автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Редукционные электромагнитные фазовращатели и информационно-измерительные системы на их основе

□□3486747 На правах рукописи

ШАТОВА Юлия Анатольевна

РЕДУКЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 ДЕК 2009

ПЕНЗА 2009

003486747

Работа выполнена на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Горячев Владимир Яковлевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Батищев Виталий Иванович;

доктор технических наук, профессор Чувыкин Борис Викторович.

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений (НИИФИ)», г. Пенза.

Защита диссертации состоится «¿¿У » декабря 2009 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте www.pnzgu.ru

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Среди датчиков угловых перемещений наиболее стабильные характеристики имеют датчики, у которых носителем информации является фаза выходного сигнала - электромагнитные фазовращатели (ЭМФ). Наиболее важной задачей проектирования и разработки новых конструкций фазовращателей является повышение разрешающей способности ИИС.

Повышение разрешающей способности ИИС с классическими фазовращателями достигается путем увеличения числа пар полюсов электромагнитной системы и использованием принципа электромагнитной редукции. Увеличение числа пар полюсов приводит к резкому увеличению габаритных размеров фазовращателей и ограничено жесткими требованиями к точности изготовления магнитопровода. Поэтому коэффициент редукции классических фазовращателей достаточно мал (он колеблется в пределах от 4 до 8). Как показали исследования, разрешающая способность ИИС пропорциональна квадрату коэффициента редукции ЭМФ. Таким образом, одним из способов повышения разрешающей способности ИИС с ЭМФ является увеличение коэффициента редукции ЭМФ.

Анализу работы ЭМФ посвящен ряд трудов А. А. Ахметжанова и А. А. Батоврина. Однако использование обобщенного магнитного потока в качестве базового положения в теории ЭМФ не позволяет учесть влияние большинства конструктивных параметров магнитопровода на погрешность.

Для измерения угловых перемещений автором предлагается использовать ИИС на основе редукционных ЭМФ, построенных на взаимодействии бегущего магнитного поля с неоднородным магни-топроводом. Коэффициент редукции разработанных ЭМФ с продольным бегущим магнитным полем в десятки раз больше, чем

у классических ЭМФ с поперечным магнитным полем, что обеспечивает повышение разрешающей способности ИИС в несколько раз, не прибегая к увеличению числа пар полюсов или к усложнению конструкции обмоток фазовращателя. Предлагаемая конструкция ЭМФ с продольным магнитным полем имеет гораздо меньшие габаритные размеры по сравнению с ЭМФ с поперечным магнитным полем.

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

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

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

Задачи исследования:

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

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

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

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

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

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

В процессе исследований использованы методы математического анализа, имитационного моделирования и натурных испытаний ИИС

для измерения угловых перемещений, построенной на основе редукционного ЭМФ и компьютерных технологий.

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

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

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

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

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

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

Практическая ценность работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Реализация и внедрение. ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ внедрена в качестве элемента действующего оборудования оборонного значения (ВЧ 68501, Пензенская обл.). Имитационная компьютерная модель ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ также

внедрена в практику проектных работ ООО «Вектор плюс» (г. Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» Пензенского государственного университета при подготовке студентов по дисциплине «Контактные и неконтактные датчики».

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

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и 6 приложений. Она содержит 212 страниц основного текста, 1 таблицу, 56 иллюстраций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные направления развития датчико-вой аппаратуры измерения угловых перемещений. Отмечается разнообразие направлений развития ИИС для измерения угловых перемещений. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы основная идея и цель диссертационной работы. Показаны научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные типы электромагнитных систем (ЭМС), используемых для разработки датчиков угловых перемещений, отмечаются их достоинства и недостатки. В соответствии с целью диссертационного исследования формулируются научные и практические задачи, решение которых позволяет реализовать основную идею работы.

Одной из первых ЭМС, которая была использована для создания датчиков, является ЭМС с сосредоточенным источником магнитодвижущей силы и распределенным в пространстве магнитопроводом. Большой вклад в разработку преобразователей такого типа внес М. Ф. Зарипов.

Исследование и расчет измерительных преобразователей с подвижными электромагнитными элементами приведены в ряде работ Л. Ф. Куликовского.

В ЭМС с распределенными параметрами классического вида носителем информации является уровень выходного сигнала. Амплитуда выходного напряжения зависит от напряжения питания обмотки возбуждения датчика.

Более стабильные характеристики имеют датчики, построенные на основе ЭМС с нониусным и комбинированным сопряжением растров, которые представлены в работах Н. Е. Конюхова, Ф. М. Мед-никова и М. JI. Нечаевского, а также JI. Н. Преснухина, В. Ф. Шань-гина, Ю. А. Шаталова.

Наилучшие результаты дает применение фазовращателей. В разработку теории и практики применения ЭМФ большой вклад внесли

A.A. Ахметжанов, А. А. Батоврин и др. Как показывает практика, фаза является наиболее стабильным информационным признаком.

Однако применение поперечного магнитного поля в классических ЭМФ ограничивает возможности увеличения разрешающей способности ИИС. Этого недостатка лишены редукционные ЭМФ с продольным магнитным полем, предлагаемые автором. Результаты исследований показывают, что погрешность редукционного ЭМФ с продольным полем гораздо меньше погрешности ЭМФ с поперечным магнитным полем. Это объясняется тем, что коэффициент редукции такого ЭМФ в несколько раз больше, чем ЭМФ с поперечным магнитным полем.

Конструкция магнитопровода редукционного ЭМФ угловых перемещений с продольным магнитным полем представлена на рис. 1.

рис | Использование продольного

магнитного поля позволяет увеличить коэффициент редукции ЭМФ в несколько раз. Это обусловлено тем, что магнитный поток 6 отдельного зубца полностью определяется намагничивающей силой и магнитной проводимостью только этого зубца.

