автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Прецизионный индукционный дискретный преобразователь угла

Инв. №

Уч>40 ДаПт-М.04.99г.

Для служебного пользования Экз.№

На правах рукописи ЕПИФАНОВ ОЛЕГ КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК 621.314.214.2

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации - ЦНИИ "Электроприбор"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Хрущев В.В. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Микеров А.Г. кандидат технических наук Федоренко А.Г.

Ведущая организация (предприятие): ГУП ВНИИ "МЭМ"

Зашита диссертации состоится апреля 1999 г. в часов

",0_0 " минут на заседании диссертационного Совета К.063.21.01 при Санкт-Петербургском Государственном университете аэрокосмическог приборостроения по адресу: 190000, г.Санкт-Петербург, ул.Большая Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственно! университета аэрокосмнческого приборостроения.

Автореферат разослан марта 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного кандидат технических наук

Б.А.Марков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных цифровых системах автоматического управления решение задачи высокоточного преобразования угловых механических перемещений в цифровой двоичный код на уровне десятков и единиц угловых секунд преимущественно осуществляется с помощью двухканальных цифровых преобразователей угла (ЦПУ) типа "угол-параметр-код", в которых первичное преобразование угла в функциональный электрический сигнал осуществляют двухотсчетные индукционные преобразователи угла (ИПУ).

Одним нз основных источников угловой погрешности ЦПУ является погрешность ИПУ, уровень которой в настоящее время не должен превышать ±(1,5-5-3) угл.с., а в отдельных случаях и точнее. Поэтому актуальной является задача повышения точности ИПУ.

В ЦПУ указанных систем и устройств нашли широкое применение, в качестве датчиков точного отсчета, цилиндрические ИПУ с сосредоточенными обмотками, отличающиеся высокой точностью, стабильностью работы при эксплуатации и удобством механического монтажа. Эти ИПУ получили наименование "Датчики синхронной передачи угла" (ДСПУ) и выпускаются серийно с угловой погрешностью на уровне ±(6*12) угл. е.. Однако повышение точности указанных ИПУ до уровня единиц угловых секунд невозможно без соответствующего уровня метрологического и технологического обеспечения (МО и ТО) их разработок и производства, в частности без специальных угломерно-задающих устройств (УЗУ), обеспечивающих высокоточное изготовление магнитопроводов и контроль угловой погрешности ИПУ. Проработка путей решения возникшей проблемы показала возможность создания универсальных, с точки зрения комплексного обеспечения исследований, разработок и производства высокоточных ИПУ типа ДСПУ, УЗУ с погрешностью на уровне десятых долей угловой секунды при условии создания дискретных преобразователей угла (ДПУ) типа "призма" с повышенным числом, не менее 200 - 500, равномерных отсчетов на целом обороте. Одновременно, тенденции расширения круга решаемых задач в приборостроении, предполагают создание приводов повышенной плавности вращения на основе следящих систем стабилизации, что также реализуемо на базе указанных

ДНУ типа "призма" с числом равномерных отсчетов 400-500 и статической погрешностью их расположения на уровне ±0,5 угл.с. в области частот питающего напряжения и выходного сигнала до 100 кГц.

В связи с выше изложенным, появилась необходимость настоящей работы, направленной на исследования и создание новых конструкций прецизионных ДПУ н разработку на их основе методов исследований и комплекса автоматизированных средств ТО и МО производства высокоточных преобразователей угла с сосредоточенными обмотками.

Прн непосредственном участии автора, было выдвинуто предложение о создании индукционных ДПУ типа электромеханическая призма (ПЭ), способных обеспечить выполнение указанных требований.

Актуальность настоящей работы, поставленных целей и задач также подтверждается тем, что работа является частью комплексных исследований и разработок, выполнявшихся в ЦНИИ "Электроприбор" по темам "Прогресс", "Корвет-2", "Переколка", "Риверс" и "Алеут".

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование прецизионного индукционного дискретного преобразователя угла с повышенным числом равномерных отсчетов и точностью на уровне ±(0,3+1) угл.с., а также выработка рекомендаций по его использованию в производстве высокоточных ИПУ. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- выработка и анализ требований к датчикам угловых положений высокоточных УЗУ технологического н метрологического назначения, предложение и обоснование принципиального конструктнвно-техноло-гического построения прецизионного индукционного ДПУ;

- разработка методик расчетов, выработка рекомендаций по проектированию конструкции и установлению рациональных геометрических параметров прецизионного индукционного ДПУ с повышенными числом равномерных отсчетов и крутизной выходного сигнала;

- исследование влияния технологических факторов на точностные параметры индукционного ДПУ и выработка рекомендаций по способу его производства и пооперационному контролю;

- выработка рекомендаций по использованию индукционных ДПУ в производстве высокоточных ИПУ с сосредоточенными обмотками;

- проведение экспериментальных исследований разработанных

прецизионных индукционных ДПУ типа Г1Э и автоматизированных средств производства на их основе; выполнение экспериментально!! проверки полученных в работе выводов, предложений н рекомендаций.

Методы исследований. В работе использованы расчетно-аналнтн-ческпе методы с экспериментальной проверкой результатов; численные методы расчета магнитных полей в области воздушного зазора электрических машин; основные положения теории вероятности, математической статистики и планирования экспериментов, теории рядов и интегрального исчисления. Численные расчеты выполнялись на ПЭВМ.

