Устройство определения углового положения вращающегося объекта

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Устройство определения углового положения вращающегося объекта, содержащее немагнитный вращающийся диск с расположенным на нем магнитопроводом, содержащим пластину, изогнутую по дуге окружности, элемент Холла, источник магнитного поля и измерительный блок, отличающееся тем, что магнитопровод содержит вторую пластину, при этом обе пластины магнитопровода выполнены тонкими параллельными, изогнутыми по дуге окружности с центральным углом , превышающим 180, в зазоре между пластинами расположен источник магнитного поля, состоящий из двух основных постоянных магнитов,намагниченных противоположно, и по крайней мере двух дополнительных, меньшей интенсивности, выполненных с возможностью смещения относительно основных, а также содержит дополнительно два элемента Холла, причем два элемента расположены диаметрально противоположно в зазоре магнитопровода, а третий- находится вне магнитопровода, между установленным на диске магнитом, выполненным из двух полуколец, намагниченных в аксиальном направлении противоположно друг другу, и неподвижным миниатюрным стержнем, изготовленным из феррита, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса при перемагничивании. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что уголвыбран из условия 190230. Предлагаемое изобретение относится к приборостроению и может использоваться для однозначного определения угла поворота с помощью элементов Холла в системах управления вентильными и шаговыми электродвигателями, а также в сервоприводах. Известно устройство для измерения скорости и угла поворота, содержащее вращающийся диэлектрический стержень, на поверхности которого нанесена винтовая канавка из ферромагнитного материала, неподвижные источники магнитного поля и Ш образный полюсной наконечник, на среднем зубце которого расположен магниточувствительный элемент Холла, воспринимающий изменение индукции магнитного поля 1. При вращении диэлектрического стержня с ферромагнитной канавкой относительно источников магнитного поля происходит периодическое изменение величины магнитного потока, протекающего через магниточувствительный элемент. Величина выходного сигнала пропорциональна углу поворота, а количество всплесков- скорости вращения. Поскольку выходной сигнал периодический, с периодом менее 2 радиан, то каждой его величине соответствует, по крайней мере, не менее двух углов поворота стержня, что вносит неопределенность в определение угла. В точках максимума и минимума ЭДС положение углов вообще нельзя определить достаточно точно (иногда в литературе эти точки называют мертвые точки). Это относится практически ко всем датчикам, использующим один единственный элемент Холла, если необходимо измерять угол при многооборотном вращении. Известен преобразователь углового положения, включающий постоянные магниты и датчик на эффекте Холла 2, выходной сигнал которого обрабатывается микропроцессором. Постоянные магниты крепятся на роторе параллельно друг другу и расположены под углом к оси вращения. Магнитные полюса одинаковой полярности обращены друг к другу и имеют зазор, в котором неподвижно расположен элемент Холла. При вращении меняется расстояние от элемента Холла до полюсов магнитов, что и приводит к приблизительно линейному изменению выходного сигнала. Легко видеть, что точность этого устройства явно недостаточна при наличии малейших аксиальных смещений ротора (биениях), поскольку в данной магнитной системе осуществлено линейное изменение напряженности магнитного поля поперек зазора. Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство 3. Оно содержит постоянный магнит, охваченный ярмом (магнитопроводом) в форме кольца из магнитомягкого материала. Между плоскими параллельными поверхностями пластин ярма размещен магниточувствительный элемент с возможностью относительного перемещения по дуге окружности, близкой к 360. Такое расположение обеспечивает изменение выходного сигнала от угла поворота близкое к линейному и независимость характеристик от аксиальных смещений (естественно в пределах ширины ярма). Недостатками являются невозможность определения угла поворота при многооборотном вращении и недостаточная линейность характеристики вблизи расположения магнита, что влияет на точность позиционирования. Таким образом, рассмотренные устройства характеризуются недостаточной точностью определения угла поворота по аналоговому сигналу. Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения угла поворота вращающегося объекта с использованием эффекта Холла. Решение данной задачи обусловлено применением специфической конструкции источников магнитного поля и магнитопровода, при которой обеспечивается строго линейная зависимость выходного сигнала магниточувствительного элемента Холла от угла поворотав интервале углов, превышающих . Для этого используются два элемента Холла, расположенные диаметрально противоположно, каждый из которых функционирует в своем диапазоне 0 и 2 соответственно. Выбор и переключение диапазонов происходит автоматически с помощью третьего элемента Холла, функционально связанного с постоянным магнитом, выполненным из двух полуколец и установленным на диске. Устройство определения углового положения вращающегося объекта включает 1. Немагнитный вращающийся диск с расположенным на нем магнитопроводом, содержащим пластину,изогнутую по дуге окружности, элемент Холла, источник магнитного поля и измерительный блок, и отличается тем, что магнитопровод содержит вторую пластину, при этом обе пластины магнитопровода выполнены тонкими параллельными, изогнутыми по дуге окружности с центральным углом , превышающим 180, в зазоре между пластинами расположен источник магнитного поля, состоящий из двух основных постоянных магнитов, намагниченных противоположно, и по крайней мере двух дополнительных, меньшей интенсивности, выполненных с возможностью смещения относительно основных, а также содержит дополнительно два элемента Холла, причем два элемента расположены диаметрально противоположно в зазоре магнитопрово 2 3712 1 да, а третий - находится вне магнитопровода, между установленным на диске магнитом, выполненным из двух полуколец, намагниченных в аксиальном направлении противоположно друг другу, и неподвижным миниатюрным стержнем, изготовленным из феррита, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса при перемагничивании. 2. Устройство по п. 1 отличается тем, что уголвыбран из условия 190230. Сравнение предлагаемого устройства с известными показывает, что устройство обладает рядом отличительных элементов, указанных ранее, и сочетание которых не встречается в литературе. Это расположение источников магнитного поля в магнитопроводе, обеспечивающее строго линейную зависимость выходного сигнала от угла поворота в диапазоне углов более 180 при многооборотном вращении независимо от идентичности и симметричности постоянных магнитов. При этом выходной сигнал не зависит от аксиальных смещений вращающегося диска. Новым является использование трех элементов Холла, находящихся в функциональной связи с источниками магнитного поля, при котором два элемента Холла, расположенных диаметрально противоположно, генерируют выходной сигнал, каждый в своем диапазоне 0 и 2 соответственно, а переключение диапазонов происходит прецизионно за счет использования третьего элемента Холла, размещенного на конце миниатюрного ферритового стержня. Миниатюрный стержень изготовлен из феррита, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса при перемагничивании (ППГ). Анализ отличительных признаков предлагаемого устройства и известных ранее показал, что отличия являются существенными. Это обусловлено тем, что именно совокупность отличительных элементов создает необходимые условия для повышения точности измерения угла поворота. Это строго линейная однозначная зависимость аналогового сигнала от угла поворота тела, независящая от условий вращения, например таких как аксиальное смещение вращающегося диска, прерывистое движение и реверс, сверхнизкие скорости вращения, наличие электромагнитных помех и т.д. Существенным отличием является использование в качестве магнитопровода двух тонких параллельных пластин, изогнутых по дуге окружности, с центральным углом , заключенным в диапазоне 190230, совместно с основными магнитами и источниками магнитного поля малой интенсивности, поскольку это обеспечивает линейное распределение индукции магнитного поля вдоль зазора в интервале углов, превышающих 180, при этом исключаются дефекты, связанные с магнитной и геометрической асимметрией магнитов, магнитопровода и их совместной установкой. Существенным является использование миниатюрного ферритового стержня с ППГ, обеспечивающего прецизионное переключение диапазонов углов, в соответствии с расположением элементов Холла. Таким образом, предлагаемое техническое решение содержит ряд новых отличительных признаков, которые являются существенными и обеспечивают решение поставленной задачи. На фиг. 1 изображено функциональное расположение основных магнитных узлов и магниточувствительных элементов устройства (немагнитный диск не показан) на фиг. 2 - вид сверху на фиг. 3 - зависимости выходных сигналов трех элементов Холла 5, 6, 7 от угла поворотадиска для элементов Холла 