализа. На базе аппарата рядов Фурье получены выражения для вычисления амплитуд гармоник поля на любом участке линейки и с охватом любого количества проводников. Получено также выражение для расчета ординат квазинулевой линии поля.

Предложен и обоснован принцип изменения (путем компенсации) намагничивающего действия крайних проводников обмотки возбуждения. Это позволяет в значительной степени уменьшить негативное действие краевого эффекта измерительной линейки, проявляющееся в формировании квазинулеюй линии магнитного поля возбуждения.

Выполнены расчеты и графические построения зависимостей амплитуд наиболее важных для гармонического анализа 1,3,5 и 7-й гармоник поля в функции от коэффициента полюсного перекрытия для различных значений воздушного зазора. Расчеты проводились по первой и второй (универсальной) моделям, которые выявили незначительное расхождение

в величинах амплитуд гармоник, не превышающих 0,5% на всей длине линейки. Что касается расчетов квазинулевой линии поля, то первая модель дает завышение ординат по сравнению с универсальной моделью от пятикратного на середине линейки до полуторакратного на её краю, поэтому она непригодна для подобных расчетов.

На основе результатов гармонического анализа, полученных при применении универсальной модели поля, выполнены расчеты и построены зависимости коэффициента гармоник в функции величины полюсного перекрытия для различных значений воздушного зазора. Эти зависимости, отображая погрешность измерительного процесса, имеют большое значение для постановки и про ведения оптимального проектирования И ЛП.

Четвертая глава посвящена процессу формирования выходной ЭДС ЛИП и его моделированию. Показано различие в измерительном процессе ЛИП функциональных задач, выполняемых обмотками линейки и движка. Если первая формирует поле возбуждения, имеющее в активной зоне многополюсный характер, то вторая — на основе явления электромагнитной индукции формирует выходной сигнал. Первая всегда имеет полношаговую конструкцию, для второй возможно как полношаговое, так и непол-ношаговое исполнение. Последнее предпринимается в целях фильтрации высших гармоник наведенной ЭДС.

Предложена и проанализирована конструкция сигнальной обмотки, исключающая возможность взаимодействия с полями линейки, локализованными в её боковых областях, с тем чтобы исключить появление дополнительной методической погрешности. В предложенной схеме внутриоб-моточная область сводится практически до суммы внутривитковых областей, чему способствует расположение выводных проводников обмотки с их последующим жгутованием. Выводные проводники в данной схеме являются по существу обратными проводниками, которые играют здесь, в отличие от обмотки возбуждения, положительную роль.

Сигнальная обмотка может быть составлена как из нитевидных (теоретически), так и из плоских проводников. Выполнение достаточно узких, практически нитевидных проводников более предпочтительно как в теоретическом, так и в практическом плане.

Носителем измерительной информации является основная гармоника поля возбуждения ЛИП. А высшие гармоники - носителем методической погрешности. В случае нитевидной полношаговой обмотки в потокосцеп-лении участвуют талью гармоники нечетного порядка, а четные гармоники на длине полюсного деления нейтрализуются. При грамотном проектировании поля возбуждения ЛИП в нем присутствуют нечетные высшие гармоники, начиная с 5-й, самой значительной гармоники. При необходимости ликвидации в выходном сигнале 5-й гармоники ЭДС сигнальная об-

мотка выполняется неполно шаговой с коэффициентом укорочения, равном 4/5. Это приводит кослаблению полезного сигнала(по основной гармонике) на 5%, а остаточной ЭДС- на20%.

В результате анализа получены выражения для вычисления полезного сигнала, формируемого основной гармоникой поля возбуждения ЛИП, и помехи, формируемой высшими гармониками этого поля; получено и проанализировано выражение для расчета остаточной ЭДС, вызванной наличием квазинулевой линии поля возбуждения.

В случае выполнения сигнальной обмотки, составленной из плоских проводников, анализ процесса наведения выходной ЭДС проводится по внутреннему контуру обмотки.

Пятая глава посвящена экспер и ментальным исследованиям и обоснованию основных положений методики проектирования ЛИП. С целью обоснования принципов моделирования электромагнитных процессов ЛИП были проведены экспериментальные исследования на макетах, моделирующих процессы формирования магнитного поля в пространстве, окружающем прямолинейный проводник с током. Результаты этих исследований показали плодотворность идеи первоначального исследования магнитного поля, формируемого одиночным проводником с током, имеющим конечную длину, с последующим распространением выводов анализа на системы достаточно большого числа юллинеарных и ортогональных проводников.

Задача структурного совмещения в едином измерительном комплексе ЛИП и блока цифровых преобразователей с целью получения высококачественной измерительной информации является весьма важной и актуальной. Измерительная информация, снимаемая с сигнальной обмотки ЛИП, поступает для обработки на цифровой блок автоматического измерительного устройства, который реализуется в зависимости от принятого метода преобразования: амплитудного или фазою го. Амплитудный метод обладает неоспоримыми преимуществами перед фазовым, поскольку при амплитудном методе гармонический состав тока возбуждения не оказывает никакого влияния на формирование погрешности измерительного сигнала. В фазовых схемах основная проблема заключается в стремлении максимально уменьшить содержание высших гармоник во временном сигнале.

Анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе показал, что его главными ведущими параметрами являются коэффициент гармоник выходной ЭДС и величина остаточной ЭДС, имеющей место при теоретически нулевом сигнале.

На базе 1ВМ-совместимого компьютера разработана и реализована специальная установка для проведения модельных экспериментов, входе

которых были определены оптимальные значения характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП.

Наоснове теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ЛИП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В процессе построения математической модели ЛИП учтены сле-дующиеусловия, а именно:

- конечнаядлинаизмерительнойлинейки ЛИП;

- конечная длин а про водника о б моток ЛИП;

- пл о ский х ар актер сечения про юдни ко в;

- немагнитный характер среды,окружающей проводники.

