СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА Российский патент 1998 года по МПК H03M1/64 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством.

Известен способ измерения угла поворота вала, основанный на преобразовании угла в фазный гармонический сигнал, сдвинутый по фазе относительно опорного на угол, пропорциональный углу поворота вала, интегрировании фазного гармонического сигнала дважды за период опорного сигнала в течение двух равных временных интервалов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на π/2, , сравнении между собой результатов интегрирования в первом и втором временных интервалах, определении отношения меньшего по модулю из сравниваемых значений к большему, арктангенсном преобразовании значений отношения в код угла [1]. Недостатками известного способа являются низкое быстродействие и малая точность, вызванная инструментальными погрешностями формирования фазного гармонического сигнала относительно опорного при осуществлении способа.

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением (прототипом) является способ измерения угла поворота вала, основанный на преобразовании угла в два фазных гармонических сигнала, смещенных по фазе относительно друг друга на угол, пропорциональный углу поворота вала, преобразовании сдвига по фазе между гармоническими сигналами в последовательность временных интервалов, преобразовании последовательности временных интервалов в код [2].

Недостатками известного способа являются низкое быстродействие (одно измерение за период гармонического сигнала) и низкая точность, вызванная нелинейными искажениями фазных сигналов, наличием высокочастотных помех.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения угла поворота вала.

Цель достигается тем, что в способе измерения угла поворота вала, основанном на преобразовании угла в два фазных гармонических сигнала, смещенных относительно друг друга на угол, пропорциональный углу поворота вала, определяют в одни и те же дискретные моменты времени значения текущей амплитуды каждого из фазных сигналов, фильтруют и нормируют их, осуществляют в пределах квадранта арксинусное преобразование нормированных и отфильтрованных значений, определяют номер квадранта, формируют значения угла поворота в виде разности полученных одновременно арксинусных значений первого и второго сигнала с учетом номера квадранта для каждого сигнала.

Совокупность вновь введенных операций не обнаружена ни в одном из известных источников информации и не следует из уровня техники. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 представлена структурная схема одного из вариантов устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - структурная схема блока формирования максимального значения амплитуды; на фиг. 3 - структурная схема другого варианта устройства для осуществления заявленного способа; на фиг. 4 - структурная схема для формирования максимальной амплитуды; на фиг. 5 - циклограмма его работы.

Устройство (фиг. 1) содержит формирователь 1 опорного сигнала, формирователь 2 импульсов, фазовращатель 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, цифровой фильтр 5, блок 6 формирования максимального значения амплитуды, блок 7 деления, блок 8 функционального преобразования, сумматор 9. Идентичные совокупности блоков 4 - 8 образуют соответственно первый 10 и второй 11 каналы измерения. Блок 6 (фиг. 2) содержит блок 12 сравнения, счетчик 13 импульсов, триггер 14, регистры 15 и 16, дифференцирующий элемент 17.

В качестве формирователя 1 может быть использован любой источник гармонического сигнала, согласованный по частоте и мощности с фазовращателем 3. Выход формирователя 1 подключен к входу фазовращателя 3, который может быть выполнен в виде синусно-косинусного датчика угла (СКДУ) с двумя фазосдвигающими RC-элементами. Каждый из выходов фазовращателя 3 подключен к информационным входам АЦП 4 каналов 10 и 11 соответственно. Выходы АЦП 4 подключены к входам цифрового фильтра 5, выходы которого подключены к группе входов блока 6 и к первой группе входов блока 7. Один выход блока 6 подключен к управляющему входу блока 8, а остальные выходы блока 6 подключены ко второй группе входов блока 7, выходы которого подключены к информационным входам блока 8. Выходы блока 8, один выход блока 6 и знаковый разряд цифрового фильтра 5 каналов 10 и 11 подключены соответственно к первой и второй группе входов сумматора 9, выходы которого являются выходами устройства. Первый и второй выходы формирователя 2 импульсов подключены к управляющим входам АЦП 4 и блока 6 соответственно. В качестве формирователя 2 может быть использован генератор прямоугольных импульсов с формирователем импульсов по одному из фронтов.

