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时变磁场精确约束方法及其在时栅传感器中电气工程应用研究

时间:2018-10-11 21:55来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。
本文是一篇电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。学院拥有电气工程一级学科博士点、控制科学与工程一级学科硕士点,具有电气工程、控制工程专业学位型硕士点,具有电气工程领域、控制工程领域工程硕士学位授予权。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 本文研究的背景和意义
自 21 世纪以来,全球工业制造领域在不断的扩展,工业制造技术在飞速的提高。德国提出的“工业 4.0”计划以及美国提出的“工业互联网”计划,标志着欧美等国家正在进行新一步工业技术革命[1]。目前我国工业制造技术也在紧跟时代步伐快速前进,逐步由制造大国向制造强国转变[2]。随着国家政府相继出台的“中国制造 2025计划”“机器人产业发展规划”等产业政策[3],我国对以制造业为核心的第二产业将进一步的重视起来,国家正在通过工业技术革新向制造强国发展。随着制造行业的自动化和智能化趋势的不断上涨,工业生产过程中控制系统也将由全闭环控制逐步替代开环控制和半闭环控制。未来工业领域里全闭环控制系统将逐渐成为行业的标准,作为全闭环控制系统中位置反馈核心元件的位移传感器,其工作性将决定整个控制系统的工作性能。而在工业领域中位移测量精度的需求不尽相同:低端工业领域中对传感器精度要求较低,可选用如精密电位器式传感器、旋转变压器等测量精度较低的传感器;在精度要求较高的高端工业领域中需使用如感应同步器、光栅、激光干涉仪等高精度位移传感器;而在一些对精度要求不高但对传感器综合性能要求较高的中端工业领域中,系统中传感器的使用存在“上下两难”的现象,若使用低精度的传感器,则达不到工业系统精度的要求而影响系统的整体工作性能,若使用高精度的传感器,一方面增加了系统的成本,另一方面一些高精度传感器对于环境的要求比较苛刻,工作环境可能达不到高精度传感器工作要求。因此在一些对精度要求不高但对传感器综合性能要求过高的中端工业领域里,传感器还有很广阔的发展前景。自电磁感应原理被发现以来,因磁场基本不受环境中的油渍、温湿度、粉末等多数不可控因素的影响,被广泛的用作于传感器的媒介[4]。其中,基于电磁感应原理的位移传感器更是被应用在各种工业工程中,例如,感应同步器,旋转变压器、磁栅等。该类型传感器具有稳定性高、可靠性高、抗干扰能力强等优点。但是高精度传感器受其制造成本的制约,应用范围也受到一定的限制,而低精度的传感器虽然制造成本低,但是精度达不到需求。对于此现状,作者所在的课题组多年来致力于研究时变磁场式位移传感器—磁场式时栅位移传感器[5]~[6]。该类型传感器不仅具有电磁感应式位移传感器的诸多优点,其采用时间量代替空间量测量的方法,改变了传统栅式位移传感器的工作原理,从而降低了传感器加工精度的要求,达到了降低传感器的制造成本、提高测量精度的目的。
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1.2 时变磁场式位移传感器的发展现状
旋转变压器是一种将角位移量转换为电信号量的测量工具,主要测量旋转角位移和旋转角速度[7]-[8]。旋转变压器采用电磁感应原理,相对于其它编码器来说,具有耐湿度、可靠性高、耐用性高和成本低等方面的优势,故被广泛用于工业、航空国防等极端环境下[9]-[10]。旋转变压器按结构类型分为接触式和非接触式两大类,其发展历程主要经历三个阶段:第一阶段的接触式和第二、第三阶段的非接触式[11]。接触式旋转变压器由带励磁绕组的定子和带感应绕组的转子组成[12],因属于接触式传感器,需要使用滑环或电刷等工具将定子与转子“接触”才能使感应信号从感应线圈中输出,故滑环或电刷的消耗缩短了旋转变压器的使用寿命。第二阶段非接触式旋转变压器,称为带耦合变压器的旋转变压器,顾名思义在旋转变压器结构的基础上加上耦合变压器。其结构为旋转变压器的定子与耦合变压器的定子相互固定,二者的转子同轴安装。与接触式旋转变压器的区别还在于转子上绕制励磁绕组,定子绕制感应绕组,转子上的励磁线圈通过耦合变压器供电,故其省去滑环或电刷,使传感器运行的可靠性和使用寿命大大提升。但传感器定转子仍带有线圈,且加了耦合变压器使得整体结构变得更加沉重,成本也相对提高[13]。第三阶段的旋转变压器出现在上个世纪六十年代中期,主要原理是通过定、转子之间相对位移发生变化,而改变定、转子之间磁路的磁阻变化。传统的磁阻式旋转变压器定子和转子结构上开槽,定子上开有大槽和小槽,励磁和感应绕组均安置在定子大槽上,当转子与定子之间转过一个齿距位移时,定、转子之间的气隙磁导发生一个周期的变化,将磁场气隙的变化转换为电信号,从而达到输出角位移变化量的效果。转子齿数就是变压器的极对数,因磁阻式旋变转子不饶线,相比绕线结构整周极对数可以做到更多,测量精度可达到±2 [14]。最近几年研制出一种新型磁阻式旋转变压器其结构上有很大改进[15],结构上定子无需开大小槽,绕线方式更加简单,体积进一步的减小。其转子加工成凸极式,在转子相对定子旋转时由于转子磁极的凸极效应,感应线圈产生随转子位置周期性变化的感应信号,新型磁阻式旋转变压器因其结构简单,加工也更加容易,测量精度同时也被提高。
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2 时变磁场精确约束方法
 
