CC BY
30
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.317.762:621.313.823.3
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНДУКЦИОННОГО ДАТЧИКА УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА ДЛЯ СИНХРОННОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ
© 2011 г. Е.А. Климов, Б.Н. Лобов, В.В. Медведев, В.С. Пузин, А.С. Хорошев
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Общество с ограниченной ответственностью специальное-конструкторское бюро «Инверсия»
South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
LTD SKTD «Inversia»
Описываются принципы построения датчика углового положения ротора синхронной микромашины, используемой в качестве высокоскоростного двигателя в аппаратуре с повышенными требованиями к стабильности угловой скорости. Приведены рекомендации по выбору типа и конфигурации датчика. Представлены результаты выходных сигналов и рекомендации по выбору фильтра и предварительного усилителя сигнала.
Ключевые слова: датчик углового положения; синхронный микродвигатель; биение частот.
In the article construction principles of the angular position sensor for synchronous micromotor rotor are described. The given synchronous micromotor is intended for equipment, demanding precision angular velocity. Recommendations for choice a type and a configuration of sensor are resulted. Results of target signals and the recommendations for choice the filter and the preliminary amplifier of a signal are presented.
Keywords: angular position sensor; synchronous micromotor; harmonic beating.
Рассматриваемый в данной статье индукционный датчик предназначен для индикации угловых колебаний ротора синхронного микродвигателя, используемого в качестве высокоскоростного электропривода в аппаратуре с повышенными требованиями к стабильности угловой скорости.
Данные требования возникают в связи с тем, что в ряде систем ротор двигателя является информирующим объектом и любые его отклонения от номинальной скорости в пределах даже одного оборота, могут привести к накоплению недопустимой погрешности измерений. В [1] была представлена математическая модель, позволяющая получать динамические характеристики машины на этапе проектирования и формировать исходные данные для выбора типа и параметров датчика углового положения. Настоящая статья является продолжением работ по тематике синхронных микромашин и содержит рекомендации к проектированию системы индикации углового положения ротора на примере двигателя с номинальной скоростью вращения 7200 об/мин.
Конструкция двигателя в базовом исполнении представляет собой машину обращённого типа (рис. 1) с внешним кольцевым ротором, содержащим магнит возбуждения 1, и статор с магнитной системой 2 и обмоткой 3.
Рис. 1. Исходная конфигурация двигателя
При работе двигателя нагрузка на валу имеет фиксированное значение, но обязательным является режим работы, в котором статор двигателя совершает угловые колебания относительно оси вращения с угловой скоростью 01 и угловым ускорением аь При этом за счёт инерции массивный ротор отклоняется на угол 0, максимальное значение которого ограничено: во-первых, динамической перегрузочной способностью двигателя (возможность выпадения из синхро-
низма); во-вторых, требованиями к стабильности по мгновенным значениям угловой скорости вращения ротора ш2.
При существовании в работе электродвигателя вышеописанного режима, на датчик возлагается функция контроля угловых отклонений ротора от синхронного положения с точностью до Да = 0,5°. Высокий порядок точности измерений обусловлен необходимостью дальнейшей корректировки информации, получаемой от информирующего объекта (ротора), а также для формирования управляющего сигнала для системы питания двигателя, предотвращающего выпадение его из синхронизма.
Область применения синхронных микродвигателей данного типа существенно ограничивает возможность использования интегральных схем с прецизионным оптическим датчиком по температурному диапазону при одновременном крайне малом габарите двигателя (активная часть - менее 20 мм). Данная постановка задачи формирует необходимость выбора системы датчиков, использующих в своём принципе энергию поля постоянного магнита ротора.
В работе [1] было определено, что для исследуемого микродвигателя максимальное отклонение ротора от синхронного положения за один оборот может достигать ©тах = 10°. При анализе [2] было установлено, что для обеспечения необходимой точности измерений целесообразно применение датчика индукционного типа. Сложность формирования конструкции датчика заключается в том, что активный элемент (катушка индикации) должен реагировать на пульсации магнитного поля, формируемые зубчатым ферромагнитным кольцом, охватывающим магнит ротора (рис. 2). Анализ возможных конструкций позволил сформировать рекомендации для конфигурации зубчатой зоны кольца и его размещению относительно магнита. В таблице для различных вариантов конструкции представлены относительные значения амплитуды информационной составляющей (2400 Гц), приведенные к амплитуде индукции основной частоты (120 Гц).
