Измерительная система для реализации обратных связей в координатных позиционерах на линейных шаговых двигателях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.323

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ В КООРДИНАТНЫХ ПОЗИЦИОНЕРАХ НА ЛИНЕЙНЫХ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Канд. техн. наук ЖАРСКИЙ В. В.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Наиболее часто применяемый в линейных шаговых двигателях (ЛШД) датчик положения индуктора по зубцовой геометрии статора представляет собой инкрементальный электромагнитный преобразователь положения зубцовой магнитной структуры полюсов датчика по отношению к ферромагнитным полюсам статора [1, 2]. Конструктивно датчик непосредственно встраивается в индуктор, а его магнитная система рассчитывается на рабочий магнитовоз-душный зазор в пределах 10-50 мкм.

Выходным информационным сигналом датчика является стандартный интерфейс в виде sin и cos электрических сигналов напряжением 1 В, однозначно определяющих положение индуктора относительно зубцовой структуры статора. Один из разновидностей такого датчика -индукционный тахометр [2], состоящий из двух П-образных магнитомягких сердечников, между которыми находится постоянный магнит. На его магнитомягких сердечниках расположены обмотки. Недостаток такого датчика состоит в том, что его информационные сигналы зависят как от положения, так и от скорости его перемещения. Кроме того, выходной сигнал такой магнитной системы имеет значительный коэффициент нелинейных искажений, и выделить позиционную составляющую с тахометра с достаточной точностью представляется весьма сложной программно-аппаратной задачей.

Наиболее полно требованиям системы измерений для реализации обратных связей в координатных позиционерах на ЛШД удовлетворяет датчик положения, содержащий два П-об-разных магнитопровода, шунтированных постоянным магнитом. При этом магнитопроводы выполняются из трех частей, между которыми установлены преобразователи Холла [2].

Недостатком данного устройства является наличие значительной погрешности информационных сигналов за счет гистерезиса пере-магничиваемых П-образных магнитопроводов. Наличие же воздушных зазоров между датчиком и рабочей поверхностью статора приводит к тому, что амплитуда информационного сигнала почти на порядок меньше постоянной составляющей, что снижает стабильность точностной характеристики системы измерений. Поэтому проблема разработки электромагнитно-

го безгистерезисного датчика положения и измерительной системы на его основе для координатных позиционеров на ЛШД - актуальная задача, которой посвящено настоящее исследование.

Безгистерезисный датчик положения. Для

повышения точностных и динамических параметров систем перемещений на основе приводов прямого действия, и в частности ЛШД с датчиками обратной связи по положению, необходимо добиваться улучшения метрологических параметров самих датчиков положения, обеспечивая возможность использования последних в линейных, планарных, торцевых и цилиндрических координатных позиционерах [3].

Конструкция такого датчика (рис. 1) была разработана и создана на предприятии «Рух-сервомотор». Особенность датчика состоит в том, что он содержит два составных П-об-разных магнитопровода, на полюсах сердечников каждого из которых сформированы зубцы, разность расположения групповых координат которых равна (а ± 0,5)т, где а - целое число, определяемое как константа конкрет-

ной конструкции; т - период расположения зубцов.

Рис. 1. Конфигурация датчика положения для координатного электропривода прямого действия

Преобразование магнитной индукции осуществляется в специальном составном магни-топроводе, состоящем из двух П-образных частей, в которые последовательно включены постоянные магниты, показанные на рис. 1 символами NS. Так как преобразователи магнитной индукции устанавливаются вблизи пары одноименных полюсов П-образных магнитопрово-дов, выходной сигнал будет прямо пропорционален разности их МДС. Такой датчик дополняется также третьим, идентичным первым двум, магнитопроводом и, по крайней мере, третьим преобразователем магнитной индукции, выполненным в виде преобразователя Холла (рис. 1).

