差动变压器式位移传感器参数化仿真技术研究.doc

差动变压器式位移传感器参数化仿真技术研究第30卷第l2期2009年12月仪器仪表ChineseJoumalofScientificInstrumentVl0l-30NO.12Dec.2009差动又上器式位移传感器参数化仿真技术研究水孔宪光,刘萍,殷磊,李海燕(西安电子科技大学西安710071)摘要:在建立合理的差动变压器式位移传感器(LVDT)电磁仿真模型的基础上,提出了一种基于脚本模板的电磁仿真参数化建模方法:首先将仿真建模过程录制成脚本,然后在脚本中添加标记形成脚本模板,最后将脚本模板中的标识动态修改为参数数值,实现了仿真模型的参数化建模;开发了LVDT参数化仿真系统并在工程中得到应用,显着提高了设计效率.关键词:差动变压器式位移传感器;电磁仿真;参数化建模;MaxWell中图分类号:TP391.9文献标识码:A国家标准学科分类代码:460.4025StudyonparametricsimulationoflinearvariabledifferentialtransformerKongXianguang,LiuPing,YinLei,L1Haiyan(XidianUniversity,Xian710071,ChinaAbstract:AfterestablishingreasonableelectromagneticsimulationmodelofLVDT,aparametricmethodforelectromagneticsimulationbasedonscripttemplateispresented.First,themodelingprocessofLVDTisrecordedasascript;then,ascripttemplateisformedbyaddingidentifiersinthescript;last,theidentifiersinthescripttemplatearedynamicaUymodifiedtotheparametervalues.Theparametricmodelingofthesimulationmodelisrealized;LVDTparametricsimulationsystemisdevelopedandappliedinengineering,whichimprovesthedesignefficiencysignificantly.Keywords:LVDT;electromagneticsimulation;parametricmodeling;MaxWell1引言差动变压器式位移传感器(1inearvariabledifferentialtransformer,LVDT)是利用电磁感应原理来测量位移量的一种装置.其基本组成包括铁芯,骨架,激磁绕组,2个对称分布的输出绕组及外壳等.由电磁学理论可知,铁芯位移和输出电压e:有效值之间存在线性关系.工程实际中,受到各种因素的影响,实际输出电压和理论值之间存在一定的偏差J.工程设计的任务,就是确定合理的结构,材料,参数和公差,以便在合理的成本下将偏差控制在允许范围内.传统设计往往采用经验加试凑的方法:首先根据经验确定初始设计,然后通过不断试制样机,试验对其修正,直至满足要求.传统设计方法过于依赖设计者经验,需要制作大量的物理样机,设计周期长,成本高,难以开发出高精度,高可靠性的产品.收稿日期:200905ReceivedDate:2009.05基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划(NcET_O70655)资助项目近年来,CAE技术在LVDT设计中得到应用,提高了设计效率和水平.但是CAE的应用还存在一些问题:首先是对操作人员的要求较高,一般人员很难建立准确的仿真模型;其次是CAE建模操作复杂,时间长并且很容易出错.设计过程是一个迭代过程,一个产品的设计往往需要进行数十次的仿真建模,工作量很大.本文针对以上问题,研究了一种LVDT参数化仿真技术:首先将正确的LVDT仿真建模过程录制成脚本,然后在脚本中添加标记形成脚本模板,最后将脚本模板中的标识动态修改为参数数值,实现了LVDT电磁仿真模型的参数化建模.2LVDT电磁仿真建模采用商品化软件MaxWell对LVDT的电磁性能进行仿真.MaxWell电磁性能仿真的基本过程包括以下7个步骤:建立合理的几何模型,指定各部件的材料属性,设置边界条件,添加激励源,设置求解域,网格划分和求解设置I.第l2期孔宪光等:差动变压器式位移传感器参数化仿真技术研究在以上步骤中,建立合理的几何模型是关键.理论上讲,只需建立与实际相同的LVDT模型就可以得到合理的仿真结果.但实际工程中,受到机器内存和计算速度的影响,不可能建立与实际模型完全相同的仿真模型,必须进行合理简化.简化的原则是在不影响磁场整体分布的前提下,尽量降低零部件的数量和几何复杂度,使得网格划分后的单元数量合理,在用户可以接受的范围内完成电磁性能的仿真计算.2.1构件忽略对于LVDT而言,其设计的目标参数(感应电压)是由电磁感应决定的.