ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА Российский патент 2007 года по МПК H03M1/48 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к элементам цифровых систем управления угловым положением подвижных частей объекта регулирования.

Известен цифровой преобразователь угла (ЦПУ), выбранный в качестве аналога, содержащий: двухфазный датчик угла с выходными зависимостями по угловому положению α его ротора, близкими к функциям вида sinα и cosα, аналого-цифровой преобразователь выходных сигналов двухфазного датчика угла в соответствующий выходной двоичный код N_ЦПУ и микропроцессор (А.А. Ахметжанов и др. Высокоточные преобразователи угловых перемещений. Под общей редакцией А.А. Ахметжанова. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 128 с.: ил.).

Недостатком такого ЦПУ является ограничение точности преобразования из-за приближенных вычислений кодов N_КОРР(N_ЦПУ) коррекции погрешности преобразования, при которых не учитываются составляющие второго порядка малости и величины высших пространственных гармоник выходных зависимостей датчиков угла.

Известен также ЦПУ следящего типа (Н.Н. Воронин и др. Цифровой преобразователь угла. Патент RU №2259631, приоритет 16.07.2003 года, опубликовано 27.08.2005 года, бюллетень №24), выбранный в качестве прототипа, наиболее близкий к предлагаемому, содержащий: двухфазный датчик угла с выходными зависимостями по углу α, близкими к функциям вида sinα и cosα, первый и второй однополярные функциональные цифроаналоговые преобразователи (их коэффициенты передачи соответствуют функциям вида |cosβ| и |sinβ|, где β - значение выходного кода N_ЦПУ цифрового преобразователя угла в угловой мере) с соответствующими (n-2)-разрядными блоками цифровых инверторов, суммирующий и вычитающий усилители с коммутатором их выходных напряжений, суммирующий усилитель выходных напряжений коммутатора и цифроаналогового преобразователя, демодулятор выходного сигнала указанного суммирующего усилителя с усилителем-формирователем и цифровым инвертором в цепи его опорного напряжения, корректирующее звено, формирователь управляющих сигналов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, код которого является выходным кодом N_ЦПУ цифрового преобразователя угла, формирователь опорных напряжений U_ОП и =U_ОП переменного и постоянного тока с управляемым аналоговым инвертором; первый и второй каналы коррекции низкочастотных составляющих погрешности преобразования, а также третий канал коррекции высокочастотных составляющих погрешности преобразования, образованный интегратором (амплитудно-частотным нормализатором), аналого-цифровым преобразователем, перепрограммируемым запоминающим устройством и цифроаналоговым преобразователем.

Предварительно следует отметить:

- в прототипе (по отношению к предлагаемому ЦПУ) в упрощенной форме представлены цепи управления аналого-цифровым преобразователем и перепрограммируемым запоминающим устройством;

- при описании предлагаемого ЦПУ формирователь опорных напряжений представлен единым блоком с учетом его полного заимствования у прототипа.

Точность преобразования прототипа ограничивается объемом формируемого массива кодов N_КОРР(N_ЦПУ) коррекции, который может принять на долговременное хранение перепрограммируемое запоминающее устройство с учетом его быстродействия, несмотря на наличие первого и второго каналов коррекции низкочастотных составляющих погрешности преобразования.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности преобразования за счет снятия ограничения по количеству составляющих массива кодов коррекции (использование полноразмерного массива), которая решается следующим образом. В ЦПУ следящего типа, содержащий: двухфазный датчик угла с угловым положением α его ротора и с выходными зависимостями, соответствующими функциям вида ≅sinα и ≅cosα, управляемый аналоговый инвертор, вычитающий усилитель, демодулятор с усилителем-формирователем, корректирующее звено, реверсивный n-разрядный двоичный счетчик, текущее значение кода которого является выходным кодом N_ЦПУ цифрового преобразователя угла, формирователь управляющих сигналов, формирователь опорных напряжений переменного и постоянного тока U_ОП и =U_ОП, интегратор, аналого-цифровой преобразователь с одновибратором, перепрограммируемое запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, шину контроль и шину УПР.ППЗУ (управление перепрограммируемым запоминающим устройством), при этом выход внешнего генератора возбуждения подключен к обмотке возбуждения двухфазного датчика угла и к первому входу формирователя опорных напряжений переменного и постоянного тока, к второму и третьему входам которого подключены соответственно обмотки первой и второй фазы двухфазного датчика угла, а к его четвертому входу - выход управляемого аналогового инвертора, выход напряжения U_ОП переменного тока формирователя опорных напряжений подключен к входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя и входу усилителя-формирователя, а выход напряжения =U_ОП постоянного тока подключен к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, выход демодулятора через корректирующее звено подключен к входу интегратора и к входу формирователя управляющих сигналов, первый и второй выходы которого подключены к входам ″прямого-обратного″ счета реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выход интегратора подключен к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя и к шине КОНТРОЛЬ, вход ЗАПУСК аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу n-го (младшего) разряда реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, а выход сигнала ГОТОВ - к входу СЧИТЫВАНИЕ через одновибратор, адресные входы перепрограммируемого запоминающего устройства поразрядно подключены к выходам реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выходы данных перепрограммируемого запоминающего устройства подключены к цифровым входам цифроаналогового преобразователя, а управляющие входы - к шине УПР.ППЗУ, дополнительно введены: первый и второй двухполярные функциональные цифроаналоговые преобразователи, коэффициенты передачи которых соответствуют функциям вида ≅cosβ и ≅sinβ, где β - значение выходного кода N_ЦПУ в угловой мере; первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов, оперативное запоминающее устройство и шина УПР.ОЗУ (управление оперативным запоминающим устройством), при этом аналоговые входы первого и второго двухполярных функциональных цифроаналоговых преобразователей подключены соответственно к обмоткам первой и второй фазы датчика угла, цифровые входы подключены к поразрядным выходам реверсивного n-разрядного двоичного счетчика соответственно через первый и второй блоки n-разрядных цифровых инверторов, а выходы - соответственно к первому и второму входам вычитающего усилителя, выход цифроаналогового преобразователя подключен к третьему входу вычитающего усилителя, выход вычитающего усилителя подключен к входу измерительного напряжения демодулятора, выход первого двухполярного цифроаналогового преобразователя подключен к аналоговому входу управляемого аналогового инвертора, управляющий вход которого подключен к выходу второго разряда реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выход усилителя-формирователя подключен к входу опорного напряжения демодулятора, поразрядные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены через оперативное запоминающее устройство к соответствующим входам данных перепрограммируемого запоминающего устройства, адресные входы оперативного запоминающего устройства подключены к соответствующим выходам двоичного реверсивного n-разрядного счетчика, вход ЗАПИСЬ оперативного запоминающего устройства подключен к выходу одновибратора, а управляющий вход - к шине УПР.ОЗУ.

