Диаграмма изменения ЭДС Холла, полученная при вращении СЭ, представлена на рис. 5.1,6. Полярность ЭДС ех изменяется при изменении направления поля СЭ или тока / . Указанное свойство позволяет с помощью одного датчика Холла управлять двумя полупроводниковыми ключами (ПК), работающими в противофазе, и просто реверсировать ВД изменением направления тока / .

Так как для возбуждения датчиков Холла низковольтных ВД (6-30 В) обычно используется источник постоянного напряжения, снабжающий ВД электроэнергией, то здесь отпадает необходимость в применении вспомогательного статического преобразователя, как в случае индуктивных ДПР. Несмотря на малое значение и мощность выходных сигналов и сравнительно низкую температурную и радиационную стойкость, ДПР с датчиком Холла получают все более широкое распространение в ВД приводов промышленных роботов.

Выходные сигналы современных ЧЭ по основным параметрам (амплитуда, крутизна фронтов, мощность и др.) непригодны для эффективного управления полупроводниковыми ключами коммутатора. Поэтому они поступают в преобразующие устройства ДПР, где усиливаются и формируются в однопо-лярные или разнополярные прямоугольные импульсы. Так как один однополярный сигнал с ПУ позволяет управлять только одним полупроводниковым ключом коммутатора (рис. 5.1, a), a один разнополярный сигнал - двумя ключами, работающими в противофазе (рис. 5.1,6), то последнее существенно упрощает структуру ВД. Примером простейшего ПУ является выпрямительный мост В (рис. 5.1, а), часто используемый в индуктивных ДПР. Для формирования сигналов ДПР с высокой крутизной фронтов используются более сложные ПУ - триггеры, усилители-ограничители, фазочувствительные усилители-демодуляторы, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ).

На рис. 5.2, а приведена принципиальная электрическая схема индуктивного ДПР, позволяющего управлять двумя полупроводниковыми ключами, работающими в противофазе [33]. Преобразующее устройство ДПР выполнено в виде однополупериод-ного усилителя-демодулятора, а ЧЭ датчика - в виде дросселей насыщения Др1. Др2 с замкнутыми магнитопроводами, материал которых обладает высокой магнитной проницаемостью. Сигнальный элемент (СЭ) датчика содержит сигнальный сектор, представляющий собой постоянный магнит, намагниченный вдоль оси вращения ротора ВД.

Дроссели Др1, Др2, размещенные в обойме ДПР со сдвигом между собой на 180° эл., совместно с первичными обмотками w\ и w2 согласующего трансформатора 77 образуют электрический мост, к диагонали которого подводится напряжение питания повышенной частоты (10-40 кГц) от обмотки w трансформатора Т2. Усилитель-демодулятор собран на транзисторе

VT1, к эмиттерно-коллекторному переходу которого подводится опорное напряжение от обмотки won трансформатора Т2 через цепь нагрузки, образованную блокированными диодами VD2, VD3, встречно и последовательно включенными базо-эмиттерны-ми переходами силовых транзисторов VT2, VT3 коммутатора

Рис. 5.2. Индуктивный ДПР: о - принципиальная схема; б - временные диаграммы, поясняющие принцип работы датчика

ВД, и выпрямительный мост В. В цепь база - эмиттер транзистора VT1 включена обмотка w6 согласующего трансформатора 77, а в цепь его коллектора включена обмотка wK для создания положительной обратной связи. Конденсатор С сглаживает напряжение на нагрузке датчика цдп.

При вращении СЭ магнитопроводы дросселей Др1 и Др2 периодически поочередно насыщаются, на обмотке wt появляется сигнал Ичэ, модулированный по фазе и амплитуде; несущая частота его равна частоте питающего и опорного напряжений (рис. 5.2,6).

При смене фазы сигнала ичэ на входе транзистора VT1 по отношению к опорному напряжению иоп на 180°, что имеет место, когда магнитопровод одного дросселя под действием поля СЭ входит в насыщение, а магнитопровод другого - выходит из него, усилитель-демодулятор обеспечивает изменение полярности напряжения дп. Обмотка wK существенно увеличивает крутизну его фронтов, благодаря чему изменение полярности происходит скачком (релейно) без зоны нечувствительности (рис. 5.2,6), если амплитуда напряжения ичэ в момент смены фазы будет больше порогового значения:

Н пор^т^б -э

где р - коэффициент усиления тока транзистора VT1; Нпор - пороговая напряженность магнитного поля в магнитопроводе трансформатора 77, превышение которой вызывает необратимое изменение магнитной индукции; -длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе трансформатора; Re-э - сопротивление управляющей цепи транзистора VT1.