2.1 时变磁场产生原理及磁路分析方法
从 1820 年开始,现代电磁学理论发生了一系列革命性进步事件:物理学家奥斯特在课堂上的小实验发现了电流可以产生磁场,并对该实验进行进一步的研究,通过研究结果发表论文《关于磁针上电流碰撞的实验》向科学届宣布电流的磁效应,标志着电磁学时代的到来;1825 年安培借助于奥斯特的实验,发表了安培定律,安培定律建立了整个电磁理论的基础;不少物理学家基于电生磁实验,而思考了磁是否也可以产生电,1831 年法拉第证实磁场会产生电场的现象,即电磁感应现象,这一现象更加直观的展示了“电—磁—电”之间密切的关系;1834 年楞次提出的楞次定律,用来判断感应电流的方向;法拉第所提出的感应电动势变化现象描述为:当线圈中电流的大小或方向发生变化时,会产生随着电流变化而变化的磁场,同时通电线圈上方的一条闭合线圈可以感应到磁场的变化,两个线圈之间的耦合磁通量发生变化,感应线圈会产生相对应的感应电动势。毕奥-萨伐尔定律描述了某空间 P 处的磁感应强度 B 与产生该磁感应强度的电流元的大小成正比,与电流元到该 P 处的距离平方成反比[38]。由电磁感应定律与毕奥-萨伐尔定律可知,当线圈中的电流发生变化时,即磁场也会发生相应的变化,其产生的感应电动势与线圈电流大小、方向、匝数和磁场通过面积有关。所以可以通过对线圈电流的大小、方向以及匝数来控制磁场强度。
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2.2 线圈精确约束磁场方法
对于磁场的约束分为两种:一种是利用线圈对磁场分布情况进行约束,通过改变感应线圈接收激励线圈产生磁场的有效耦合面积,从而改变总磁通量;另一种是利用导磁体增强磁场的作用,通过改变感应线圈周围磁场强度的效果来改变感应线圈接收的磁通量。两种方法的最终目相同,使感应线圈内磁通量的变化与位移变化产生一定的线性关系。文献[40]中介绍了导磁体对磁场的约束方法,本文主要从平面线圈对磁场的精确约束方法进行分析讨论。通过奥斯特的物理实验发现,一条通入电流的导线,其周围会产生磁场,当导线内通入交流电时,导线周围产生的磁场会随着电流的变化而产生周期性的变化,导线产生的磁场简称为时变磁场。在通入交流电的导线周围放置一条与其相邻的闭合感应线圈,则感应线圈会产生相对应的感应电动势,产生的这种感应电动势称为感生电动势。一个矩形线圈如图 2.1 所示,将其通入电流 i,则通电矩形线圈在线圈的周围形成环形的封闭磁力线,根据右手定则确定磁力线的方向,记图中“×”为磁力线由纸面外进入纸张里的方向,“ ”为磁力线由纸面内向纸面外穿出的方向(以下文中磁力线的方向跟此规定相同)。在某一时刻,通电矩形线圈周围的磁感应强度如图 2.1(a)所示,在图中只考虑矩形线圈中 1 和 2 两条导线形成的磁感应强度,导线 1 形成磁场的磁感应强度沿导线 1 向导线 2 方向逐渐衰减,衰减速率为图 2.1(b)所示 B1斜线,由导线 2 形成磁场的磁感应强度沿导线 2 向导线 1 方向逐渐衰减,衰减速率为图 2.1 所示 B2斜线。两条导线形成磁场产生的磁感应强度衰减速率相同,且两导线的电流方向相反,故 1 和 2 导线之间的磁力线方向恰好一致。通电导线 1 与 2 之间的磁感应强度由两条导线的磁场产生的磁感应强度的叠加,形成一个近似均匀的磁场。则在任意时刻,矩形线圈中的磁通量分布为均匀的矩形波,对整个矩形通电线圈产生的磁场可以称为脉振磁场。
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3 基于时变磁场精确约束方法的新型时栅传感器...........15
3.1 时栅位移传感器工作原理 ..............15
3.2 新型时变磁场式角位移时栅工作原理 ......20
3.3 新型时变磁场式直线位移时栅工作原理..............22
3.4 本章小结 ......24
4 新型时栅传感器的模型及仿真分析 ..........25
4.1 角位移传感器模型及仿真分析 ......25
4.2 直线位移传感器模型及仿真分析 ..............28
4.3 本章小结 ......32
5 传感器电气系统和实验平台 ............33
5.1 电气系统 ......33
5.2 实验平台搭建 ..........40
5.3 本章小结 ......42
 
