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差动变压器(微同步器)RVDT

作者: admin来源: 本站时间:2017-05-05
1     前言
       差动变压器式线位移传感器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)和RVDT(Rotary Variable Differential Transformer)作为机械直线/角度位移量测量元件被广泛应用于航空、电子、机械、纺织、船舶、冶金等行业及领域各种作动器、机械臂、载荷/位移杆等设备的需要形成位置反馈的系统及位置处。
       RVDT与LVDT均是采用差动变压器结构原理,即把机械部件的旋转/直线位移量传递到转轴/移动杆,带动铁心做旋转/直线运动,通过电磁感应改变线圈中的感应电压/电感量,输出与旋转角度/直线位移量成比例的电压/电流信号。由于采用非接触结构,具有无触点、无噪声、高灵敏度、高重复性、高可靠性、无限分辨率、理论无限寿命、高频响应特性好等性能特点。而由于其环境适用性强,被广泛用于水、油、汽、粉尘、高低温、振动冲击等恶劣国防、工业使用环境条件下的自动化的测量和监控系统。
        在当今航空航天领域内,特别是在自动控制系统中,RVDT/LVDT的应用范围及功能越来越广泛,诸如发动机进油活门位置、喷口叶片位置/吼道面积、主气机导向筒活塞杆位移、载荷杆位移等方面,与控制器共同构成测量、反馈及控制系统。
2     微动同步器
2.1          微动同步传感器结构及工作原理
        微动同步器由力矩型和信号型两类,前者是一种力矩输出装置,后者则适用于角位移的测量。信号型的微动同步传感器简称微动同步器,是一种属于高精度的、应用电磁感应(变压器)原理的转动衔铁改变磁阻的变磁阻式(或称变压器式)旋转变压器(因此称角度传感器)。正如其名,它的实际工作角度一般很小,对于一定的励磁电压和频率来说,在小角度时(一般为±10°或±12°)它的输出电压正比于转子的转角且线性度较高,与其它角度传感器相比,它有一些显著的特点:线性度好,无接触反力矩,附加力矩小,工作可靠,因此在航天、航空、航海仪表被广泛用来作为精密角度如加速度计、速率陀螺的角度传感器,将角度位移转换成正比的激流电压信号。在惯性导航、惯性制导、自动驾驶仪等制导或稳定系统中起着重要作用,它涉及机械、电气、材料等领域的多种技术。
        微动同步器将机械转角转换成同这个转角相对应的电信号(电压或电流),该信号能反映机械转角的大小和方向。电信号方程式为:
UOUT=K·α                                                        (1)
其中: UOUT——微动同步器输出电信号
α——微动同步器所接收到的机械转角
K——微动同步器的标度因数(输出梯度或输出斜率)
我们知道,对于所有传感器来说,标度因数K是衡量传感器的一个重要指标,K的变化及特性直接影响传感器的输出以至整个控制反馈的性能。
       典型结构的微动同步器由定子组件和转子组件组成。定子组件包括定子铁芯和绕组两部分。定子铁芯由导磁性能好的软磁材料冲片叠压而成,在其圆周上均匀分布4n个凸极(n为正整数), 凸极上错位嵌有2n个初级绕组线圈和2n个次级绕组线圈,且相邻的初级或次级绕组的线圈绕线方向(或极性)相反,串联在一起,转子组件由软磁材料冲片叠合而成,外圆表面均匀分布2n个凸极。应用最多的为4极、8极、12极和16极,随着极数增多,其线性角度范围减小。图1a为12极微动同步器结构示意图,我们最常用的为4极(n=1)微动同步器,其理论最大线性角度范围可达到±40°。
     
 
                           a)                                                                                                           b)
          
                              c)                                                         d)                                                       e)
图1微动同步器结构
图1a——12极微动同步器结构示意图;图1b、图1c——4极微动同步器结构示意图;
图1d——4极微动同步器定子组件实物图;   图1e——4极微动同步器转子组件实物图;
2.2          传统四极微动同步传感器输出特性
       以传统结构四极微动同步器(如图2)为例介绍其工作原理。在定子四个凸极上分别嵌绕四只一次线圈N11N12N13N14串联后构成一次侧线圈(即励磁绕组线圈),当供以交流励磁电压U时,定子各凸极上产生的磁通为Φ1Φ2Φ3Φ4,其瞬时方向如图2a所示。由于铁心中存在脉动磁场,在4只二次线圈N21N22N23N24中将产生感应电动势。二次线圈的接法应保证e21e23同相、并与e22e24反相。为此,连接后的一次、二次线圈如图2a、图2b所示。这样,其输出电压为
UO=(e22+e24)- (e21+e23)                               (2)
      a)                  b)                   c)
   
