ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА Российский патент 2005 года по МПК H03M1/48 

Изобретение относится к области цифрового преобразования угла и может найти применение в цифровых системах наведения для повышения точности преобразования угла в код и для поддержания ее в процессе всего срока эксплуатации, несмотря на воздействие неблагоприятных факторов.

Известен цифровой преобразователь угла (преобразователь угла поворота вала в код) следящего типа, выбранный в качестве аналога, содержащий: двухфазный датчик угла (синусно-косинусный вращающийся трансформатор), два функциональных цифроаналоговых преобразователя (функциональные делители), управляемые кодами реверсивного счетчика, сумматор, демодулятор (фазовый детектор) и преобразователь напряжения в частоту (О.А.Хайнацкий. Преобразователь угла поворота вала в код. Авторское свидетельство №896654, опубликовано 07.01.82, бюллетень №1). В таком цифровом преобразователе угла (ЦПУ) код реверсивного счетчика отслеживает текущее угловое положение вала двухфазного датчика угла (ДУ). С целью повышения точности преобразования в нем в цепь управления демодулятора канала рассогласования введен фазосдвигающий элемент, вход которого соединен с выходом генератора напряжения возбуждения ДУ (генератор опорного напряжения).

Следует отметить, что указанный положительный эффект в таком преобразователе не сохраняется при широком диапазоне изменения температуры окружающей среды, а также при воздействии других негативных факторов, например фактора старения.

Известен также ЦПУ следящего типа (В.М.Домрачев, Г.Ф.Мончак, А.П.Синицын и И.П.Сигачев. Преобразователь угла поворота вала в код. Авторское свидетельство №1580556, опубликовано 23.07.90, бюллетень №27), выбранный в качестве прототипа, наиболее близкий к предлагаемому, в котором опорное напряжение демодулятора канала рассогласования формируется не фазосдвигающим элементом, а путем преобразования выходных сигналов ДУ с помощью усилителя-формирователя, двух демодуляторов (фазочувствительные выпрямители) с выходными интегрирующими звеньями (в опубликованном описании не отмечены), двух управляемых аналоговых инверторов и суммирующего усилителя с большим коэффициентом усиления. Такое техническое решение обеспечивает точное фазированное выпрямление сигнала рассогласования при воздействии негативных факторов на ЦПУ и, как следствие, повышает точность работы ЦПУ.

Однако точность преобразования аналога и прототипа ограничивается начальными инструментальными составляющими погрешности ДУ и функциональных цифроаналоговых преобразователей (ФЦАП) и изменением этих погрешностей в процессе эксплуатации.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности преобразования за счет предварительного выявления, фиксации текущей погрешности преобразования угла в код и последующего автоматизированного устранения выявленной погрешности компенсационным методом.

Предварительно следует отметить:

- в аналоге и прототипе (по отношению к предлагаемому устройству) в упрощенной форме представлена цепь управления выходным сигналом демодулятора канала рассогласования кодом реверсивного счетчика. Известно, что для нормального функционирования в этой цепи, кроме представленного преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ), должны использоваться корректирующее звено (RC-фильтр) и анализатор знака сигнала рассогласования (устройство сравнения уровня выпрямленного сигнала рассогласования ЦПУ и уровня нулевого напряжения), устанавливающий режим "прямого-обратного" счета реверсивного счетчика (Следящие приводы: В 3 т., 2-е изд., перераб. и доп. /Под ред. Б.К.Чемоданова. Т.2: Электрические следящие приводы / Е.С.Блейз, В.Н.Бродовский, В.А.Введенский и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - 880 с.: ил.). В предлагаемом устройстве узел, объединяющий ПНЧ и устройство сравнения, получил обобщенное наименование «формирователь управляющих сигналов (ФУС)» реверсивного счетчика;

- в прототипе, также в упрощенной форме по отношению к известным техническим решениям, представлены цепи управления первым и вторым ФЦАП от кода реверсивного счетчика;

- в прототипе в цепях управления аналоговыми инверторами от соответствующих демодуляторов не показаны необходимые для нормального функционирования инверторов интегрирующие звенья, включенные на выходе демодуляторов.

