Измерение момента вращения при помощи датчиков вращения
Как правило, измерение крутящего момента стационарного металлического вала не вызывает затруднений. В случае если предел упругости вала не превышен, величина скручивания вала пропорциональна действующему моменту вращения. Измерили градус скручивания; проверили Модуль Юнга для материала вала; применили формулу из Справочника Инженера, и вот Вы получили величину крутящего момента.
Измерение крутящего момента на непрерывно вращающемся вале — задача существенно более сложная. Существует несколько способов, с помощью которых можно ее решить, но наиболее часто используемым является расчет крутящего момента на основе данных о величине мощности, затрачиваемой на вращение вала. В реальности это обычно подразумевает измерение величины тока, приложенного к двигателю, обеспечивающему движение. Такое измерение просто, понятно, но весьма неточно из-за того, что потребление тока так же зависит от целого спектра факторов: скорости, напряжения источника питания, состояния подшипниковых узлов, температуры и т.д.
Измерение момента вращения с помощью тензометрических датчиков
Существенно более точным способом является измерение скручивания вала с помощью тензометрического датчика или датчика поверхностных акустических волн (ПАВ). Это точная, но очень сложная методика, требующая применения ВКУ или устройств беспроводной передачи данных между тензодатчиком на вращающемся валу и окружающим миром. Как и любой инженер, когда-либо имевший дело с тензометрией, выражусь резко — разница между теорией тензометрических измерений и практикой использования таких датчиков колоссальна. Тензометрическим датчикам присуще иметь большие температурные коэффициенты и свойство отрываться от поверхности измерения при ухудшении условий измерения. Определение крутящего момента с помощью тензодатчиков или датчиков ПАВ целесообразно в лабораторных условиях, но для большинства промышленных применений совершенно не реалистично.
Измерение крутящего момента с помощью угловых датчиков вращения
Существует другой способ. Он не новый, но, похоже, был успешно забыт. Впервые такой вариант был применен в 50-х годах прошлого века для измерения момента вращения в двигателях внутреннего сгорания — наиболее наглядно в турбореактивных двигателях тяжелых грузовых самолетов Hercules и C-130. Техники измеряли величину скручивания и, следовательно, момент вращения с помощью измерения величины фазового сдвига между двумя многопериодными резольверами, установленными и отъюстированными на валу. Термин «многопериодный» относится к выходу резольвера — так двухпериодный резольвер имеет циклический выходной сигнал, определяющий абсолютное положение с точностью 180°; 36ти-периодный резольвер имеет циклический выходной сигнал, определяющий абсолютное положение с точностью 10°.
При вращении вала каждый из резольверов выдает два сигнала: первый изменяется по синусоидальному закону, второй — по косинусоидальному. Для упрощения, на рисунке 1, приведенном ниже, показаны только два демодулированных синусоидальных сигнала.
Рисунок 1 — Измерение момента вращения с использованием многопериодных резольверов.
При приложении нулевого момента сигналы с обоих резольверов одинаковы и не имеют сдвига фаз. В случае, когда реальный момент приложен к валу сигнал одного резольвера имеет фазовый сдвиг относительно сигнала другого резольвера. Величина этого фазового сдвига прямо пропорциональна приложенному моменту. Используя многопериодные резольверы с большим числом циклов (например, 128), возможно даже при небольшой величине скручивания получить отклик в виде сравнительно большой величины фазового сдвига. Другими словами, эта методика достаточно прецизионна, чтобы измерять скручивание вала не только на величины менее 1°, но даже и на уровнях менее 0,1°. Из чего следует, что вал, на котором производится измерение, не обязательно должен быть длинным. Действительно, длина вала, необходимого для успешных измерений, может составлять менее 25 мм. Этого можно достигнуть, используя заведомо гибкий вал или располагая резольверы концентрически — один внутри другого — и соединяя внешние и внутренние части вала с применением пружины повышенной крутильной жесткости.
В отличие от тензометрических датчиков, резольверы известны своей надежностью, устойчивостью к внешним воздействиям и точностью, они зачастую используются в космической, оборонной и нефтегазовой технике, где требуются высокие точности и устойчивость к жестким условиям эксплуатации. Поскольку резольвер является бесконтактным измерительным устройством, также исключается необходимость применения токосъемников или оборудования радиочастотной передачи данных.
