Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям угла поворота вала в код. Изобретение может быть использовано в системах автоматического управления, в АСУ ТП, в технике измерений, в приборах измерения временных интервалов и т.д.
Известен способ механической редукции числа оборотов вала в преобразователях угловых величин [1] . Суть этого способа заключается в том, что с помощью зубчатой или фрикционной связи двух или более валов изменяются число оборотов и фаза угла ведомых валов по отношению к ведущему (механическая редукция). Это позволяет создавать преобразователи с системами грубого и точного отсчетов, что повышает точность преобразования.
Однако точность их невелика, так как много подвижных и трущихся частей, мало ступеней редукции (передаточное число) на единицу объема, мало быстродействие (велика масса и габариты).
Известен способ электрической редукции числа оборотов в преобразователях угловых величин [2]. Суть этого способа заключается в том, что угловое перемещение вала преобразуется в угловые изменения электрического сигнала, создаваемого следующим образом: формируются электрические сигналы низкой частоты, соответствующие началу и концу отсчета угла (первая ступень электрической редукции), формируются электрические сигналы высокой частоты (вторая ступень электрической редукции), интервал между началом и концом отсчетов угла заполняется сигналом высокой частоты. Число импульсов, прошедших за интервал измерения, пропорционально измеряемому углу.
Недостатками этого способа являются малое число ступеней редукции, малая степень редукции, малое быстродействие.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ электрической редукции, применяемый во вращающихся многополюсных трансформаторах [3]. Суть этого способа заключается в том, что создается вращающееся магнитное поле, в котором располагаются катушки, связанные с валом. Полюса магнитного поля чередуются. Благодаря большому (например, 64) числу полюсов в катушках за один период вращения вала создается ЭДС, изменяющаяся несколько периодов (например, 64). Таким образом, механические угловые перемещения преобразуются в электрические угловые изменения выходного сигнала с применением электрической редукции.
Этот способ имеет следующие недостатки:
малую точность, что объясняется невозможностью создания магнитных полюсов с точностью до единиц-десятых долей микрометра и ограниченностью количества полюсов,
малое количество ступеней редукции,
малую степень редукции из-за ограниченного числа пар полюсов (по техническим соображениям),
малое быстродействие.
Задачей изобретения является создание способа редукции параметров объекта перемещения в параметры перемещения (положение, скорость, ускорение) цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), используя доменопродвигающие структуры, управляемые электрическими и магнитными сигналами, создаваемыми объектом перемещения, например валом, кареткой и др.
Реализация этого способа магнитной редукции позволяет обеспечить редукцию с большим числом ступеней редукции, с большой степенью редукции, высокой точностью определения углового положения вала и высоким быстродействием. Способ магнитной редукции, характеризующийся следующими существенными операциями: угловое положение вала, его угловую скорость и ускорение преобразуют в соответствующие угловые параметры колебаний электрического тока для обеспечения редукции с большим числом ступеней редукции, с большой степенью редукции, высокой точностью определения углового положения вала и быстродействия, дополнен операциями, которые осуществляют в следующий последовательности: создают на магнитном диске синусоидальную намагниченность магнитной дорожки, концентричной валу, преобразуют угловые параметры вала в -кратное значение угловых параметров намагниченности магнитной дорожки, которые преобразуют в соответствующие величины фазы и частоты электрического тока, умножают (делят) угловые параметры этих колебаний в крат, преобразуют их в угловые параметры вращательного перемещения цилиндрических магнитных доменов в раз, отличающиеся от соответствующих параметров умноженной частоты колебаний электрического тока, таким образом, угол поворота, скорость и ускорение цилиндрического магнитного домена становятся в коэффициент редукции раз больше (меньше) соответствующих параметров вала.
