ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1997 года по МПК H03M1/30 H03M1/60 

Изобретение относится к автоматике и регулированию, а именно к преобразователям угла поворота в последовательность импульсов, которые могут быть использованы, например, в устройствах регулирования частоты вращения и активной мощности энергетических гидроагрегатов как составная часть генераторов сигнала частоты вращения последних.

Известен датчик перемещения дискретный фотоэлектрический ПДФ-1, содержащий модуляционный диск с прорезями, фотоэлектрический датчик, состоящий из оптической пары: "источник (светодиод)-приемник (фотодиод)", оптическая ось, которой перпендикулярна плоскости, в которой размещены рабочие кромки прорези диска, усилитель, формирователь и усилитель мощности.

Недостатком такого устройства является зависимость длительности импульсов на выходе устройства от точности выполнения расстояний между соседними рабочими кромками модулятора. В результате погрешность в изготовлении модулятора приводит к большой погрешности выходного сигнала частоты вращения (абсолютная погрешность равна ±5, относительная погрешность ν_o= 6,94 %. Указанный недостаток ограничивает область применения этого устройства.

Известен преобразователь угла поворота в последовательность импульсов, выбранный как наиболее близкий к заявленному решению, который содержит механический модулятор с дорожками из прозрачных и непрозрачных участков, первый и второй фотоэлектрические датчики, оси которых перпендикулярны границе участка дорожек, а выходы соединены с первыми входами первого и второго элементов И, соответственно, и с входами первого и второго элементов НЕ, выходы которых соединены со вторыми входами соответственно, второго и первого элементов И, выходы которого соединены с входами ИЛИ, при этом первый и второй датчики расположены против, соответственно, основной и дополнительной кодовых дорожек.

В этом преобразователе на выходе элемента ИЛИ, как и на выходе элементов И, начало и конец временного интервала (длительность импульсов) формируется от различных точек модулятора (кромок (границ) разных кодовых дорожек). Это обусловливает зависимость длительности выходных импульсов от технологической погрешности изготовления модулятора. В результате такой преобразователь не обеспечивает постоянства длительности выходных импульсов, соответственно не обеспечивает возможности измерения частоты вращения методом, при котором выходным параметром преобразователя является длительность импульса. Такой метод применяется для объектов с низкой частотой вращения, например, для энергетических гидроагрегатов.

Техническим результатом, обеспечивающим изобретением, является, во-первых, обеспечение постоянства длительности выходных импульсов при постоянной частоте вращения и, как следствие, обеспечение возможности измерения не только угла поворота, но и частоты вращения, а во-вторых, обеспечение возможности использования преобразователя с модуляторами, изготовленными с большими погрешностями, при сохранении точности преобразования.

Указанный технический результат обеспечивается в преобразователе угла поворота в последовательность импульсов, содержащем механический модулятор с дорожкой, в виде прозрачных и непрозрачных участков, установленный против дорожки первый фотоэлектрический датчик, второй фотоэлектрический датчик, у которых оптические оси перпендикулярны пересекающей их границе участка дорожки механического модулятора, а выходы соединены со входами логического блока, выполненного в виде узла "запрет по X₁", или узла "запрет по X₂", или узлов "запрет по X₁" и "запрет по X₂", разноименные входы которых объединены, а выходы соединены со входами элемента ИЛИ, в котором согласно сущности настоящего изобретения, второй фотоэлектрический датчик установлен против дорожки механического модулятора, оптические оси фотоэлектрических датчиков расположены параллельно в одной плоскости на расстоянии S_g между ними в направлении поворота, причем расстояние между границами прозрачного участка дорожки механического модулятора S_m>S_g, при этом S_m-S_q≥ Δt•V,
где Δt время прохождения расстояния (S_m-S_g) границей участка дорожки механического модулятора,
V линейная скорость движения границы участка дорожки механического модулятора.