5 传感器电气系统和实验平台
 
在第 3、4 章节里,分别进行了传感器的工作原理分析和模型仿真分析。虽然通过仿真验证了两种位移传感器结构的可行性,但是还需要实验对传感器样机进行深一步的验证,而实验的前提是搭建一个完整的实验系统及平台。因此,本章展开传感器的实验系统及平台的设计和搭建工作。
 
5.1 电气系统
硬件电路系统主要分为模拟电路部分和数字电路部分,从功能上又分为电源电路、主控电路、激励信号电路、感应信号电路和数据传输电路五个功能电路。各个功能之间的关系可以表示为图 5.1 所示。硬件电路系统中,电源电路包括模拟电源电路和数字电源电路,两者分开供电,减少电源间的耦合干扰。主控电路主要是以数字信号处理为主,主要包括 FPGA 芯片及其最小系统完成。激励信号电路是将主控电路产生的数字信号进行数模转换,同时将转换后的模拟信号进行放大,放大后的模拟信号作为激励信号输入激励线圈中。感应信号电路首先将感应线圈输出的模拟信号进行滤波放大处理,然后通过过零比较实现模数转换,从而得到可在主控电路中处理的数字信号。数据传输电路,主要进行单端信号与差分信号的转换,实现主控电路与上位机之间的数据通信。
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总结
 
电磁感应式位移传感器广泛的应用于现代工业和生活中,例如旋转变压器、感应同步器、磁栅和磁场式时栅等。电磁感应式位移传感器中磁场的分布情况及传播途径对传感器的测量精度有着本质上的影响,目前多数传感器对磁场的分布及传播途径并没有达到较好的约束效果,时变磁场式时栅位移传感器作为电磁感应式位移传感器的一种同样具有该问题。而且,工业领域中对于小型化及微型化传感器的需求不断增加,时栅位移传感器的体积也需要改进而满足市场的这种需求。针对此现状,本文提出了时变磁场精确约束的方法,并且将此方法与时栅工作原理相结合,开展了新型结构时栅位移传感器的研究工作。本文已经完成的研究成果总结如下:
① 根据电磁学理论研究时变磁场产生原理和平面磁场约束方法。提出了一种时变磁场精确约束方法,利用激励线圈和感应线圈的形状,控制感应线圈中磁通量与位移之间关系,提出将感应线圈制作为正弦形线圈时,使感应线圈的输出信号与被测位移之间达到时栅位移传感器期望的正弦性关系,从而为新型时变磁场式时栅位移传感器的研究奠定基础。
② 论述了时栅传感器的工作原理,并将时变磁场精确约束方法与时栅传感器工作原理相结合,提出了新型时变磁场式角位移和直线位移传感器结构。根据磁路定理对两种新型传感器的工作原理进行了理论分析,从理论证明了两种新型传感器结构具有一定的可行性。
③ 根据理论分析开展了新型传感器的模型建立和仿真工作。利用仿真软件Ansoft Maxwell 16 分别建立两种传感器的仿真模型,并进行了不同激励下的仿真实验。仿真结果表明传感器输出感应信号与被测位移之间的关系符合传感器的工作原理,从而在仿真层面上验证两种位移传感器结构具有一定的可行性。
④ 开展了两种新型位移传感器的实验研究工作。完成了电气系统、采集系统和实验平台的搭建工作。电气系统包括硬件电路系统、软件系统和采集系统,不仅为传感器样机提供激励信号,并将传感器的输出信号解析为角位移或直线位移信息。实验平台包括角位移和直线位移传感器实验平台,为新型传感器的安装与测试提供了实验条件。根据传感器平面线圈的加工要求,基于 PCB 技术完成了多种结构位移传感器样机的研制工作。通过多种结构传感器样机进行了组合实验测试,测试结果表明,两种新型位移传感器的结构不仅具有一定的可行性,而且所研究的时变磁场约束方法帮助电磁感应式时栅位移传感器提高了原始测量精度。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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