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°。
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N11、N12、N13、N14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Φ1、Φ2、Φ3、Φ4,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N21、N22、N23、N24中将产生感应电动势。二次线圈的接法应保证e21、e23同相、并与e22、e24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)
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;Sa、Sb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
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
在空载状态下,可以求得各二次线圈的感应电动势为
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
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:
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VA、VB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VA、VB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VA、VB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。
(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。