2. Проведено моделирование магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину и плоское поперечное сечение. Проведен расчет поля при различных удалениях от проводника как вдоль плоскости сечения, так и в поперечном к ней направлении,характеризующем воздушный зазор ЛИП.

3. Моделирование магнитного поля, формируемого системой рабочих (поперечных) проводников обмотки возбуждения выполнено в два этапа: без учета (первая, упрощенная модель) и с учетом (вторая, универсальная модель) длины поперечных проводников.

4. Наоснове первой модели проведено компьютерное моделирование и построены графические зависимости поля как в целом для всей линейки, так и для отдельных её участков. Анализ этих зависимостей обнаруживает в кривой поля наличие переменной составляющей практически синусоидальной формы и так называемой квазинулевой линии, имеющей характерные подъемы у краев линейки.

5. В плане формирования второй (универсальной) модели поля предложен метод коррекции и осуществлен вывод вьражения корректирующего коэффициента, с помощью которого учитываются конечные размеры поперечных проводников. Выполнены расчет и построение уточненной картины результирующего магнитного поля возбуждения.

6. Разработана математическая модель поля, формируемого системой вспомогательных (продольных) проводников. В составе этой модели сформулировано понятие системного корректирующего коэффициента и дан вывод его выражения для случая четного и нечетного продольных проводников. Выполнены расчет и построение картины магнитного поля, созданного системой продольных про воднико в линейки. Из анализа картины поля для различных случаев следует, что в целях снижения методи-

ческой погрешности нужно избегать выполнения обмоток возбуждения с обратными проводниками.

7. На основе результатов гармонического анализа, проведенного по универсальной модели поля, проведены расчеты и построены зависимости коэффициента гармоник в функции от коэффициента полюсного перекрытия для различных значений воздушного зазора. Эти зависимости, отражая погрешность измерительного процесса, имеют большое значение для постановки и проведенияоптимального проектирования ЛИП.

8. Плоская обмотка возбуждения всегда имеет полношаговую конструкцию, а для выходной (сигнальной) обмотки возможно как полношаговое, так и неполношаговое исполнение, причем последняя может быть со-ставленаили из нитевидных (теоретически), или из плоских проводников.

9. В случае выполнения сигнальной обмотки, составленной из плоских проводников, анализ процесса наведения выходной ЭДС проводится по внутреннему контуру обмотки. Ширина плоского проводника не влияет на качество измерительного процесса в случае идеального гашения переменного магнитного поля в пределах между внутренним и внешним контурами плоской обмотки, что зависит от толщины плоских проводников, выполняющих роль массива. В противном случае применение предельно узких (нитевидных) про вод ни ко в обязательно.

10. Носителем измерительной информации является основная гармоника поля возбуждения линейки, а высшие гармоники являются носителем методической погрешности.

11. Получены выражения для вычисления полезного сигнала и помехи, формируемой как высшими гармониками, так и квазинулевой линией поля. Сформулировано условие, при выполнении которого в сигнальной обмотке не наводится 5-я гармоника выходной ЭДС.

12. С целью обоснования принципов моделирования ЛИП были проведены экспериментальные исследования различных по конструктивному исполнению макетов, моделирующих процессы формирования магнитного поля в пространстве, окружающем прямолинейный проводник с током.

13. Проведен анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе, на основе которого сформулированы основные требования, предъявляемые к ЛИП. Показано, что главными, ведущими параметрами ЛИП являются коэффициент гармоники величинаостаточной ЭДС.

14. На базе IBM-совместимого компьютера разработана и реализована специальная установка для проведения модельных экспериментов, в процессе которых были определены оптимальные значения характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП.

15. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны основные положения методики проектирования ЛИП.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. .Потоцкий В.Л., Лузинский В.Т. Вопросы реконструкции измерительного блока информационной системы метеорологической службы. // Известия Академии промышленной экологии, №1,2002.

2. Потоцкий В.Л., Лузинский В.Т., ПроюроваИЛ. Моделирование поля однофазной непрерывной обмотки возбуждения поворотного индукто-сина. /ЛГезисы докладов 50-й научно-технической конференции МИРЭА. М.: МИРЗА,2001.

3.Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Повышение дискретности преобразователей «перемещение - код». //Межвуз. сб. научн. трудов «Новые элементы и методы расчета информационных систем». М: МИРЭА, 1979.

4. Лузинский В.Т., Миров ВА., Проворова ИЛ. Индукционный преобразователь угловых перемещений. //Тезисы докладов 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике. Л.: ЛЭТИ, 1987.

5. Лузинский В.Т. Моделирование магнитного поля возбуждения линейного индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками//Рукоп.деп. вИнформэлектро,№2- этО4,М., 2004.

6. Лузинский В.Т. Оптимизация параметров линейного индукционного преобразователя на основе модельного эксперимента //Рукоп. деп. в Ин-формэлектро,№ 1-этО4, М.,2004.

7. А.с. СССР №868327 Преобразователь перемещений / В.Т. Лузинский Э.В.Андреев, А.В. Корицкийи др.-Опубл.вБ.И., 1981,№36

8. А.с. СССР №980113 Преобразователь перемещения в код/ В.Т. Лу-зинский Э.В. Андреев, Ю.Д. Бегер и др.-Опубл. вБ.И., 1982,№45

9. А.с. СССР №1516751 Индукционный преобразователь линейных перемещений / В.Т. Лузинский, Е.ВАлешина, НА. Юдин и др. - Опубл. в БМ., 1989, №39

10. А.с. СССР №1366869 Индукционный преобразовательлинейных перемещений / В.Т. Лузинский Н.В. Петропольский, Е.В. Алешина, и др.-Опубл.вБ.И., 1987.