Базовая конструкция датчика положения содержит три составных П-образных магнито-провода, в каждый из которых последовательно включен постоянный магнит NS. Между маг-нитопроводами попарно располагаются датчики Холла Ж (предварительно подобранные по соответствию токов смещения). При этом в магнитном отношении HS включаются в про-тивофазе для компенсации постоянных составляющих магнитных потоков в сердечниках. Такое конструктивное расположение датчиков Холла обеспечивает измерение только разности магнитных потенциалов в смежных магнито-

проводах, исключив синфазные составляющие от динамического (в процессе движения) изменения магнитовоздушного зазора двигателя. В технологическом смысле такая конструкция некритична в отношении разности потоков постоянных магнитов NS в смежных магнитопро-водах. На полюсах сердечников каждого маг-нитопровода сформированы зубцы. Разность координат расположения между одноименными зубцами (групповых координат) двух полюсов в П-образных магнитопроводах равна (а ± 0,5)т.

На рис. 2 показана конструктивная схема встраивания описанного выше датчика в пла-нарный ЛШД, который содержит ферромагнитный зубчатый статор и индуктор. Статор выполнен в виде листа из ферромагнитного материала с пазами на верхней поверхности, заполненными немагнитным материалом. Пазы расположены по осям X, У декартовой системы координат.

При работе двигателя на его индукторе закрепляют три датчика положения: два датчика, например, на координату X и один - на координату У (рис. 2). Два датчика положения на одной из координат двигателя позволяют по разности их показаний легко установить факт разворота индуктора и, следовательно, бороться

посредством соответствующего алгоритма уп-

равления с этим нежелательным явлением.

Рис. 2. Конструктивная схема встраивания датчика положения

На практике датчики положения уже на этапе изготовления двигателя конструктивно встраиваются в корпус индуктора. Чтобы на сигнал датчика не влияло перемещение в ортогональном направлении, длина зубцов выбирается по величине, близкой к целому числу периодов расположения зубцов.

Рабочий зазор между индуктором и статором обеспечивается воздушной опорой или подшипником. Для создания воздушной (аэростатической) опоры в зазор подают сжатый воздух. Сила притяжения, создаваемая постоянными магнитами индуктора, к статору при этом уравновешивается силой отталкивания, обусловленной давлением воздуха, и индуктор «всплывает» над статором. Индуктор перемещается вдоль статора за счет энергии электромагнитного взаимодействия тяговых электромагнитов индуктора с зубцовой структурой статора.

Расчет электромагнитной системы датчика. Схемы замещения и фазовая диаграмма датчика Холла, используемого для планарных позиционеров, приведены на рис. 3, 4.

В первом приближении магнитное сопротивление воздушного зазора между статором и полюсом сердечника П-образного магнито-провода датчика, у которого зубцы расположены напротив зубцов статора двигателя, можно представить следующим образом:

Д = Д0 - Дт соэ(2лх /2), (1)

где Д0, Дт - соответственно постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники магнитного сопротивления Д1; х - координата, вдоль

которой перемещается датчик; т - период зуб-цовой структуры.

0,5Р

Д

Д

Д т

0,5Р

Рис. 3. Схема замещения магнитной цепи датчика

Р(1/4)

Р, (2/4)

^13

Р24 ^^ Р14

1^1 (0/4)

Р4 (3/4)

Рис. 4. Фазовая диаграмма сигналов датчика положения

Магнитные сопротивления воздушных зазоров (рис. 3) для полюсов сердечников магнито-проводов, у которых зубцы сдвинуты по отношению к нулевому положению на 0,5т; 0,25т; -0,25т, соответственно составляют:

R2 = R + Rm cos(2nx/т); (2)

R3 = R0 - Rm sin(2nx/т); (3)

R4 = R0 + Rm sin(2nx/т). (4)

Магнитные потоки Ф1, Ф2, создаваемые постоянными магнитами датчика, рассчитываются по формуле

Ф = Ф. = Ф 2 =-Fm-=-Fm-,

1 2 Rm + Rl + R2 Rm + 2Ro

где Fm - МДС постоянного магнита.

МДС F12, на основании которой определяется амплитуда выходного сигнала датчика, рассчитывается следующим образом:

F.2 = -F21 = Ф(R2 - Rl) = 2ФRm cos(—j.

Поскольку преобразователи Холла расположены между магнитными сопротивлениями R1 и R2, их информационные сигналы прямо пропорциональны амплитудам МДС F12, F21 и сдвинуты по фазе на 180° (рис. 3).