5, 6 и 7 соответственно. Устройство содержит измерительный блок, подключенный к элементам Холла (блок не изображен), немагнитный диск 1, имеющий ось вращения, магнитопровод из магнитомягкого материала, выполненный в форме двух тонких параллельных пластин 2, изогнутых по дуге окружности с центральным углом , превышающим 180. В зазоре между пластинами расположен источник магнитного поля, состоящий из двух основных магнитов 3, намагниченных противоположно, и, по крайней мере, двух дополнительных магнитов 4, меньшей интенсивности. Магниты 4 крепятся с возможностью смещения относительно основных магнитов 3 при настройке. Элементы 3 и 4 обеспечивают строго линейную зависимость распределения аксиальной составляющей магнитной индукции Ввдоль зазора (между пластинами 2). Дело в том, что магниты 3 не являются точно идентичными и вследствие асимметрии их расположения в магнитопроводе даже при тщательной сборке возможно отклонение от линейного закона изменений В . Поэтому расположение магнитов 4 относительно 3 подбирается экспериментально при настройке с целью увеличения линейности путем шунтирования магнитных потоков. Все элементы 2, 3, 4 закреплены на диске 1 и могут вращаться относительно оси вращения, проходящей перпендикулярно поверхности диска. Элементы Холла 5 и 6 расположены диаметрально противоположно друг другу, неподвижны при вращении диска 1 и могут охватываться пластинами 2 магнитопровода (точнее располагаться в его зазоре). Элемент Холла 7 расположен на линии, проходящей через центр и составляющей угол 90 с линией расположения элементов Холла 5 и 6. Он находится неподвижно в зазоре между вращающимся вместе с диском 1 магнитом 9 и миниатюрным ферритовым стержнем 8, обладающим прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) при перемагничивании. Фиксацию 7 к торцу стержня 8 целесообразно осуществлять с помощью полимеризующих компаундов типа эпоксидной смолы. Магнит 9 состоит из двух полуколец, намагниченных в аксиальном направлении противоположно друг другу. Устройство работает следующим образом. На вход измерительного блока поступают сигналы с элементов Холла 5, 6, 7 соответственно. При этом ЭДС элемента Холла 7 от угла поворотапредставляет собой чередование импульсов прямоугольной формы двух полярностей с угловой длительностью импульсов в 180 каждая, что представлено на фиг. 3. Прямоугольная форма импульсов обеспечивается резким скачком величины аксиальной составляющей индукции магнитного поля, созданного полюсамиимагнита 9 при взаимодействии с миниатюрным стержнем 8 с ППГ. 3712 1 Каждой полярности импульсов приписывается свой диапазон измерений углов 0180 и 180360 соответственно. С каждым из диапазонов связано линейное изменение индукции магнитного поля в зазоре магнитопровода, которое фиксируется элементами Холла 5 и 6 соответственно. Таким образом, с помощью элемента Холла 7 происходит автоматическое переключение измерений на элементы Холла 5 или 6. Аналоговый сигнал, поступающий в измерительный блок, представляет собой отрезки двух линейных функций угла , сшитых искусственным образом. Вращение диска 1 вызывает периодическое изменение сигналов с элементов Холла 5 и 6 в соответствии с прохождением пластин 2. Поскольку распределение аксиальной составляющей индукции магнитного поля вдоль зазора линейное и не зависит от места положения элемента Холла 5 или 6 поперек зазора, то предложенная конструкция обеспечивает повышенную точность измерения угла поворота при наличии аксиальных смещений ротора во всем диапазоне углов(т.е. при многооборотном вращении). Дополнительным преимуществом является простота обработки аналогового сигнала из-за линейной зависимости его от угла поворота и автоматического выбора диапазона с помощью элемента Холла 7. Для обеспечения линейной зависимости аксиальной составляющей магнитного поля от угла поворота и одновременно высокого градиента вдоль зазора магнитопровода необходимо уголвыбирать из условия (190230). Это обусловлено двумя причинами. Для обеспечения существования линейной зависимости Вот углав диапазоне (0-180) необходимо поддерживать угловой размер магнитопровода более 180, т.е 180, а с учетом реальных размеров основных магнитов, расположенных в магнитопроводе,190. Но с увеличением углауменьшается величина градиента чувствительность к углу поворота из-за большего рассеяния магнитного потока вне магнитопровода. Экспериментально установлено, что наиболее оптимальным является диапазон значенийв 190-230. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает решение поставленной задачи по повышению точности определения угла поворота. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.