Суть магнитной редукции заключается в преобразовании углового перемещения вала в угловые изменения намагниченности синусоидальной сигналограммы, которые затем преобразуются в электрические сигналы, создающие последовательности магнитостатических ловушек на доменопродвигающих структурах. По этим ловушкам передвигаются ЦМД с угловой скоростью в n раз больше угловой скорости вала. При этом соблюдаются условия
где
ϕцмд,εцмд,ωцмд - угол, угловая скорость, ускорение ЦМД;
ϕв,ωв,εв - угол, угловая скорость, ускорение вала;
n - коэффициент магнитной редукции.
На фиг. 1 показан магнитный редуктор (способ магнитной редукции); на фиг. 2 - преобразователь угол - код, использующий способ магнитной редукции.
Магнитный редуктор, иллюстрирующий способ магнитной редукции, содержит магнитный диск-носитель ЦМД 1, вал 2, кронштейн 3, магнитную головку 4, первый информационный магнитный домен 5, C-образный магнит 6, токовые аппликации 7 доменопродвигающих структур, второй информационный ЦМД 8 первой ступени редукции, K-й информационный ЦМД последней ступени магнитной редукции 9, умножитель частоты со ступенями умножения (деления) 101-10k магнитную дорожку 11.
Магнитная редукция осуществляется следующим образом. На магнитном диске 1 наносится магнитная дорожка 11 концентрично валу, аналогично по окружностям разных радиусов наносятся токовые аппликации 7, на которых создаются ЦМД 8 и 9. Жестко с валом связана магнитная головка 4, перемещающаяся над магнитной дорожкой 11, на кронштейне устанавливается C-образный магнит 6, охватывающий магнитный диск 1 и создающий между полюсами первый ЦМД 5 в плоскости магнитного диска. При вращении вала 1 перемещается первый ЦМД 5. Его угол поворота на окружности, угловая скорость и угловое ускорение равны соответствующим угловым величинам вала: ϕв,ωв,εв . Одновременно перемещается и магнитная головка 4, воспроизводя синусоидальную сигналограмму в виде сигнала . Этот сигнал подается на первые токовые аппликации доменопродвигающей структуры одной окружности 7. В результате по ней перемещается второй информационный ЦМД 8, угол поворота которого на окружности токовых аппликаций
угловая скорость его будет равна
а угловое ускорение
где
- коэффициент увеличения угловых параметров намагниченности магнитной дорожки по сравнению с угловыми параметрами вала;
- коэффициент увеличения (уменьшения) угловых параметров второго информационного ЦМД по сравнению с соответствующими параметрами сигнала U на выходе магнитной головки за счет определенной конфигурации токовых аппликаций доменопродвигающих структур. Так осуществляется первая ступень редукции.
Для осуществления k-той ступени редукции производится умножение (деление) частоты электрического сигнала головки в сигнал , где - коэффициент умножения частоты электрического сигнала на выходе магнитной головки. Этот электрический сигнал подается на токовые аппликации доменопродвигающей структуры 7 другой окружности. В результате ЦМД 9, расположенный на этой окружности, перемещается со следующими угловыми параметрами:
;
;
Для обеспечения синфазирования узел устанавливается в нулевое положение и далее с помощью пускового импульса уничтожаются все ЦМД на магнитном диске и создаются в нулевых положениях на каждой окружности из аппликаций и в "компрессорах". Первый ЦМД создается за счет C-образного магнита.
Высокая точность определения угловых величин положения вала достигается за счет того, что редукция осуществляется без люфтов (без мертвых зон) и при высокой точности изготовления элементов траектории движения ЦМД (благодаря возможности применения тонкопленочной технологии). Малые размеры аппликаций и ЦМД позволяют создать большое количество фиксируемых положений ЦМД на окружности, что ведет к повышению точности. Помимо этого точность и разрешающая способность увеличиваются за счет редукции (мультипликации), так как угловое перемещение вала преобразуется в n-кратное перемещение ЦМД, положения которых фиксируются в процессе измерения.