Из-за разброса технологических и конструктивных параметров датчиков Холла в выходном сигнале, помимо первой гармоники, присутствуют небольшая постоянная составляющая и вторая гармоника одного знака. Для их устранения используется дифференциальное включение преобразователей Холла. Координату планарного позиционера можно определять, если априори известно, в каком квадранте единичного круга находишься. Этот недостаток устраняется использованием второго аналогичного датчика, сдвинутого по отношению к первому в направлении перемещения на четверть периода.

В конструкции датчика Холла используется три П-образных магнитопровода и четыре преобразователя Холла, установленных между одноименными магнитными полюсами сердечни-

ков. Анализ схемы замещения датчика Холла (рис. 3) с учетом того, что преобразователи Холла расположены между магнитными сопротивлениями R1, R 3; R1, R4; R 2, R 3; R 2, R4, позволяет определить МДС F13, F14, F23, F24 по формулам:

F13 =Ф(^ - R3) = -^Rm COs ( ^-4 j;

FM = Ф( R1 - R4) = -^Rm cos +П j;

F23 = Ф(R2 - R3) = ^Rm COs(^ + "4j;

F24 =Ф(R2 - R4) = ^Rm COs(^^.

Учитывая дифференциальное включение преобразователей Холла, выходные сигналы датчика можно рассчитать по формулам:

E = F24 - F13 = l^Rm cos^^-f );

E2 = F23 - F14 = 2^Rm cos (^ + Пj.

Результаты экспериментального исследования разработанного датчика положения, встроенного в индуктор планарного ЛТТТД, с периодом зубцовой структуры 1,28 мм проводились на стенде предприятия «Рухсервомотор» [4].

Качество выходных сигналов разработанного датчика по отношению к идеальным функциям sin/cos оценивалось по измеренным амплитудной и фазовой ошибкам. На рис. 5 приведены графики амплитудной ошибки на перемещении, равном двум периодам зубцовой структуры, а на рис. 6 - наиболее характерный график фазовой ошибки на перемещении, равном двум периодам зубцовой структуры.

Как видно из приведенных графиков, разработанный датчик положения имеет малый разброс амплитудной и фазовой ошибок по отношению к нулевому (номинальному) значению, что подтверждает его высокие метрологические показатели. Использование разработанного датчика

в планарном ЛТТТД позволяет обеспечить позицио- нирование с погрешностью не более чем ±3 мкм.

0.05 -.-.-.-.-.-.-.-.-

Положение, мкм Рис. 5. Графики амплитудной ошибки

-3 -1-1-1-!-!-1-1-!-!—

0 256 512 768 1024 1280 1536 1792 2048

Положение, мкм

Рис. 6. График фазовой ошибки

В Ы В О Д Ы

Предложено конфигурирование магнитной цепи безгистерезисного датчика положения на основе эффекта Холла в индукторе планарного линейного шагового двигателя, при котором повышение точности достигается специальным расположением П-образных магнитопроводов и постоянных магнитов и обеспечивается измерением только разности магнитных потенциалов в смежных магнитопроводах, исключая составляющие МДС, возникающие в процессе движения.

Разработанный магнитоиндукционный датчик положения на основе эффекта Холла обеспечивает стандартный синусно-косинусный выход с номинальным напряжением 1 В и нелинейными искажениями сигнала менее 1 %.

На базе рассматриваемого датчика возможно создание замкнутых по положению линейных и поворотных систем приводов прямого действия различного назначения.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ляшук, Ю. Ф. Линейный шаговый электропривод для прецизионного оборудования / Ю. Ф. Ляшук. - Минск: Технопринт, 2002. - 139 с.

2. Прецизионные координатные системы на основе электропривода прямого действия / С. Е. Карпович [и др.]. -Минск: ГНПКТМ «Планар», 2001. - 198 с.

3. Карпович, С. Е. Прецизионные системы перемещений / С. Е. Карпович, Ю. С. Межинский, В. В. Жарский // Доклады БГУИР. - 2004. - № 3(7). - С. 50-61.

4. Измерительная система контроля параметров позиционирования ЛШД / В. П. Огер [и др.] // Известия Белорусской инженерной академии. - 2001. - № 1(11)/3. -С. 167-168.

Поступила 22.02.2008