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      雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器安裝同軸度對(duì)使用精度的影響

      2014-12-31 11:47:46許興斗吳琳娜楊金平瞿佳蔚
      上海航天 2014年4期
      關(guān)鍵詞:雙通道氣隙光柵

      王 凱,許興斗,吳琳娜,楊金平,瞿佳蔚

      (1.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 210009;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 210009;3.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十一研究所,上海 200233)

      0 引言

      旋轉(zhuǎn)變壓器又稱電磁感應(yīng)式傳感器,是一種常用的角度測量元件,它由定子和轉(zhuǎn)子組成[1]。其中:定子繞組作為變壓器的原邊,接受勵(lì)磁電壓;轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊,通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。分裝式的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器具有體積小、重量輕、安裝使用方便的優(yōu)點(diǎn),且其內(nèi)部中空的軸結(jié)構(gòu)可為其電氣與機(jī)械連接提供空間,在軍用和民用領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際應(yīng)用中,受實(shí)際裝配條件限制,旋轉(zhuǎn)變壓器定轉(zhuǎn)子常無法實(shí)現(xiàn)理論上的同軸,安裝不當(dāng)造成的定、轉(zhuǎn)子偏心直接影響產(chǎn)品的精度。目前,對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器因安裝精度的誤差對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器精度實(shí)際影響分析的研究報(bào)道較少。為此,本文基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的測角原理,對(duì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子由于安裝偏心造成的精度影響進(jìn)行了分析。

      1 定、轉(zhuǎn)子偏心誤差對(duì)其測角影響

      旋轉(zhuǎn)變壓器的方案構(gòu)型確定后,其定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙也隨之而定,但實(shí)際裝配使用環(huán)節(jié)中總存在安裝誤差,形成的旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子間的氣隙偏心如圖1所示。

      圖1 用等效偏心代替定、轉(zhuǎn)子的中心均偏離轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生的影響Fig.1 Influence of stator and rotor offset rotational center on two-speed resolver with equivalent eccentricity method

      設(shè)定子中心距離實(shí)際回轉(zhuǎn)中心的偏差為δsec;轉(zhuǎn)子的中心距離實(shí)際回轉(zhuǎn)中心的偏差為δrec。為簡化問題,假設(shè)轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心偏離定子的中心,轉(zhuǎn)子的圓心與回轉(zhuǎn)中心重合,定、轉(zhuǎn)子的偏心量δec=(δsec+δrec)/2[2-3]。此時(shí),任意一段旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙δec(3,4)可表示為

      式中:Rs,Rr分別為定、轉(zhuǎn)子內(nèi)外圓的半徑;x,θ0分別為定、轉(zhuǎn)子任意轉(zhuǎn)角的變量值及其實(shí)際轉(zhuǎn)角;β=π/4。

      定義定子的齒距τ=2πRs/Zs。此處:Zs為旋轉(zhuǎn)變壓器定子齒數(shù)。則旋轉(zhuǎn)變壓器的平均氣隙δ0=Rs-Rr,氣隙的磁導(dǎo)

      式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;l為旋轉(zhuǎn)變壓器鐵心厚度。

      旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙磁密(x)可表示為

      式中:(x)為氣隙的磁勢;Ws1為旋轉(zhuǎn)變壓器原邊的有效匝數(shù);為原邊的有效電流。

      由式(3)可得旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙磁通

      若忽略了其他影響(如鐵心的磁導(dǎo)、附加氣隙等),僅考慮偏心,可由

      求出正弦輸出電壓Us和余弦輸出電壓Uc[4]。 令x=θ,則有

      式中:K1為電壓比;ω=2πf;φ正余、弦電壓的相位角。此處:f為旋變的勵(lì)磁平率。由于旋轉(zhuǎn)變壓器壓包含繞組3個(gè)(轉(zhuǎn)子繞組1個(gè),定子繞組2個(gè))。通過解調(diào)4個(gè)信號(hào)可獲得電機(jī)的角度位置信息。先接收純正弦波及余弦波,再將相除得到該角度的正切值,由反正切函數(shù)求出角度值。

      求出輸出電壓Us,Uc后,根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)處理電路的原理可得到因δc影響的角度偏差值δecε(θ,x)正比于偏心量(定轉(zhuǎn)子間的同軸誤差與旋轉(zhuǎn)變壓器氣隙間的差值)δec/(4δ0),即偏心引起的誤差比偏心量成線性關(guān)系。

      2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      基于上述分析,設(shè)計(jì)了誤差測試系統(tǒng)對(duì)某型雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行了定、轉(zhuǎn)子拉偏測試。該誤差測試系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵分度頭、旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)輸出調(diào)理與數(shù)字轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)及其光柵讀數(shù)儀等組成,如圖2所示。旋轉(zhuǎn)變壓器的角度由旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)輸出調(diào)理與數(shù)字轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)讀出,光柵分度頭作為旋轉(zhuǎn)變壓器角度的外測設(shè)備,分度頭的讀數(shù)由高精度光柵讀數(shù)儀讀出,光柵分度頭的采集精度0.1″,故旋轉(zhuǎn)變壓器的角度測量誤差小于0.1″。測試時(shí)旋轉(zhuǎn)光柵分度頭的分度頭轉(zhuǎn)軸,將光柵讀數(shù)儀讀數(shù)作為基準(zhǔn),旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)輸數(shù)字轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)與光柵讀數(shù)儀的讀數(shù)差值即為該角度下旋轉(zhuǎn)變壓器的精度誤差。測試以2°為一個(gè)測點(diǎn),在旋轉(zhuǎn)變壓器0°~360°全角度范圍內(nèi)測試。在旋轉(zhuǎn)變壓器測試誤差的最大值處±1°的區(qū)間內(nèi),在以10′為點(diǎn)位進(jìn)行局部查找,確定旋轉(zhuǎn)變壓器該區(qū)域內(nèi)的局部最大誤差值。

      圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差測試系統(tǒng)Fig.2 Accuracy error test system for resolver

      旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣參數(shù)為激磁電壓5V;激磁頻率2 000Hz;極對(duì)數(shù)1∶32;電氣誤差≤17″;單邊氣隙0.25mm。旋轉(zhuǎn)變壓器裝在分度頭上進(jìn)行同軸度拉偏測試。調(diào)整光柵分度頭的轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)變壓器定子安裝連蘭圓盤的同軸度,分別在偏心量(偏心量等于旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子的偏心值與旋變的氣隙的比值)2%,10%,20%,30%,40%,50%,60%條件下測試旋轉(zhuǎn)變壓器的精度,結(jié)果如圖3~9所示。

      由圖3~9可知:旋轉(zhuǎn)變壓器基本同心(偏心量小于2%)時(shí),測得旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差最大值15″,最大誤差值角在222°附近;偏心0.025mm(偏心量10%)時(shí),測得的誤差最大值17″,最大誤差值角在306°附近;偏心0.05mm(偏心量20%)時(shí),測得的誤差最大值21″,最大誤差值度在124°附近;偏心0.075mm(偏心量30%)時(shí),測得的誤差最大值27″,最大誤差值角在124°附近;偏心0.100mm(偏心量40%)時(shí),測得的誤差最大值30″,最大誤差值角在124°附近;偏心0.125mm(偏心量30%)時(shí),測得的誤差最大值39″,最大誤差值角在124°附近;偏心0.125mm(偏心量30%)時(shí),測得的誤差最大值74″,最大誤差值角在124°附近。由此可見:當(dāng)偏心量較?。ㄆ牧坎淮笥?0%)時(shí),旋轉(zhuǎn)變壓器誤差最大值的角度點(diǎn)不固定,由偏心量δec/(4δ0)引起誤差的角度偏差值δecε(θ,x)很小,此時(shí)可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)變壓器的測角精度誤差主要由旋轉(zhuǎn)變壓器自身和旋轉(zhuǎn)變壓器處理電路造成,定、轉(zhuǎn)子安裝偏心對(duì)精度造成的影響可忽略;當(dāng)偏心量增大(大于20%)時(shí),旋轉(zhuǎn)變壓器誤差最大值的角度點(diǎn)集中在124°附近,偏心對(duì)同軸度的誤差影響逐步顯現(xiàn);當(dāng)偏心量達(dá)到50%時(shí),旋轉(zhuǎn)變壓器的精度誤差74″,達(dá)到了角分級(jí)。

      不同偏心量的旋轉(zhuǎn)變壓器測試精度誤差最大值如圖10所示。由圖可知:在氣隙偏心量小于50%的范圍內(nèi),精度變化和偏心量基本成正比,驗(yàn)證了本文分析的正確。

      圖3 偏心量2%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.3 Two-speed resolver accuracy error with offset 2%

      圖4 偏心量10%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.4 Two-speed resolver accuracy error with offset 10%

      圖5 偏心量20%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.5 Two-speed resolver accuracy error with offset 20%

      圖6 偏心量30%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.6 Two-speed resolver accuracy error with offset 30%

      圖7 偏心量40%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.7 Two-speed resolver accuracy error with offset 40%

      圖8 偏心量50%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.8 Two-speed resolver accuracy error with offset 50%

      圖9 偏心量60%時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器精度誤差Fig.9 Two-speed resolver accuracy error with offset 60%

      圖10 不同偏心量的測得的精度Fig.10 Accuracy measured under various eccentricity

      3 結(jié)束語

      本文對(duì)雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子由于安裝偏心造成的精度影響進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:在氣隙偏心量小于50%的范圍內(nèi),精度的變化與偏心量近似成正比。在控制同心度10%的定、轉(zhuǎn)子氣隙長度以內(nèi)的條件下,可保證雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的最佳電氣性能,在較惡劣的特定使用環(huán)境(定、轉(zhuǎn)子同心度不易保證)中,為防止旋轉(zhuǎn)變壓器精度與定轉(zhuǎn)子偏心量造成質(zhì)變的精度偏離,建議控制定、轉(zhuǎn)子的偏心量小于30%。

      [1] 楊渝欽.控制電機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

      [2] 上海微特電機(jī)研究所.微特電機(jī)[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1983.

      [3] CHEN Hui,MA Yue-qiang,WANG Lei.Application of resolver angular position detection in electrical power steering system[J].Transducer and Microsystem Technologies,2006,25(4):70-74.

      [4] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

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