图2 四极微动同步器绕组连接方式及感应电势


图3 四极微动同步器等效磁路和定子转子几何参数
        为了研究四极微动同步器输出特性,应分析其等值磁路,如图3a所示。设定子转子的一些几何参数如图3b所示,δ为定子极掌与转子极端面之间的气隙厚度;SaSb为定子极掌与转子极端面覆盖表面积;r为转子半径;α为转子转角,单位为rad(弧度);h为定子转子铁心的有效宽度;2 为定子磁极的角度,单位为rad(弧度)。设μ0为空气导磁系数。
假设条件:
(1)    结构几何状态对称、绕组匝数对称;
(2)    定/转子铁心磁极工作点未予铁心材料磁化曲线的线性段、材料的初始导磁率很高;
(3)    忽略铁心磁阻、忽略负载的大小和性质、忽略漏电抗及铁损。
则磁路的磁阻完全为气隙磁阻,为
                               (3)
                                     (4)
       由于四只极上一次线圈的匝数相等,N11=N12=N13=N14=N1,流过的电流相等,均为I1,磁动势也相等,即FM1=FM2=FM3=FM4=N1 I1。根据等值磁路图,可以求出磁通为
                           (5)
                           (6)
在空载状态下,可以求得各二次线圈的感应电动势为
                                                (7)
式中  f——励磁电源频率。
       因为四只极上二次线圈的匝数相等,N21=N22=N23=N24=N2,将式(5)、式(6)、式(7)代入式(2)可得
UO=8πf N1 N2 I1μ0 r h α/δ=K·α                                    (8)
式中  K——微动同步器的灵敏度,K=8πf N1 N2 I1μ0 r h/δ,单位为V/rad(伏每弧度)。
       则传统四极微动同步器输出特性曲线(电压/转角曲线)为正比例函数曲线:
     

                                   a)                                                                                             b)
图4 四极微动同步器输出特性曲线
       该理论在工程应用时常进行了工程化处理,定子四个磁极上并不是每个磁极上绕制一个线圈,而是两个极公用一个线圈,即励磁绕组为2个线圈、输出绕组也为2个线圈,如图2c所示。
3     微动同步器型RVDT结构及工作原理
3.1          典型RVDT输出特性
        RVDT的输出特性必须要与后续处理芯片及处理电路的工作模式相适应,目前在数字控制领域中所使用的处理电路为AD598、AD698模块,采用何种形式的处理模块就决定RVDT的输出特性中是否必须要具备两个输出绕组输出电压VAVB信号输出,更重要的(VA+VB)必须是一个与机械转角无关的常量。否则,其输出信号无法被AD598模块识别和处理。
        AD598和AD698均是美国Analog Devices公司生产的单片式LVDT/RVDT信号调理系统,AD698是AD598的改进版。AD598/AD698与LVDT/RVDT配合,能够高精确和高再现性地将LVDT/RVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。其功能框图如图5、图6所示。
通过对比AD598和AD698的功能框图,我们容易的发现两者有以下不同:
(1)    AD598要求RVDT输出必须是三线制,且必须能够输出VAVB信号,用于解算(VA+VB);AD698则只需差动输出(VA-VB)信号即可,不要求LVDT/RVDT能够输出VAVB信号,不再要求(VA+VB)是一个随机械输入量变化而固定的常量。

  图5 AD598功能框图        
   
   图6 AD698功能框图
 
(2)    AD698不同于AD598最主要的特征是,AD698采用了一个不同于AD598的电路传递函数,AD698的传递函数为UOUT∝A/B,而AD598的传递函数为UOUT∝(VA-VB)/(VA+VB)。
(3)    AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT/RVDT,并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码,解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率(VA-VB)/VP。滤波级和放大器可按比较整输出结果。AD698通过计算LVDT/RVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响,从而避免了漂移引起输出增益的影响。
         通过对AD598和AD698对LVDT/RVDT输出特性要求、LVDT的典型输出特性进行分析后,我们可以得出,典型RVDT的输出特性应具备以下要求:
(1)    具备两个独立的输出绕组,绕组输出特性为一次函数曲线;
(2)    两个输出绕组差接后形成差动输出电压,其输出特性为正比例函数曲线;
(3)    两个绕组串接后为恒定值(幅值不随转子变化而变化)。
根据上述基本要求,我们可以得到RVDT典型输出特性曲线,如图7。


图7 RVDT典型输出特性
        因此,从RVDT输出信号能够同时被AD598或AD698处理的角度,传统结构四极微动同步器的输出特性不具备两个输出绕组和值为非零恒定值的要求,严格来讲,其输出特性不满足图7规定的RVDT典型输出特性的要求,亦即:传统结构四极微动同步器不是真正意义的RVDT。





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