11. А.с. СССР №1402021 Индукционный датчик линейных перемещений / В.Т. Лузинский Н.В. Петропольский, Э.В. Андреев, и др. - Опубл. в БМ., 1988,№2.

12. А.с. СССР №1744441 / В.Т. Лузинский, Т.Д. Королева, В.Н. Бу-хавцев, и др. Способ контроля погрешности си ну со ко синусоидально го преобразователя перемещений в фазу выходного сигнала. - Опубл. в Б.И., 1992, №24.

13. А.с. СССР №1747883 /В.Т. Лузинский, А.В. Кочемасов, ГА. Кря-женкова, и др. Оптический зад атчи к углового положения.— Опубл. в Б.И., 1992, №26.

Подписано в печать 04.10.2004. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 643

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

ш19 2 9 2

РНБ Русский фонд

2005-4 16345

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПЛОСКИМИ ОБМОТКАМИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности конструкции линейных индукционных преобразователей с плоскими обмотками.

1.2. Анализ теоретических методов исследования основных параметров индукционного преобразователя с плоскими обмотками.

1.3 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА ВТОРАЯ. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО ПРЕОБРА

ЗОВАТЕЛЯ (ЛИП).

2.1. Модель для исследования электромагнитных процессов ЛИП.

2.2. Концепция моделирования ЛИП с плоскими обмотками.

2.3. Моделирование магнитного поля уединенного прямолинейного проводника.

2.4. Выводы по главе.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛИП И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЕ

3.1. Моделирование магнитного поля, формируемого системой рабочих (поперечных) проводников обмотки возбуждения ЛИП.

3.2. Моделирование магнитного поля, формируемого системой вспомогательных (продольных) проводников обмотки возбуждения ЛИП.

3.3. Гармонический анализ магнитного поля возбуждения ЛИП.

3.4. Выводы по главе.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОЙ ЭДС (ПОЛЕЗНЫЙ СИГНАЛ) ЛИП И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЕ.

4.1. Исследование процесса наведения выходной ЭДС -важный этап формирования измерительной информации (общие положения).

4.2. Формирование, моделирование и анализ выходной ЭДС в сигнальной нитевидной обмотке.

4.3. Формирование, моделирование и анализ выходной ЭДС в сигнальной плоской обмотке.

4.4. Выводы по главе.

ГЛАВА ПЯТАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИП.

5.1. Экспериментальное обоснование принципов моделирования ЛИП.

5.2. Анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе (формулирование основных требований к ЛИП).

5.3. Оптимизация ведущих параметров ЛИП на основе модельного и макетного экспериментов.

5.4. Основы проектирования ЛИП.

5.5. Выводы по главе

Повышение технического уровня производственных процессов, качества и надежности промышленной продукции, широкое использование комплексного управления автоматизированными производствами, появление и применение эффективных робототехнических систем, высокоточных автоматических систем обнаружения и наведения в аэрокосмической области, проведение достаточно сложных научных экспериментов в различных областях науки и техники, включая биологию и медицину - всё это стало возможным благодаря получению и использованию высококачественной первичной измерительной информации.

В настоящее время и в обозримой перспективе одной из актуальных технически сложных задач является прецизионное измерение линейных перемещений подвижных органов систем автоматического управления объектами различной физической природы и различного технического применения. Полученная в процессе измерения первичная аналоговая информация, как правило, преобразуется в цифровую форму, получаемую при помощи высокоточных аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Аналоговая измерительная информация, характеризующая позиционирование и перемещение подвижных объектов автоматических систем, получается с помощью первичных преобразователей. Указанные преобразователи классифицируются по различным признакам, основными из которых являются: характер измеряемых перемещений, физический принцип действия преобразователя, структура его построения и вид выходного сигнала. По характеру измеряемых процессов различают преобразователи угловых и линейных перемещений.

Физические принципы, по которым реализуются измерительные преобразователи перемещений, достаточно разнообразны, обладают специфическими качественными показателями и метрологическими возможностями. Среди них особенно широко применяются многополюсные индукционные преобразователи, использующие эффект периодического изменения взаимоиндуктивной связи между двумя системами обмоток. Они относятся к группе электромагнитных устройств трансформаторного типа.

В результате многолетних теоретико-конструкторских разработок, выразившихся в целом потоке изобретательских решений во многих странах, на практике широкое распространение получили многополюсные индукционные преобразователи с плоскими печатными обмотками, получившие в зарубежной научно-технической литературе название индуктоси-нов. В отечественной литературе наряду с заимствованным термином «индуктосин» применяются также термины: «датчик», «преобразователь», «трансформатор». В данном исследовании будет использоваться понятие «индукционный преобразователь», как наиболее полно отражающий специфику указанного устройства. В зависимости от вида измеряемых перемещений различают поворотные и линейные преобразователи. С помощью поворотных преобразователей измеряется и позиционируется угловое перемещение, а в случае линейных - линейное перемещение. Объектом исследования данной диссертационной работы является многополюсный индукционный преобразователь линейных перемещений.

Значительное увеличение точности, достигаемое в многополюсных индукционных преобразователях по сравнению с обычными (двухполюсными) преобразователями трансформаторного типа, стало возможным благодаря применению принципа электрической редукции, что произвело подлинный переворот в измерительной технике. Так в указанных преобразователях погрешность преобразования теоретически уменьшается в число раз, равное передаточному отношению электрической редукции.

Линейный индукционный преобразователь (ЛИП) конструктивно состоит из неподвижной части - линейки (шкалы) и подвижной части - движка, на плоских шлифованных сторонах которых, обращенных одна к другой, нанесены печатным или иным другим способом проводники плоских обмоток, активные части которых располагаются перпендикулярно направлению измеряемого перемещения. Для обеспечения работоспособности устройства между подвижной и неподвижной частями линейного преобразователя имеется воздушный зазор.