Необходимо также отметить значительное уменьшение габаритных размеров и массы ЭМФ с продольным магнитным полем по сравнению с ЭМФ с поперечным магнитным полем. Так, размеры фазовращателя с продольным магнитным полем уменьшаются в 4 раза по сравнению с соответствующими размерами ЭМФ с попе-

6

ЭМФ состоит из статора 1, ротора 2, равномерно-распределенной обмотки 3, синусной обмотки 4 и косинусной обмотки 5. Количество зубцов ротора на единицу больше или на единицу меньше количества зубцов статора. Ширина зубцов статора равна ширине пазов. Коэффициент электромагнитной редукции равен количеству зубцов статора.

речным магнитным полем при сохранении одинаковых метрологических характеристик.

Таким образом, проведенный анализ позволяет констатировать следующее: ИИС для измерения угловых, перемещений на базе существующих ЭМС либо конструктивно достаточно просты, но не обладают высокой разрешающей способностью, либо конструктивно сложны.

Разработка ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционных ЭМФ с продольным магнитным полем является актуальной, так как позволяет в несколько раз увеличить разрешающую способность ИИС, не прибегая к усложнению конструкции ЭМФ.

Во второй главе приводятся блок-схемы ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ с продольным магнитным полем, работающим в однофазном и двухфазном режимах питания. Кроме этого, составлена схема замещения ИИС, определены ее электрические параметры и передаточная функция для ИИС с редукционным ЭМФ, работающим в однофазном и двухфазном режимах питания.

Предлагаемые редукционные ЭМФ с бегущим магнитным полем, как и традиционные ЭМФ, могут работать в двух режимах. Блок-схема ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ, работающим в двухфазном режиме, представлена на рис. 2.

Рис.2

Она состоит из двухфазного генератора, редукционного ЭМФ, фазовращателя опорного напряжения и фазометра.

Блок-схема (рис. 3) ИИС с фазовым датчиком, работающим в однофазном режиме, несколько отличается от предыдущей блок-схемы.

Рис.3

ЭМФ получает питание от однофазного генератора. Кроме фазовращателя опорного напряжения, блок-схема содержит фазовращатель синусного напряжения и сумматор. Выходное напряжение сумматора подается на фазометр.

Входными величинами ИИС являются напряжение питания источника электрической энергии и угловое перемещение ротора ЭМФ. Выходной величиной является фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения.

Для получения передаточной функции ИИС необходимо знать параметры генератора, электронных блоков структурной схемы и редукционного ЭМФ с продольным магнитным полем.

Передаточную функцию ИИС можно получить, проанализировав ее схему замещения. При некоторой идеализации параметров элементов обобщенная электрическая схема замещения ИИС будет выглядеть так, как показано на рис. 4.

<HZZh

Рис.4

Схема замещения состоит из следующих элементов:

Е5, Ес, Ег - идеальные источники ЭДС питания контуров синусной, косинусной и равномерной обмоток;

ЙУ0, Дс0, Яг0 - внутренние сопротивления источников ЭДС соответствующих контуров;

2 У, 2С, Х_г - полные комплексные сопротивления обмоток.

В рамках описываемого исследования рассматривается статический режим работы ИИС для измерения угловых перемещений.

Система уравнений, описывающая схему замещения:

1ГУ-.Г + РЬЛг + Кй1г + РМ.гЛа + РКгсЬ ~Кг рКзгЬ + + + и + PM.sc ¿с =

[РКСГЬ+РМЫЬ +1ЛС 1 РЬс1с л Ксъ1с ~-=Кс-

Передаточная функция ИИС, работающей в однофазном режиме, после некоторых преобразований будет выглядеть следующим образом:

Ф = arg

-Е

, (Zs -pLs)pMrscos(an)~j(Zc ~ pLs)pMrs sin(ап)

'zaxr[zszc + (zs -Zc)plccos(2an)~p2L2c]

~P2K2rs [le si"2 (an) + cos2 (aw) ~ P^S ] где a - угол поворота ротора ЭМФ; п - коэффициент редукции.

Передаточная функция ИИС, работающей в двухфазном режиме:

cp = arg

PKrse

p2è£s-zmr(zs + pLs)

Данное выражение будет справедливо лишь в случае равенства сопротивлений синусной и косинусной обмоток. Передаточная функция системы, работающей в двухфазном режиме, в случае асимметрии синусной и косинусной обмоток примет следующий вид:

\

Ф = arg

Kç {Zs - pLs ) pMrs cos (сш) + Es (Zc - pLs)pMrs sin (а n)

I™ [ZSZC + (Zs-Zc)pLc cos(2an)-p2L2c]~

-p2Kls [zc sin2 (a") + Zs cos2 (an) - pLs ]

Как следует из полученных зависимостей, при повороте ротора редукционного ЭМФ на угол 2л начальная фаза фВЫХ1 выходного напряжения изменится на 2ял : фвых| = ап.

График изменения фазы выходного напряжения при повороте ротора на один полный оборот при п = 12 представлен на рис. 5.

О 2л

2я а,рад.

Рис. 5

Таким образом, начальная фаза выходного напряжения ЭМФ пропорциональна угловому перемещению ротора, умноженному на коэффициент редукции.

Полученные уравнения и характер зависимостей фазы выходного напряжения от угла поворота ротора ЭМФ при двухфазном режиме работы совпадают с характеристиками выходного напряжения при однофазном режиме питания. Это доказывает то, что с точки зрения

функционирования ЭМФ как одного из элементов ИИС не существует различия в режимах его работы.

Выбор схемы построения ИИС зависит от конкретных условий работы редукционного ЭМФ и наличия других устройств. Если существует источник двухфазного, трёхфазного или в общем случае т -фазного напряжения, ЭМФ следует включать по схеме двухфазного или многофазного питания. При наличии однофазного источника синусоидального напряжения следует использовать однофазный режим работы.