Анализ проводился с использованием прикладных программ Gmsh и Getdp [3], позволяющего выполнять моделирования электромагнитных полей в трёхмерном представлении. Это обусловлено тем, что при отношении внешнего диаметра магнита к его длине
Dк-l/lк = 5 участки, на которых можно принять допущение о плоскопараллельном либо осесимметричном характере поля, полностью отсутствуют.
Доля информационного сигнала
Вариант конструкции Ринф1, о.е.
Зубчатое кольцо с внешней катушкой 0,032
Щелевое кольцо с внешней катушкой 0,04
Щелевое кольцо с внутренней катушкой 0,16
По результатам моделирования для исследуемого двигателя был сделан вывод, что размещение катушки индикации в кольцевом воздушном зазоре между внешней поверхностью магнита и щелевой ферромагнитной обечайкой обеспечивает максимальный уровень сигнала 0,08 мВ/виток-мм2. Несмотря на то что данный вариант является технически наиболее сложным из трёх рассмотренных, он единственный может обеспечить высокий уровень помехоустойчивости.
На следующем этапе проектирования при выборе параметров катушки индикации была установлена возможность применения катушек без ферромагнитного сердечника с числом витков не менее = 30. Основным соотношением для определения среднего диаметра катушки является
. _ nD^ Да
"к.ср _ "
где D52 - диаметр воздушного зазора на линии расположения катушки индикации. Отношение ©тах/Да определяет также количество зубцов z2 ферромагнитного кольца.
В результате моделирования, направленного на получение и анализ ЭДС на выходе катушки индикации Eк = / ) при совместном использовании пакетов прикладных программ Gmsh, Getdp, FEMM [4] и программного комплекса LabView [5] был выявлен ряд особенностей, требующих обязательного учёта при проектировании систем подобного типа.
ДО
«Т
ДО
Рис. 2. Варианты исполнения ферромагнитного кольца и размещения катушки индикации
б
а
в
На первом этапе с применением численных методов расчёта магнитного поля была получена зависимость Eк = f (t), представленная на рис. 3. Для исследуемого двигателя при номинальной скорости вращения п = 7200 об/мин (120 Гц) и расчётном количестве зубцов ферромагнитного кольца z1 = 20 синхронная частота датчика составляет 1400 Гц.
На втором этапе был проведен анализ фильтров для выделения полезного выходного сигнала на частоте 2400±120 Гц из выходного сигнала датчика. Для исследования выходного сигнала датчика был выполнен спектральный анализ. Расчет спектрограммы производился по спектру мощности (для нивелирования уровня шумов) с использованием естественного временного окна (рис. 4).
Визуальный анализ спектрограммы позволяет установить следующее: наличие двух областей с ярко выраженными пиками - в диапазоне 0 -г- 800 Гц (область основной помехи) и 1000 ^ 1800 Гц (область полезного сигнала); в области полезного сигнала на-
блюдается две составляющих информационного сигнала - на частотах 1300 Гц и 1500 Гц, наличие которых обусловлено тем [6], что амплитуда основной частоты 1400 Гц промодулирована по более низкой частоте в 100 Гц, т. е. так называемый эффект «биение частот». Наличие модуляции вызвано снижением ЭДС, наводимой в измерительной катушке, при уменьшении нормальной составляющей индукции в тот момент, когда ось полюсов занимает положение, параллельное плоскости катушки (рис. 5).
Полученные свойства исходного сигнала позволили сформировать решение для снижения ошибки определения местоположения ротора в областях с малой амплитудой, согласно которому необходимо оставлять одну частоту (например, 1500 Гц, так как она обладает более высоким пиком) и «гасить» другую. Учитывая малую разницу несущих частот (100 Гц) сигнала (1500 Гц) и помехи (1300 Гц), необходимо применить полосовой фильтр на частоту 1500 Гц с шириной полосы 50 Гц.
Рис. 3. Сигнал на выходе катушки индикации
Frequency (Hz)
Рис. 4. Спектрограмма сигнала на выходе катушки индикации
Рис. 5. Положение ротора, приводящее к уменьшен ию значения индукции в катушке индикации
При дальнейшем анализе было установлено, что в качестве полосовых фильтров для исследуемого двигателя могут быть использованы полосовые фильтры Бесселя и Баттерворта 2-го и 4-го порядка, поскольку им свойственна наиболее линейная ФЧХ [7].
