Радиостроение. 2017; : 37-53
Коррекция характеристики индуктивного датчика положения ротора бесконтактного двигателя постоянного тока дискового типа
https://doi.org/10.24108/rdopt.0217.0000093Аннотация
В промышленных технических системах широко используются бесконтактные двигатели постоянного тока с датчиком определения углового положения ротора и скорости. На практике используются индуктивные и оптические датчики, но оптические датчики имеют ограничения по условиям внешней среды. В статье рассматривается индуктивный датчик для БДТП дискового типа, который представляет собой два плоских диска, один из которых закреплен на статоре, а второй на роторе. На диске, закрепленном на статоре, расположены чувствительные элементы, катушки. Чувствительные элементы выполнены в виде 4 плоских катушек, расположенных под 90° по окружности закрепленного на статоре диска. Полюса представляют собой плоские цилиндры, расположенные по окружности диска, закрепленном на валу ротора. Всего на диске закреплено 6 полюсов. Три полюса выполнены из ферромагнитного материала, а три других полюса из диамагнитного материала. При повороте ротора площадь перекрытия плоской катушки и полюса изменяется, изменяется и индуктивность катушки. Изменение индуктивностей при помощи мостовой схемы преобразуется в два напряжения синусоидального вида. Целью исследований, проведенных в стать, является повышение точности индуктивного датчика положения ротора. На точность определения углового положения ротора влияют отличие сигналов от синусоидальных, задержка прохождения сигнала в измерительном канале обработки информации.
Для повышения точности определения положения ротора получена приближенная зависимость индуктивности чувствительного элемента датчика от угла поворота ротора в предположении, что приращения индуктивностей катушек пропорциональны площади перекрытия поверхностей катушки и полюса. С использованием этой зависимости получена передаточная характеристика корректирующего устройства для приближения сигнала к синусоидальному. По этим сигналам вычисляется угловое положение ротора. Проведено исследование статической погрешности на виртуальной модели индуктивного датчика положения ротора с использованием расширения Simulink системы MATLAB. Показано, что статическую точность определения углового положения ротора можно повысить, используя корректирующее устройство с полученной передаточной характеристикой.
Список литературы
1. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. Кн. 1: Вентильные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1997. 508 с.
2. Электрические следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями / М.В. Баранов, В.Н. Бродовский, А.В. Зимин, Б.Н. Каржавов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 239 с.
3. Цаценкин В.К. Безредукторный автоматизированный электропривод с вентильными двигателями. М.: Изд-во МЭИ, 1991. 235 с.
4. Овчинников И.Е. Теория вентильных электрических двигателей. Л.: Наука, 1985. 164 с.
5. Соловьев В.А. Непрерывное токовое управление вентильными двигателями. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. 264 с.
6. Аш Ж., Андре П., Бофрон П. Датчики измерительных систем: в 2-х кн. Кн. 1. М.: Мир, 1992. 480 с. [Asch G. e.a. Les capteurs en instrumentation industrielle. 4.ed. P.: Dunod, 1991].
7. Датчики / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. 616 с.
8. Юрин А.И., Неборский А.Ю. Коррекция нелинейности и гистерезиса функции преобразования индуктивных измерительных преобразователей перемещения // Датчики и системы. 2016. № 11. С. 48-51.
9. Кукушкин Ю.Т., Николаев С.С., Шерстняков Ю.Г. Индуктивный датчик положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока: пат. 2176846 Российская Федерация. 2001. Бюл. № 34.
10. Le H.T., Hoang H.V., Jeon J.W. Efficient method for correction and interpolation signal of magnetic encoders // Industrial Informatics 2008: 6th IEEE Intern. Conf. on Industrial Informatics (Dajeon, Korea, July 13-16, 2008): Proc. Picataway: IEEE, 2008. Pp. 1383-1388. DOI: 10.1109/INDIN.2208.4618320
11. Balemi S. Automatic calibration of sinusoidal encoder signals // 16th IFAC World Congress (Praha, Czech Rep., July 4-8, 2005): Proc. Prague, 2005. DOI: 10.3182/20050703-6-CZ-1902.01190
12. Tan K.K., Tang K.-Z. Adaptive online correction and interpolation of quadrature encoder signals using radial basic functions // IEEE Trans. on Control Systems Technology. 2005. Vol. 13. No. 3. Pp. 370-377. DOI: 10.1109/TCST.2004.841648
13. Hoang H.V., Jeon J.W. Signal compensation and extraction of high resolution position for sinusoidal magnetic encoders // Intern. Conf. on Control, Automation and Systems: ICCAS’07 (Seoul, South Korea, October 17-20, 2007): Proc. Piscataway: IEEE, 2007. Pp. 1368-1373. DOI: 10.1109.ICCAS.2007.4406551
14. Seon-Hwan H., Dong-Youn K., Jang-Mook K., Do-Hyun J. Signal compensation for analog rotor position errors due to nonideal sinusoidal encoder signals // J. of Power Electronics. 2014. Vol. 14. No. 1. Pp. 82-91. DOI: 10.6113/JPE.2014.14.1.82
Radio Engineering. 2017; : 37-53
Characteristic Correction of the Inductive Rotor Position Sensor of Contactless Direct Current Motor of the Disc Type
https://doi.org/10.24108/rdopt.0217.0000093Abstract
Industrial technical systems widely use contactless DC motors (CDCM) with a sensor for determining the rotor angular position and speed. On a practical level, inductive and optical sensors are used. Optical sensors, however, have restrictions in terms of ambient conditions. The article considers an inductive sensor for the CDCM of disk type, which consists of two flat disks, one of which is mounted on the stator and the other is secured on the rotor. On the disk secured to the stator there are sensitive elements: coils. The sensitive elements made as the 4 flat coils are arranged at 90° around the disk secured to the stator. The poles have the form of flat cylinders located around the disk mounted on the rotor shaft. Totally, there are 6 poles fixed on the disk. Three poles are made from a ferromagnetic material, and three other ones use a diamagnetic material.