Проведенный автором анализ показал, что при работе ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ в однофазном режиме питания ток генератора остается неизменным по фазе и амплитуде, что указывает на независимость входного сопротивления ЭМФ от измеряемого угла поворота. Таким образом, генератор работает с неизменным сопротивлением нагрузки.

При работе ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ в двухфазном режиме питания токи двухфазного генератора изменяются в значительных пределах, однако при равенстве сопротивлений обмоток ЭМФ это изменение не влияет на режим работы ИИС.

Третья глава посвящена разработке имитационной модели ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ.

Наиболее важными задачами проектирования ИИС для измерения угловых перемещений являются обоснование требований к узлам ИИС и определение точности изготовления основных элементов ЭМФ из условия получения ИИС с заданной погрешностью.

Лучшим решением этих задач является использование имитационной модели, созданной на базе описания физических процессов, происходящих в ИИС, и математической обработки экспериментальных данных. Как показывает практика, данный метод не требует больших материальных затрат, наиболее доступен и позволяет выработать рекомендации для проектирования ИИС за короткий отрезок времени.

Для реализации имитационной модели ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ автором был создан программный т-файл в среде МайлЬ версия Я2007Ь.

ВВОД ДАННЫХ л

Количество зубной стагх>ра

.Блок' -геометрических размеров я физических параметров _ЭМФ_

1. Оси И |ршицм зубиод сгато|К1 и ¡кггора.

2. Количество шпшв акпш-пых сторон обмоток

_у_

5 чр.1:'УлБдокл:' • имитаций фушещюшро-"¡а ваиия НИС.

]. Индукшшюсти обмоток ЭМФ 1„1,г,/,,..

2. Шинмиыс индуктивности обмоток ;)МФ Д/ , А/ , ¥

3. (.'011|)0|ТШНС1ШЯ обмоток

•эмф И„!„.!<,1рс,Нт-

___4__

Блок

параметров аиходкого сигнала■•.■: ■ Передаточная функции

/V (■/< '1>!':)>>Мг: спч(и л)[/;, (/,.-/>/;,цп(д-и)

икг(а»)-Р/.,]

1г

Бж определения ИИ ж йбгрёипюстн С

1. Лбголкпшк ишрсшюсть. 2. Относительная 1ЮГ])СПШ0С1Ь

<

- вьгаоддАнных

Рис. 6

Блок-схема алгоритма, реализующего имитационную модель ИИС для измерения угловых перемещений, изображена на рис. 6.

С помощью имитационной модели получены значения электрических параметров, необходимые для определения требований к генератору. Однако основной целью разработки имитационной модели является исследование метрологических характеристик ИИС и определение влияния качества изготовления элементов редукционного ЭМФ (точности изготовления магни-топровода, равенства сопротивлений обмоток ЭМФ, дискретности распределения числа витков обмоток ЭМФ) па погрешность ИИС. Значение относительной погрешности, полученное с помощью имитационной модели, составило 0,044 %.

В предлагаемой имитационной модели существует возможность изучения влияния конструктивных параметров элементов (количества зубцов статора и ротора, высоты зубцов статора и ротора, величины воздушного зазора, ширины зубцов, материала проводника, максимального числа витков обмоток и т. д.) на метрологические характеристики ИИС. Это позволяет выбрать наиболее

оптимальные размеры и конструктивные параметры элементен ЭМФ и узлов ИИС, а также определить рабочий диапазон напряжения пи тания ИИС, построенной па базе редукционного ЭМФ.

Преимущества имитационной модели заключаю тся в следующем:

1) использование разработанной модели предполагает минимум материальных затрат при анализе и прогнозе значения погрешности проектируемой ИИС;

2) имитационная модель позволяет с помощью математического аппарата учесть влияние на погрешность ИИС большинства значительных физических явлений, происходящих при работе редукцион ного ЭМФ, без проведения трудоемких и громоздких расчетов, что позволяет чрезвычайно быстро оценить метрологические характеристики при изменении каких-либо конструктивных параметров ЭМФ на этапе проектирования ИИС.

Таким образом, разработанная имитационная модель полностью решает поставленную задачу обеспечения возможности исследования метрологических характеристик ИИС.

В четвертой главе рассматривается влияние наиболее значимых факторов на погрешность ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ.

Существует огромное число факторов, тем или иным образом влияющих на погрешность ИИС. Причины, вызывающие появление погрешности,- связаны в основном с неидеальпостыо физических характеристик элементов преобразователей, непостоянством характе ристик относительно эксплуатационных условий.

Наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на формиро вание погрешности ИИС, перечислены в работах К. II. Осадчего. Такими факторами являются неидеальность параметров питающих напряжений, ошибки, допущенные при изготовлении мапштопроиода, и влияние гистерезиса.

Как показал проведенный с помощью имитационной модели ана лиз, наибольший вклад в погрешность ИИС вносит неточность изго товления магнитопровода ЭМФ. Влияние этого же фактора является и самым непредсказуемым.

Иа рис. 7 представлен пример изменения погрешности, вызнанной неточностью изготовления пазов зубчатых поверхностей ЭМФ, при повороте ротора. Данный график был получен при задании границ

зубчатых поверхностей ЭМФ по случайному закону распределения в пределах величины технологического допуска, равного 0,012 град.

С помощью имитационной модели были получены следующие результаты:

1) при ошибке установления амплитуд питающих напряжений генератора в 1 % максимальное значение приведенной погрешности ИИС составит 0,003 *

2) при ошибке установления фаз питающих напряжений генератора в 1 % максимальное значение приведенной погрешности ИИС составит 0,004 ;

3) при установлении величины технологического допуска изготовления пазов ЭМФ, равного 0,012 град, максимальное значение приведенной погрешности ИИС составит 0,031 %;

4) при неравенстве сопротивлений обмоток ЭМФ в 5 % максимальное значение приведенной погрешности ИИС составит 0,004 .