В описании предлагаемого устройства отмеченные недостатки устранены и функциональная схема представлена в полном объеме.

Поставленная задача повышения точности преобразования решается следующим образом. В ЦПУ, выбранный в качестве прототипа, содержащий: двухфазный датчик угла с напряжением U_B возбуждения переменного тока, первый и второй функциональные цифроаналоговые преобразователи, первый и второй блоки цифровых инверторов, первый и второй суммирующие усилители, первый, второй и третий демодуляторы, корректирующее звено, формирователь управляющих сигналов, двоичный реверсивный n-разрядный счетчик (далее - реверсивный счетчик), первый усилитель-формирователь, первое и второе интегрирующие звенья, первый и второй управляемые аналоговые инверторы, при этом напряжение возбуждения датчика угла подключено к входу первого усилителя-формирователя, фазные выходы датчика угла подключены соответственно к аналоговым входам первого и второго управляемых аналоговых инверторов и входам преобразуемого напряжения второго и третьего демодуляторов, выходы последних соответственно через первое и второе интегрирующие звенья подключены к управляющим входам первого и второго управляемых аналоговых инверторов, их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего усилителя, объединенные управляющие входы второго и третьего демодуляторов подключены к выходу первого усилителя-формирователя, цифровые входы первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей через первый и второй блоки цифровых инверторов подключены соответственно к поразрядным выходам реверсивного счетчика, код которого является выходом цифрового преобразователя угла, выход первого суммирующего усилителя через первый демодулятор и корректирующее звено подключен к входу формирователя управляющих сигналов реверсивного счетчика, вход «прямого - обратного» счета реверсивного счетчика подключен к первому выходу формирователя управляющих сигналов, а счетный вход реверсивного счетчика - к второму выходу формирователя управляющих сигналов, дополнительно введены: первый и второй вычитающие усилители, третий, четвертый и пятый суммирующие усилители, первый, второй и третий коммутаторы, первый, второй и третий цифровые инверторы, второй усилитель-формирователь, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые аналоговые инверторы, перепрограммируемое запоминающее устройство, линейный цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, амплитудно-частотный нормализатор (интегрирующее звено типа RC), четвертый демодулятор, третье интегрирующее звено, шины ПЕРЕЗАПИСЬ и КОНТРОЛЬ. При этом первый фазный выход датчика угла подключен к аналоговому входу первого функционального цифроаналогового преобразователя, второй фазный выход датчика угла подключен к аналоговому входу второго функционального цифроаналогового преобразователя, выход первого функционального цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу третьего суммирующего усилителя, к первому входу первого вычитающего усилителя и к аналоговому входу третьего управляемого аналогового инвертора, выход второго функционального цифроаналогового преобразователя подключен к второму входу третьего суммирующего усилителя и к второму входу первого вычитающего усилителя, выходы третьего суммирующего усилителя и первого вычитающего усилителя через первый коммутатор подключены к первому входу первого суммирующего усилителя, управляющий вход первого коммутатора подключен к второму разряду реверсивного счетчика, адресные входы перепрограммируемого запоминающего устройства соединены с поразрядными выходами реверсивного счетчика, информационные выходы - с поразрядными входами линейного цифроаналогового преобразователя, его входные шины - с выходными шинами аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход ПЕРЕЗАПИСЬ перепрограммируемого запоминающего устройства - с аналогичной входной шиной ЦПУ, выход корректирующего звена через амплитудно-частотный нормализатор подключен к шине КОНТРОЛЬ и к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, вход опорного напряжения которого через третье интегрирующее звено и четвертый демодулятор подключен к выходу второго суммирующего усилителя, вход опорного напряжения четвертого демодулятора подключен к выходу первого усилителя-формирователя, управляющий вход третьего управляемого аналогового инвертора подключен к первому разряду реверсивного счетчика и к первому входу первого цифрового инвертора, второй вход первого цифрового инвертора через второй усилитель-формирователь подключен к входу опорного напряжения линейного цифроаналогового преобразователя и к выходу второго суммирующего усилителя, выход первого цифрового инвертора подключен к входу опорного напряжения первого демодулятора, выход линейного цифроаналогового преобразователя подключен к второму входу первого суммирующего усилителя, третий вход второго суммирующего усилителя подключен к выходу третьего управляемого аналогового инвертора и к первому входу пятого суммирующего усилителя, выход второго управляемого инвертора подключен к первому входу второго вычитающего усилителя и к первому входу третьего коммутатора, выход первого управляемого аналогового инвертора подключен к вторым входам второго вычитающего усилителя и третьего коммутатора, выход которого подключен к второму входу пятого суммирующего усилителя и к первому входу второго коммутатора, выход второго вычитающего усилителя подключен к аналоговому входу четвертого управляемого инвертора, выход четвертого управляемого аналогового инвертора подключен к второму входу второго коммутатора, управляющий вход которого через второй цифровой инвертор подключен к третьему и четвертому разрядам реверсивного счетчика, выход второго коммутатора подключен к первому входу четвертого суммирующего усилителя, второй вход которого подключен к выходу пятого суммирующего усилителя и аналоговому входу шестого управляемого аналогового инвертора, второй и третий разряд реверсивного счетчика через третий цифровой инвертор подключены к управляющим входам третьего коммутатора и четвертого управляемого аналогового инвертора. Выход четвертого суммирующего усилителя подключен к аналоговому входу пятого управляемого аналогового инвертора, управляющие входы пятого и шестого управляемых инверторов подключены соответственно к четвертому и третьему разрядам реверсивного счетчика, а их выходы - к соответственно третьему и четвертому входу первого суммирующего усилителя.

