LVDT傳感器相位移研究

鄭嘉銘,王 銀

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 110870 2.南京機(jī)電液壓工程研究中心,江蘇 南京 211106)

軍工裝備產(chǎn)品的技術(shù)要求普遍較高,在伺服控制系統(tǒng)中,各控制部件的控制精度的高低將直接影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。傳感器是伺服控制系統(tǒng)的重要組織部件之一,用于檢測系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài),提供精確的反饋信號,并參與系統(tǒng)的控制[1]。本文研究的LVDT(線性可變差動變壓器)是一種測量直線位移的電感式傳感器,作為作動器或滑閥的位置反饋單元,廣泛應(yīng)用于軍用戰(zhàn)斗機(jī)航空液壓作動系統(tǒng)中。目前在航空液壓伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能設(shè)計過程中關(guān)注點(diǎn)往往多放在液壓伺服閥上,對伺服閥的動態(tài)頻響提出很高的要求,而對傳感器特性對系統(tǒng)動態(tài)影響的研究較少，更多的研究集中在對電感式傳感器的線性度的分析上,一般借助系統(tǒng)仿真建模方法,開展磁場分布特性的分析,從而得到傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對線性度的影響[2-3],包括對傳感器技術(shù)制造工藝,如繞制方法、精密合金材料選材等方面[4]。電感式傳感器的輸出相位移對系統(tǒng)的動態(tài)性能同樣會產(chǎn)生較大的影響,相位移過大將會削弱系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì),降低隨動系統(tǒng)的跟隨性能。事實(shí)上,國外傳感器廠商如TE提供的產(chǎn)品相位移均在6°以下[5-6],而我國航空傳感器的相位則在十幾度,與國外存在較大差距。因此展開傳感器相位移機(jī)理研究對于提高傳感器的設(shè)計水平具有重要意義。

本文通過對LVDT傳感器輸出相位移的系統(tǒng)研究,得到了影響傳感器相位移的關(guān)鍵因素,為傳感器的性能設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 理論分析

LVDT傳感器由線圈組件、線圈骨架、鐵芯組件和外殼體組成。線圈組件是在線圈骨架上密繞好初級線圈,然后在初級線圈上繞制兩個次級線圈,為了保證傳感器具有較高的線性范圍,通常次級線圈匝數(shù)密度按線性函數(shù)分布。

在理論計算過程中,傳感器初級線圈可等效為螺線管,其線圈架結(jié)構(gòu)見圖1所示。并進(jìn)行如下假設(shè):一是在線圈架垂直于軸線的截面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度是相同的,二是忽略空氣段的傳感器電壓輸出[7-8]。

圖1 線圈架分析模型

空線圈內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度[9-10]為

(1)

式中:Bl為空線圈內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度;I為初級線圈電流;N為初級線圈匝數(shù);μ0為空氣磁導(dǎo)率;l為線圈架有效長度;x為空線圈內(nèi)任一位置;r為線圈架直徑。

該函數(shù)為關(guān)于骨架長度l和骨架中空半徑r的減函數(shù),因此可以將該函數(shù)簡化寫成:

(2)

銜鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

w∈[-0.5la,0.5la]

(3)

式中，UEXC為激勵電壓;Z為初級線圈阻抗;μr為銜鐵磁導(dǎo)率;w為銜鐵任一位置;la為銜鐵長度;ra為銜鐵直徑;Ba為銜鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度。

該函數(shù)為關(guān)于鐵芯長度la和鐵芯半徑ra的減函數(shù),因此可以將該函數(shù)簡化寫成:

(4)

將式(2)代入式(4)得到鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度:

(5)

可以簡化為

(6)

以骨架有效長度176 mm;鐵芯長度為100 mm;初級線圈4220匝的線圈架進(jìn)行計算,得到0 mm位移時空線圈架在鐵芯處的磁感應(yīng)強(qiáng)度和加入鐵芯后,鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度,如圖2所示。骨架內(nèi)部磁場強(qiáng)度保持恒定,鐵芯磁場強(qiáng)度處兩端外也保持恒定。

圖2 空線圈磁場分布與鐵芯磁場分布

兩次級的感應(yīng)電壓為:

(7)

(8)

初級與兩次級的電流分別為:

(9)

(10)

(11)