Указанный технический результат обеспечивается также в преобразователе угла поворота в последовательность импульсов, содержащем механический модулятор с дорожкой в виде прозрачных и непрозрачных участков, установленный против дорожки первый фотоэлектрический датчик, второй фотоэлектрический датчик, у которых оптические оси перпендикулярны пересекающей их границе дорожки механического модулятора, выходы соединены со входами логического блока, в котором согласно сущности настоящего изобретения второй фотоэлектрический датчик установлен против дорожки механического модулятора, оптические оси фотоэлектрических датчиков расположены параллельно в одной плоскости на расстоянии S_g между ними в направлении поворота, причем расстояние между одноименными границами участков дорожки (шаг) механического модулятора >S_g при этом
где Δt время прохождения расстояния (-S_g) границей участка дорожки механического модулятора,
V линейная скорость движения границы участка дорожки механического модулятора,
а логический блок выполнен в виде источника сигнала логической единицы и двух D-тригеров, счетные входы которых являются входами логического блока, выход источника сигнала логической единицы соединен с D-входом первого D-триггера, R вход которого подключен к прямому выходу второго D-триггера, инверсный выход к R входу второго D-триггера, прямой выход является выходом логического блока и соединен с D входом второго D-триггера.

Объединение обоих вариантов изобретения в одну заявку связано с тем, что оба они обеспечивают указанный выше технический результат принципиально одним и тем же путем путем формирования длительности выходных импульсов в зависимости от времени прохождения одной и той же границей одной прорези расстояния между датчиками. Тем самым исключается влияние погрешности изготовления модулятора на величину длительности выходных импульсов, которая зависит в обоих вариантах от расстояния между осями фотоэлектрических датчиков. В результате обеспечивается постоянство длительности выходных импульсов при постоянной скорости вращения модулятора, что дает возможность использовать преобразователь для замера частоты вращения, а также обеспечивается использование в преобразователе крупногабаритных модуляторов с большими погрешностями изготовления при сохранении точности преобразования.

На фиг. 1 изображен общий вид модулятора с двумя фотоэлектрическими датчиками, выполненными в одном корпусе, на фиг. 2 разрез А-А по фиг. 1, на фиг. 3 преобразователь угла поворота в последовательность импульсов с логическим блоком в виде узла "запрет по X", на фиг. 4 преобразователь с логическим блоком в виде узла "запрет по X", на фиг. 5 блок-схема преобразователя угла поворота с логическим блоком в виде узлов "запрет по X₁" и "запрет по X₂", разноименные входы которых объединены, а выходами соединены со входами элемента ИЛИ, на фиг. 6 блок-схема преобразователя угла поворота с логическим блоком в виде источника сигнала логической единицы и двух D-триггеров, на фиг. 7, 8, 9, 10, 11 временные диаграммы последовательностей импульсов соответственно на первом, втором входах, выходе логического блока в виде узла "запрет по X₁", в виде узла "запрет по X₂", в виде узлов "запрет по X₁" и "запрет по X₂", на фиг. 11, 12, 13, 14 временные диаграммы последовательностей импульсов соответственно на первом и втором входах, выходе логического блока с одной парой D-триггеров.

Преобразователь угла поворота содержит по первому варианту механический модулятор 1 в виде диска с кольцевым выступом 2, по периметру жестко закрепленный по валу 3, например гидроагрегата, первый 4 и второй 5 фотоэлектрические датчики, каждый из которых содержит оптическую пару "световод-фотодиод", подключенные последовательно к выходу датчика 4 усилитель 8 и формирователь формы импульса 7 и к выходу датчика 5 усилитель 8 и формирователь формы импульса 9. Оба формирователя 7 и 9 выполнены в виде триггера Шмитта, выход каждого формирователя 7 и 9 подключен соответственно к первому входу логического блока в виде узла "запрет по X" 10, выход которого может быть подключен к усилителю мощности 11, для согласования с измерителем преобразования частоты (ИПЧ) гидроагрегата. В кольцевом выступе 2 модулятора 1 выполнены сквозные по толщине выступа 2 прорези, образующие дорожку с прозрачными участками 12 в зоне прорезей с первой и второй по направлению вращения вала 3 границами прозрачного участка 12 соответственно 13 и 14. Оптические оси 15 датчиков 4, 5 параллельны друг другу, размещены в плоскости 16, перпендикулярной границам 13, 14 прозрачного участка 12 модулятора 1, и перпендикулярны плоскости 17, проходящей через границы 13, 14.