К основным признакам, отличающим предлагаемый цифровой преобразователь угла от наиболее близкого к нему ЦПУ, выбранному в качестве прототипа, относится наличие: перепрограммируемого запоминающего устройства; аналого-цифрового преобразователя; амплитудно-частотного нормализатора; линейного цифроаналогового преобразователя, управляемого аналогового инвертора выходного сигнала первого функционального цифроаналогового преобразователя; демодулятора выходного сигнала второго суммирующего усилителя с интегрирующим звеном на выходе демодулятора; шин ПЕРЕЗАПИСЬ и КОНТРОЛЬ, а также необходимых функциональных связей, описанных выше.

На фиг.1 и 2 приведена функциональная схема предлагаемого ЦПУ, которая содержит двухфазный датчик угла (ДУ) 1, первый и второй функциональные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП) 2 и 4, первый, второй, третий, четвертый и пятый суммирующие усилители (СУ) 20, 27, 3, 35 и 38, первый и второй вычитающие усилители (ВУ) 5 и 32, первый, второй и третий коммутаторы (К) 6, 34 и 37, первый и второй блоки цифровых инверторов (БЦИ) 7 и 10, первый, второй и третий цифровые инверторы (ЦИ) 11, 31 и 40, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, реверсивный счетчик (РСЧ) 16, формирователь управляющих сигналов реверсивного счетчика (ФУС) 17, корректирующее звено (Корр) 18, первый, второй, третий, четвертый демодуляторы (Д) 19, 21, 28 и 26, первое, второе, третье интегрирующие звенья (ИЗ) 22, 29 и 25, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые аналоговые инверторы (УАИ) 23, 30, 8, 33, 36 и 39, первый и второй усилители-формирователи (УФ) 24 и 9, перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) 12, линейный цифроаналоговый преобразователь 13, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, амплитудно-частотный нормализатор (АЧН) 15, шина 41 ПЕРЕЗАПИСЬ и шина 42 КОНТРОЛЬ.