某些不导磁的构件,如铁芯与被测物体间的连杆,对电磁场不产生影响,电磁仿真建模时可以忽略.此外,还有一些不影响磁场分布的特征(如定位柱,孔等)同样可以省略.2.2绕组简化绕组建模是LVDT电磁仿真建模的难点.以某型LVDT为例:激磁绕组有5105匝线圈,2个输出绕组各有1883匝线圈,线径均为0.15nlln.如果按实际形状建立绕线模型(螺旋线,图1(a),系统网格划分时仅单边输出绕组就会产生125505个网格单元,导致仿真计算时间很长乃至无法计算.因此必须简化绕组:由于输出电压主要受电阻和电感的影响,而电阻和电感的值取决于绕线截面积,与截面形状无关,因此可以将单匝线圈圆形截面形状简化为等面积的正方形,总的绕组简化为长方形(图leo).为验证图1所示简化方法的有效性,对单匝线圈进行了算例测试:将直径为0.15mm,长度为6innl的圆形线圈,按截面面积相等原则,简化为边长为0.13llllIl的正方形线圈.简化前,网格单元数量为66652个,计算时间为15分41秒;简化后,网格单元数量为159个,计算时间为44秒.仿真结果如表1所示,简化前后误差为0.1%.(a)实际结构fa1Actualmodel(b)简化结构(b)Simplifiedmodel图1线圈简化模型Fig.1Simplifiedmodelofawinding表1线圈简化前后感应电压值对比Table1Comparisonoftheinducedvoltagesofthewindingbeforeandaftersimpfificafion计算时间感应电压U/nVt/ms圆形截面正方形截面2.3对称性建模LVDT是一个回转体,利用该特点可以对模型进行进一步简化.沿周向截取原模型的1,1片(图2),并设置模型对称因子(symmetrymultiplier)为1,软件会自动将其按全模型效果计算,且计算结果与全模型计算结果相符I4】.但是不能设置过大,否则会由于模型周向尺寸过小导致网格无法划分.实际建模时,取=128,可以将计算时间从全模型的12h左右减小到3h左右.图2LVDT三维图(1/3模型)Fig.2Threedimensionalfigure(1/3mode1)3LVDT电磁仿真参数化建模3.1基本思路参数化建模的基本思路如图3所示:首先根据上述建模方法,形成正确的建模步骤;然后在MaxWell环境下,将正确的建模操作录制成脚本;再对脚本中需要参数化的数据进行标识,使之与参数发生关联,形成脚本模板;再用设计者输入的设计参数修改脚本模板中的标记,生成动态脚本文件;最后在MaxWell环境下运行脚本,实现电磁仿真模型的参数化建模.2564仪器仪表第30卷图3参数化建模流程图Fig.3Flowchartofparametricmodeling3.2录制脚本应用MaxWell提供的VBScript脚本语言,可以将手工建模过程录制成VB脚本.表2列出了图2所示模型的激磁绕组仿真建模脚本.在MaxWell中运行该脚本,只需十几秒即可生成图2所示模型,手工建模则需半个多小时.3.3脚本模板表2所示脚本只能生成固定参数的LVDT模型.如果需要生成其他参数和结构的模型,就必须重新录制脚本,因此该程序未实现真正意义上的参数化建模.表2原始脚本(节选)Table2Initialscript/创建激磁绕组几何模型及材料脚本oEditor.CreateCylinderArray(NAME:CylinderParameters,CoordinateSystemlD:=,1,XCenter:=,Onun,YCenter:=,一87.9mm,ZCenter:=,0ram,Radius:=,4lmm,Height:=,175.8mm,WhichAxis:=,Y),Array(NAME:Attributes,Name:=,jici_nei,Flags:=,PartCoordinateSystem:=,Global,MaterialName:=,copper,),/添加激励电压脚本SetoModule=oDesignGetModule(BoundarySetup1oModule.AssignCoilTerminalArray(NAME:CoilTerminal1,Pointoutofterminal:=,false,Conductornumber:=,.5105,Objects:=,Array(Section1)oModule.AssignWindingGroupArray(NAME:Windingl,Type:=,External,IsSolid:=,false,Current:=,0A,Resistance:=,0ohm,Inductance:=,0mH,Voltage:=,0V)为实现参数化建模,需要用程序对脚本中的设计参数进行自动获取和修改.本文提出了一种方法实现参数化建模,即:对录制的脚本文件进行修改,用特殊符号对需要动态更新的参数进行标记.用户输入参数后,系统自动搜索参数标记,并将其替换为输入参数,生成新的脚本文件.运行该脚本文件即可获得所需的仿真模型.