Датчики 4, 5 размещены, например, в едином корпусе "П"-образной формы 18. Логический блок 18 содержит два логических элемента: инвертор 19 и двухходовой "И" 20, к первому входу которого подключен выход инвертора 19. Первым входом логического блока 10 является вход инвертора 19, вторым его входом второй вход элемента "И" 20. Выход элемента "И" 20, который является выходом логического блока 10, в случае передачи выходного сигнала блока 10 на ИПЧ гидроагрегата подключается к входу ИПЧ через усилитель мощности 11. Логический блок 10 обеспечивает формирование фронтов каждого импульса в генерируемой последовательности импульсов от границы 14 прозрачного участка 12 (см. фиг. 7, 8, 9).

Логический блок может быть выполнен также в виде узла "запрет по X" 21 /см. фиг. 14/, содержащего инвертор 22 и двухходовой "И" 23, ко второму входу которого подключен выход инвертора 22. Первым входом логического блока-узла "запрет по X" 21 является первый вход элемента и 23, вторым его входом вход инвертора 22. Выход элемента И 23, который является выходом логического блока 21, может быть также подключен к входу усилителя мощности 11 в случае передачи сигнала на ИПЧ гидроагрегата. Логический блок 21 обеспечивает формирование фронтов каждого импульса в генерируемой последовательности импульсов от границы 13 /см. 7, 8, 9/.

Логическое устройство может быть также выполнено в виде узлов "запрет по X₁" и "запрет по X₂" 24 (см. фиг. 5), содержащих две пары логических элементов: инвертор 25 и двухходовой "И" 26, к первому входу которого подключен выход инвертора 25, инвертор 27 и двухходовой "И" 28, к первому входу которого подключен выход инвертора 27, а также двухходовой элемент "ИЛИ" 29. К первому и второму входам элемента "ИЛИ" 29 подключены соответственно выходы элементов "И" 26 и 28, а выход элемента 29 является выходом блока 24 и может быть в случае использования выходного сигнала преобразователя для ИПЧ гидроагрегата подключен к усилителю мощности 11. Первым входом блока 24 является вход инвертора 25, вторым входом блока 24 - вход инвертора 27. При этом вход инвертора 25 подключен на второй вход элемента "И" 28, а вход инвертора 27 подключен на второй вход элемента "И" 26. Указанный блок 24 обеспечивает формирование последовательности импульсов, представляющей собой чередование импульсов: одного с фронтами от границы 14 участка 12, другого с фронтами от границы 13 участка 12 (см. фиг. 11).

Указанные блоки 10, 21, 24 могут быть выполнены различными известными в схемотехнике способами с применением различных логических элементов: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, инверторов.

Расстояние между осями 15 датчиков 4, 5 меньше наименьшего расстояния между соседними границами 14-13 непрозрачного участка 30 или 13-14 прозрачного участка (прорези) 12, причем расстояния 14-13 и 13-14, которые берутся в соответствии с направлением вращения вала, приблизительно (в пределах технологического допуска) равны между собой.

Разность наименьшего расстояния между соседними границами 13-14 либо 14-13 участков дорожки модулятора 1 и расстояние между оптическими осями 15 датчиков 4, 5:
ΔS=S_m-S_q
выбирается так, чтобы время Δt прохождения этой разности ΔS границей участка дорожки модулятора 1 при разгонной частоте вращения было больше или равно времени обработки информации в системе автоматического управления после измерения длительности каждого импульса в последовательности, принимаемой от преобразователя угла поворота в последовательность импульсов. Если для указанной обработки требуется, например, 32 тактовых импульса эталонной частоты F=1МГп, то .

Если при разгонной частоте вращения линейная скорость движения границы дорожки модулятора будет, например, V=10 м/с, то: ΔS=Δt•V= 32•10^-6•10=0,32 мм..