Для получения напряжения чэ, по амплитуде отличного от нуля в момент смены его фазы, обмотки wA дросселей Др1, Др2 необходимо размещать сосредоточенными на одном из стержней их магнитопроводов и подключать последовательно и согласно к концам последовательно и согласно соединенных обмоток w{ и w2 трансформатора 77 (рис. 5.2, а).

При подаче переменного напряжения ип на такой датчик в магнитопроводах дросселей кроме постоянного по направлению магнитного потока сигнального элемента возникнет переменный магнитный поток, обусловленный переменной по направлению МДС обмоток wa.

На схеме (рис. 5.2) линиями со стрелками показаны магнитные потоки постоянного магнита СЭ, разветвляющиеся по противоположным частям магнитопроводов дросселей Др1, Др2, и магнитные потоки, создаваемые переменными токами возбуждения, протекающими по обмоткам wR. Стрелка на сплошных и штриховых линиях указывают направления магнитных потоков возбуждения соответственно для полярности напряжения и„, показанной без скобок и в скобках.

Из рис. 5.2 видно, что магнитные потоки подмагничивания и возбуждения на одних участках магнитопроводов дросселей совпадают по направлению, а на других - направлены встречно. При смене полярности напряжения направления магнитных потоков на участках изменятся на противоположные.

Очевидно, что быстрее будут насыщаться те участки магнитопроводов, в которых потоки возбуждения и подмагничивания совпадают по направлению. После насыщения такого участка скорость нарастания тока в обмотке wa будет определяться остаточной индуктивностью насыщенного дросселя. Дроссель с со-

средоточенной обмоткой wa (рис. 5.2) обладает свойством изменять остаточную индуктивность при насыщении различных участков магнитопровода. Остаточная индуктивность L2 дросселей Др1, Др2, соответствующая насыщению участка магнитопровода, занятого обмоткой wa, будет значительно меньше их остаточной индуктивности L\, соответствующей насыщению участка магнитопровода, расположенного ближе к оси вращения 0-0 магнита СЭ.

Это объясняется тем, что в первом случае ненасыщенная часть магнитопровода не охвачена обмоткой wa и остаточная индуктивность L2 дросселя определяется в основном магнитной проницаемостью ц2 насыщенной части магнитопровода:

Ц = ~ M(lj + m) . (5.1)

где т = п[(/ - б)2-1 Pw]/{ 45 [in fef+~6) - l] } - проницаемость формы разомкнутого магнитопровода [34]: L0 = nQw]1S/l - индуктивность рассеяния дросселя.

Во втором случае ненасыщенная часть магнитопровода охвачена обмоткой шя и индуктивность L\ определяется магнитной проницаемостью щ дросселя с разомкнутым магнитопроводом:

\x0w2S I

Li = L0u., ~ t u.s -у, (5.2)

где / - длина ненасыщенной части магнитопровода; б - длина насыщенной части его.

При одной полярности напряжения и„ суммарным действием постоянного и переменного магнитных полей в одном дросселе будет насыщаться участок магнитопровода, занятый обмоткой wa, а в другом - противоположный участок, находящийся ближе к оси вращения СЭ. В другой полупериод напряжения места насыщенного состояния в каждом дросселе переместятся на противоположные участки их магнитопроводов. Таким образом, при любой полярности напряжения ип в описанном датчике обеспечивается неравенство индуктивностей дросселей, а следовательно, и токов, протекающих по обмоткам w\ и w2 трансформатора 77. Последнее обусловливает появление на обмотке w,-, напряжения ичэ даже при одинаковом подмагничивании дросселей внешним магнитным полем.

Для количественного определения напряжения ичэ в момент времени, когда дроссели Др1, Др2 одинаково подмагничены полем СЭ, необходимо составить и решить систему дифференциальных уравнений, описывающих процессы в датчике, изображенном на рис. 5.2.

Систему дифференциальных уравнений составим с учетом следующих допущений:

1. Прямоугольное напряжение питания ип обеспечивает пе-ремагничивание магнитопроводов дросселей без перевозбуждения, т. е. BmBs, где Вт - амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе; Bs - магнитная индукция насыщения материала дросселей.