Линейный многополюсный индукционный преобразователь является важнейшим элементом устройства для автоматического измерения линейных перемещений повышенной точности. Указанное устройство входит в качестве субсистемы в различные системы управления, в которых рабочий процесс основан на преобразовании в цифровую форму измерительной информации, получаемой в первичной (аналоговой) форме от преобразователя. Чем качественнее спроектирован первичный преобразователь, тем выше точностные показатели автоматической системы, в которой аналоговая измерительная информация преобразуется в цифровую. И несмотря на то, что в данной системе первичный преобразователь работает совместно с комплексом аналого-цифровых преобразователей, которые также оказывают влияние на итоговые качественные показатели, все же основная часть погрешностей измерительной информации определяется самим первичным преобразователем.

Независимо от конструктивного оформления индукционного преобразователя последний имеет первичную и вторичную многополюсные обмотки. В зависимости от режима работы преобразователя первичная или вторичная обмотка имеет двухфазное исполнение, достигаемое пространственным смещением проводников одной части обмотки относительно её другой части на половину полюсного деления, образуя таким образом двухфазную пространственную обмоточную систему.

В зависимости от способа питания первичных обмоток высокочастотным (обычно не менее 10 кГц) переменным напряжением как правило гармонической формы различают два основных режима работы преобразователя в автоматической измерительной системе: амплитудный и фазовый.

При амплитудном режиме первичные обмотки питаются высокочастотными напряжениями, фазы которых совпадают, а амплитуды изменяются соответственно по синусоидальному и косинусоидальному законам. Индукционный преобразователь при этом работает в режиме пульсирующего магнитного поля. При смещении подвижной части преобразователя (движка) относительно неподвижной части (линейка) в пределах одного шага (полюсного деления) амплитуда ЭДС вторичной обмотки изменяется по синусоидальному (косинусоидальному) закону, то есть является гармонической функцией перемещения соответствующей первичной обмотки относительно вторичной.

При фазовом режиме первичные обмотки питаются двухфазным высокочастотным напряжением. В этом случае магнитное поле перемещается в пространстве, то есть оно является бегущим для линейного индукционного преобразователя. Амплитуда наведенной во вторичной обмотке ЭДС остается неизменной, а фаза этой ЭДС является линейной функцией относительного линейного перемещения первичных и вторичных обмоток преобразователя.

Выбор режима работы определяется режимом и параметрами автоматической измерительной системы, в которой в качестве первичного преобразователя используется многополюсный индукционный преобразователь.

Вопросам проектирования и расчета электромеханических индукционных преобразователей с электрической редукцией, конструктивным, технологическим и схемным методам повышения их точности посвящено достаточное количество специальной литературы, как зарубежной, так и отечественной. Значительный вклад в теорию рабочего процесса многополюсных индукционных преобразователей внесли российские ученые: Александров Н.Н., Андреев Э.В., Ахметжанов А.А., Бычатин Д.А., Гольдман И .Я., Дулькин А.И., Карпенко Б.К., Копылова J1.B., Королева Т.Д., Махотин Н.Д., Павлов О.А., Петрополь-ский Н.В., Попов Д.А., Пульер Ю.М., Самойленко Б.Ф., Сафонов JI.H., Тазов Г.В., Хрущев В.В., Чечет Ю.М. и многие другие.

Однако вопросы теории и расчета указанного типа преобразователей линейных перемещений (или позиционирования) с учетом особенностей конструкции и технологии изготовления плоских обмоток применительно к их использованию в автоматических измерительных устройствах повышенной точности пока еще не получили достаточно эффективной теоретической и практической разработки. В этом плане актуальной остается задача дальнейшего развития теории рабочего процесса многополюсного индукционного преобразователя с целью выработки единого теоретического подхода к исследованию его электромагнитных и точностных характеристик.

Недостаточно исследованы также вопросы построения устройств для автоматического измерения перемещений на основе линейного многополюсного индукционного преобразователя с улучшенными качественными показателями. Эти вопросы составляют другую чрезвычайно важную и актуальную задачу структурного совмещения в едином комплексе (измерительном автоматическом устройстве) индукционного преобразователя и блока цифровых преобразователей в зависимости от требований, предъявляемых к устройству в целом.

К настоящему времени из всего многообразия структурных решений указанных автоматических устройств можно выделить два основных типа. Первый тип представляет собой автоматическое устройство с разомкнутой структурой преобразования. Ко второму типу относятся устройства, представляющие собой замкнутую систему регулирования, в контур обратной связи которой входит многополюсный индукционный преобразователь линейных перемещений.

Рекомендации по выбору того или иного технического решения (типа измерительного автоматического устройства) обычно формулируются, исходя из учета одного из критериев качества измерительного устройства. В числе этих критериев могут выступать либо чувствительность измерительного органа системы, либо быстродействие системы, либо точность измеряемого параметра с учетом его стабильности при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Применение измерительных автоматических устройств, спроектированных при учете только одного из перечисленных выше критериев, в настоящее время встречается достаточно редко. Поэтому выбор структуры устройства, исходя из действия всей совокупности указанных критериев является достаточно сложной и не всегда выполнимой в полной мере задачей. Актуальность этой задачи будет зависеть от возможности учета степени влияния оценочных критериев в процессе проектирования устройства автоматического измерения.

Учет всех оценочных критериев качества безусловно желателен, однако чаще всего приходится исходить из приоритета одного из них, учитывая другие критерии по мере возможности. В этом случае следует принимать во внимание безусловную функциональную значимость выбранного критерия. Для измерительного устройства таким критерием всегда является показатель точности измеряемого параметра при достижении минимума погрешности в сравнении с абсолютным значением этого параметра, принимаемым за эталон.

При этом необходимо отметить, что в последние годы общие требования к измерениям линейных перемещений претерпели существенные изменения, заключающиеся в основном в радикальном повышении точности результатов измерений при одновременном ужесточении условий эксплуатации устройств измерительной техники.