Преобразователь по второму варианту содержит механический модулятор 1 в виде диска с кольцевым выступом 2 по периметру, жестко закрепленный на валу 3, например, гидроагрегата, первый 4 и второй 5 фотоэлектрические датчики, каждый из которых содержит оптическую пару "светодиод-фотодиод", подключенные последовательно к выходу датчика 4 усилитель 6 и формирователь формы импульса 7 и к выходу датчика 5 усилитель 8 и формирователь формы импульса 9. Оба формирователя 7 и 9 выполнены в виде триггера Шмитта, выход каждого формирователя 7 и 9 подключен соответственно к первому и второму входам логического блока 31, выход которого связан с усилителем мощности 11 в случае передачи сигнала на ИПЧ гидроагрегата. В кольцевом выступе 2 модулятора 1 выполнены сквозные по толщине выступа 2 прорези, образующие дорожку с прозрачными участками 12 в зоне прорезей с первой и второй по направлению вращения вала 3 границами участков 12 соответственно 13, 14. Оптические оси 15 датчиков 4, 5 параллельные друг другу, размещены в плоскости 16, перпендикулярной границам 13 14 участка 12 модулятора 1, и перпендикулярны плоскости 17, проходящей через границы 13, 14. Датчики 4, 5 размещены, например, в едином корпусе "П"-образной формы 18. Логический блок 31 содержит первый 32 и второй 33 D-триггера. Первым входом логического блока 31 является счетный вход первого D-триггера 32, вторым входом блока 31 счетный вход второго D-триггера 33. У первого триггера 32 D вход подключен к источнику тока высокого потенциала (+U_n потенциала логической единицы), R - вход к прямому (Q) выходу D-триггера 33, инверсный выход к P входу триггера 33. Прямой (Q) выход триггера 32 является выходом блока 31 и подключен к D входу триггера 33, при этом в случае передачи сигнала с выхода блока 31, например, на ИПЧ гидроагрегата прямой (Q) выход триггера 32 подключают к ИПЧ через усилитель мощности 11. Логический блок 31 обеспечивает формирование фронтов каждого импульса в генерируемой последовательности импульсов от границы 13 (см. фиг. 12, 13, 14).

Для преобразователя угла поворота с логическим блоком 31 расстояние между осями 15 датчиков 4, 5 выбирается меньше наименьшего расстояния между одноименными границами 13 и 13 или 14 и 14 (шага модулятора).

В результате этот преобразователь можно использовать с модулятором с более широким диапазоном размеров прорези (прозрачных участков).

При этом разность выбирается так, чтобы время Δt прохождения расстояния, равного этой разности, границей участка дорожки модулятора при разгонной частоте вращения было больше или равно времени обработки информации в системе автоматического управления после измерения длительности каждого импульса в последовательности, принимаемой от преобразователя.

Преобразователь угла поворота в последовательность импульсов по первому варианту работает следующим образом. При вращении вала 3 световые потоки оптических пар датчиков 4, 5 периодически перекрываются зубцами 30 модулятора 1. В течение промежутка времени, когда световой поток не экранирован (проходит через прорезь 12 модулятора 1), с датчиков 4, 5 снимается сигнал "1": логические переменные X₁, X₂ на входах логического устройства 10 /21 и 24/ имеют значение логической единицы. Если световой поток перекрыт, то с оптической пары снимается сигнал "0", и логические переменные X₁, X₂ на входах логического блока (21 или 24) имеют значение логического нуля.

Сигнал, снимаемый при вращении вала с оптической пары датчика 4, образует, проходя через усилитель 6 и триггер Шмитта 7, последовательность импульсов X₁ (см. фиг. 7) на первом входе логического блока 10 (или 21 или 24), а сигнал, снимаемый с оптической пары датчика 5, образует, проходя через усилитель 8 и триггер Шмитта 9, последовательность импульсов X₂ (см. фиг. 8) на втором входе логического устройства 10 (или 21, или 24). На выходе блока 10 (или 21, или 24) имеет значение логической единицы. Если световой поток перекрыт, то с оптической пары снимается сигнал "0", и логические переменные X₁, X₂ на входах логического блока 10 (или 21, или 24) имеют значение логического нуля.