Быстродействие обеспечивается большой скоростью движения ЦМД (до 1400 м/с) и отсутствием подвижных масс в редукторе. Перемещаются не массы, а области намагниченности (ЦМД).
Высокая степень редукции обеспечивается возможностью точной магнитной записи синусоидального сигнала с большим количеством периодов и использованием тонкопленочной технологии, что обеспечивает безлюфтовую редукцию.
Большое количество ступеней редукции обеспечивается за счет малых (микронных) размеров доменопродвигающих структур и за счет высокой подвижности ЦМД.
Используя способ магнитной редукции, можно создать преобразователь угол - код.
Известен преобразователь угловой скорости в код (авт. св. N 1795544, Б. И. N 6, 1993), содержащий магнитный диск-носитель ЦМД, ЦМД, перемещающиеся в плоскости носителя, две магнитные головки, генераторы ЦМД и аннигиляторы.
Недостатками его являются малая точность преобразования и ограниченная возможность увеличения быстродействия.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является преобразователь угла поворота вала в код [4], содержащий магнитный диск-носитель ЦМД, вал, две магнитные головки, два информационных ЦМД, пермаллоевые аппликации первой и второй доменопродвигающих структур, два генератора ЦМД, аннигилятор, генератор импульсов, шину "Пуск", блок формирования вращающегося магнитного поля, блок разрешения выдачи кода, два формирователя измерительных интервалов, выходы которых через первую и вторую схемы И подключены соответственно входам счетчиков грубого и точного измерения, выходы которых через блок ключей и выходной регистр соединены с выходной шиной.
Недостатками этого преобразователя являются малые быстродействие и точность при значительных весогабаритных параметрах.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в применении способа магнитной редукции для повышения точности и быстродействия преобразователя при уменьшении весогабаритных параметров.
Предлагаемый преобразователь угол - код, характеризуемый тем, что он содержит магнитный диск-носитель цилиндрических магнитных доменов, вал, две магнитные головки, два информационных цилиндрических магнитных домена, два ряда пермаллоевых аппликаций доменопродвигающих структур, два генератора цилиндрических магнитных доменов, общий аннигилятор, генератор импульсов, шину "Пуск", блок, формирующий вращающееся магнитное поле, блок разрешения выдачи кода, два формирователя измерительных интервалов, входы которых через первую и вторую схемы И подключены соответственно к входам счетчиков грубого и точного измерения, выходы которых через блок ключей и выходной регистр соединены с выходной шиной, отличается тем, что для повышения точности и быстродействия при уменьшении весогабаритных параметров в него введены аннигилятор цилиндрических магнитных доменов в магнитных триггерах, пермаллоевые аппликации первого и второго "компрессоров", один ряд токовых аппликаций доменопродвигающей структуры, два магнитных триггера на пермаллоевых аппликациях, схема совпадения, четыре детектора цилиндрических магнитных доменов, магнитная дорожка, кронштейн с C-образным постоянным магнитом, блок приведения схемы в исходное положение, элемент задержки, синхронизирующая шина, два рабочих цилиндрических магнитных домена. Магнитная дорожка, намагниченность которой синусоидальна, расположена по концентрической окружности на периферии магнитного диска, а над нею расположены две потокочувствительные магнитные головки, связанные кронштейном с валом, и расстояние между ними определяется сдвигом на 90o синусоидальной намагниченности. На второй концентрической окружности располагается первый информационный цилиндрический магнитный домен, удерживаемый C-образным магнитом, который связан с валом. На третьей окружности нанесены пермаллоевые аппликации первой доменопродвигающей структуры с первым рабочим цилиндрическим магнитным доменом, на четвертой окружности - пермаллоевые аппликации первого "компрессора", на пятой окружности - токовые аппликации с вторым информационным цилиндрическим магнитным доменом, на шестой окружности нанесены пермаллоевые