В наиболее передовых отраслях науки, техники и промышленности, олицетворяющих научно-технический прогресс, измерительная техника нередко рассчитывается на эксплуатацию в экстремальных условиях (температура, давление, вибрации, отсутствие обслуживания и т.д.), а требуемая точность получаемых результатов измерений приближается к точности эталонных образцов национальных метрологических систем. Из сказанного следует постановка важнейшей актуальной задачи - достижение максимально возможной точности проектируемого измерительного устройства, лишь в незначительной степени уступающей точности эталонного образца. Для решения этой задачи применялись методы, заключающиеся не только в учете изменений внешних условий эксплуатации, но и в весьма тщательной и кропотливой проработке конструкторско-технологических решений первичного преобразователя (многополюсного индукционного преобразователя), являющегося базовой основой автоматического измерительного устройства и определяющего в максимальной степени его метрологические свойства.

Диссертационная работа посвящена исследованию многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками, используемого в качестве первичного измерительного преобразователя линейных перемещений повышенной точности, и содержит новые научные положения:

- методику моделирования электромагнитных процессов многополюсного индукционного преобразователя, позволяющего выбрать его наиболее рациональную конструктивную схему,

- методику инженерного расчета многополюсного индукционного преобразователя, используемого в автоматических измерительных устройствах с отрицательной обратной связью.

В результате теоретических исследований предложены новые технические решения, позволяющие повысить эффективность многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками, рационализировать технологический процесс его изготовления, а также структуру всей активной зоны преобразователя.

В первой главе изложены особенности конструкции линейных индукционных преобразователей с плоскими обмотками, приведен обзор и анализ теоретических методов исследования основных параметров указанных преобразователей. Обоснованы и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе обоснованы принципы моделирования магнитного поля возбуждения линейного индукционного преобразователя, проведено моделирование поля уединенного плоского прямолинейного проводника с током.

В третьей главе исследуется процесс формирования возбуждающего магнитного поля линейного многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками и проводится его моделирование.

В четвертой главе исследуется процесс формирования выходной ЭДС (полезный сигнал) линейного многополюсного индукционного преобразователя с плоскими обмотками и проводится его моделирование.

В пятой главе проведено экспериментальное обоснование принципов моделирования, приведены результаты ведущих параметров преобразователя, полученных на основе модельного и макетного экспериментов, даны основы проектирования.

В заключении даются наиболее важные выводы по проведенному исследованию.

5.5. Выводы по главе

1. С целью обоснования принципов моделирования электромагнитных процессов ЛИП были проведены экспериментальные исследования различных по конструктивному исполнению физических устройств (макетов), моделирующих процессы формирования магнитного поля в пространстве, окружающем прямолинейный проводник с током.

2. Экспериментальные исследования, выполненные на макетах, наглядно подтверждают те модельные представления, которые сложились и использовались в процессе изучения особенностей формирования магнитного поля возбуждения ЛИП.

3. Следует признать плодотворной и достаточно физичной идею первоначального исследования магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину, с последующим распространением этих результатов на системы достаточно большого числа колли-неарных и ортогональных проводников.

4. Задача структурного совмещения в едином измерительном комплексе ЛИП и блока цифровых преобразователей с целью получения высококачественной измерительной информации является весьма важной и актуальной.

5. Измерительная информация, снимаемая с сигнальной обмотки ЛИП, поступает для обработки на цифровой блок автоматического измерительного устройства, который реализуется в зависимости от принятого метода преобразования: амплитудного или фазового.

6. Амплитудный метод обладает неоспоримыми преимуществами перед фазовым, поскольку при амплитудном методе гармонический состав тока возбуждения не оказывает никакого влияния на формирование погрешности измерительного сигнала. В фазовых схемах основная проблема заключается в стремлении максимально уменьшить содержание высших гармоник во временном сигнале.

7. При принятом конструктивном исполнении ЛИП и прямом выводе измерительной информации (непосредственно с выходной обмотки) возможен только амплитудный метод и основанный на нем фазовый подход, применяемый к вторичной измерительной информации, благодаря включению ЛИП в автоматическую измерительную систему.

8. Анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе показал, что его главными ведущими параметрами являются коэффициент гармоник выходной ЭДС и величина остаточной ЭДС, имеющей место при теоретически нулевом сигнале.

9. На базе IBM-совместимого компьютера разработана и реализована специальная установка для проведения модельных экспериментов, в процессе которых были определены оптимальные значения характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП.

10. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ЛИП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В процессе построения математической модели ЛИП поставлена и решена задача обеспечения физической наглядности при формировании поля возбуждения. При выводе модели учтены следующие положения, а именно:

- конечная длина измерительной линейки ЛИП,

- конечная длина проводника обмоток ЛИП,

- плоский характер сечения проводников,

- немагнитный характер среды, окружающей проводники обмоток.

2. Обмотка возбуждения ЛИП (обмотка линейки) представлена состоящей из систем ортогональных плоских проводников: поперечных (активных) и продольных (пассивных).

3. Проведено моделирование магнитного поля, формируемого одиночным прямолинейным проводником с током, имеющим конечную длину и плоское поперечное сечение. Выполнено решение поля при различных удалениях от проводника как вдоль плоскости сечения, так и в поперечном к ней направлении, характеризующем воздушный зазор ЛИП.

4. Моделирование магнитного поля, формируемого системой рабочих (поперечных) проводников обмотки возбуждения выполнено в два этапа: без учета (первая, упрощенная модель) и с учетом (вторая, универсальная модель) длины поперечных проводников.

5. С помощью программы Mathcad 2001 Pro на основе первой модели проведено компьютерное моделирование и построены графические зависимости поля как в целом для всей линейки, так и для отдельных её участков. Анализ этих зависимостей обнаруживает в кривой поля наличие переменной составляющей практически синусоидальной формы и так называемой квазинулевой линии, имеющей характерные подъемы у краев линейки.