Необходимо отметить, что полученные зависимости для определения влияния различных факторов на значение погрешности ИИС определяются весьма сложными математическими выражениями, зависящими от значения угла поворота ротора ЭМФ. Этот факт чрезвычайно затрудняет проведение расчетов погрешности в зависимости от влияния каждого отдельного фактора, а определение полного значения погрешности ИИС с редукционным ЭМФ при учете комплексного влияния всех факторов превращает в невыполнимую задачу.

Так, например, передаточная функция ИИС в двухфазном режиме работы при учете неравенства амплитуд и фаз питающих генераторных напряжений (все остальные параметры принимаются равными идеальным значениям) примет следующий вид:

(E + aE)(Z,- pLs) pM.r, cos (an) + (£ + ог£ - pL, ) pM_

rs sin(a«)

|zBxr[z,Zc+(Z,-Zjpiccos(2an)-p2i2]-J I- P2K2rs [¿Lc Sin2 (a n)+Z_s cos2 (a л) - p£,] J

(

<p = arg

Ec (Z, - pks)pM-„ cos(an)e~J 2 + Es (Zc - pks)pKrs sin (an)eJi

f Z.„ [Zs Z£ + (Z, - Ze ) ple cos (2an) - p2 k\ ] - J

1-р2А/« [гс5т2(а«)+г,со82(ап)- pi,] J

В явной форме отразить влияние неравенства амплитуд и фаз питающих генераторных напряжений, выраженное коэффициентами a и 8, достаточно сложно. Вместе с тем использование имитационной модели ИИС на основе редукционного ЭМФ позволяет избежать проведения сложных и громоздких математических расчетов.

Кроме того, в имитационной модели ИИС для измерения угловых перемещений существует возможность предварительного задания необходимой точности конструктивного исполнения элементов редукционного ЭМФ для оценки получаемого в этом случае значения погрешности. Таким образом, для предварительного анализа погрешности ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ является целесообразным использование имитационной модели.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера.

Для функционирования ИИС было разработано соответствующее программное обеспечение в среде MatLab, разработана методика вычисления фазового сдвига оцифрованных напряжений с повышенной точностью. Программная основа расширения ориентирована на использование звуковой карты в качестве физического инструмента для ввода и вывода аналоговой и цифровой информации.

Блок-схема информационно-измерительной системы представлена на рис. 8.

Уптовое

Рис.8

Для реализации ИИС используются опытный образец редукционного ЭМФ с продольным магнитным полем, на который подается напряжение питания 1 В частотой 1 кГц, и персональный компьютер, управление звуковой картой которого, как и обработкой выходных напряжений ЭМФ, осуществляет т-файл среды программирования Май,аЬ.

Учитывая то, что входное напряжение звуковой карты оцифровано аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) входных каналов с частотой дискретизации 96 кГц и погрешность квантования по времени достаточно велика, в теле ти-файла производится дополнительная обработка выходных напряжений с целью получения цифрового значения фазового сдвига с высокой точностью.

Можно отметить довольно низкий уровень относительной погрешности предлагаемой ИИС для измерения угловых перемещений, максимальное значение которой составляет 0,045 % в пределах одного зубцового деления.

Общий анализ результатов проведенных натурных испытаний показывает, что предложенная автором ИИС удовлетворяет предъявляемым к устройствам данного типа требованиям.

Приложения содержат листинги разработанного автором программного обеспечения работы имитационной модели ИИС для измерения угловых перемещений, программного обеспечения работы ИИС на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера, результаты натурных испытаний ИИС для измерения угловых перемещений с редукционным ЭМФ, документы, подтверждающие факты внедрения результатов работы в производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

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

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

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

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

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

6. Создана ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и персонального компьютера с использованием разработанного автором программного обеспечения в среде Ма1ЬАВ, отличающаяся простотой построения, что позволяет работать в автоматическом режиме.

ИИС для измерения угловых перемещений была разработана для применения в качестве одного из элементов следящих систем установок оборонного значения, испытана и внедрена в постоянную эксплуатацию на одной из таких систем (ВЧ 68501, Пензенская обл.).

Она зарекомендовала себя как простая в использовании, не требующая особой квалификации обслуживающего персонала и пригодная для интеграции в действующее оборудование информациионно-измерительная система.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Шатова, Ю. А. Редукционные датчики угловых перемещений с бегущим магнитным полем / В. И. Волчихин, В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова // Новые промышленные технологии. Вып. 2. - М., 2007. -С. 48-52.

2. Шатова, Ю. А. Редукционные датчики угловых перемещений с бегущим магнитным полем / В. И. Волчихин, В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова // Датчики и системы. Вып. 11. - М., 2007. - С. 18-22.

Публикации в других изданиях

3. Шатова, Ю. А. Передаточная функция датчика угловых перемещений на основе фазовращателя с электромагнитной редукцией / В. Я. Горячев, 10. А. Шатова // Надежность и качество : материалы Междунар. симп. - Пенза, 2007. - С. 172-173.

4. Шатова, Ю. А. Основные соотношения и схема замещения для датчиков угловых перемещений с электромагнитной редукцией / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова И Надежность и качество : материалы Междунар. симп. - Пенза, 2007. - С. 173-175.

5. Шатова, Ю. А. Основы теории и способы анализа распределенных магнитных линий с плоскопараллельным бегущим магнитным полем / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. - С. 79-82.

6. Шатова Ю. А. Конструктивные особенности фазовых датчиков параметров линейных и угловых перемещений / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007.-С. 96-98.

7. Шатова, Ю. А. Электрические параметры фазовых датчиков угловых перемещений с электромагнитной редукцией / В. Я. Горя-

чев, Ю. А. Шатова // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Измерения-2006») : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2006. - С. 52-54.