Первая группа входов блока 12 сравнения (фиг. 2) и вход элемента 17 являются группой входов блока 6. При этом вход элемента 17 является старшим знаковым разрядом этой группы входов, а первая группа входов блока 12 (кроме старшего знакового разряда) подключена к информационным входам регистра 15, выходы которого подключены ко второй группе входов блока 12 и к группе информационных входов регистра 16. Первый выход блока 12 подключен к тактовому входу регистра 15, входу сброса счетчика 13 и одному входу триггера 14. Второй выход блока 12 подключен к другому входу триггера 14. Выход триггера 14 является одним выходом блока 6 и подключен к тактовому входу регистра 16, выходы которого являются выходами остальных разрядов блока 6. Выход элемента 17 подключен к входу сброса регистра 15. Один вход блока 12 является управляющим входом блока 6.

Устройство работает следующим образом.

Фазовращатель 3 работает в режиме пульсирующего поля с двумя фазосдвигающими элементами и вырабатывает два фазных гармонических сигнала, первый из которых сдвинут по фазе относительно опорного сигнала формирователя 1 на угол +ρα (где ρ - коэффициент электрической редукции фазовращателя 3, α - угол поворота вала фазовращателя 3), а второй сдвинут по фазе относительно опорного сигнала на угол -ρα. . В дискретные моменты времени, определяемые выходными импульсами формирователя 2, поступающими на управляющий вход запуска, а АЦП 4 каналов 10 и 11 определяют значения текущей амплитуды каждого из фазных сигналов. В цифровом фильтре 5 выделяют основную гармоническую составляющую сигнала. В блоках 6 определяют максимальные по модулю значения амплитуды отфильтрованных сигналов. Для этого каждое значение амплитуды с выходов цифрового фильтра 5 сравнивают по модулю в блоке 12 с промежуточным максимальным значением, которое хранится в регистре 15. Если текущее значение с выходов цифрового фильтра 5 превышает значение с выходов регистра 15, то на первом выходе блока 12 по выходному импульсу формирователя 2, поступающему на управляющий вход блока 12 после окончания преобразования в АЦП 4, формируется сигнал, который сбрасывает в 0 счетчик 13 и триггер 14, а в регистре 15 заменяет промежуточное максимальное значение текущим. Если текущее значение на входах блока 12 меньше предыдущего, то сигнал со второго выхода блока 12 по выходному импульсу формирователя 2 поступает на счетный вход счетчика 13. При поступлении нескольких импульсов подряд счетчик 13 переполняется, и его выходной сигнал устанавливает триггер 14 в единицу. Фронтом выходного сигнала триггера 14 код модуля максимального значения с выходов регистра 15 записывается в регистр 16. При изменении знака информации блока 6 дифференцирующий элемент 17 формирует импульс сброса в O регистра 15. В результате в каждом полупериоде фазного отфильтрованного сигнала в регистре 16 определяют максимальное по модулю значение амплитуды этого сигнала, а состоянием триггера 14 определяется знак изменения модуля входного сигнала блока 6. Блок 6 позволяет исключить влияние отдельных сбоев (например, случайное уменьшение отдельных значений на входе блока 6 на участке нарастания или случайное увеличение значений на участке спада) на величину максимального значения амплитуды.

В блоке 7 деления определяют в дискретные моменты времени модуль отношения текущей амплитуды с выхода цифрового фильтра 5 к ее максимальному по модулю значению с выхода блока 6. В результате на выходах блоков 7 каналов 10 и 11 получают нормированные отфильтрованные значения синусов фазных гармонических сигналов в пределах квадранта, не зависящие от изменения амплитуды. Номер квадранта определяют двумя разрядами, старший из которых является знаковым разрядом цифрового фильтра 5, а другой формируется в триггере 14 блока 6 и определяет знак изменения модуля выходных значений цифрового фильтра 5. В блоках 8 осуществляют арксинусное преобразование выходных значений блоков 7. В зависимости от состояния управляющего входа (четности квадранта) блок 8 передает информацию на выход в прямом или дополнительном коде. В сумматоре 9 формируют значения кода угла поворота вала в пределах 2π в виде разности полученных одновременно арксинусных значений с выходов каналов 10 и 11 с учетом номера квадранта.