Итак, почему же эта техника измерений стала немодной? Вероятно, одна из причин в том, что и сами резольверы утратили свою популярность. Плоскопараллельные и плоские с большим полым валом резольверы, идеальные для использования при измерениях крутящего момента, являются откровенно дорогостоящими. Более того, сочетание резольверных двигателей с управляющей электроникой может быть очень сложным. Поскольку в наше время инженеры более привычны к цифровой электронике, они весьма неохотно соглашаются иметь дело и с самой аналоговой электроникой и, тем более, с измерениями фазовых сдвигов аналоговых переменных сигналов.
Новое поколение индуктивных датчиков
В настоящее время резольверы практически полностью заменены более современными устройствами — индуктивными энкодерами или «инкодерами». Технология измерения с помощью инкодеров основана на тех же принципах индукции, применяемых в резольверах, но при этом инкодеры содержат печатные платы вместо массивных и дорогих обмоток трансформаторов. Это позволяет существенно сокращать объем, вес и стоимость датчиков, и одновременно значительно увеличивать возможности измерений. Также в инкодеры обеспечен простой и удобный электрический интерфейс — постоянное напряжение и последовательная шина данных. Поскольку инкодеры базируются на тех же физических принципах, что и резольверы — они обеспечивают тот же набор измерительных возможностей — высокую точность и надежность измерений даже в жестких условиях окружающей среды. Мало того, инкодеры имеют оптимальный для угловых измерений форм-фактор — плоская конструкция с большим полым валом. Это позволяет пропускать вал через центр статора инкодера, а ротор инкодера закреплять непосредственно на вращающийся вал, на котором проводятся измерения. Это исключает необходимость использования ВКУ, точно так же, как это было при использовании резольверов.
Рисунок 2 — Измерение момента вращения и абсолютного положения с помощью индуктивных энкодеров.
Нет необходимости специально выбирать электронику и размещать ее отдельно, поскольку вся требуемая для датчиков электроника размещена непосредственно в статоре энкодера. Примечательно, что инкодеры доступны с разрешением до 4 миллионов импульсов на оборот, таким образом, достаточно минимального скручивания вала, чтобы обеспечить высокое разрешение измерений крутящего момента.
Температурные коэффициенты инкодера малы, в сравнении с тем, что может быть получено при использовании самых лучших тензометрических датчиков, а любые динамические искажения, вызываемые вращением вала на большой скорости, могут быть нивелированы с помощью тактового сигнала — единого для обоих инкодеров, обеспечивающего синхронность считывания данных.
В отличие от тензометрической техники, при использовании инкодеров не существует риска повреждения оборудования в случаях избыточного или импульсного приложения крутящего момента. Что еще более важно — технология позволяет проводить два вида измерений — крутящего момента и угла вращения одновременно, и по цене, меньшей, чем требует измерение одного только момента с помощью тензодатчиков.
Это старая технология, которая перестала быть модной, потому, что резольверы потеряли свою популярность. Современные индуктивные энкодеры возрождают применение принципов индукции для выполнения угловых измерений, и одновременно с этим, возвращают удобный, надежный и эффективный способ контроля крутящего момента и угла вращения.
Рисунок 3 — Индуктивные энкодеры, используемые для измерений крутящего момента на валах диаметром 300 мм: статор слева, ротор справа.
Источник: Сайт компании АВИ Солюшнс
Источник
Датчики электрического усилителя рулевого управления
Как правило, в современных легковых автомобилях все чаще применяют электрический усилитель рулевого управления. В интернете и специализированной литературе довольно подробно написано, для чего он нужен и как устроен. Для автолюбителя и работника автосервиса (любящего свою работу) уровень такого предоставленного материала иногда вполне достаточен.
Но для инженера или разработчика, к сожалению, он довольно скуден и поверхностен, а иногда и не совсем точен. На примере одной конструкции, весьма уважаемого производителя, попробую изложить дополнительную информацию, которую я получил при разборке данного устройства. Касается это в основном датчиков, определяющих работу данного устройства, и пример реализации их подключения. Возможно, это будет полезно, хотя бы студентам и инженерам. Для людей, профессионально занимающимся разработкой автомобилей это изложение покажется, наверное, смешным.