8. Шатова, Ю. А. Фазовый датчик угловых перемещений с электромагнитной редукцией / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Измерения-2006») : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2006. - С. 14-16.

9. Шатова, Ю. А. Определение оптимальной длины зубцов датчиков угловых перемещений с электромагнитной редукцией / Ю. А. Шатова // Надежность и качество : материалы Междунар. симп. - Пенза, 2006. -С.128-130.

10. Шатова, Ю. А. Особенности конструкции и погрешность редукционных датчиков с поперечным магнитным полем / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова, Д. А. Блинов, А. В. Савин // Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 4. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - С. 39-45.

11. Шатова, Ю. А. Особенности составления схем замещения многообмоточных устройств с распределенными параметрами / В. Я. Горячев, Ю. А. Шатова // Электромагнитная совместимость и качество электрической энергии : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 3. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - С. 64-71.

Научное издание

Шатова Юлия Анатольевна

Редукционные электромагнитные фазовращатели и информационно-измерительные системы на их основе

Специальность 05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор В. В. Чувашова Технический редактор Я. А. Вьялкова

Корректор Я. А. Сидельникова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Сдано в производство 12.11.09. Формат 60x84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 580. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40.

Введение

1 Сравнительный анализ ИИС для измерения угловых пе- 17 ремещений на базе электромагнитных датчиков

1.1 Общие сведения об электромагнитных датчиках угло- 17 вых перемещений

1.2 Электромагнитные датчики с распределенными пара- 20 метрами

1.3 Электромагнитные системы с нониусными и комбини- 25 рованными сопряжениями растров

1.4 Сравнительный анализ существующих ЭМС, используе- 27 мых в датчиках угловых перемещений

1.5 Электромагнитные фазовращатели

1.6 Анализ погрешности классических ЭМФ с поперечным 37 магнитным полем

Выводы

2 Передаточная функция и параметры элементов ИИС для 51 измерения угловых перемещений на базе редукционных ЭМФ с продольным магнитным полем

2.1 ИИС для измерения угловых перемещений на базе ре- 51 дукционных ЭМФ с продольным магнитным полем

2.2 Обобщенная схема замещения ИИС для измерения 53 угловых перемещений

2.3 Конструкция и основные особенности редукционного 55 ЭМФ с продольным магнитным полем

2.4 Определение электрических параметров редукционного фазовращателя с продольным магнитным полем

2.4.1 Определение удельных магнитных проводимостей

2.4.2 Определение индуктивностей обмоток редукционного 63 ЭМФ с продольным магнитным полем

2.4.3 Определение взаимных индуктивностей обмоток редук- 76 ционного ЭМФ с продольным магнитным полем

2.4.4 Комплексная форма полной удельной проводимости

2.5 Основные уравнения, описывающие схему замещения 89 ИИС для измерения угловых перемещений

2.6 Токи обмоток ЭМФ, работающего в однофазном 92 режиме

2.7 Передаточная функция ИИС с ЭМФ, работающим в 98 однофазном режиме

2.8 Токи обмоток ЭМФ, работающего в двухфазном режиме

2.9 Передаточная функция ИИС с ЭМФ, работающим в 104 двухфазном режиме

Выводы

3 Исследование ИИС для измерения угловых перемеще- 108 ний с помощью имитационной модели

3.1 Анализ существующих методов определения погрешно- 108 сти

3.2 Имитационная модель ИИС для измерения угловых пе- 110 ремещений на базе редукционного ЭМФ

3.3 Блок геометрических размеров и физических парамет- 113 ров ЭМФ

3.4 Блок имитации функционирования ИИС

3.5 Блок параметров выходного сигнала

3.6 Блок определения погрешности ИИС

3.7 Анализ полученных результатов и рекомендации по 130 применению имитационной модели

Выводы

4 Анализ причин возникновения систематической по- 134 грешности ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ

4.1 Общие сведения о погрешностях ИИС для измерения 134 угловых перемещений с редукционным ЭМФ

4.2 Амплитудная погрешность ИИС

4.3 Фазовая погрешность ИИС

4.4 Влияние дискретности распределения количества вит- 148 ков на погрешность ИИС

4.5 Определение влияния точности изготовления пазов маг- 154 нитопровода на погрешность ИИС

4.6 Влияние неравенства сопротивлений обмоток на по- 156 грешность ИИС

4.7 Результаты, полученные при исследовании погрешности 158 с помощью анализа передаточной функции ИИС

Выводы

Экспериментальное исследование ИИС для измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера

5.1 ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ и персонального компьютера

5.2 Конструкция редукционного электромагнитного фазов- 164 ращателя

5.3 Основные принципы цифровой обработки сигналов

5.4 Программное обеспечение ИИС

5.5 Снижение погрешности измерения фазового сдвига на- 173 пряжений

5.6 Результаты экспериментального исследования ИИС для 176 измерения угловых перемещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера

5.7 Область применения ИИС для измерения угловых пере- 180 мещений на базе редукционного ЭМФ и персонального компьютера

Выводы

Состояние проблемы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Актуальность темы.

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

- электрических параметров редукционного ЭМФ, определенных с учетом особенностей конструкции,

- результатов анализа работы редукционного ЭМФ в различных режимах,

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

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

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

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

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

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

Задачи исследования:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Практическая ценность работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Реализация и внедрение. ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ внедрена в качестве элемента действующего оборудования оборонного значения (ВЧ 68501, Пензенская обл.). Имитационная компьютерная модель ИИС для измерения угловых перемещений на основе редукционного ЭМФ также внедрена в практику проектных работ ООО «Вектор плюс» (г. Пенза). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» Пензенского государственного университета при подготовке студентов по дисциплине «Контактные и неконтактные датчики».