Для цифровой фильтрации могут быть использованы любые известные методы как с программной, так и аппаратурной реализацией [3]. Поскольку в реальных условиях прецизионного измерения угла максимально допустимая скорость поворота вала мало изменяет частоту фазных сигналов по отношению к опорному сигналу (даже с учетом электрической редукции), то настройка цифрового фильтра 5 с линейной фазовой характеристикой на частоту опорного сигнала практически не вносит динамических погрешностей.

В предложенном способе частота смены информации определяется частотой формирования 2 импульсов и значительно превышает частоту опорного сигнала, что повышает его быстродействие по сравнению с прототипом. Повышение точности обеспечивает цифровая фильтрация высокочастотных составляющих без внесения дополнительных фазовых искажений при изменении внешних дестабилизирующих факторов (температура, старение элементов и т.д.). Разрешающая способность устройства в способе определяется числом разрядов АЦП, поэтому при осуществлении способа не требуется высокочастотного генератора. Кроме того, не требуется высокой стабильности по частоте ни формирователя опорного сигнала, ни формирователя импульсов. Способ обеспечивает высокую динамическую точность благодаря высокому быстродействию и тому, что выходная информация формируется по отношениям текущих значений к максимальным, которые не зависят от скорости вращения вала.

Операции фильтрации, определения отношения текущей амплитуды к ее максимальному значению, определения номера квадранта, арксинусного преобразования отношений, формирования кодов угла в виде разности арксинусных значений можно выполнить с помощью микропроцессора, заменив им совокупность блоков 5 - 9, что обеспечивает простоту аппаратурной реализации способа.

Устройство (фиг. 3) другого варианта осуществления заявленного способа содержит формирователь 1 опорного сигнала, формирователь 2 импульсов, фазовращатель 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, цифровой фильтр 5, блок 6 формирования максимального значения амплитуды, компаратор 7, блок 8 функционального преобразования, сумматор 9. Идентичные совокупности блоков 4 - 8 образуют соответственно первый 10 и второй 11 каналы измерения. Блок 6 (фиг. 4) содержит выпрямитель 12, дифференцирующий элемент 13, формирователь 14 максимальной амплитуды, компаратор 15, элемент 16 выборки-хранения.

Выход формирователя 1 подключен ко входу фазовращателя 3, выполненному в виде СКДУ с двумя фазосдвигающими RC-элементами. Каждый из выходов фазовращателя 3 подключен к информационным входам АЦП 4, блока 6 и компаратора 7 каналов 10 и 11 соответственно. Выход компаратора 7 подключен к управляющему входу блока 6, аналоговый выход которого подключен к опорному входу АЦП 4, а цифровой выход - к управляющему входу блока 8. Выходы АЦП 4 через цифровой фильтр 5 подключены к информационным входам блока 8. Выходы блока 8, цифровой выход блока 6 и выход компаратора 7 каналов 10 и 11 подключены соответственно к первой и второй группам входов сумматора 9.

Выход выпрямителя 12 (фиг. 4) и вход дифференцирующего элемента 13 являются информационным и управляющим входом блока 6 соответственно. Выход выпрямителя 12 и выход дифференцирующего элемента 13 подключены соответственно к информационному и управляющему входам формирователя 14. Вход и выход формирователя 14 подключены к входам компаратора 15, выход которого и выход формирователя 14 подключены соответственно к управляющему и информационному входам элемента 16. Выход элемента 16 и компаратора 15 являются соответственно аналоговым и цифровым выходами блока 6. Формирователь 14 и элемент 16 выполнены известным образом [4].

Устройство работает следующим образом.