Итак, есть такой узел, один вал (назовем выходной) которого управляет углом поворота передних колес, а к другому противоположному валу (назовем входной вал) прикреплен руль. К рулю (рулевому колесу) прилагает усилие тело своими руками, (стандартным весом по ГОСТу 75кг, имеющее право на управление автомобилем, и совершающее обдуманные законопослушные действия) в надежде изменить угол поворота колес. При этом на каждое это колесо приходится часть веса автомобиля, и довольно таки существенное (300 — 600 кг), и при диаметре рулевого колеса, не превышающем полметра, усилие, которое надо прилагать к рулю, на неподвижном автомобиле, без дополнительного усилителя, очень чрезмерно для большинства, по мнению медиков, здоровых людей.
Для облегчения усилия, требуемого прилагать к рулевому колесу, ставят электромотор, который прилагает дополнительное усилие к выходному валу. Какое дополнительное усилие, и в какую сторону надо прилагать электромотору, определят электронный блок усилителя рулевого управления, с помощью датчика усилия, которое прилагает водитель к рулевому колесу. Датчик этот расположен, как правило, в месте соединения выходного и входного вала. А соединяются эти валы между собой с помощью гибкого элемента (как правило, торсиона, параметры которого имеют заданные значения), который гибко деформируется (закручивается) в ту или иную сторону, на угол, пропорционально по степени прилагаемого усилия между рулевым колесом, и силой сопротивления передних колес автомобиля их повороту. Электромотор применяют, как правило, теперь бес коллекторный, трехфазный. Для управления вращением электромотором требуется схема, формирующая из постоянного тока бортовой сети переменное напряжение из трех фаз. Контролировать правильное вращение электромотора, помогает еще один датчик – датчик вращения и угла поворота его оси. Сигналы с этих датчиков, и поступают электронный блок усилителя рулевого управления. Внутри которого также находится схема управления электромотором. Сам это блок связан внутренней сетью управления с другими электронными блоками автомобиля.
Электронная начинка этого блока содержит довольно таки производительный микроконтроллер (примерно уровня STM32F4xx и даже выше), контроллер управления трехфазным мотором, цепи предотвращения работы и отключения электрических цепей при возникновении нештатной работы или внутренней неисправности.
Наверное, вы уже устали читать, приступим к разборке (фотографии простые, извиняюсь за качество). Я буду применять иногда свои выдуманные названия к предметам, извините и поправьте если что.
Датчик усилия (далее ДУ), представляет собой систему из:
— Кольцевого многополюсного магнита (далее КМ), напрессованного на входной вал.
— Кольцевого селектора (далее КС) магнитного поля, напрессованного на выходной вал. Он состоит и пластикового цилиндрического корпуса, с двумя магнитопроводящими кольцами, которые имеют клювообразные элементы, на стороне, обращенной к КМ. Эти клювообразные элементы соответствуют количеству и положению магнитных полюсов на КМ.
— Датчика магнитного поля (далее ДМ), закрепленного уже на неподвижном корпусе усилителя рулевого управления, и состоящего из двух магнитопроводящих полуколец, передающих магнитное поле от КС к двум датчикам холла.
Начну иллюстрации: 
Так выглядят еще не разъединённые входной и выходной вал:
Вынимаем шпильку и разъединяем: (Кольцевой трансформатор=кольцевой селектор)
Напрессованный КС, КМ, видны пазы входного и выходного вала, ограничивающие угол закручивания торсиона, и даже если он сломается, рулевое управление будет сохранено. Задача торсиона, не передавать весь крутящий момент, а только его измерить:
Слева — корпус ДМ, справа — КС.
Датчики холла (их два, тип мне неизвестен):
А так весь механизм выложен последовательно, все снято со своих мест:
Как возможно это работает:
В собранной конструкции, пока нет деформации торсиона, Полюса КМ расположены напротив клювообразных отводов двух магнитопроводящих колец КС в определенном положении. Наводимые магнитные поля через двух кольцевой приемник ДМ подводится к своему соответствующему датчику холла. И в этом состоянии магнитные поля, приводимые к датчикам холла одинаковы.