Научная новизна работы:

- показана возможность построения индукционных ДПУ типа призма электромеханическая с повышенным числом равномерных отсчетов и погрешностью на уровне десятых долен угловой секунды;

- предложена методика расчета выходного сигнала и его крутизны в функции геометрических параметров индукционного ДПУ н получены математические выражения и соотношения для расчета и оптимизации геометрии зубцовой зоны во взаимосвязи с числом равномерных отсчетов, габаритными размерами и крутизной выходного сигнала;

- определены взаимосвязи и получены аналитические выражения для расчета асимметрии равномерных отсчетов индукционного ДПУ в функции технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны, формирования обмоток и неравномерности воздушного зазора;

- предложены метод контроля угловой погрешности НПУ в угловом интервале нескольких периодов функции его выходного сигнала н аналитические выражения для расчета методической ошибки и определения условий равномерности точек контроля при использовании ДПУ;

- предложены принципы и структурные схемы построения высокоточных УЗУ электромеханического типа на основе индукционных ДПУ.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- предложены принципы построения индукционного ДПУ, соотношения и рекомендации для расчета геометрии зубцовой зоны и определения рациональных геометрических параметров, величин их отклонений с учетом совокупности конструктивно-технологических и электромагнитных ограничений, позволяющие проектировать и изготавливать индукционные ДПУ типа ПЭ с повышенным числом равномерных отсчетов

и погрешностью на уровне долей угловой секунды;

- получены аналитические выражения для расчета асимметрии равномерных отсчетов индукционного ДПУ в функции технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны, формирования обмоток и неравномерности воздушного зазора, и, на их основе, выработаны рекомендации по способу производства и пооперационному контролю;

- предложены методика и средства проведения электромагнитного контроля зубцовой зоны магнитопроводов индукционного ДПУ;

- предложен метод высокоточного контроля угловой погрешности ППУ в угловом интервале нескольких периодов функции его выходного сигнала при использовании индукционных ДПУ;

- разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены ряд индукционных ДПУ тнпа ПЭ с числом равномерных отсчетов 360, 496 и 512 и погрешностью не более ±(0,3+0,8) угл.с. и УЗУ электромеханического тнпа, выполненных на индукционных ДПУ типа ПЭ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор" и на заводе "Азимут-Электроприбор" при разработке н изготовлении: ряда модификаций индукционных ДНУ тнпа ПЭ: ПЭ-360М, ПЭ-496, ИЭ-512 и другие; УЗУ для изготовления и контроля ИПУ: ЭМДГ-2, стендов НСИсп - ИПУ-ДВ и НСИ - ИПУ; ИПУ с сосредоточенными обмотками типа ИПУ-ДВ, ДП-180, ИПУ-ДУЦ, ППУ-Д, 2ВТ-5, УС-21, УС-22.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретический анализ возможностей построения цилиндрических индукционных ДПУ с относительно малыми геометрическими размерами, обладающих повышенным числом равномерных отсчетов и погрешностью их расположения на уровне десятых долей угловой секунды.

2. Методика расчета выходного сигнала и его крутизны, математические выражения к соотношения для расчета и оптимизации при проектировании геометрии зубцовой зоны индукционных ДПУ с повышенным числом равномерных отсчетов.

3. Аналитические выражения, описывающие взаимосвязи технологических погрешностей изготовления с асимметрией равномерных отсчетов индукционных ДПУ и рекомендации по установлению рациональных геометрических соотношений и величин их отклонений.

4. Методика и средства проведения электромагнитного пооперационного контроля зубцовой зоны иагнитопроводов индукционных ДПУ.

5. Рекомендации по использованию индукционных ДПУ в производстве высокоточных ИПУ с сосредоточенными обмотками: принципы и структурные схемы построения высокоточных УЗУ электромеханического типа; метод высокоточного контроля угловой погрешности ИПУ и аналитические выражения для расчета методической ошибки и определения условий равномерности точек контроля.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: 31-ой НТК ЛИАП (Ленинград, 1981 г.); на 14-ой Межотраслевой НТК, посвященной памяти Н.Н.Острякова (Ленинград, 1985 г.); на Научном совещании по проблемам движения и навигации АН СССР "Школа-85" (Ленинград, 1985 г.); на 8-ой Всесоюзной НТК "Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности" (Тбилиси, 1987 г.); на 1-ом Всесоюзном совещании-семинаре "Датчики и преобразователи информационно-управляющих систем" (Москва, 1987 г.).

Публикации. По теме и материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы, из них 11 авторских свидетельств на изобретения.

Личный вклад автора. Все основные результаты, выносимые на защиту получены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Она содержит 140 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 12 таблиц и 18 страниц приложений. Список литературы содержит 164 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены ее цели и задачи, содержание и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ построения ИПУ с сосредоточенными обмотками и вырабатываются требования к датчикам угловых перемещений выходных валов автоматизированных УЗУ для задания и измерения статических дискретных угловых положений. Приводится и обосновывается принципиальное построение конструкции цилиндриче-

ского индукционного ДПУ типа ПЭ.

Анализ принципов построения ИПУ с сосредоточенными обмотками типа ДСПУ показал, что они в основном выполняются с коэффициентами электрической редукции "р" 64 и 128 и содержат, в зависимости от модификации, 128, 256 или 512 пазов, равномерно расположенных по рабочему диаметру ротора или статора. Неравномерность геометрических осей симметрии пазов составляет Ду = ±(60*120) угл.с.. Показано, что при ограничении Ду до уровня ± 30 угл.с. при нормальном законе распределения Ду и отсутствии детерминированной составляющей вида 8ш2ру. где у - угловая координата расположения соответствующего паза. асимметрия нулевых точек Даа ИПУ уменьшиться до ±(0,5+0,8) угл.с.. Это достигается за счет уменьшения при нарезке пазов погрешности задания (Ду5) угловых положений УЗУ до уровня ±(3+5) угл.с..