Работа ЦПУ осуществляется следующим образом. При возбуждении датчика угла 1 напряжением U_B переменного тока на его выходных обмотках индуцируются напряжения U₁(α) и U₂(α). Эти напряжения поступают соответственно на аналоговые входы функциональных цифроаналоговых преобразователей 2 и 4, на выходах которых формируются напряжения

U₁(α,β)=U₁(α)U₁(β) и U₂(α,β)=U₂(α)U₂(β),

где α - угловое положение вала (ротора) ДУ, β - текущее значение кода реверсивного счетчика 16 в угловой мере;

U₁(β)≅|cos(β)|, U₂(β)≅|sin(β)| - коэффициенты передачи соответственно цифроаналоговых преобразователей 2 и 4.

С помощью вычитающего усилителя 5, суммирующего усилителя 3 и коммутатора 6, управляемого от 2-го разряда реверсивного счетчика, формируется сигнал рассогласования. После прохождения сигнала рассогласования через суммирующий усилитель 20 он поступает на вход демодулятора 19 в виде напряжения переменного тока, амплитудное значение которого характеризует текущее расхождение α и β. Необходимая для функционирования ЦПУ на всех четырех квадрантах фазировка по несущей частоте между напряжением рассогласования и напряжением возбуждения датчика угла обеспечивается изменением на 180° фазы опорного напряжения демодулятора 19 с помощью цифрового инвертора 11, управляемого старшим разрядом реверсивного счетчика и выходом усилителя-формирователя 9, который преобразует синусоидальное опорное напряжение переменного тока в прямоугольное напряжение с двумя логическими уровнями.

Указанное опорное напряжение с минимальной модуляцией амплитуды и синфазное по отношению к выходным напряжениям датчика угла формируется с помощью демодуляторов 21 и 28, интегрирующих звеньев 22 и 29, управляемых аналоговых инверторов 23 и 30, суммирующего усилителя 27 и снимается с выхода последнего. Выпрямленное с помощью демодулятора 19 напряжение рассогласования через корректирующее звено 18 поступает в формирователь 17 управляющих сигналов реверсивного счетчика. На одном из выходов этого формирователя образуется импульсная частотная последовательность, причем частота пропорциональна величине модуля напряжения рассогласования. Частотная последовательность поступает на счетный вход реверсивного счетчика. На другом выходе формирователя образуется двухуровневый логический сигнал, который поступает на вход управления направлением счета. Счетчик управляет работой функциональных цифроаналоговых преобразователей через блоки 7 и 10 цифровых инверторов, а также выдает информацию в цифровом виде об угловом положении на выходную цифровую шину ЦПУ.

Для компенсации погрешности ЦПУ, имеющий вид sin4α, образован первый корректирующий канал, включающий коммутатор 37, цифровой инвертор 40, суммирующий усилитель 38 и управляемый аналоговый инвертор 39. Выходной сигнал первого корректирующего канала поступает на четвертый вход первого суммирующего усилителя 20.

Для компенсации погрешности ЦПУ, имеющей вид sin8α, образован второй корректирующий канал, состоящий из вычитающего усилителя 32, управляемых инверторов 33 и 36, коммутатора 34, цифрового инвертора 31 и суммирующего усилителя 35. Выходной сигнал второго корректирующего канала поступает на третий вход первого суммирующего усилителя 20.

Для компенсации более высокочастотных составляющих погрешности ЦПУ образован третий корректирующий канал, состоящий из амплитудно-частотного нормализатора 15, позволяющего при определенных условиях определить текущую погрешность преобразования в виде изменяющегося по углу напряжения постоянного тока, аналого-цифрового преобразователя 14, перепрограммируемого запоминающего устройства 12 и линейного цифроаналогового преобразователя 13, с помощью которого минимизируется выявленная текущая погрешность. Выявление погрешности и ее последующая минимизация осуществляются автоматически в режиме, при котором проявляются широко известные фильтрующие свойства ЦПУ как следящей системы, при задании ротору ДУ определенной угловой скорости.