表3为表2添加参数标识后生成的脚本模板:表中将需要参数化的激磁绕组中心坐标X(0ram),y(一87.9111111),Z(0mm),内径(4.1mm),长度(175.8rain),材料(copper)等,分别标记为iciX%,ici一,ici_Z%,ici-R%,ici_H%和ic_materia1%.表3脚本模板(节选)Table3Scripttemplet,/创建激磁绕组几何模型及材料脚本的模板oEditor.CreateCylinderArray(NAME:CylinderParameters,CoordinateSystemlD:=,一1,XCenter:=,iciX%mm,YCenter:=,iciY%&mm,ZCenter:=,iciZ%null,Radius:=,iciR%,Height:=,%jiciH%&mm,WhichAxis:=,Y),Array(NAME:Attributes,Name:=,jicinei,Flags:=,l1lI_PartCoordinateSystem:=,Global,MaterialNaloe:=,%jic_materia1%,)添加激励电压脚本模板SetoModule=oDesign.GetModule(BoundarySetup,oModule.AssignCoilTerminalArray(NAME:CoilTerminal1,.Pointoutofterminal:,false,Conductornumber:=,icinum%Objects:=,Array(Section1)oModuleAssignWindingGroupArray(NAME:Winding1,Type:=,.External,.IsSolid:=,false,Current:=,0A,Resistance:=,0ohm,Inductance:=,0mH,Voltage:=,0V)3.4参数计算与约束把用户通过人机界面输入的参数称为设计参数,构建仿真模型的参数称为建模参数.将设计参数表达为dpNamei,dpValueili=1.NDP,建模参数表示为mpNamei,mpValueili=1.NMP.其中:dpNamei表示设计参数名称,dpValuei表示设计参数数值,NDP表示设计参数个数;mpNamei表示建模参数名称,mpValuei表示建模参数值.NMP表示建模参数个数.显然,设计参数和建模参数之间存在关联关系.以激磁绕组为例:设计参数包括绕线层数c,线径d和绕组长度L,而建模参数则包括激磁绕组的外径D,中径D线圈匝数,骨架外径D3和电阻Rl等,并存在以下的关联关系:D=D3+O.15+Clxd1X2D,.p=112(D+D3+O.15)=c1X(L,/(d1+0.0015)R=4x0.0175x0.O01xDex/(d)通过建立关联模型,可简化用户输入.用户只需输第12期孔宪光等:差动变压器式位移传感器参数化仿真技术研究入设计参数,系统根据关联模型,自动将其转换成建模参数.参数之间还存在约束关系.例如:铁芯在骨架内部运动,因此骨架内径必大于铁芯外径;而激磁绕组又绕在骨架上,故激磁绕组内径等于骨架外径.图4给出了LVDT参数之间的约束关系.根据约束规则,可以有效检验参数输入的合理性.挡板+.由锯JI,叠;f<输出绕组内径外径长度t:其层内径f:其第1层激磁绕组rh从l一<=千=l内径外径长度内径外径长度f<f*Ilz【lI骨架图4参数约束关系图Fig.4Constraintrelationfigureoftheparameters3.5参数的搜索与替换下一步的工作是将脚本模板中用%标记的参数替换为建模参数值.其基本过程为:1)打开本次建模对应的脚本模板文件;2)将搜索起始位置设为0:3)从搜索起始位置开始,搜索第1个标记符%,获得其位置POS1;4)继续搜索第2个标记符%,获得其位置POS2;5)获取POS1和POS2之间的字符串STR;6)遍历建模参数集合,判别STR是否与mpName(i)相同,如果是,则用mpValue(i)替换POS1至POS2之间的字符串;7)设置起始搜索位置为POS2;8)重复步骤37直到文件结束.通过以上处理,即可将表3所示脚本模板文件还原为表2所示的脚本文件,只是脚本文件中的数据被替换为用户所需的参数值.在MaxWell下运行动态形成的脚本文件,即可获得所需的参数化模型.3.6参数化程序应用以上方法建立的LVDT参数化仿真程序主界面如图5所示.左边为参数输入界面,右边为仿真模型等显示界面.用户只需在参数输入界面输入设计参数,程序依据参数约束模型自动确定建模参数;再在脚本模板中搜索参数标记,替换为当前输入值;最后调用MaxWell并运行动态生成的脚本文件,生成正确的电磁仿真模型.Fig.5MainwindowoftheparametricsimulationsystemofLVDT4实例以某实际LVDT产品为案例,对本文开发的LVDT参数化仿真系统进行了验证.案例的主要参数如表4所示.将表中的设计参数输入图5所示界面,系统调用参数化建模程序,生成的1/128仿真模型如图6所示.