Сигнал, снимаемый при вращении вала с оптической пары датчика 4, образует, проходя через усилитель 6 и триггер Шмитта 7, последовательность импульсов X₁ (см. фиг. 7) на первом входе блока 10 (или 21 или 24), а сигнал, снимаемый с оптической пары датчика 5, образует, проходя через усилитель 8 и триггер Шмитта 9, последовательность импульсов X₂ (см. фиг. 8) на втором входе блока 10 (или 21, или 24).

На выходе блока 10 (или 21, или 24) образуется последовательность импульсов Y₁ (см. фиг. 10), или Y₂ (см. фиг. 10), или Y₃ (см. фиг. 11). Длительность импульса равна промежутку времени между моментами перекрытия или восстановления световых потоков оптических пар датчиков 4, 5 соответственно границ 14 или 13 зубцов 30 (непрозрачных участков) модулятора 1.

Логический блок 10, реализующий функцию "запрет по X₁" (см. фиг. 3), действует в соответствии со следующим:
X₁ 1 1 0 0
X₂ 0 1 1 0
Y₁ 0 0 1 0
Он формирует импульсы Y₁, длительность которых равна промежутку времени от момента перекрытия светового потока оптического передатчика 4 границы 15 модулятора 1 до момента перекрытия светового потока оптической пары датчика 5 этой же границей 14. Логический блок 21, реализующий "запрет по X₂" (см. фиг. 4), действует в соответствии со следующим:
X₁ 1 1 0 0
X₂ 0 1 1 0
Y₂ 1 0 0 0
Он формирует импульсы Y₂, длительность которых равна промежутку времени от момента восстановления светового потока оптической пары 4 датчика 4 при прохождении границы 13 до момента восстановления светового потока оптической пары датчика 5 при прохождении той же границы 13.

Блок 24 (см. фиг. 5) формирует последовательность импульсов Y₃ (см. фиг. 11), представляющую собой чередование импульсов, аналогичных импульсам, формируемым блоками 10, 21, что дает удвоение частоты измерений во время одного оборота вала. В результате увеличивается быстродействие, например ИПЧ.

Преобразователь (по второму варианту) работает следующим образом. При вращении вала 3 световые потоки оптических пар датчиков 4, 5 периодически перекрывают зубцами 30 модулятора 1. В течение промежутка времени, когда световой поток не экранирован, с датчиков 4, 5 снимаются сигналы высокого уровня, и сигналы на счетных входах D-триггеров 32, 33 блока 31 имеют высокий потенциал. Если световой поток перекрыт, то с датчиков 4, 5 снимаются сигналы низкого уровня, и потенциал на входах блока 31 близок к нулю. Таким образом, сигнал, снимаемый при вращении вала 3 с оптической пары основного датчика 4, образует, проходя через усилитель 6 и триггер Шмитта 7, последовательность импульсов X₁ (см. фиг. 12) на счетном входе триггера 32 блока 31, а сигнал, снимаемый с оптической пары датчика 5, образует последовательность импульсов X₂ (см. фиг. 13) на счетном входе триггера блока 31. На выходе блока 31 образуется последовательность импульсов Y₄ (см. фиг. 14). Длительность импульса на выходе преобразователя равна промежутку времени от момента восстановления светового потока оптической пары датчика 4 границей 13 до момента восстановления светового потока оптической пары датчика 5 этой же границей 13. Действие D-триггера (32, 33) заключается в том, что в момент перехода сигнала на счетном входе от низкого уровня к высокому (положительный фронт) на Q выходе триггера устанавливается потенциал, имеющийся на D входе. Таким образом, в момент восстановления светового потока оптической пары датчика 4 при прохождении границей 13 зубца 30 (непрозрачного участка дорожки модулятора 1) на Q выходе триггера 32 возникает высокий потенциал, который подается на D вход триггера 33 и при использовании выходного сигнала преобразователя угла поворота, например, в системе управления и регулирования гидроагрегата, подается через усилитель 11 на вход ИПЧ (на черт. не показан). Указанный потенциал выключатся в момент появления на R входе триггера 32 положительного фронта с Q выхода триггера 33, когда при прохождении той же границы 13 восстанавливается световой поток оптической пары датчика 5. В момент выключения высокого потенциала на Q выходе триггера 32, на его выходе появляется высокий потенциал, который сбрасывает D-триггер 33 в нулевое состояние. Логический блок 31 готов к повторению цикла формирования очередного импульса.