Показано, что погрешность методов и средств контроля угловой погрешности НПУ не должна превышать ±(0,6+1,2) угл.с., а погрешность эталонного УЗУ - Дауэу не должна превышать ±(0,5+1) угл.с..

Решение задачи автоматизированного высокоточного задания угловых положений как при изготовлении ИПУ (нарезка зубцовой зоны, укладка обмоток, контроль Ду), так и при контроле его угловой погрешности. возможно на основе электромеханического УЗУ, на вал которого непосредственно устанавливается ДПУ.

Таким образом, совокупность выработанных требований, которым должен отвечать ДПУ для целей обеспечения ТО и МО разработок и производства рассматриваемых ИПУ, включает в себя требования по числу равномерных отсчетов (нулевых точек)- И; по величине и характеру Даа ДПУ; по величине остаточного значения выходного сигнала ДПУ - иост, его крутизне - Б*, разрешающей способности - Д^ (Д£=иост/Б,() и нелинейности - Дт]. с точки зрения использования ДПУ как в режиме работы датчика (задатчнка) дискретных угловых положения, так н в режиме измерителя отклонений от расчетных угловых положений. Погрешность ДПУ не должна превышать ±(0,5+1) угл.с. при числе нулевых точек порядка 100-500.

В более полной мере отвечают совокупности предъявляемых требований предложенные цилиндрические индукционные ДПУ тина ПЭ, на

магннтопроводах ротора и статора которой выполняется зубцовая зона с максимальным в данном конструктиве и равным числом пазов, причем на роторе и статоре располагаются по одной волновой однофазной обмотке типа "зубец - полюс"(возбуждения и выходной). Период изменения выходной э.д.с. ПЭ равен ЗбО°/р, а число нулевых точек - 2р.

Во второй главе излагаются основные положения теории расчета и проектирования индукционных ДПУ типа ПЭ, приводятся общий анализ угловой погрешности и параметры унификации их построения.

Исследование, расчет и проектирование ПЭ включает три этапа: предварительное определение геометрических параметров и соотношений; исследования точностных и электромагнитных параметров, включающие проведение расчетных исследований, и на их основе, выработку рекомендаций по проектированию и оптимизации конструкции; анализ составляющих угловой погрешности ПЭ с учетом технологических погрешностей изготовления.

Основные геометрические параметры ПЭ определяются по заданному N. Определяются: число пазов (зубцов) статора и ротора - и

минимальная ширина пазов - Ьп по диаметру провода; ширина зубцов Ьг ;>0,8Ь„; величина полюсного (зубцового) деления ротора (статора) - тр (хс) и воздушного зазора - 5 (8/тр ¿0,5); осевая длина и рабочие диаметры расточек ротора и статора - £ ¡, и Др, £ с и Дс; и т. д.

Основными точностными параметрами ДПУ типа ПЭ при его работе в режиме датчика являются Даа и Д£, в нулевых точках. Очевидно, что наряду с достижением максимального значения N в конкретном габарите ПЭ, увеличение Д£, достигается, при прочих равных условиях, за счет увеличения Б*. Поэтому геометрия зубцовой зоны ПЭ определяется на основе оптимизационного точностного расчета, при котором основными являются критерии получения максимальной Б* и минимизация геометрических параметров зубцовой зоны магнитопроводов ПЭ при требуемом N. Методика точностного расчета основывается на методе гармонических проводимостей. При этом принимается ряд традиционных допущений. Выходная э.д.с.(Е) ПЭ, индуктируемая изменяющимся во времени (0 потокосцеплением' (ц/), определяется по закону электромагнитной индукции как Е(а) = - 1Ь|;(а )/с11. В общем случае ц) является

функцией относительной магнитной проводимости Я (х,а) [ЛР(х)- ротора и Хг(х,а)- статора] воздушного зазора и намагничивающей силы F(x). Функция выходной э.д.с. ПЭ в пределах полюсного деления, согласно метода гармонических проводимостей, запишется в следующем виде:

т.

2 71 £* Ц ос+—

'¡¡г ■ Р -IBW8PW,C J2 F(x)• Я,р(х)■ Лс(х,а)• dx; (1)

«-i

V2-5'

"" 2

где: f, I, - частота напряжения и ток возбуждения;

а - угловое положение ротора ПЭ относительно статора в координатах по расточке;

W.p, Wie - число витков в обмотке возбуждения и в выходной обмотке; 8 - приведенный воздушный зазор ПЭ; х - координата по расточке воздушного зазора ПЭ. Вычисляя Е(а) для последовательного ряда значений а в соответствии с выражением (1), SK и Дт] ПЭ рассчитываются по выражениям:

SK = »Wtt>-B«<*> ; (2) „ Дл х100о/о; (3)

Да* Ет

где Да* - дискретный угловой интервал (шаг) поворота ротора относительно статора ПЭ;

к, ш - число участков, на которых рассчитывается крутнзна и нелинейность выходного сигнала при i = 1,2.....ш .