аппликации второй доменопродвигающей структуры с вторым рабочим цилиндрическим магнитным доменом, на седьмой окружности - пермаллоевые аппликации второго "компрессора". Выходные концы "компрессоров" соединены с магнитными триггерами, выходы которых соединены с детекторами цилиндрических магнитных доменов. В нулевых положениях рабочих цилиндрических магнитных доменов установлены их детекторы, генераторы цилиндрических магнитных доменов установлены под аппликациями "компрессоров" и в нулевых положениях цилиндрических магнитных доменов. C-образный магнит с первым информационным цилиндрическим магнитным доменом располагается в зоне взаимодействия с первым рабочим цилиндрическим магнитным доменом, а второй информационный цилиндрический магнитный домен - в зоне взаимодействия с вторым рабочим цилиндрическим магнитным доменом. Выходы детекторов в нулевых положениях доменов соединены с первыми входами формирователей измерительных интервалов, а выходы детекторов, связанных с магнитными триггерами, - с вторыми их входами, все четыре выхода детекторов соединены с входами схемы И, выход которой соединен через общий аннигилятор с генератором цилиндрических магнитных доменов. Вторые входы первой и второй схем И и блок, формирующий вращающееся магнитное поле, соединены с генератором импульсов. Выходы детекторов цилиндрических магнитных доменов, связанных с магнитными триггерами, соединены с входами блока разрешения выдачи кода, выход которого соединен с вторым входом выходного регистра и через элемент задержки с третьим входом блока ключей, с синхронизирующей шиной и с входом блока приведения схемы в исходное положение, вторым входом которого является шина "Пуск", а выход соединен с вторыми входами счетчиков и через аннигиляторы доменов в магнитных триггерах с генератором рабочих цилиндрических магнитных доменов в нулевых положениях доменопродвигающих структур. Выходы магнитных головок соединены с токовыми аппликациями.
На фиг. 2 представлена схема преобразователя угол - код, использующего способ магнитной редукции.
Преобразователь содержит магнитный диск-носитель ЦМД 1, вал 2, кронштейн 3, магнитную головку 4, первый информационный ЦМД 5, C-образный магнит 6, ряд токовых аппликаций 7 доменопродвигающих структур, второй информационный ЦМД 8, магнитную дорожку 11, вторую магнитную головку 12, первый ряд пермаллоевых аппликаций доменопродвигающих структур 13, второй ряд пермаллоевых аппликаций доменопродвигающих структур 14, первый ряд пермаллоевых аппликаций "компрессора" 15, второй ряд пермаллоевых аппликаций "компрессора" 16, первый магнитный триггер 17, второй магнитный триггер 18, первый детектор ЦМД 19, второй детектор ЦМД 20, первый рабочий ЦМД 21, второй рабочий ЦМД 22, детектор нулевого положения рабочего ЦМД 23, детектор нулевого положения второго рабочего ЦМД 24, ЦМД первого "компрессора" 25, ЦМД второго "компрессора" 26, генераторы ЦМД 27, аннигилятор 28, генератор импульсов 29, блок 30, формирующий вращающееся магнитное поле, первый формирователь измерительного интервала 31 второй формирователь измерительного интервала 32, первую схему И 33, вторую схему И 34, счетчик грубого измерения 35, счетчик точного измерения 36, блок ключей 37, выходной регистр 38, выходную шину 39, синхронизирующую шину 40, блок приведения схемы в исходное положение 41, блок разрешения выдачи кода 42, элемент задержки 43, общий аннигилятор 44, общий генератор 45, схему И 46.
Преобразователь угол - код работает следующим образом.
При повороте вала 2 на какой-либо угол ϕ вместе с ним перемещается C-образный магнит 6, между полюсами которого на магнитном диске 1 создается первый информационный ЦМД 5, перемещающийся совместно с валом. Две потокочувствительные магнитные головки 4 и 12, установленные на кронштейне 3 со сдвигом 90oC над синусоидальной сигналограммой магнитной дорожки 11, вырабатывают два электрических сигнала: и , которые подаются на токовые аппликации 7, вызывая движение второго информационного ЦМД 8 по траектории токовых аппликаций 13. При этом угловые параметры движения этого домена будут в n раз больше:
.