При деформации торсиона, вследствие приложения усилия к рулевому колесу, положение КМ относительно клювообразных отводов КС меняется, и на двух магнитопроводящих кольцах КС создается разность магнитного поля. Которое подводится с помощью двух колец ДМ к датчикам холла. С двух датчиков холла, с их выходов, получается дифференциальное напряжение, прямо пропорциональное деформации торсиона, и соответственно, усилию на рулевом колесе. Но иногда может потребоваться калибровка показаний датчиков, что предусмотрено.
Что можно увидеть на экране осциллографа?
КМ и КС расположены без смещения относительно друг друга:
Сигналы на выходах датчиков одинаковы:
Смещение в КМ относительно КС одну сторону:
Сигнал (один увеличивается, другой на столько же уменьшается):
Смещение в другу сторону:
Плавно совмещаем КМ и КС:
В идеале, сигнал на выходе датчиков должен иметь такую характеристику:
Чрезмерно деформировать торсион, сломать его, не дают соответствующие пазы входного и выходного вала, находящиеся в определенном взаимном положении.
Иногда, “разводят”, или неправильно ставят диагноз некоторые «спецы», резко вращая рулевое колесо из стороны в сторону, на заглушенном автомобиле. При этом из рулевой колонки доносится отчетливый стук, который пытаются выдать за проявление неисправности. А на самом деле звук этот и издают пазы при соударении, так как компенсировать деформацию торсиона при неработающем двигателе некому (не работает двигатель – зачем тебе и электроусилитель руля). В “гаражах” иногда работают вполне грамотные и опытные люди, но чек и квитанция это дополнительный страховой полис, мало ли. Не экономьте на правильном диагнозе. То же самое происходит и в работе золотника (гидравлического распределителя) гидравлического усилителя руля.
Электромотор, три фазы, магнитный ротор имеет четыре полюса:
Выходной вал электромотора, проходит через датчик вращения:
Датчик вращения электромотора приподнят, видно эксцентрик на валу (часть вращающегося трансформатора):
Датчик вращения и положения оси электродвигателя усилителя рулевого управления,
называют его еще вращающимся трансформатором (далее ВТ), или ресольвером. В том месте, где расположен этот датчик, на оси электромотора имеется эксцентрик. Который при вращении, меняет расположение магнитного поля между полюсами трансформатора. Как взаимно расположены обмотки на полюсах, смотрите на рисунке далее (не указал фазировку, простите).
В данном случае, ВТ имеет три обмотки, на одну подается опорное синусоидальное напряжение, а с двух других снимается синусоидальное напряжение, пропорциональное углу поворота оси электромотора. Для примера, подаем напряжение синусоидальной формы на обмотку “возбуждения” со звуковой карты компьютера, а с двух других обмоток будем снимать показания осциллографом. Эксцентриком будет служить простой металлический винт. Думаю картинки красноречивы и комментировать каждую не имеет смысла. Но рассматривая экран осциллографа, надо проявлять немного фантазии, ибо смотрим два канала, а синхронизация только по одному. Иногда один луч кажется двоится.
С разобранным корпусом для наглядности;
При отсутствии эксцентрика внутри ВТ
на выходе нет сигналов:
Вставляем имитатор эксцентрика и начинаем его крутить, и смотрим сигналы:
Не стал заморачиваться с анимацией, думаю и так понятно. Имея два таких сигнала, измеряя их амплитуду и фазу, можно с достаточной точностью и надежностью определять положение оси электродвигателя. Ну и для завершения, так примерно организованы входные и выходные цепи электронного блока усилителя руля (тестер и мои личные фантазии):
Все сигналы поступают для обработки в микроконтроллер на аналоговые входы. Выход TSY — напряжение питания датчиков холла. Магнитные датчики не так склонны к запотеванию и наличию грязи, как оптические, терпимы к высоким и низким температурам.
Но и лепить где попало неодимовые магниты в машине и дома, тоже не стоит. К тому же они могут привести к вреду здоровья при неправильном использовании.
Надеюсь не утомил.
С уважением, Астанин Сергей.
Готов к вопросам и комментариям тут.
Будем продолжать в таком духе и разбирать автоматические коробки передач и вариаторы тут :)?
Источник