With rotor rotation, an overlap area of the flat coil and the pole is changed, and so is the coil inductance. By means of bridge circuit the changing inductances are converted into two sine wave voltages. The aim of the research carried out is to increase the accuracy of the inductive position sensor of the rotor. The signals different from the sine wave and signal delay in the measurement channel of data processing have impact on the rate accuracy of the angular position of the rotor.
To improve the rate accuracy of the rotor position is obtained an approximate analytical dependence of the sensitive element inductance on the rotor rotation angle on the assumption that the incremental inductance of the coils is proportional to the overlapping area of the coil and pole surfaces. This dependence is used to obtain a transfer characteristic of the correction device to approximate a signal to the sine wave. Using these signals allows calculating the angular position of the rotor. A static error was studied on the virtual model of the inductive sensor of the rotor position using the Simulink extension of MATLAB. It is shown that the static rate accuracy of the angular position of the rotor can be improved using the correction device with the transfer function obtained.
References
1. Arakelyan A.K., Afanas'ev A.A. Ventil'nye elektricheskie mashiny i reguliruemyi elektroprivod: V 2 kn. Kn. 1: Ventil'nye elektricheskie mashiny. M.: Energoatomizdat, 1997. 508 s.
2. Elektricheskie sledyashchie privody s momentnym upravleniem ispolnitel'nymi dvigatelyami / M.V. Baranov, V.N. Brodovskii, A.V. Zimin, B.N. Karzhavov. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2006. 239 s.
3. Tsatsenkin V.K. Bezreduktornyi avtomatizirovannyi elektroprivod s ventil'nymi dvigatelyami. M.: Izd-vo MEI, 1991. 235 s.
4. Ovchinnikov I.E. Teoriya ventil'nykh elektricheskikh dvigatelei. L.: Nauka, 1985. 164 s.
5. Solov'ev V.A. Nepreryvnoe tokovoe upravlenie ventil'nymi dvigatelyami. M.: MGTU im. A.N. Kosygina, 2004. 264 s.
6. Ash Zh., Andre P., Bofron P. Datchiki izmeritel'nykh sistem: v 2-kh kn. Kn. 1. M.: Mir, 1992. 480 s. [Asch G. e.a. Les capteurs en instrumentation industrielle. 4.ed. P.: Dunod, 1991].
7. Datchiki / Pod obshch. red. V.M. Sharapova, E.S. Polishchuka. M.: Tekhnosfera, 2012. 616 s.
8. Yurin A.I., Neborskii A.Yu. Korrektsiya nelineinosti i gisterezisa funktsii preobrazovaniya induktivnykh izmeritel'nykh preobrazovatelei peremeshcheniya // Datchiki i sistemy. 2016. № 11. S. 48-51.
9. Kukushkin Yu.T., Nikolaev S.S., Sherstnyakov Yu.G. Induktivnyi datchik polozheniya rotora beskollektornogo dvigatelya postoyannogo toka: pat. 2176846 Rossiiskaya Federatsiya. 2001. Byul. № 34.
10. Le H.T., Hoang H.V., Jeon J.W. Efficient method for correction and interpolation signal of magnetic encoders // Industrial Informatics 2008: 6th IEEE Intern. Conf. on Industrial Informatics (Dajeon, Korea, July 13-16, 2008): Proc. Picataway: IEEE, 2008. Pp. 1383-1388. DOI: 10.1109/INDIN.2208.4618320
11. Balemi S. Automatic calibration of sinusoidal encoder signals // 16th IFAC World Congress (Praha, Czech Rep., July 4-8, 2005): Proc. Prague, 2005. DOI: 10.3182/20050703-6-CZ-1902.01190
12. Tan K.K., Tang K.-Z. Adaptive online correction and interpolation of quadrature encoder signals using radial basic functions // IEEE Trans. on Control Systems Technology. 2005. Vol. 13. No. 3. Pp. 370-377. DOI: 10.1109/TCST.2004.841648
13. Hoang H.V., Jeon J.W. Signal compensation and extraction of high resolution position for sinusoidal magnetic encoders // Intern. Conf. on Control, Automation and Systems: ICCAS’07 (Seoul, South Korea, October 17-20, 2007): Proc. Piscataway: IEEE, 2007. Pp. 1368-1373. DOI: 10.1109.ICCAS.2007.4406551
14. Seon-Hwan H., Dong-Youn K., Jang-Mook K., Do-Hyun J. Signal compensation for analog rotor position errors due to nonideal sinusoidal encoder signals // J. of Power Electronics. 2014. Vol. 14. No. 1. Pp. 82-91. DOI: 10.6113/JPE.2014.14.1.82