Расчеты численных значений Е(а) по (1) вблизи нулевой точки, SK по (2) и Ar|i по (3) выполнялись по алгоритму, который включает в себя шесть циклов: циклы ло изменению bt, цикл по а, цикл вычисления А.с(х,а), цикл вычисления F(x)-Xp(x) и соответственно цикл вычисления Е(а), S* и Дтц. Результаты расчетов по указанному алгоритму значений SK при различных Ьх статора и ротора (Ь1С /тр и Ь1р /тр) и 8/хр показали следующее. При ограничениях в выполнении геометрии зубцовой зоны магннтопроводов ПЭ - bzc(bip )/тр £0,35 имеется совокупность соотношений Ь1с /тр, bzp /хр н 5/тр, при которых SK=f(bIC/xp) -» шах (Sm). Мпппмаль-ные значения указанных геометрических параметров при Др-> min и 8/тр =0,2 для SK=(90-95)%Sm достигаются при Ь1С.Р /тр«0,45. Отношение Ь1С к Ь„р при 5/тр =0,2 для указанного случая имеет вид:

0,8<Ьгс/Ьпр<1 (4,

А с учетом варьирования 5/тр, согласно полученных результатов, соотношение (4) будет иметь вид:

0,4т - 5 Ь2„ „ т -2,55 4х-Е--; (5)

ТР К тР

Расчет значении Дг|, показал, что они составляют (0,05 -г 0.1 )?о при угле поворота ротора ПЭ в пределах От-10 электрических градусов.

Предлагаемое выполнение конструкции ДПУ типа ПЭ с геометрией зубцовой зоны по указанным соотношениям (4) и (5) защищено авторским свидетельством на изобретение.

Выполнение расчетов электромагнитных параметров при проектировании ПЭ направлено на определение электромагнитного достояния преобразователя при принятой геометрии зубцовой зоны. На основании сформулированной в работе физической модели ПЭ и в соответстпш с законом полного тока, выражение для Е(а) вблизи нулевой точки ПЭ имеет вид:

^ ; Р (*б, + 2т/2)(1152+гт/2)

Магнитное сопротивление материала зубцового слоя мапштопро-водов ПЭ - Zra и его составляющих и Хт определяются по методике Л.Р.Неймана с учетом глубины проникновения электромагнитной волны и являются функциями Г. Выражения для Ям и определяются по методу Р.Ротерса-Б.К.Буля для основных путей магнитных потоков, располагающихся между "углами" и "боковыми гранями" зубцов в функции а. Результаты выполненных расчетов и их экспериментальная проверка показывают, что при значениях соотношения Ь1Г/Ьпр<1 с ростом Г происходит значительное уменьшение нарастания Е(а) и Б*, и поэтому область рабочих частот целесообразно ограничить значением 100-200 кГц. Это связано с проявлением поверхностного эффекта. Одновременно, при уменьшении отношения Ьгс/Ь„Р проявление поверхностного эффекта усиливается и указанное отношение следует ограничить значением 0,5-0.6.

Для исследований и анализа причин возникновения Даа Г1Э, величина Е(а) вблизи нулевой точки ПЭ в пределах полюсного деления, с

(б!

учетом выражения (6), может быть записана в виде:

ПН = - Дапс); (7)

где Да;р (Дапс)- отклонение угловой координаты оси зубца ротора (паза статора) от своего расчетного значения, угл.град..

Из выражения (7) следует, что при Да^ - Дапс или Да2р — Да„с -О, т.е. зубцовая зона ПЭ выполнена в соответствии с расчетными геометрическими параметрами, асимметрия нулевых точек равна нулю.

В третьей главе выполнены теоретические и расчетно-эксперимен-тальные исследования и получены аналитические выражения для оценки влияния технологических погрешностей изготовления н установки маг-нитопроводов и обмоток ДПУ тнпа ПЭ на его точностные характеристики. Показано, что основными технологическими погрешностями, определяющими Даап и Да„в, являются:

- неравномерность расположения осей симметрии пазов (зубцов) статора - Да„ (зубцов ротора - Да£) от своих расчетных значений случайного характера и Да„„ (Даг7) детерминированного характера в виде синусоидальных функций. Случайные составляющие Даг, и Да2 определяются конечной точностью технологии изготовления зубцовой зоны ПЭ, а Дап7 и Даг„ - эксцентриситетом установки рабочих поверхностей прн формообразовании зубцовой зоны методом деления;

- неравномерность расположения лобовых частей обмоток и асимметрия магнитных связей между ними, вызванная как транспозицией их радиального расположения, неодинаковых натягов и перегибов, вносимых способами укладки обмоток, так и транспозицией их расположения на торцевых поверхностях ротора или статора друг относительно друга, вносимых способами обработки зубцовой зоны;

- неравномерность 5, вызванная эллиптичностью рабочих диаметров ротора и статора, эксцентриситетом и несоосностыо их установки.

Проведенные исследования и полученные аналитические выражения, устанавливающие качественную и количественную взаимосвязи Даап и Даа8 с указанными факторами, показали следующее:

1). Да.ап имеет место только прн наличии неравномерности пазов и зубцов на обоих магннтопроводах ПЭ, причем при наличии случайных

составляющих Дап и Да.г - Даап возникает только в случае неравенства их математических ожиданий, т.е. имеют место единичные экстремальные отклонения, усредняемые в "р"- раз; при наличии Aanv и Даг„, a также при совместном их действии с Да„ и Даг, Даап имеет характер этих детерминированных составляющих и по величине также усредняется в "р"- раз. D наиболее общем случае, при наличии всех видов составляющих Да„, Даг, Да„„ и Дап .имеем при А1 = 2(Л0л2Дpf 'ÍBW Wsc¿ /б-ЗбО0:

А1 г

Aaan= ~—Aocnv - sinvaJ + Aazv -sin va j + 2Даг(2Дап) ; (8)

где Да2 ,Аап - суммарные значения Даг и Да„.