表4仿真实例的主要参数Table4Mainparametersofasimulationexample参数参数值参数参数值参数参数值激磁电压3v激磁频率3000Hz电气干亍程+7iilin铁芯外径2.5mm铁芯长度22lain铁芯材料IJ50骨架内径4mm骨架外径5iTlnl骨架材料titanium绕径0.15mm绕线长度48lilln绕线材料copper(裸线)外壳内径9.106ITIIn外壳外径9.8mm外壳材料1J50图6用参数化程序生成的仿真模型Fig.6Simulationmodelcreatedbytheparametricprogram通过仿真分析,在后处理界面可以得到输出电压e2和铁芯位置的关系曲线及具体数值.表5给出了不同铁芯位置下输出电压仿真值,实测值和理论值之间的比较.2566仪器仪表第30卷表5输出电压P2数据对比Table5Datacomparisonofoutputvoltagee2从表5可看出,无论是实测值还是仿真值,均与理论计算结果有误差.造成误差的主要原因有:1)绕组形状差异.理论计算中,假设输出绕组呈锥形分布,以补偿远离中心位置处磁场的衰减.而在实际测试和仿真建模时,输出绕组均采用台阶结构(图6);2)磁场的不对称性.理论计算时,假设铁芯在中心位置时输出绕组线圈参数及磁路尺寸相等,磁场对称分布.而在实际生产中,由于制造工艺的影响,绕组不可能完全对称,从而使得磁路不对称;在仿真建模时,网格划分算法的特性决定其生成的有限元网格也不可能完全对称,进而引起磁场分布不对称,造成仿真误差;3)材料性能影响.理论计算时,假设电磁场在LVDT内部均匀分布,其强度随电流大小线性变化.实际中,导磁材料具有磁饱和性,及线圈寄生电容和铁损影响,导致磁场不可能完全按理想情况分布;4)涡流现象.理论计算时,均按理想状态计算,通常忽略铁芯,外壳等导磁材料产生的涡流对磁场的影响;5)其他原因.例如测量工具及环境带来的测量误差,测试人员读取数据的读值误差等.造成仿真值与实测值之间差异的主要原因有:1)模型差异.如前所述,由于机器计算能力的限制,必须对实际模型进行一定简化,仿真模型不可能完全与实际模型相同;2)激励源波动和温度的影响l5】.仿真中激励源是理想正弦曲线,无波动影响,环境温度也无法考虑.而实测中激励源幅值和频率的变化使输出变化,而环境温度的变化不仅使LVDT电感线圈参数和导磁体特性发生变化,同样也使激励源产生变化而进一步影响输出.表5中,虽然仿真值,实测值和理论值之间存在一定误差,但是差值不大.图7为仿真值和实测值与理论值的误差比较.由图可知,实测值与理论值的最大误差为0.027V(2.08%);仿真值与理论值的最大误差为0.034V(2.6%).采用本文方法获得的仿真结果可以满足工程需求.之0.O4适0_0o.02H詈001缝0十理论值与仿真值误差+理论值与实测值误差一75311357铁芯位xlmm图7仿真,实测和理论输出电压对比Fig.7Outputvoltagecomparisonamongsimulation,actualmeasurementandtheoreticalValues5结论在正确建立LVDT电磁仿真模型的基础上,应用VB脚本和参数模板技术,实现了LVDT电磁性能仿真的参数化建模.实例验证表明,本文开发的LVDT参数化仿真系统使用方便,建模速度快,结果合理.参考文献【1】严钟豪,谭祖根.非电量电测技术M】.北京:机械工业出版社,1989:58_80.YANZHH.TANZGNonpowerelectricalmeasurementtechniqueM.Beijing:MachineryIndustryPress,1989:5880.2】刘建锋,袁赣南.表面测量的差动电容传感器研究【J.仪器仪表,2006,27(6):16511652.LIUJFYUANGN.ThestudyofdifferentialcapacitancesensorofsurfacemeasureJ.JournalofInstrument,2006,27(6):1651-1652.3刘豫辉,田跃.基于MaxWell软件的齿轮测速传感器的磁路分析J1.传感器世界,2007,(12):2324.LIUYH.TIANY_MagneticcircuitanalysisofgearspeedsensorbasedonMaxWellJ.SensorWorld,2007,(12):2324.4刘国强,赵凌志,蒋继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析【M】.北京:电子工业出版社,2005:220228.LIUGQ,ZHAOLZH,JIANGJY.EngineeringfiniteelementanalysisofelectromagneticfieldsofAnsoflM.Beijing:ElectronicIndustryPublishingHouse,2005:220228.5】郭振芹.非电量电测量M】.北京:中国计量出版社,1986:217230.GUOZHQ.NonpowerelectricalmeasurementM.Beijing:MeasurePu