6. В плане формирования второй (универсальной) модели поля предложен метод коррекции и осуществлен вывод выражения корректирующего коэффициента, с помощью которого учитываются конечные размеры поперечных проводников. С помощью программы Mathcad 2001 Pro произведен расчет и построение уточненной картины результирующего магнитного поля возбуждения.

7. Разработана математическая модель поля, формируемого системой вспомогательных (продольных) проводников. В составе этой модели сформулировано понятие системного корректирующего коэффициента и дан вывод его выражения для случая четного и нечетного продольных проводников. С помощью программы Mathcad 2001 Pro произведены расчет и построение картины магнитного поля, созданного системой продольных проводников линейки. Из анализа картины поля для различных случаев следует, что в целях снижения методической погрешности нужно избегать выполнения обмоток возбуждения с обратными проводниками.

8. Используя результаты гармонического анализа, проведенного по универсальной модели поля, проведены расчеты и построены зависимости коэффициента гармоник в функции от коэффициента полюсного перекрытия для различных значений воздушного зазора. Эти зависимости, отражая погрешность измерительного процесса, имеют большое значение для постановки и проведения оптимального проектирования ЛИП.

9. Плоская обмотка возбуждения всегда имеет полношаговую конструкцию, а для выходной (сигнальной) обмотки возможно как полношаговое, так и неполношаговое исполнение, причем последняя может быть составлена или из нитевидных (теоретически), или из плоских проводников.

10. В случае выполнения сигнальной обмотки, составленной из плоских проводников, анализ процесса наведения выходной ЭДС проводится по внутреннему контуру обмотки. Ширина плоского проводника не влияет на качество измерительного процесса в случае идеального гашения переменного магнитного поля в пределах между внутренним и внешним контурами плоской обмотки, что зависит от толщины плоских проводников, выполняющих роль массива. В противном случае применение предельно узких (нитевидных) проводников обязательно.

11. Носителем измерительной информации является основная гармоника поля возбуждения линейки, а высшие гармоники являются носителем методической погрешности.

12. Получены выражения для вычисления полезного сигнала и помехи, формируемой как высшими гармониками, так и квазинулевой линией поля. Сформулировано условие, при выполнении которого в сигнальной обмотке не наводится пятая гармоника выходной ЭДС.

13. С целью обоснования принципов моделирования ЛИП были проведены экспериментальные исследования различных по конструктивному исполнению макетов, моделирующих процессы формирования магнитного поля в пространстве, окружающем прямолинейный проводник с током.

14. Проведен анализ работы ЛИП в автоматической измерительной системе, на основе которого сформулированы основные требования, предъявляемые к ЛИП. Показано, что главными, ведущими параметрами ЛИП являются коэффициент гармоник и величина остаточной ЭДС.

15. На базе IBM-совместимого компьютера разработана и реализована специальная установка для проведения модельных экспериментов, в процессе которых были определены оптимальные значения характеристик и параметров магнитного поля возбуждения ЛИП.

16. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и обоснованы основные положения методики проектирования ЛИП.

1. Александров Н.Н. Исследование магнитных полей в междужелезных пространствах электрических машин методом конформных отображений. - Харьков: ХВКИУ, 1967.

2. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров.- М.: Наука, 1967.

3. Андреев Э.В. Влияние смещения оси проводника печатных обмоток на точность отсчета угла. //Труды МИРЭА, вып. 47, «Электрические машины и автоматика». М.: МИРЭА, 1970.

4. Андреев Э.В. Уравнение для расчета выходной электродвижущей силы индуктосина с реально выполненными обмотками. //Труды МИРЭА, вып. 47 «Электрические машины и автоматика». М.: МИРЭА, 1970.

5. Андреев Э.В. Исследование технологических погрешностей индуктосина. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М.: МИРЭА 1972.

6. Андреев Э.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Петрополь-ский Н.В. Погрешность индукционных датчиков положения интегрального исполнения с многофазными обмотками. //Труды МИРЭА, вып. 81, «Теория автоматического регулирования и управления». М.: МИРЭА, 1975.

7. Андреев Э.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Петрополь-ский Н.В. Магнитное поле в воздушном зазоре торцевого датчика перемещения с плоскими обмотками. //Межвуз. сб. научн. трудов. «Автоматическое регулирование и управление». М.: МИРЭА, 1976.

8. Андреев Э.В., Алешин А.В., Игнатов В.А., Королева Т.Д., Проворова И.П. Функциональная аппроксимация нормального закона погрешности изготовления печатной обмотки многополюсных датчиков перемещения. //Межвуз. сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1977.

9. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Метод расчета погрешности измерительного преобразователя перемещений. // Межвуз. сб. научн. трудов «Теория автоматического управления». М.: МИРЭА, 1979.

10. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Элементы рационального проектирования измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1981.

11. Андреев Э.В., Корицкий А.В., Королева Т.Д., Проворова И.П. Исследование несимметрии ЭДС в слоях многослойной обмотки измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1981.

12. Андреев Э.В., Королева Т.Д., Петропольский Н.В. Многополюсный измерительный преобразователь линейных перемещений электромашинного типа. М.: МИРЭА, 1982.

13. Андреев Э.В., Корицкий А.В., Проворова И.П. Миниатюрный датчик положения с плоскими обмотками. //Межвуз.сб. научн. трудов «Вопросы теории автоматического управления и робототехнических систем». М.: МИРЭА, 1984.

14. Асиновский Э.Н., Ахметжанов А.А., Габидулин М.А. и др. Высокочастотные преобразователи угловых перемещений. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

15. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. М., «Высшая школа», 1999.

16. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. Пер. с англ. И.И. Талалова.-М.: Энергия, 1970.

17. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по матема-тике.-М.: Наука, 1992.