Под действием вращающегося магнитного поля, создаваемого блоком 30, по пермалоевым YI аппликациям первой 13 и второй 14 доменопродвигающих структур перемещаются соответственно первый рабочий ЦМД 21 и второй рабочий ЦМД 22. Рабочие ЦМД 21 и 22 передвигаются с постоянной скоростью на несколько порядков выше максимальной скорости вала под действием вращающегося магнитного поля. Когда рабочие ЦМД проходят нулевое положение, детекторы 23 и 24 вырабатывают электрические сигналы, которые подаются на первые входы формирователей измерительных интервалов 31 и 32. Когда рабочие ЦМД 21 и 22 проходят возле информационных ЦМД 5 и 8, они отталкиваются от последних и переходят, соответственно, на первый и второй "компрессоры" 15 и 16. "Компрессоры" срабатывают и на их концах появляются ЦМД, которые вызывают соответственно срабатывание первого магнитного триггера 17 и второго магнитного триггера 18. Возле этих триггеров расположены первый 19 и второй 20 детекторы ЦМД, которые вырабатывают электрические сигналы при наличие ЦМД в триггерах. Эти электрические сигналы подаются на вторые входы формирователей 31 и 32 измерительных интервалов.
На выходе первого формирователя 31 измерительного интервала появляется импульс, длительность которого равна времени продвижения первого рабочего ЦМД 21 от нулевого положения до текущего положения вала (грубый отсчет). На выходе второго формирователя 32 измерительного интервала появляется импульс, длительность которого равна времени пробегания рабочего ЦМД от нулевого положения до встречи с вторым информационным ЦМД (точное измерение).
Эти импульсы с выхода формирователей измерительных интервалов и импульсы генератора импульсов 29 подаются на первую и вторую схемы И 33 и 34, на выходах которых появляются пачки импульсов. Число импульсов в первой пачке соответствует грубому измерению угла поворота вала, а во второй - точному. Эти импульсы подсчитываются в счетчиках грубого измерения 35 и точного измерения 36.
Угол грубого отсчета равен ϕг = K1•N1, , где K1 - весовой коэффициент ступени грубого отсчета (угловой градус/импульс), зависит от шага пермаллоевых аппликаций и радиуса их траекторий; N1 - число импульсов генератора, прошедших за время измерительного интервала грубого отсчета.
Угол точного отсчета равен ϕт = K2•N2, , где K2 - весовой коэффициент ступени точного отсчета (угловой градус/импульс), зависит от шага токовых и пермаллоевых аппликаций и радиуса траекторий их доменопродвигающих структур; N2 - число импульсов генератора, прошедших за время измерительного интервала точного отсчета.
Результат измерения угла представляется в выходном регистре как сумма ϕг и ϕт ; ϕ = ϕг + ϕт = K2•N2 + K1•N1. .
По окончании счета импульсов в обоих счетчиках, что соответствует появлению электрических сигналов с детекторов 19 и 20, срабатывает блок разрешения выдачи кода 42, представляющий собой схему совпадения с импульсным выходом. Импульс с выхода блока разрешения выдачи кода 42 осуществляет сброс предшествующего результата измерения в выходном регистре 38, а через элемент задержки 43 подается сигнал на блок ключей 37, которые, открываясь, передают в выходной регистр 38 результаты грубого измерения (старшие разряды регистра) и точного измерения (младшие разряды регистра).
На выходной шине 39 появляется новый код, а на синхронизирующей 40 - импульс. Помимо этого синхронизирующий импульс подается на блок приведения схемы в исходное состояние 41. При срабатывании блока 41 приведения схемы в исходное состояние аннигилятор 28 уничтожает домены в магнитных триггерах 17 и 18, а генераторы ЦМД 27 создают рабочие ЦМД в нулевых положениях доменопродвигающих структур 13 и 14 с пермаллоевыми аппликациями. Таким образом схема преобразователя приводится в исходное состояние и начинается новый цикл ее работы.