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

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 102 наимено

Выводы

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

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

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

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

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

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

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

ИИС для измерения угловых перемещений была разработана для применения в качестве одного из элементов следящих систем установок оборонного значения, испытана и внедрена в постоянную эксплуатацию на одной из таких систем (ВЧ 68501, Пензенская обл.). Она зарекомендовала себя как простая в использовании, не требующая особой квалификации обслуживающего персонала и пригодная для интеграции в действующее оборудование информа-циионно-измерительная система.

1. Аш, Ж. Датчики измерительных систем / Ж. Аш II М.: Мир - Кн. 1, 2, - 1992.-480 и 460 с.

2. Ахметжанов, А. А. Высокочастотные системы передачи угла автоматических устройств / А. А. Ахметэ/санов // — М. : Энергия, 1975.-278 с.

3. Ахметжанов, А. А. Индукционный редуктосин / А. А. Ахметжанов, Н. В. Лукиных // — М. : Энергия, 1971. — 78 с.

4. Ахметжанов, А. А. Электромеханические преобразователи угла с электрической редукцией. / Под ред. А. А. Ахметжанова // М.: Энергоатомиздат, 1987. - 104 с.

5. Баканов, М.В. Информационные микромашины следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сельсины) / М.В. Баканов, В.А. Лыска, В.В. Алексеев II М., «Сов. радио», 1977. - 88 с.

6. Батоврин, А. А. Основы теории индукционных фазовращателей с пульсирующим полем I А. А. Батоврин //-Л. : Судпром-гиз, 1957.-с. 3-25.

7. Батоврин, А. А. Электромашинные фазовращатели / А. А. Батоврин //- JI. : Энергоатомиздат, 1986. 124 с.

8. Бронштейн, Н. Н. Справочник по математике / Н. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев //- М.: Наука, 1986. 544 с.

9. Брускин, Д.Э. Электрические машины и микромашины. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зарохович, B.C. Хвостов //- М. : Энергия, 1981. -432 с.

10. Бычатин, Д. А. Поворотный индуктосин I Д.А. Бычатин, И.Я. Голъдман II Л.: Энергия, 1969. - 94 с.

11. Вулъвет, Дэю. Датчики в цифровых системах. / Вульвет ДжМ -М.: Энергоиздат, 1981.-230 с.

12. Глинченко, А. С. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие в 2 ч. / А.С. Глинченко II Красноярск.: ИПЦ КГТУ, 2001. -184 с.

13. Глинченко, А.С. Программирование компьютерных систем контроля и управления на языках Турбо Паскаль-ассемблер / Сост. А.С. Глинченко //Красноярск.: ИПЦ КГТУ, 1998. -218 с.

14. Горячев, В. Я. Электрические параметры фазовых датчиков линейных и угловых перемещений / В. Я. Горячев, В. И. Волчи-хинП Новые промышленные технологии. Вып. 1. М., 2007. - С. 48-52.

15. Горячев, В. Я. Влияние конструктивных параметров фазовых датчиков с бегущим магнитным полем на их метрологические характеристики / В. Я. Горячев, В. И. Волчихин II Датчики и системы. Вып 12. -М., 2006. с. 18-22.

16. Горячев, В. Я. Схема замещения фазовых датчиков линейных перемещений / В. Я. Горячев, В. И. Волчихин II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. № 6. Пенза, 2006. - с. 237-244.

17. Горячев, В. Я. Фазовые датчики линейных перемещений с бегущим магнитным полем / В. Я. Горячев, В. И. Волчихин II Новые промышленные технологии. Вып. 1. -М., 2007. С. 45-48.

18. Горячев, В. Я. Фазовые датчики угловых перемещений и крутящих моментов с бегущим магнитным полем / В. Я. Горячев, В. И. Волчихин II Датчики и системы. Вып. 11. — М., 2006. с. 12-16.

19. Горячев, В. Я. Спектральный метод анализа погрешности фазовых датчиков механических величин / В. Я. Горячев II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. № 5. Пенза, 2006. - с. 48-56.

20. Горячев, В. Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем: монография / В. Я. Горячев. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. 307 с.

21. Горячев, В. Я. Электрические параметры фазовых датчиков механических величин / В. Я. Горячев // Труды Международного юбилейного симпозиума «Актуальные проблемы науки и образования». Пенза, 2003. - Т. 2. - с. 231-233.

22. Горячев, В. Я. Физические основы возникновения погрешностей датчиков с бегущим магнитным полем / В. Я. Горячев II Труды Международного юбилейного симпозиума «Актуальные проблемы науки и образования». Пенза, 2003. - Т. 2. - с. 238-240.

23. Горячев, В. Я. Спектральный метод анализа погрешности фазовых датчиков механических величин / В. Я. Горячев II Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». -Пенза, 2005. с. 383-384.

24. Горячев, В. Я. Бегущие волны магнитных линий с распределенными параметрами в датчиках механических величин / В. Я. Горячев II Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2006. - с. 328-332.

25. Горячев, В. Я. Особенности составления схем замещения многообмоточных электромагнитных устройств с распределенными параметрами / В. Я. Горячев II Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2006. - с. 332-335.

26. Горячев, В. Я. Фазовые датчики / В. Я. Горячев II Материалы конференции «Измерения и контроль при автоматизации». -Барнаул, 1991.-е. 23-31.

27. Гутер, Р. С. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. / Р. С. Гутер, Б. В. Овчинский //-М. : Наука, 1970.-432 с.

28. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г. Джексон // М.: Техносфера, 2007. 384 с.

29. Добровольский, КГ. Анализ точности измерений значений информационно измерительных систем. / И.Г. Добровольский II Контроль. Диагностика. - 2002, - №5 - с. 41 - 44.