18. Бычатин Д.А., Гольдман И.Я. Поворотный индуктосин.-Л.: Энергия, 1969.

19. Бычатин Д.А., Вильнер Г.А. Индукционные преобразователи информации.- Л.: Энергоиздат, 1981.

20. Вольдек А.И. Электрические машины.- Л.: Энергия, 1974.

21. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровыее преобразователи.- М.: Энергоиздат, 1981.

22. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.

23. Гольдман И.Я. Влияние эксцентриситета на точность работы индуктосина. //«Вопросы радиоэлектроники, серия XII общетехническая». 1962, вып. 11.

24. Гольдман И.Я. Исследование идеального индуктосина в режиме вращающегося поля. «Вопросы радиоэлектроники, серия XII, общетехн.», 1962, вып. 11.

25. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений.- М.: Наука, 1971.

26. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы.- М.: Наука, 1977.

27. Демирчян К.С., Чечулин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей.- М.: Высшая школа, 1986.

28. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах.- М.: Энергоатомиздат, 1983.

29. Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1987.

30. Дризовский JI.M., Игнатов В.А., Королева Т.Д. Пути совершенствования измерительных преобразователей типа «ин-дуктосин». //В сб. «Средства вычислительной техники и оргтехники», вып.З. М.: ЦНИИТЭИ прибоостроения, 1975.

31. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности.-М.: Высшая школа, 1967.

32. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирова-ние.-М., Энергия, 1969.

33. Игнатов В. А., Вильданов К .Я. Торцовые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления. М.: Энергоатомиздат, 1988.

34. Игнатов В.А., Поляк JI.M., Мордвинов В.А. Исследование поля в зазоре торцевой электрической машины с печатными обмотками. //«Электротехника», № 11. М., 1971.

35. Игнатов В.А., Лауцис Э.Ж., Мордвинов В.А., Кузнецов Ю.В. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре миниатюрного индуктосина. //Труды МИРЭА, вып. 77, «Электрические машины и элементы автоматики». М.: МИРЭА, 1975.

36. Игнатов В.А., Мордвинов В.А., Андреев Э.В., Лауцис Э.Ж., Тимофеев Э.Ф. Индукционные датчики положения с печатными обмотками.- Рига, ЛатИНТИ, 1976.

37. Игнатов В.А., Корицкий А.В., Мордвинов В.А. Электрические машины переменного тока интегрального изготовления.- М.: Энергия, 1975.

38. Игнатов В.А. Технология изготовления печатных плат и многослойных печатных обмоток элементов автоматики. Обзорная информация, серия ТС-9 «Экономика и технология приборостроения»^., 1977.

39. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга.- Л.: Энергоатомиздат, 1986.

40. Каменецкий С.Е., Солодухин Н.А. Модели и аналогии. -М.: Просвещение, 1982.

41. Конголовский В.Ю. Цифровые измерительные устройства.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

42. Карпенко Б.К., Рубан Н.С. Элементы теории и расчета индуктосина. // «Электричество», 1964, №9.

43. Киселев В.М. Фазовые системы числового программного управления станками.- М.: Машиностроение, 1976.

44. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин.- М.: Высшая школа, 1994.

45. Копылова JI.B. Исследование погрешности поворотных трансформаторов. Информстандартэлектро. Бесконтактные электрические машины, ч. III, «Электромашинная автоматика». М., 1967.

46. Корицкий А.В., Сафонов Л.Н., Алексеев B.C., Суриков

47. A.M. Вопросы теории линейного индуктосина. //Труды МИРЭА, вып. 62, «Электрические машины». М.: МИРЭА, 1972.

48. Корицкий А.В., Игнатов В.А., Мордвинов В.А., Жижин М.И. Индуктосин для измерения малых линейных перемещений. //«Механизация и автоматизация производства», № 4. М.: 1973.

49. Корицкий А.В., Игнатов В.А., Мордвинов В.А. Линейный индуктосин. //«Электротехника», 1974, № 1.

50. Корицкий А.В., Игнатов В.А., Лауцис Э.Ж., Мордвинов

51. B.А. Индуктосин в чертежно-графических устройствах.-Рига: Звайзгне, 1976.

52. Корицкий А.В., Игнатов В.А., Андреев Э.В., Дризовский Л.М. Испытания индуктосина и прогнозирование точности в условиях серийного производства. //«Приборы и системы управления», 1976, №11.

53. Корицкий А.В., Королева Т.Д., Проворова И.П. Исследование критериальной зависимости выходной ЭДС измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз сб. научн. трудов. М.: МИРЭА, 1981.

54. Королева Т.Д. Исследование поворотных трансформаторов с плоскими обмотками. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИРЭА, 1978.

55. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины, ч. И, Машины переменного тока. Л.: Энергия, 1973.

56. Круг К.А. Основы электротехники. М., Госэнергоиздат, 1943.

57. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических системах.-М.: Радио и связь, 1989.

58. Ложеницын B.C. Исследование высокоточных печатных обмоток для торцевых вращающихся трансформаторов. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. Казань, КАИ, 1975.

59. Лотоцкий В.Л., Лузинский В.Т. Вопросы реконструкции измерительного блока информационной системы метеорологической службы. // Известия Академии промышленной экологии, №1, 2002.

60. Лотоцкий В.Л., Лузинский В.Т., Проворова И.П. Моделирование поля однофазной непрерывной обмотки возбуждения поворотного индуктосина. //Тезисы докладов 50-й научно-технической конференции МИРЭА. М.: МИРЭА, 2001.

61. Лузинский В.Т., Петропольский Н.В., Проворова И.П. Повышение дискретности преобразователей «перемещение -код». //Межвуз. сб. научн. трудов «Новые элементы и методы расчета информационных систем». М.: МИРЭА, 1979.