Для автоматической компенсации выявленной погрешности сигнал с выхода амплитудно-частотного нормализатора 15 (интегрирующее звено типа RC) поступает на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя 14. Значения его выходного кода адресно с опорой на текущие значения rjlf реверсивного счетчика записываются в перепрограммируемое запоминающее устройство 12, при подаче на внешнюю шину ПЕРЕЗАПИСЬ разрешающего сигнала. Массив кодов перепрограммируемого запоминающего устройства 12 после отключения сигнала ПЕРЕЗАПИСЬ, также с опорой на текущие значения кодов реверсивного счетчика, управляет коэффициентом передачи линейного цифроаналогового преобразователя 13, выход которого подключен к четвертому входу первого суммирующего усилителя. С минимизированной погрешностью ЦПУ будет работать в диапазоне рабочих скоростей до тех пор, пока не потребуется либо проконтролировать текущую погрешность преобразования, либо провести ее очередную минимизацию.

Следует обратить внимание не только на возможность минимизации погрешности преобразования в процессе эксплуатации, но и на то обстоятельство, что указанные операции могут выполняться без вывода ЦПУ из состава объекта регулирования, в котором он применен.

Изобретение относится к области цифрового преобразования угла и может найти применение в цифровых системах наведения для обеспечения точного управления в процессе всего срока эксплуатации. Изобретением достигается результат, заключающийся в поддержании начальной точности преобразования угла в код путем автоматической компенсации составляющих погрешностей вида sin4α, sin8α и погрешностей более высокого порядка, которые могут появиться в процессе эксплуатации ЦПУ. Для этого не требуется демонтировать ЦПУ из объекта управления, а в самом ЦПУ используется обычный двухфазный, а не специальный датчик угла. Технический результат достигается за счет оперативного определения в режиме функционального контроля текущей погрешности преобразования угла в код, формирования соответствующего массива кодов коррекции, хранения этого массива в перепрограммируемом запоминающем устройстве и использования его для формирования аналогового корректирующего сигнала в рабочем режиме функционирования. Указанный массив кодов формируется аналого-цифровым преобразователем, введенным в состав устройства, а корректирующий сигнал формируется цифроаналоговым преобразователем, также введенным в состав ЦПУ. 2 ил.