Следовательно, при нормальном законе распределения Да„ и AaL, минимизации величины эксцентриситета установки статора и ротора при изготовлении зубцовой зоны, Даа„ стремиться к нулю.

2). Даап возникает также при неравномерности расположения лобовых частей волновой обмотки, которую уменьшить до значений второго порядка малости за счет обеспечения симметричности их расположения позволяет, признанный изобретением, предложенный способ укладки обмоток ПЭ, заключающийся в одновременном формировании лобовых частей волновых обмоток с обеих сторон магнитопроводов.

3). Даа8 определяется совокупностью факторов технологического порядка: неравномерностями воздушного зазора и расположения осей симметрии пазов (зубцов). Степень их влияния на величину Дааг уменьшается с увеличением 5. Исследования влияния на Дааг указанных факторов выполнялись с применением метода планирования экстремальных экспериментов, целевыми функциями в которых являлась функция Да_г = f (Ес, Ер> Дус, Дур, 5), где: Ес, Ер- эксцентриситеты рабочих поверхностей статора и ротора, мкм; Дус, Дур - неравномерности расположения осей пазов статора и ротора, утл.е.; и функция Даа8 = [1/(5- Др)]- f (Ес> Ер, Ес', Ер"), где Ес"; Ер" - эксцентриситеты установки рабочих поверхностей статора и ротора при нарезке зубцовой зоны, мкм. В результате, получены следующие адекватные,-согласно критерия Фишера, регрессионные выражения со значимыми коэффициентами по Стьюденту и доверительной вероятностью 0,95:

^•аб=[Ь1,4ЕсДУр+Ь2.зЕрАУс+ЗЬ1!2,5ЕсЕр-Ь1>215ЕсЕр-0,015]-10-4,>тл.с., (9) при Ьм = 2,56: Ъг.з = 2.4; Ъ|.2.5=3,28.

= ^Д-(ь1.4ЕсЕр+Ь2>3ЕрЕ* +Ь12ЕрЕс| , угл.с., (Ю)

при Ь, 4 = 1,2; Ь? з = 1.2; Ь,.2 = 0.64; Дг в мм.

Как показывает анализ выражений (9) и (10), доминирующее влияние оказывают парные взаимодействия ЕсДур(Е/), ЕрДус(Ег*) и в меньшей степени, ЕСЕР. Результаты выполненных расчетно-эксперименталь-ных исследований показали, что для 5=100+200 мкм достигается значение Даав= +(0,1 + 0,3) угл.с. при ограничении эксцентриситетов рабочих поверхностей ротора и статора ПЭ при изготовлении зубцовой зоны и при установке в приборе в размере (5+7)% от величины воздушного зазора.

В работе показано, что наиболее достоверными оценками Да„ и Даг являются отклонения их электромагнитных осей симметрии. Предложенными в работе средствами, признанными изобретениями, для определения электромагнитных осей симметрии пазов (зубцов) являются измерительные щупы (НЩ), содержащие обмотку возбуждения п дифференциально соединенные сигнальные обмотки, расположенные на паре зубцов НЩ. Указанные ИЩ, методика расчета которых приведена в работе, позволили реализовать контроль Да„ н Даг с погрешностью не более ±(3+10) угл.с.. В работе предложена и описана методика проведения контроля Да„ и Даг, с учетом полученных взаимосвязей Да„ и Даг с Даап и Даав ДПУ тина ПЭ. Проведенные экспериментальные исследования взаимосвязей неравномерности расположения электромагнитных осей симметрии пазов (зубцов) с Даап н Даа8 . подтвердили достоверность полученных аналитических выражений и эффективность предложенного контроля.

В четвертой главе рассматриваются особенности использования индукционных ДПУ в автоматизированных устройствах, излагаются и анализируются схемы построения высокоточных УЗУ для производства высокоточных цилиндрических ИПУ с сосредоточенными обмотками на основе предложенной схемы электромеханического УЗУ. Приводятся метод высо-

коточного контроля угловой погрешности ИПУ с использованием ДПУ типа ПЭ, методики выбора числа дискретных угловых положений контроля и математической обработки результатов контроля, оценивается методическая погрешность проводимых измерений.

Выполненный анализ базовых схем построения УЗУ и проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали, что снижение статической ошибки задания угловых положений Да, УЗУ достигается за счет применения индукционного ДПУ типа ПЭ, установленного непосредственно на исполнительном валу УЗУ, с управлением по обеим обмоткам ДПУ путем инвертирования фазы питающего напряжения и реализации следящей системы по обнулению сигнала ДПУ. При этом Да, предложенного

УЗУ, описывается выражением Да, = Да^ + ^Д(Хр + Да* , и составляет

± (1 + 3) угл.с., где Дар; Да, - угловые погрешности, вносимые редуктором и усилителем. Анализ полученных погрешностей УЗУ показал, что закон распределения Да, является нормальным. Предложенная оригинальная схема электромеханического УЗУ явилась основой разработанных устройств для нарезки зубцовой зопы, ее контроля и укладки волновых сосредоточенных обмоток, также признанных изобретениями.