Фазовращатель 3 вырабатывает два гармонических сигнала, смещенных по фазе относительно опорного сигнала источника 1 на углы ± ρα соответственно. В компараторе 7 входной сигнал сравнивается с нулевым уровнем, в результате чего на выходе компаратора 7 формируется знак его входного сигнала (фиг. 5а). Выходной сигнал выпрямителя 12 (фиг. 5б) и выходной сигнал дифференцирующего элемента 13 (фиг. 5в) поступают соответственно на информационный вход и вход сброса формирователя 14, на выходе которого формируется напряжение (фиг. 5г), соответствующее максимальной амплитуде входного сигнала. По каждому импульсу элемента 13 (фиг. 5в) производится сброс формирователя 14. Входные и выходные сигналы формирователя 14 сравниваются на амплитуде на компараторе 15, в результате чего на его выходе вырабатываются нулевые и единичные сигналы (фиг. 5д), соответствующие нарастанию и спаду выходных сигналов выпрямителя 12. Для повышения стабильности работы компаратора 15 его входные сигналы с выхода формирователя 14 немного уменьшают по амплитуде по сравнению с входными сигналами с выхода выпрямителя 12. При единичном сигнале компаратора 15 элемент 16 повторяет выходное максимальное напряжение формирователя 14, а при нулевом сигнале сохраняет напряжение, соответствующее моменту переключения (фиг. 5е). В результате на аналоговом выходе блока 6 (выход элемента 16) формируется напряжение, соответствующее модулю максимального значения амплитуды фазного сигнала фазовращателя 3, с частотой изменения, равной удвоенной частоте фазного сигнала. Это напряжение подается на опорный вход АЦП 4, на информационный вход которого поступает фазный сигнал с выхода фазовращателя 3. По сигналам с формирователя 2 в АЦП 4 формируют нормированные значения фазных сигналов, соответствующие отношению текущей амплитуды фазного сигнала к максимальной амплитуде того же сигнала. В цифровом фильтре 5 выделяют основную гармоническую составляющую фазного сигнала. В блоках 8 осуществляют арксинусное преобразование в пределах квадранта выходных значений цифрового фильтра 5. Номер квадранта определяют двумя разрядами, старший из которых (фиг. 5а) является выходным сигналом компаратора 7 (или знаковым разрядом цифрового фильтра 5), а младший является выходным сигналом компаратора 15 (фиг. 5д) и управляет выдачей информации с блока 8 на сумматор 9 в прямом или дополнительном коде. В сумматоре 9 формируют значения кода угла поворота вала в пределах 2π в виде разности полученных одновременно арксинусных значений с выходов каналов 10 и 11 с учетом номера квадранта для каждого канала.

В устройстве на фиг. 3 увеличивается число аналоговых элементов по сравнению с устройством на фиг. 1, но сокращается число операций, возлагаемых на микропроцессор. По точности устройство на фиг. 1 имеет некоторое преимущество по сравнению с устройством на фиг. 3 благодаря меньшему числу аналоговых преобразований.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности. Поставленная цель достигается тем, что определяют в одни и те же дискретные моменты времени значения текущей амплитуды каждого из фазных сигналов, фильтруют и нормируют их, осуществляют в пределах квадранта арксинусное преобразование нормированных и отфильтрованных значений, определяют номер квадранта, формируют значения угла поворота вала в виде разности полученных одновременно арксинусных значений первого и второго сигнала с учетом номера квадранта для каждого сигнала. 5 ил.

Способ измерения угла поворота вала, основанный на преобразовании угла в два фазных гармонических сигнала, смещенных по фазе относительно друг друга, на угол, пропорциональный углу поворота вала, отличающийся тем, что определяют в одни и те же дискретные моменты времени значения текущей амплитуды каждого из фазных гармонических сигналов, фильтруют и нормируют их, осуществляют в пределах квадранта арксинусное преобразование нормированных и отфильтрованных значений, определяют номер квадранта, формируют значения угла поворота вала в виде разности полученных одновременно арксинусных значений первого и второго фазных гармонических сигналов с учетом номера квадранта для каждого сигнала.