30. Домрачее, В. Г. Критерии оценки точности цифровых преобразователей угла / В. Г. Домрачее, Б. С. Мейко II Измерительная техника 1975. № 11 с. 22—25.

31. Домрачее, В. Г. Цифровые преобразователи угла / В. Г. Домрачеев, Б. С. Мейко //-М.: Энергоиздат, 1984. 328 с.

32. Дьяконов, В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справ. / В. Дьяконов, В. Круглое //- СПб.: Питер, 2001.-480 с.

33. Зарипов, М. Ф. Индуктивные преобразователи больших линейных перемещений с распределенными параметрами магнитных цепей/ М. Ф. Зарипов II Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1963.

34. Зарипов, М. Ф. Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления./ Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю.П Датчики и системы, 1999, №5.

35. Зарипов, М. Ф. Преобразователи с распределенными параметрами для автоматики и информационно-измерительной техники / Зарипов М.Ф. //- М. : Энергия, 1969. 176 с.

36. Зверев, А.Е. Преобразователи угловых перемещений в угловой код / А.Е. Зверев, В.П. Максимов, В.А, Мясников II М.: Энергия, 1974.-182 с.

37. Евтихеев, Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Н.Н. Евтихеев, Я.А. Ку-першмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров II М.: Энергоатомиз-дат, 1990. - 352 е., ил.

38. Карабанов, Д.Н Индукционный фазовращатель / Д.Н. Карабанов, В.А. Дрейман II Изв. вузов. Приборостроение, 1972. -№10., с. 66-67.

39. Конюхов, Н. Е. Электромеханические функциональные преобразователи. I Конюхов Н. ЕЛ М. : Машиностроение, 1977. -235 с.

40. Конюхов, Н. Е. Унифицированный преобразователь линейных перемещений / Н. Е. Конюхов, А. А. Курицкий II Приборы и системы управления. 1984. - № 10. - С. 29-30.

41. Конюхов, Н. Е. Электромагнитные датчики механических величин./ Н. Е. Конюхов, Ф. М. Медников, М. Л. Нечаевский II М. : Машиностроение, 1987 - 256 с.

42. Конюхов, Н. Е. Расчет электромагнитных полей в трансформаторных датчиках перемещений./ Н. Е. Конюхов, Б. В. Скворцов, А.А. Курицкий IIИзв. вузов. Приборостроение,- 1983. — № 6. С. 3-8.

43. Конюхов, Н. Е. Трансформаторные функциональные преобразователи с профилированными вторичными контурами./ Н. Е. Конюхов, Ф. М. Медников, Л. Ф. Куликовский. II — М.: Энергия, 1971.- 103 с.

44. Косинский, А. В. Аналого-цифровые преобразователи перемещений / А. В. Косинский, В. Р. Матвеевский, А. А. Холопов. II -М.: Машиностроение, 1991. 224 е., ил.

45. Котюк, А.Ф. Датчики в современных измерениях. I А. Ф. Котюк II М.: Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 2006. - 96 е., ил. - (Массовая радио библиотека; Вып. 1227).

46. Куликовский, Л. Ф. Индуктивные измерители перемещений./ Л. Ф. Куликовский // — М.: Госэнергоиздат, 1961. 180 с.

47. Куликовский, Л. Ф. Преобразователи перемещения с распределенными параметрами./ Л. Ф. Куликовский, М. Ф. Зарипов II -Л. М.: Энергия, 1966. - 112 с.

48. Кушнир, Ф. В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для ВУЗов. / Ф. В. Кушнир //- Л. : Энергоатомиздат, Ленингр. отд-е, 1983.-320 е., ил.

49. Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи)./ Е. С. Левшина, П.В. Новицкий // Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

50. Маркин, Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. /Н.С. Маркин. II М.: Издательство стандартов, 1991. -176 с.

51. Мартяшин, А.И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения / А. И. Мартяшин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин //- М.: Энергия, 1976. 392 с.

52. Новгородцев, А.Б. Расчет электрических цепей в MATLAB: Учебный курс. СПб.: Питер, 2004. - 250 е., ил.

53. Новицкий, П. В. Методы расчета комплексного магнитного сопротивления стали при различной степени проявления поверхностного эффекта./ П. В Новицкий. II Труды ЛПИ им. Калинина, 1956.-№184.-с. 82-86.

54. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений./ П. В. Новицкий, И.А. Зограф // Л. : Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1991. - 304 е., ил.

55. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками./ П. В. Новицкий, В. Г. Киорринг, В. С. Гутников // — Л. : Энергия, 1970.-360 с.

56. Орнатский, П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники./ 77. П. Орнатский II — Киев: Вища шк., 1983.-455 с.

57. Оппенгейм, А. Цифровая обработка сигналов / Оппенгейм А., Шафер P. II М.: Техносфера, 2006. - 856 с.

58. Осадчий, Е. 77. Испытательное оборудование и методы испытаний элементов систем автоматики./ Е. 77. Осадчий II Пенза, 1981.-110с.

59. Осадчий, Е. 77. Проектирование датчиков для измерения механических величин./ Е. 77. Осадчий// М.: Машиностроение, 1979.-480 с.

60. Осадчий, Е. 77. Методы проведения эксперимента при проектировании измерительных элементов систем автоматики и телемеханики./ Е. 77. Осадчий , В.И. Карпов II — Пенза, 1988. 84 с.

61. Петрова, И.Ю. Микроэлементы систем управления с распределенными параметрами различной физической природы./ И.Ю. Петрова// М. : Наука, 1979. - 110 с.

62. Покровский, Р.П. Основы эксплуатации средств измерений / ВА. Кузнецов, А.Н. Пашков, OA. Подольский и др. Под ред. Р.П. Покровского // М.: Радио и связь, 1984. 184 с.

63. Потемкин, В.Г. MATLAB 6: среда проектирования инженерных приложений. / ВТ. Потемкин //- М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.-448 с.