62. Лузинский В.Т., Миров В.А., Проворова И.П. Индукционный преобразователь угловых перемещений. //Тезисы докладов Первой Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике. Л.: ЛЭТИ, 1987.

63. Лузинский В.Т. Моделирование магнитного поля возбуждения линейного индукционного преобразователя с плоскими многополюсными обмотками//Рукоп. деп. в Информэ-лектро, № 11- эт04, М., 2004.

64. Лузинский В.Т. Оптимизация параметров линейного индукционного преобразователя на основе модельного эксперимента //Рукоп. деп. в Информэлектро, № 12- эт04, М., 2004.

65. Маневич В.Б., Эльбирт A.M. Уточненный анализ формулы выходного напряжения индуктосина. //«Автоматика и телемеханика», 1966, № 1.

66. Минц М.Я., Махотин Н.Д., Цунгин Л.М., Самойленко Б.Ф. Расчет электромагнитного поля многополюсного индукционного датчика угла поворота. //«Электричество», 1975, № 3.

67. Павлов О.А. Проблема повышения точности индукционных преобразователей электромашинного типа. //Труды ЛИАП, вып. 100. Л.: ЛИАП, 1976.

68. Петропольский Н.В. Исследование индукционных датчиков положения для прецезионных систем автоматики. Авто-реф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М.: МИРЭА, 1973.

69. Петропольский Н.В., Расовская С.Э. Эквивалентная схема замещения индуктосина с многослойными печатными обмотками. //Труды МИРЭА, вып. 77 , «Электрические машины и элементы автоматики». М.: МИРЭА, 1975.

70. Петропольский Н.В., Андреев Э.В., Королева Т.Д. Измерительные преобразователи перемещений.- М.: МИРЭА, 1981.

71. Петропольский Н.В. Методы расчета и проектирования многополюсных поворотных трансформаторов.- М.: МИРЭА, 1985.

72. Проворова И.П. Гармонический состав огибающей выходной ЭДС измерительного преобразователя перемещений. //Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматическое регулирование и управление». М.: МИРЭА, 1984.

73. Самойленко Б.Ф. Расчет индуктосина методом комплексного магнитного потенциала. //В сб. «Бесконтактные электрические машины», вып. 8. Рига: Зинатне, 1969.

74. Самойленко Б.Ф. Вероятностный анализ ошибки индуктосина, вызванной отклонением постоянной фазы выходного сигнала от расчетного значения. //В сб. «Бесконтактные электрические машины», вып. 9. Рига: Зинатне, 1970.

75. Сафонов JLH. Вопросы теории воздушных индуктивных датчиков угла с печатными обмотками. //«Автоматика и телемеханика», 1962, № 10.

76. Сафонов JI.H. Исследование прецезионных датчиков угла на печатных торцевых обмотках. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук. М., МЭИ, 1963.

77. Сафонов JI.H. Многополюсные датчики положения в режиме фазовращателя с фильтром обратной последовательности. //Труды МИРЭА, вып. 54 «Электрические машины». М.: МИРЭА, 1971.

78. Сафонов JI.H. Интегральный эффект в многополюсных датчиках угла. // «Электричество», 1975, № 4.

79. Сафонов Л.Н.Прецизионные датчики угла с многослойными печатными обмотками.//«Электричество», 1976, № 12.

80. Сафонов Л.Н., Волнянский В.Н., Окулов А.И., Прохоров В.Н. Прецезионные датчики угла с печатными обмотками. Библиотека приборостроителя. М., Машиностроение, 1977.86 . Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем.-М.: Высшая школа, 1985.

81. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. М.:Мир, 1982.

82. Цейтлин Л.А. Индуктивности проводов и контуров. М., ГЭИ, 1950, 152 с.

83. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. М., Энергия, 1964, 384 с.

84. Шмиц Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. Пер. с англ. под ред. Ильинского Н.Ф. М., Энергия, 1969, 336 с.

85. Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. М., Высшая школа, 1976.

86. А.с. СССР №868327 Преобразователь перемещений / В.Т. Лузинский Э.В. Андреев, А.В. Корицкий и др. Опубл. в Б.И., 1981, №36

87. А.с. СССР №980113 Преобразователь перемещения в код/ В.Т. Лузинский Э.В. Андреев, Ю.Д. Бегер и др. Опубл. в Б.И., 1982, №45

88. А.с. СССР № 1516751 Индукционный преобразователь линейных перемещений / В.Т. Лузинский Е.В. Алешин, А.В. Алешина, Н.А. Юдин Опубл. в Б.И., 1989, №39

89. А.с. СССР №1366869 Индукционный преобразователь линейных перемещений / В.Т. Лузинский Н.В. Петропольский, Е.В. Алешина, А.В. Алешин Опубл. в Б.И., 1987.

90. А.с. СССР №1402021 Индукционный датчик линейных перемещений / В.Т. Лузинский Н.В. Петропольский, Э.В. Андреев, Е.В. Алешина Опубл. в Б.И., 1988, №2.

91. А.с. СССР №1744441 / В.Т. Лузинский, Т.Д. Королева, В.Н. Бухавцев, А.В. Лузинский. Способ контроля погрешности синусокосинусоидального преобразователя перемещений в фазу выходного сигнала. Опубл. в Б.И., 1992, №24.

92. А.с. СССР №1747883 / В.Т. Лузинский, А.В. Кочема-сов, Г.А. Кряженкова, А.В. Лузинский. Оптический задатчик углового положения. Опубл. в Б.И., 1992, №26.

93. James Н. Davis. U.S. Naval Observatory Inductance of Pvinteol Circuit Windings. "IEEE Trans. Power Appar. and Syst.", 1974, 93, N4, 1076-1082.

94. Foster V.F. Lagemesstransformator. Deutsches Patent N 2, 154.731. Deutsche KL.: 42 d 1/12. Int. KL.: G 01 d 5/243, Induc-tosyn Corp. 11.10.73.