Как показано в работе, угловая погрешность рассматриваемых ИПУ имеет две составляющие: внутрипериодную - Давн, повторяющуюся по характеру и по величине в любом интервале 360°/р, и длиннопериодную - Дадл. Учитывая то преимущество ДПУ типа ПЭ, что Да,„-> 0, в работе предложен метод контроля угловой погрешности ИПУ в угловом интервале нескольких периодов функции его выходного сигнала целым числом (ир или пдл) точек контроля, приходящихся па любую у-ую гармонику угловой погрешности ИПУ (Давн или Дадл) тем же числом точек, путем наложения контролируемых периодов друг на друга, что обеспечивает как раздельный, так п совокупный контроль Давя и Дадл.

В работе выполнен анализ возникающей ошибки при определении гармонических составляющих погрешности ИПУ по предложенному методу конечным числом точек (пр пли пдл) п получено следующее выражение для вычисления относительной ошибки определения амплитуды у-ой гармоники в ¡-ой контролируемой точке:

5vl=jl-sin[2s(lT[vi/np-Kv]±?v/2if)]} . (11)

где знак "-" перед квадратными скобками соответствует значению Ф;+ФУ >180°, а знак "+" соответствует значению Ф;+Фч <180°;

Kv= 0,1,2,....v - коэффициент перевода значений <pv в угловой интервал 2п*=360° периода гармоники v, т.е. при (v/ np) i< 1 - Kv=0; при l<(v/np) i<2 - Kv=l; и т.д.; i=l,2,3.....np;

<p, - фазовый сдвиг гармоники v. При реализации указанного метода применительно к рассматриваемым ИПУ, следует считать, что числа ир и пдл делят контролируемый угловой интервал на равные части, т.е. М=(пр+1)пдл/р. Примем пд„=16 и определим при каких значениях np, М является целым числом. Очевидно, что для значений р=64,128 для рассматриваемых ИПУ, удовлетворяет указанным требованиям число np=nv=31.Следовательно N=496. Расчет зависимости максимальных значений Sv по критерию пр=2К-1 при К=3,4, ...,16 при фазовых сдвигах гармоник v= 2,4,8,12,16 относительно равномерно расположенных пр и относительно друг друга показал, что для пр£ 25-27, Sv для всех v - меньше 0,1% и не превышает ±0,06 угл.с..

В работе изложена методика контроля угловой погрешности ИПУ типа ДСПУ, реализующая указанный выше метод, как раздельно составляющих Давн и Дад„ , так и ее полного значения на основе использования ПЭ-496 с N=496, включающая совокупный спектральный и вероятно стно-статистическнй анализ результатов контроля но предложенному ал горитму, что обеспечивает выявление истинного гармонического состава контролируемой погрешности ИПУ.

В пятой главе описываются исследуемые образцы индукционных ДПУ типа ПЭ, приводятся результаты экспериментальных исследований их точностных характеристик, а также приводятся результаты экспериментальной проверки полученных в работе выводов и рекомендаций.

Экспериментальные исследования проводились на опытных образцах индукционных ДПУ типа ПЭ следующих модификаций, изготовленных в опытном производстве ЦНИИ "Электроприбор" и на заводе "Ази-мут-Электропрнбор": ПЭ-496 с числом N=496, ПЭ-512 с числом N=512 :

ПЭ-256 с числом N=256.

При определении асимметрии нулевых точек, выполнялся ряд измерений прямым, разностным и абсолютным методами.

Прямой метод измерений Даап реализовывался при использовании в качестве УЗУ, как линейного пнтерферометрического датчика ИДП-1 с погрешностью отсчетов в пределах ±(0,1*0,2) угл.с., так и собственно идентичной ПЭ, условно принятой за эталонную.

Разностный метод измерения реализован при использовании как двух проверяемых ПЭ по известной методике, так и при использовании в качестве эталонного преобразователя угла - индукционного фазового преобразователя угла (ИФП). В обоих случаях погрешность измерения не превышала ±(0,1*0,3) угл.с..

Абсолютный метод измерения Да,8, как разновидность разностного, реализован при использовании двух зеркал и автоколлиматора АК-02У. Погрешность измерения не превышала +(0,2*0,3) угл.с..

Измерение крутизны и остаточного значения выходного сигнала ПЭ осуществлялось селективным мнкровольтметром В6-9.

Проведенные измерения Даап и Да,8 на образцах ПЭ-512 и ПЭ-496 показали, что их величина соответственно составляет ±(0,2*0,4) угл.с. и ±(0,2*0,6) угл.с., а суммарное значение Даа составила ±(0,3*0,8) угл.с. с доверительной вероятностью 0,95.

Измеренные значения крутизны выходного сигнала составили на частотах 0,5-2 кГц не менее 0,1-2 мВ/угл.с.; разрешающая способность на частотах 0,5-10 кГц составила ±(0,07*0,3) угл.с.. Ошибка оператора от наличия квадратурного по характеру остаточного напряжения ПЭ в нулевых точках не превысила +(0,05*0,1) угл.с.. Исследования частотного диапазона работы ПЭ показали, что работоспособность ПЭ с указанными точностными характеристиками сохраняется до 0,8 мГц при подавлении квадратурной составляющей остаточного напряжения.