Формирование импульса сигнала преобразователя угла поворота в обоих вариантах в зависимости от расстояния между оптическими осями двух датчиков обеспечивает постоянство длительности выходных импульсов при постоянной скорости (частоте) вращения, и как следствие, обеспечена возможность измерения не только угла поворота, но и скорости (частоты) вращения, а во-вторых, обеспечена возможность преобразователя с модуляторами, изготовленными с большими погрешностями, при сохранении точности преобразования.

Изобретение относится к области автоматики и регулирования, а именно к преобразователям угла поворота в последовательность импульсов, которые могут быть использованы, например, в устройствах регулирования частоты вращения и активной мощности энергетических гидроагрегатов. Техническим результатом, обеспечивающим изобретением, является обеспечение постоянства длительности выходных импульсов при постоянной частоте вращения и обеспечение возможности использования преобразователя с модуляторами, изготовленными с большими погрешностями, при сохранении точности преорбразователя. Для достижения этого результата в известном преобразователе второй фотоэлектрический датчик установлен против дорожки механического модулятора, оптические оси фотоэлектрических датчиков расположены параллельно в одной плоскости, их выходы соединены со входами логического блока, выполненного в виде узла "запрет по X₁", или узла "запрет по X₂", или узлов "запрет по X₁" и "запрет по X₂"; этот же технический результат достигается тем, что при аналогичном размещении фотоэлектрических датчиков логический блок выполнен в виде источника сигнала логической единицы и двух D-триггеров. 2 с.п. ф-лы, 14 ил. 2 табл.

1. Преобразователь угла поворота в последовательность импульсов, содержащий механический модулятор с дорожкой в виде прозрачных и непрозрачных участков, установленный против дорожки первый фотоэлектрический датчик, второй фотоэлектрический датчик, у которых оптические оси перпендикулярны пересекающей их границе участка дорожки механического модулятора, а выходы соединены с входами логического блока, выполненного в виде узла "Запрет по Х₁", или узла "Запрет по Х₂", или узлов "Запрет по Х₁" и "Запрет по Х₂", разноименные входы которых объединены, а выходы соединены с входами элемента ИЛИ, отличающийся тем, что в нем второй фотоэлектрический датчик установлен против дорожки механического модулятора, оптические оси фотоэлектрических датчиков расположены параллельно в одной плоскости на расстоянии S_д между ними в направлении поворота, причем расстояние между границами прозрачного участка дорожки механического модулятора S_м > S_д, при этом S_м-S_д≥ Δt•v, где Δt - время прохождения расстояния (S_м S_д) границей участка дорожки механического модулятора, V линейная скорость движения границы участка дорожки механического модулятора. 2. Преобразователь угла поворота в последовательность импульсов, содержащий механический модулятор с дорожкой в виде прозрачных и непрозрачных участков, установленный против дорожки первый фотоэлектрический датчик, второй фотоэлектрический датчик, у которых оптические оси перпендикулярны пересекающей их границе участка дорожки механического модулятора, выходы соединены с входами логического блока, отличающийся тем, что в нем второй фотоэлектрический датчик установлен против дорожки механического модулятора, оптические оси фотоэлектрических датчиков расположены параллельно в одной плоскости на расстоянии между ними в направлении поворота, причем расстояние между одноименными границами участков дорожки механического модулятора где Δt - время прохождения расстояния границей участка дорожки механического модулятора, v линейная скорость движения границы участка дорожки механического модулятора, а логический блок выполнен в виде источника сигнала логической единицы и двух D-триггеров, счетные входы которых являются входами логического блока, выход источника сигнала логической единицы соединен с D-входом первого D-триггера, R-вход которого подключен к прямому выходу второго D-триггера, инверсный выход к R-входу второго D-триггера, прямой выход является выходом логического блока и соединен с D-входом второго D-триггера.