式中,Sa為銜鐵截面積;R,Ra,Rb為傳感器初級和次級電阻;L,La,Lb為傳感器初級和次級電感。

從公式中可以看出影響傳感器感應(yīng)電流相位的主要參數(shù)是傳感器初級的阻抗與次級的阻抗。

2 仿真分析

本文以某型電液伺服閥閥芯位置傳感器的設(shè)計為背景進(jìn)行仿真分析。解調(diào)系統(tǒng)采用的是AD598芯片,其采用的解調(diào)方式為傳感器兩次級的差值除以兩次級的和值作為靈敏度,為了保證傳感器的差值線性及和值恒定采用了全階梯的方式進(jìn)行繞制[11-12]。傳感器的繞組形式見圖3。

圖3 AD598芯片及繞組形式

本文進(jìn)行了2次仿真,傳感器的次級繞組均相同,僅改變傳感器的初級繞組。第一次試?yán)@采用銅芯直徑為φ0.07 mm的漆包線,初級繞組密繞5層。第二次試驗采用銅芯為φ0.1 mm的漆包線,密繞11層。在位移2 mm時第6個周期得到傳感器的輸出如圖4。將波形相位時間差換算為角度,則得到次級1對初級的相位角分別為40.1°和16.9°。差值輸出分別為0.60 V,0.50 V。和值輸出分別為1.32 V,1.21 V。其相位減小了23.2°。差值為原來的83.3%;和值為原來的91.7%。

圖4 不同初級繞組下的相位及阻抗相位角

兩組線圈初級的電阻與阻抗與線圈有效安匝數(shù)見表1。第一次仿真初級的電阻、阻抗相差為50°,第二次仿真初級的電阻、阻抗相差為73°。兩組線圈阻抗的相位差為23°,其值等于兩次仿真時次級1與初級的相位差23.2°。因此認(rèn)為初級電阻、阻抗相差決定了傳感器的輸出相位角。

表1 仿真參數(shù)對比

3 試驗驗證

對仿真模型進(jìn)行試驗驗證,被試傳感器為某型電液伺服控制系統(tǒng)的位置反饋傳感器,為了驗證上節(jié)中所述仿真結(jié)果的正確性,在不改變傳感器自身骨架和鐵芯結(jié)構(gòu)尺寸的前提下,對傳感器初級、次級線圈的有關(guān)參數(shù)分別進(jìn)行了兩次調(diào)整,并通過試驗,分別測量不同位移處初級和次級線圈的電阻和阻抗以及傳感器的輸出相位移,測試結(jié)果見表2和表3。其中,繞制傳感器時第一次傳感器采用了 φ0.07的漆包線繞制,第二次傳感器采用了φ0.1的漆包線繞制。由于第二次傳感器達(dá)到相近的電阻值,需要更多的匝數(shù),因此傳感器的阻抗變化較大。

表2 第一次傳感器的實(shí)測數(shù)據(jù)

注:傳感器的激勵電壓為3 Vrms/3000 Hz,電氣行程-2 mm～+2 mm。

表3 第二次傳感器的實(shí)測數(shù)據(jù)

注:傳感器的激勵電壓為3 Vrms/3000 Hz,電氣行程-2 mm～+2 mm。

以0 mm處作為研究對象,兩次初級繞組阻抗相位差為19.1°,與實(shí)測的傳感器次級1對傳感器初級的相位差19.8°一致。以2 mm處作為研究對象,初級相位差為17.9°,與實(shí)測的傳感器次級1對傳感器初級的相位差18.8°相一致，如表4。

表4 計算相角

實(shí)驗結(jié)果與理論分析和仿真分析很好地對應(yīng)。因此認(rèn)為傳感器的相位差主要由傳感器的初級電阻與阻抗的相位角決定。

4 結(jié)束語

經(jīng)本文的理論分析、電磁仿真與試驗驗證表明,傳感器的相位移主要受傳感器的初級線圈電阻與阻抗的相位角影響。為了減小傳感器的相位移,同時保持傳感器的輸出電壓差值不變,可以增大初級線圈的線徑,目的是減小電阻;同時保證傳感器初級繞組的有效安匝數(shù)不變,目的是保持阻抗不變。相位移的大小決定于傳感器初級線圈電阻與阻抗的比值,對于頻率響應(yīng)要求較高的伺服作動系統(tǒng),由于相位移過大會降低其動態(tài)品質(zhì),因此應(yīng)盡可能地減小該比值,以獲得較好地相位移。