2. Кривая намагничивания магнитопроводов дросселей Др1, Др2 аппроксимирована идеализированной зависимостью В(Н), на вертикальном участке которой относительная магнитная проницаемость ц равна бесконечности (при изменении индукции в пределах -Bs В +SS), а на горизонтальных участках ц. = = Us = const. Это допущение позволяет учесть индуктивности L\ и L2 дросселей в насыщенном состоянии и определить амплитуду выходного напряжения ичэ. Правомочность допущении о постоянстве относительной магнитной проницаемости us основана на допущении 1 и приведенных в работе [34] данных, в соответствии с которыми для тороидального магнитопровода из феррита марки 0,16 ВТ ц5 изменяется от 200 до 190 при увеличении напряженности перемагничивающего поля Нт от значения 4#с до 7,7НС. Для сплава 50НП u.s изменяется от 350 до 300 при увеличении напряженности перемагничивающего поля Нт от значения ЪНС до 10ЯС.

3. Кривая намагничивания магнитопровода трансформатора 77 аппроксимирована линейной зависимостью В(Н). Такая зависимость справедлива с достаточной точностью для магнитопроводов из марганцево-цинковых ферритов (например, 2000НМ) при изменении индукции в пределах -0,25 =gC В =SC +0,25 Тл. Указанное изменение индукции происходит при соответствующем изменении напряженности перемагничивающего поля в пределах -40 Я + 40 А/м [34].

4. Активное сопротивление обмоток а>д, wu w2 (рис. 5.2), межвитковые емкости и потери в магнитопроводах дросселей и трансформатора равны нулю.

5. Нагрузкой трансформатора 77 является неизменное по значению сопротивление Re-э насыщенного базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 демодулятора.

Для положительного полупериода прямоугольного разнопо-лярного напряжения и„ после насыщения дросселей в схеме (рис. 5.2) с учетом принятых выше допущений справедлива следующая система линейных дифференциальных уравнений:

U-L + w0-- = 0; ,., (5.3)

HTlT = i2wQ - г,ш0 - ho, ; (5-5)

ычэ = /?б-Л==а1б-р; (5.6)

= Т^7Я*=тЯт, (5-7)

где w0 = wl = w2; iy = u43/R&-3 - ток управления; it - ток дросселя Др1; i2 - ток дросселя Др2- Ят, Вт, Фт - соответственно напряженность магнитного поля, магнитная индукция и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора 77; ц.т - относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода трансформатора.

Решая систему уравнений (5.3) -(5.7), получим выражение для выходного напряжения модулятора

где п = гюб/щ; LT - индуктивность трансформатора 77.

Подставляя в выражение (5.8) значения индуктивностей дросселей Li, L2 и учитывая, что при насыщении их магнитопроводов выполняется неравенство

после упрощения получим

1 +тг-

m I - б

Ц ° */1 Ч' /+Hl~e H, (5.9)

+ /

где т2 = LJR6 R6 3 - приведенное ко второй обмотке трансформатора 77 сопротивление нагрузки /?б-э-

После интегрирования и простых преобразований из уравнений (5.3) и (5.4) получим выражения для токов в обмотках дросселей Др1 и Др2:

МО ~£ [(l + t - ш0 <± (1 -.-*)]; (5.10)

k(t)-j-[(l-w,v)t + Wo{l~e~a7t)\ (5Л1)

{LX-L2)R6 3 (L+L + LR

fl>, =-----; Oj =-;-;-f-.

Выражения (5.10) и (5.11) справедливы для 0 t г£ Г/2.

Переходные процессы в датчике при / > Г/2 значительно отличаются от процессов при 0 < t < Г/2, где Г - период изменения напряжения ип.

Как было отмечено выше, индуктивности насыщенных дросселей Др1, Др2 поочередно и дважды изменяются в течение периода напряжения и„, Поэтому рассматриваемый магнитный модулятор датчика представляет собой устройство с переменными во времени параметрами (иидуктивиостями Li, L2). Из принятой выше аппроксимации кривой намагничивания магнитопровода дросселя следует, что изменение индуктивностей дросселей будет происходить всякий раз, когда ток в их обмотках становится равным нулю,

Таким образом, для нахождения выходного напряжения ичз модулятора )1ри / > Г/2 необходимо решить систему дифференциальных уравнений, аналогичную рассмотренной выше, с переменными во времени коэффициентами.