Для уменьшения погрешности, связанной с нелинейностью ФЧХ, возможно применение структурной схемы, в которой фильтр с более сложным схемно-конструктивным решением размещается вне микродвигателя, а внутри устанавливается только каскад предварительного усиления исходного сигнала катушки индикации. На рис. 6 представлен выходной сигнал предусилителя, при входном сигнале £к = / ^) (рис. 3). Для исследуемого двигателя был выполнен
анализ неинвертирующего усилителя с ВЧ-фильтром 1-го порядка по входу, обеспечивающим подавление низкочастотной области: усиление в области основной помехи составляет 5, в зоне полезного сигнала 10.
Таким образом, в качестве заключительных положений следует выделить:
1. Корректный расчёт величины пульсаций индукции от зубчатого (щелевого) ферромагнитного кольца, расположенного по внешней поверхности магнита возбуждения возможен только при учёте распределений магнитного поля в трёх плоскостях (при допущении плоскопараллельного характера погрешность достигает 30 %).
2. Размещение катушки индикации в воздушном зазоре между внешней поверхностью магнита и щелевым ферромагнитным кольцом обеспечивает максимальный уровень сигнала 0,08 мВ/виток-мм2.
3. Выходной сигнал с катушки индикации в датчиках рассматриваемой конфигурации модулируется сигналом низкой частоты, пропорциональным числу полюсов двигателя 2p, что приводит к необходимости учёта провалов в амплитуде несущего сигнала.
4. Для снижения ошибки определения местоположения ротора в областях с малой амплитудой целесообразно применение фильтров, обеспечивающих выделение одной из двух составляющих информационного сигнала, с шириной полосы не более 2 % от частоты несущей и линейным участком ФЧХ на данном интервале. Альтернативным решением является установка двух катушек индикации под углом 90° с последующей их тарировкой, выполняемой с целью компенсации погрешностей изготовления и сборки.
Рис. 6. Сигнал датчика после прохождения предварительного усиления и фильтрации
Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы по государственному контракту № 16.516.11.6115 по теме «Разработка научно-технических решений комплексного использования ВИЭ на базе тепловых насосов, солнечных нагревателей и фотоэлектрических преобразователей для децентрализованного производства тепла и электроэнергии» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса на 2007 - 2018 годы».
Литература
1. Климов Е.А. Моделирование электромеханических процессов в синхронных микромашинах при внешних коле-
Поступила в редакцию
баниях корпуса // Изв. вузов. Электромеханика. 2011. № 1. С. 31 - 33.
2. Датчики измерительных систем / Ж. Аш [и др.]: в 2 кн. : пер с франц. М., 1992. 904 с.
3. Geuzaine C., Dular P., Remacle J.-F. A Complete Open-Source Solution for Electromagnetic Field Computation // Electromagnetic Field Computation. 2006. 12th Biennial IEEE Conference on. P. 221.
4. Meeker D. Finite Element Method Magnetics. Version 4.2 User's Manual: [email protected]. 2008.
5. Официальный сайт компании National Instruments [электронный ресурс]: описание программно-аппаратного комплекса Labview. Режим доступа: http://digital.ni.com/ worldwide/ russia.nsf/main?readform, свободный.
6. Курс физики : учебник для вузов: в 2 т. Т. 1 / под ред. В.Н. Лозовского. СПб., 2000. С. 572.
7. Мошитц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров. М., 1984. С. 320.
29 апреля 2011 г.
Климов Евгений Анатольевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. +7-909-427-85-30. E-mail: [email protected]
Лобов Борис Николаевич - д-р техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), инженер, ООО СКТБ «Инверсия». Тел. 8 (8635)251-684. E-mail: [email protected]
Медведев Виктор Владимирович - старший преподаватель, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)255-113. E-mail: [email protected]
Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. E-mail: [email protected]
Хорошев Артем Сергеевич - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-909-416-49-96.
Klimov Evgeniy Anatolevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanic», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. +7-909-427-85-30. E-mail: [email protected]
Lobov Boris Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, associate professor, department «Electrical and Electronics Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Ingineer, LTD SKTD «In-versia». Ph. 8 (8635)251-684. E-mail: [email protected]
Medvedev Viktor Vladimirovich - assistant professor, department «Electrical and Electronics Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)255-113. E-mail: [email protected]
Puzin Vladimir Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical and Electronics Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)251-684. E-mail: [email protected]
Khoroshev Artem Sergeevich - post-graduate student department «Electrical and Electronics Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-909-416-49-96.