Цифровой преобразователь угла следящего типа, содержащий двухфазный датчик угла, первый и второй функциональные цифроаналоговые преобразователи, первый и второй блоки цифровых инверторов, первый и второй суммирующие усилители, первый, второй и третий демодуляторы, корректирующее звено, формирователь управляющих сигналов, двоичный реверсивный n-разрядный счетчик, первый усилитель-формирователь, первое и второе интегрирующие звенья, первый и второй управляемые аналоговые инверторы, при этом обмотка возбуждения датчика угла подключена к входу первого усилителя-формирователя, фазные выходы датчика угла подключены соответственно к аналоговым входам первого и второго управляемых аналоговых инверторов и входам преобразуемого напряжения второго и третьего демодуляторов, выходы которых соответственно через первое и второе интегрирующие звенья подключены к управляющим входам первого и второго управляемых аналоговых инверторов, их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго суммирующего усилителя, объединенные управляющие входы второго и третьего демодуляторов подключены к выходу первого усилителя-формирователя, цифровые входы первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей через первый и второй блоки цифровых инверторов подключены соответственно к поразрядным выходам упомянутого реверсивного счетчика, код которого является выходом цифрового преобразователя угла, выход первого суммирующего усилителя через первый демодулятор и корректирующее звено подключен к входу формирователя управляющих сигналов, вход "прямого - обратного" счета реверсивного счетчика подключен к первому выходу формирователя управляющих сигналов, а счетный вход реверсивного счетчика - к второму выходу формирователя управляющих сигналов, отличающийся тем, что в него введены первый и второй вычитающие усилители, третий, четвертый и пятый суммирующие усилители, первый, второй и третий коммутаторы, первый, второй и третий цифровые инверторы, второй усилитель-формирователь, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые аналоговые инверторы, перепрограммируемое запоминающее устройство, линейный цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, амплитудно-частотный нормализатор, четвертый демодулятор, третье интегрирующее звено, шины ПЕРЕЗАПИСЬ и КОНТРОЛЬ, при этом первый фазный выход датчика угла подключен к аналоговому входу первого функционального цифроаналогового преобразователя, второй фазный выход датчика угла подключен к аналоговому входу второго функционального цифроаналогового преобразователя, выход первого функционального цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу третьего суммирующего усилителя, первому входу первого вычитающего усилителя и к аналоговому входу третьего управляемого аналогового инвертора, выход второго функционального цифроаналогового преобразователя подключен к второму входу третьего суммирующего усилителя и к второму входу первого вычитающего усилителя, выходы третьего суммирующего усилителя и первого вычитающего усилителя через первый коммутатор подключены к первому входу первого суммирующего усилителя, управляющий вход первого коммутатора подключен к второму разряду поразрядного выхода реверсивного счетчика, адресные входы перепрограммируемого запоминающего устройства подключены к поразрядным выходам реверсивного счетчика, информационные выходы - к поразрядным входам цифроаналогового преобразователя, его входные шины - к выходным шинами аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход ПЕРЕЗАПИСЬ перепрограммируемого запоминающего устройства - к аналогичной входной шине ЦПУ, выход корректирующего звена через амплитудно-частотный нормализатор подключен к шине КОНТРОЛЬ и аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, выход второго суммирующего усилителя подключен к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя через четвертый демодулятор и третье интегрирующее звено, вход опорного напряжения четвертого демодулятора подключен к выходу первого усилителя-формирователя, управляющий вход третьего управляемого аналогового инвертора подключен к первому разряду поразрядного выхода реверсивного счетчика и первому входу первого цифрового инвертора, второй вход первого цифрового инвертора через второй усилитель-формирователь подключен к входу опорного напряжения линейного цифроаналогового преобразователя и выходу второго суммирующего усилителя, выход первого цифрового инвертора подключен к входу опорного напряжения первого демодулятора, выход цифроаналогового преобразователя подключен к второму входу первого суммирующего усилителя, третий вход второго суммирующего усилителя подключен к выходу третьего управляемого аналогового инвертора и первому входу пятого суммирующего усилителя, выход второго управляемого инвертора подключен к первому входу второго вычитающего усилителя и первому входу третьего коммутатора, выход первого управляемого аналогового инвертора подключен к вторым входам второго вычитающего усилителя и третьего коммутатора, выход которого подключен к второму входу пятого суммирующего усилителя и первому входу второго коммутатора, выход второго вычитающего усилителя подключен к аналоговому входу четвертого управляемого инвертора, выход четвертого управляемого аналогового инвертора подключен к второму входу второго коммутатора, управляющий вход которого через второй цифровой инвертор подключен к третьему и четвертому разрядам поразрядного выхода реверсивного счетчика, выход второго коммутатора подключен к первому входу четвертого суммирующего усилителя, второй вход которого подключен к выходу пятого суммирующего усилителя и аналоговому входу шестого управляемого аналогового инвертора, второй и третий разряд поразрядного выхода реверсивного счетчика через третий цифровой инвертор подключены к управляющим входам третьего коммутатора и четвертого управляемого аналогового инвертора, выход четвертого суммирующего усилителя подключен к аналоговому входу пятого управляемого аналогового инвертора, управляющие входы пятого и шестого управляемых инверторов подключены соответственно к четвертому и третьему разрядам поразрядного выхода реверсивного счетчика, а их выходы - соответственно к третьему и четвертому входам первого суммирующего усилителя.