Исследования зависимости крутизны выходного сигнала ПЭ в функции соотношения Ъгс/Ь„р выполнялась на образцах ПЭ-256, реализующих девять вариантов значений Ьгс/Ь„р 6[0,5; 1,5]. В результате, для 5 / гр = 0,2 , рекомендуемый диапазон составил: Ь1с/Ьпр е[0,73; 1.07], что соответствует полученным рекомендациям теоретических исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показана возможность построения индукционных ДПУ с сосредоточенными обмотками типа ПЭ с повышенным числом равномерных отсчетов и погрешностью на уровне десятых долей угловой секунды. На основе предложенных индукционных ДПУ теоретически и практически показаны возможности построения прецизионных УЗУ метрологического и технологического назначения и осуществления автоматизированного производства высокоточных первичных преобразователей угла.

2. Рассмотрены вопросы теории и расчета прецизионных цилиндрических индукционных ДПУ типа ПЭ и выработаны рекомендации по их проектированию, в частности:

- разработана методика расчета выходного сигнала и его крутизны в функции геометрических параметров ДПУ, получены математические выражения и соотношения для расчета и оптимизации геометрии зубцо-вой зоны во взаимосвязи с числом равномерных отсчетов, габаритными размерами и крутизной выходного сигнала, учитывающие реальное распределение магнитного потока в зубцовой зоне и поверхностный эффект его вытеснения в области повышенных частот питающего напряжения;

- исследованы взаимосвязи и получены аналитические выражения для расчета асимметрии равномерных отсчетов индукционного ДПУ в функции технологических погрешностей изготовления зубцовой зоны, формирования обмоток и неравномерности воздушного зазора, на основании которых разработана методика и предложены средства высокоточного электромагнитного контроля неравномерности расположения осей симметрии пазов;

- на основе проведенных исследований, разработанных методик и полученных выражений, выработаны рекомендации по установлению рациональных геометрических соотношений и величин их отклонений с учетом совокупности конструктивно-технологических и электромагнитных ограничений при проектировании и производстве предложенных нндукцнонных ДПУ.

3. В результате комплексного подхода, заключающегося во взаимосвязи выполнения исследований, проектирования и производства, разработана конструкция цилиндрического индукционного ДПУ с сосре-

доточенными волновыми обмотками на сплошных магннтопроводах типа электромеханическая прнзма с относительно малыми геометрическими размерами, повышенным числом равномерных отсчетов и точностью их расположения на уровне ±0,5 угл.с., защищенная двумя авторскими свидетельствами на изобретение. Предложенные принципы конструирования индукционных ДПУ типа ПЭ позволили разработать унифицированный ряд ПЭ по технико-эксплуатационным и конструктивно-технологическим характеристикам.

4. Выработаны рекомендации по использованию индукционных ДПУ типа ПЭ в качестве датчика и измерителя угловых положений, позволяющие реализовать методы и средства автоматизированного производства высокоточных ИПУ на основе предложенных в работе:

- принципов н структурных схем построения угломерно-задающих делительных устройств электромеханического типа н автоматизированных устройств на их основе для высокоточного формообразования и пооперационного контроля зубцовой зоны, укладки обмоток и контроля угловой погрешности ИПУ, защищенных 9-ю авторскими свидетельствами на изобретения;

- метода высокоточного контроля угловой погрешности ИПУ в угловом интервале нескольких периодов функции его выходного сигнала н полученных аналитических выражений для расчета методической ошибки и определения условий равномерности точек контроля.

5. Проведенные экспериментальные исследования образцов ПЭ, а также разработанных на их основе автоматизированных устройств и средств производства, полностью подтвердили достоверность полученных в работе теоретических положений, рекомендаций и выводов.

6: Основные положения н результаты диссертационной работы получили практическое использование и внедрение при разработке ряда ПЭ, методов и средств автоматизированного производства высокоточных первичных преобразователей угла типа ДСПУ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Щербаков В.Н., Нокалн Э.А., Епнфанов O.K. и др. Опыт разработки прецизионных датчиков угла на не шихтованных магннтопроводах П Электромашннные элементы автоматики: Межвуз. сб. -Л., 1982.-Вып.

I S7..f. .]-у

2 Епифанов O.K. Вопросы совершенствования технологии изготовления нрецнзнойных датчиков угла // Вопросы кораблестроения. Сер. "Навигация и гнроскония". -JI., 1982.-Выи. 61.-С. 37-42.

3. Епифанов O.K.. Нокалн Э.А. Особенности разработки угломерно-гадающих устройств на базе "обнуляющих" следящих систем // Электро-мехпническпе элементы робототехнических систем: Сб. науч. тр. -J1.,

1985,- Вып. 178.-С. 8-16.

I. Разработка высокопроизводительных методов изготовления гироскопических прецизионных датчиков угла тина ДСПУ: Огчет о НИР (промежуточно /Предприятие и/я В-8624; Рук. Ю.М. Зиненко. - N ГР V87520; Пив. N В/25097. -Л., 1983.-1 16 с. -Отв. нсполн. O.K. Епифанов.

5. Разработка высокопроизводительных методов изготовления гироскопических прецизионных датчиков угла типа ДСПУ. Кн.2: Отчет о НИР (заключ.) / Предприятие и/я В-8624; Рук. Ю.М. Зиненко. - N ГР

УS7520; Нив. N В/25098.-Л., 1985.-89 с. - Отв. нснолн. O.K. Епифанов.

6. Разработка высокопроизводительных методов изготовления гироскопических прецизионных датчиков угла типа ДСПУ. Кн.1: Отчет о НИР (заключит.) / Предприятие п/я В-8624; Рук. Ю.М. Зиненко. -N ГР VS7520; Пив. N Е47362. -Л.. 1985.-76 с. - Отв. нсполн. O.K. Епифанов.