64. Преснухин, JI.H. Муаровые растровые датчики положения и их применение./ Л.Н. Преснухин, В.Ф. Шанъгин, Ю.А. Шаталов //- М. : Машиностроение,!969. 210 с.

65. Преснухин, Л. Н. Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы в преобразователях «угол код» / Л. Н. Преснухин II Электричество, 1970. - № 9. - С. 52-54.

66. Пулъер, Ю.М. Индукционные электромеханические функциональные преобразователи / Ю.М. Пулъер, Ю.А. Колесов, Э.И. AcuHoecKuii // М.: Энергия, 1969. - 110 с.

67. Рабинович, С.Г. Погрешности измерений / С.Г. Рабинович // Л.: Энергия, 1978. 240 с.

68. Ратхор, Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника / Т.С. Ратхор//-М.: Техносфера, 2004. 376 с.

69. Сафонов, Л. Н. Прецизионные датчики угла с печатными обмотками / Л.Н. Сафонов, В.Н. Волнянский, А.И. Окулов, В.Н. Прохоров. // -М.: Машиностроение, 1977. 152 е., ил.

70. Сергеев, А.Г. Метрология. Учебное пособие для вузов / А.Г. Сергеев, В.В. Крохин II М.: Логос, 2000. - 408 с.

71. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сер-гиенко //- СПб.: Питер, 2002. 608 е.: ил.

72. Соловов, Ю.А. Фазовые измерения / Ю.А. Соловов // М.: Энергия, 1973.-120 с.

73. Спектор, С. А. Электрические измерения физических величин./ С. А. Спектор //- Л.: Энергоатомиздат, 1987. 321 с.

74. Срибнер, Л.А. Точность индуктивных преобразователей перемещений /Л.А. Срибнер //М.: Машиностроение, 1975. 105 с.

75. Туричин, A.M. Электрические измерения неэлектрических величин /A.M. Туричин //М. Л., Энергия, 1966. - 690 с.

76. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден /УМ.: Техносфера, 2005. 592 с.

77. Хромой, Б.П. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи / Б.П. Хромой, А.В. Кандинов, A.JI. Сенявский и др.; Под ред. Б.П. Хромого // М.: Радио и связь, 1986. 424 е.: ил.

78. Цапенко, М.П. Измерительные информационные системы (Структуры и алгоритмы, схемотехническое проектирование) / М.П. Цапенко // М.: Энергоатомиздат, 1985. 238 с.

79. Чернецов, К. Н. Проектирование технических средств автоматики и телемеханики / К. Н. Чернецов, Е.П. Осадчий II Датчики систем автоматики: Межвуз. сб. науч. тр. Пенза, 1976. - 91 с.

80. Чечет, Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств / Ю.С. Чечет // М. Л., Энергия, 1964. - 164 с.

81. Шатова, Ю.А. Редукционные датчики угловых перемещений с бегущим магнитным полем / В.И. Волчихин, В.Я. Горячев, Ю.А. Шатова II Новые промышленные технологии. Вып. 2. М., 2007. - с. 48-52.

82. Шатова, Ю.А. Передаточная функция датчика угловых перемещений на основе фазовращателя с электромагнитной редукцией / В.Я. Горячев, Ю.А. Шатова II Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2007. - с. 172-173.

83. Шатова, Ю.А. Основные соотношения и схема замещения для датчиков угловых перемещений с электромагнитной редукцией / В.Я. Горячев, Ю.А. Шатова II Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2007. — с. 173— 175.

84. Шатова, Ю.А. Редукционные датчики угловых перемещений с бегущим магнитным полем / В.И. Волчихин, В.Я. Горячев, Ю.А. Шатова II Датчики и системы. Вып. 11.— М., 2007. с. 18-22.

85. Шатова, Ю.А. Определение оптимальной длины зубцов датчиков угловых перемещений с электромагнитной редукцией / Ю.А. Шатова // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество 2006». Пенза, 2006. - с. 128-130.

86. Шишкин, И.Ф. Качество и единство измерений: Учебное пособие / И. Ф. Шишкин // Л.: СЗПИ, 1982. - 84 с.

87. Шляндин, В.М. Элементы автоматики и телемеханики / В.М. Шляндин II М. Оборонгиз 1954. - 464 с.

88. Шляндин, В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы./ В.М. Шляндин.//- М.: Высш. шк., 1981. 335 с.

89. Юферов, Ф.М. Электрические двигатели автоматических устройств./ Ф. М. Юферов// М., 1959. - 224 с.

90. Юферов, Ф.М. О намагничивающих силах и вращающих моментах двухфазных несимметричных электрических машин/ Ф.М. Юферов //Изв. вузов. Электромеханика. 1965. - № 2.

91. Пат. 2272244 SU. Фазовый датчик линейных перемещений / В.Я. Горячев, В.И. Волчыхин, А.П. Чепасов II Заявка № 2004119997; зарегистрирован 20.03.2006. Опубл. 20.03.06. - Бюл. №8.

92. А.с. №9119/323458, III, кл.74 /Чистяков Я И., 1947.

93. Agraval R.P., Pai М.А. & Prabhakar T.V.: Microprocessor based data acquisition system for power systems. Proc. of All India Symp. On Power System Operation and Control, Hyderbad, Paper No. 56.2.

94. H.R. Harrson, B.A. Horlock and oth., The Inductosin and its Application to a Programm Coordinate Table, Electronic Engeneering, 1957, vol.29, No. 352, 353.

95. N.J. Finden, B.A. Horlock, The Inductosyn and its Application, The Journal of the British Institution of Radio Engineers, 1957, vol. 17, No. 7.

96. By G.Kronacher, Design, Perfomance and Application of the Vernier Resolver, The Bell System Technical Journal, 1957, vol. XXXVI, No. 6.