Генераторы ЦМД 27 представляют собой последовательность полуокружностей из проводника, представляющего собой продолжение аннигиллятора 28. Однако магнитное поле генераторов ЦМД направлено навстречу магнитному полю аннигилятора и сильнее последнего. Приведение схемы в исходное состояние можно осуществить путем подачи сигнала "Пуск" вручную. При нулевом положении вала, когда на все входы формирователей 31 и 32 измерительного интервала поступают сигналы, срабатывает схема И 46, выходной импульс которой поступает на общий аннигилятор 44 уничтожающий все домены, и на общий генератор 45, создающий ЦМД в "компрессорах" и в нулевых положениях доменопродвигающих структур (в том числе и токовые). Это необходимо для обеспечения синфазирования первого и второго информационных ЦМД.
Преобразователи с применением магнитной редукции позволяют осуществлять измерения угловых величин с точностью до единиц и долей угловой секунды. Это обеспечивается высокой точностью тонкопленочной технологии (ширина аппликации 0,25 мкм) отсутствием люфтов. Помимо этого весогабаритные параметры преобразователей уменьшаются на несколько порядков.
Способ магнитной редукции позволяет создавать преобразователи практически мгновенной угловой скорости и ускорения с высокой точностью.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД | 1997 |
|
RU2137296C1 |
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В КОД | 2009 |
|
RU2400014C1 |
Преобразователь угловой скорости вала в код | 1990 |
|
SU1795544A1 |
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА, УГЛОВОЙ СКОРОСТИ И УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ ВАЛА В КОД | 2004 |
|
RU2280322C1 |
Генератор цилиндрических магнитных доменов | 1977 |
|
SU720506A1 |
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПУТИ И ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В КОД | 2012 |
|
RU2516382C1 |
ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ ВАЛА | 2003 |
|
RU2278389C2 |
Преобразователь угла поворота вала в код | 1985 |
|
SU1280700A1 |
ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА | 2010 |
|
RU2441245C2 |
Генератор цилиндрических магнитных доменов | 1977 |
|
SU705516A1 |
Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям угла поворота вала в код и может быть использовано в измерительной технике, в АСУ ТП и контроля. Целью изобретения является повышение точности. Согласно способу угловые перемещения вала преобразуются в электрические сигналы, создающие последовательности магнитостатических ловушек на доменопродвигающих структурах, по этим ловушкам передвигаются цилиндрические магнитные домены с угловой скоростью в n раз больше угловой скорости вала. При этом соблюдаются условия: угловые перемещения, скорость и ускорение ЦМД в n раз больше (меньше) соответствующих параметров вала, Где n - коэффициент магнитной редукции. Преобразователь угол-код, реализующий способ магнитной редукции, содержит в качестве основных блоков носитель цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), магнитные головки, обнаружители ЦМД, генератор и счетчики с логикой управления, обеспечивающие формирование выходного результата преобразования путем суперпозиции грубого и точного отсчетов, формируемых одновременно с помощью магнитной редукции. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Справочник конструктора РЭА/Под ред | |||
Р.Г.Варламова | |||
- М.: Радио и связ ь, 1985, с.76 | |||
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
SU, авторское свидетельство, 492901, кл | |||
Топка с несколькими решетками для твердого топлива | 1918 |
|
SU8A1 |
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Ахмеджанов А.А | |||
Электромеханические преобразователи угла с электрич еской редукцией | |||
- М.: Энергия, 1978, с.3 - 7, 48 - 51 | |||
Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды | 1921 |
|
SU4A1 |
SU, авторское с видетельство, 1410273, кл | |||
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Авторы
Даты
1998-07-10—Публикация
1994-02-03—Подача