7. Разработка конструкции и способов изготовления высокоточных двухотсчетных датчиков угла. Кн. 3: Отчет о НИР (заключ.) 1 Предприятие п/я В-8624; Руководитель Э.А. Нокалн. - N ГР У87519; Ннв. N В/25096. -Л., 1985.-173 с. - Исполн. O.K. Епифанов и др.

8. Разработка конструкции и способов изготовления высокоточных двухотсчетных датчиков угла. Кн.1: Отчет о НИР (заключ.) /Предприятие н/я В-8624; Руководитель Э.А. Нокалн. - N ГР У87519. -Л.,

1986.-51 с. Исполн. A.A. Антонов, O.K. Епифанов, В.В. Иванов и др.

9. Епифанов O.K., Щербаков В.Н., Нокалн Э.А. Прецизионные электромеханические призмы с погрешностью ...0,5 - 1 угл. секунда для аттестации гироскопических датчиков угла // Тез. докл. научн. совещания по проблемам движения и навигации АН СССР "Школа-85". - Инв. N 03381л. -Л.: ЦНИИ "Румб", 1985.-С. 84-86.

10.Епифанов O.K. и др. Разработка дискретных электромеханически преобразователей угловых перемещений повышенной точности И Мате-

риалы XIY Межотраслевой НТК посвященной памяти Н.Н.Острякова. -Л.: ЦНИИ "Румб", 1985.-С. 220.

И. Епифанов O.K. и др. Электромагнитный контроль геометрических размеров зубцовой зоны магнитопроводов индукционных датчиков угла тнпа ДСПУ // Материалы XIY Межотраслевой НТК посвященной памяти Н.Н.Острякова. -Л.: ЦНИИ "Румб", 1985.-С. 221-223.

12. Нокалн Э.А., Епифанов O.K., Ушакова Н.Ю. Высокоточные электромеханические угломерные приборы для контроля преобразователей угла// Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности: Тез. докл. YIII Всесоюзной НТК., Тбилиси, 1-3 октября 1987 г. -М.: Ииформзлектро, 1987.-С. 28.

13. A.c. 965721 СССР, МКИ 3 В 23 Q 17/02. Схема электромеханического делительного устройства для задания угловых положений исполнительному органу /Э.А. Нокалн, В.В. Иванов, O.K. Епифанов. - Опубл. 15.10.82. Бюл. N 38.

14. A.c. 936246 СССР, МКИ 3 G Ol R 31/34; H 02 К 15/02. Прибор для контроля неснмметрин расположения зубцов магнитопровода электрических машин /O.K. Епифанов, Э.А. Нокалн, В.В. Иванов. - Опубл. 15.06.82, Бюл. N 22.

15. A.c. 1038189 СССР МКИ 3 В 23 Q 17/00. Схема электромеханического делительного устройства для задания угловых положений исполнительному органу /В.Н. Щербаков, Э.А. Нокалн, O.K. Епнфанов,

А.И. Майзель. -Опубл. 30.08.83, Бюл. N 32.

16. A.c. 1018066 СССР, МКИ 3 G 01 R 31/34; H 02 К 15/02. Устройство для контроля неснмметрин расположения зубцов магнитопровода электрической машины /Ю.М. Зпненко, Э.А. Нокалн, O.K. Епифанов,

A.A. Антонов. - Опубл. 15.05.83, Бюл. N 18.

17. A.c. 1018065 СССР, МКИ 3 G 01 R 31/34; H 02 К 15/02. Прибор для контроля неспмметрни расположения зубцов магнитопровода электрических машин /Ю.М. Знненко, Э.А. Нокалн, O.K. Епнфанов и др. -Опубл.15.05.83, Бюл. N 18.

18. A.c. 1038925 СССР, МКИ 3 G 05 В 19/02. Устройство для программного управления намотки /Э.А. Нокалн, O.K. Епнфанов,

О.В. Иванова, В.В. Иванов. - Опубл. 30.08.83, Бюл. N 32.

19. A.c. 1056253 СССР, МКИ 3 G 08 С 25/00. Устройство для измере-

nil и погрешности сннусно-косинусного поворотного трансформатора /Э.А.Нокалн, Н.Ю.Ушакова, О.К.Епифанов. - Опубл. 23.11.83, Бюл.Ы 43.

20. A.c. 1 145312 СССР, МКИ J G 01 R 31/34. Устройство для определения геометрических размеров зубцовой зоны магнитопроводов статора и ротора электрической машины /Ю.М. Знненко, Э.А. Нокалн,

O.K. Епифанов. A.A. Шенгер. - Опубл. 15.05.85, Бюл.И 10.

21. A.c. 1226036 СССР, МКИ 3 G 01 В 7/30. Устройство для измерения угла поворота /Э.А. Нокалн, O.K. Епифанов - Опубл. 23.04.86, Бюл.Ы 15.

22. A.c. 1436210 СССР, МКИ 3 Н 02 К 24/00, Н 02 М 5/32. Устройство для дискретного задания угла/А.Р. Гуль, O.K. Епифанов, Э.А. Нокалн.-Опубл. 07.1 1.88, Бюл.Ы 41.

23. A.c. 1302389 СССР, МКИ 3 Н 02 К 24/00, 15/08. Электромеханическая шкала /А.Р. Гуль, O.K. Епифанов, Э.А. Нокалн, О.В. Иванова -Опубл. 07.04.87, Бюл.Ы 13.