К основным признакам, отличающим предлагаемый ЦПУ от наиболее близкого к нему преобразователя, выбранного в качестве прототипа, относятся:

введение в состав корректирующего канала ЦПУ оперативного запоминающего устройства, что позволяет получить полноразмерный массив кодов коррекции погрешности преобразования,

использование биполярных, а не однополярных, функциональных цифроаналоговых преобразователей, обеспечивающее снижение инструментальных составляющих погрешности преобразования.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого ЦПУ, которая содержит: двухфазный датчик угла (ДУ) 1, первый и второй двухполярные функциональные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП1 и ФЦАП2) 2 и 6, управляемый аналоговый инвертор (УАИ) 3, вычитающий усилитель (ВУ) 4, первый и второй блоки n-разрядных цифровых инверторов (БЦИ1 и БЦИ2) 5 и 7, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8, перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) 9, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 10, одновибратор (Однов.) 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, формирователь опорных напряжений переменного и постоянного тока (ФОН) 13, интегратор (ИНТ) 14, усилитель-формирователь (УФ) 15, реверсивный n-разрядный двоичный счетчик (РСЧ) 16, формирователь управляющих сигналов (ФУС) 17, корректирующее звено (Корр) 18, демодулятор (Д) 19, шину управления перепрограммируемым запоминающим устройством (УПР.ППЗУ) 20, шину управления оперативным запоминающим устройством (УПР.ОЗУ) 21 и шину контроль 22.

При этом приняты следующие обозначения: α - угловое положение ротора двухфазного датчика угла 1, U_B - напряжение возбуждения двухфазного датчика угла 1, U_S и U_C - выходные зависимости по углу двухфазного датчика угла 1, U₁ и U₂ - выходные зависимости по углу (по коду) первого и второго двухполярных функциональных цифроаналоговых преобразователей 2 и 6, U_P - выходное напряжение вычитающего усилителя 4 (напряжение рассогласования ЦПУ в виде напряжения переменного тока), =U_P - выходное напряжение корректирующего звена 18 (напряжение рассогласования ЦПУ в виде напряжения постоянного тока), U_ОП и =U_ОП - выходные напряжения формирователя опорных напряжений переменного и постоянного тока 13 соответственно, U_КОРР(N_ЦПУ) - выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 8, N_ЦПУ - текущее значение кода реверсивного n-разрядного двоичного счетчика 16 (выходной код цифрового преобразователя угла), 1, 2 и n - выходы двух старших и младшего разрядов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика 16, N_АЦП (N_ЦПУ) - текущие значения выходного кода аналого-цифрового преобразователя 12 и N_КОРР(N_ЦПУ) - текущие значения входного кода цифроаналогового преобразователя 8, хранящиеся в перепрограммируемом запоминающем устройстве 9.

Аналого-цифровой преобразователь может быть реализован на микросхемах серии 1108, оперативное запоминающее устройство - серии 537, перепрограммируемое запоминающее устройство - серии 558, цифроаналоговый преобразователь - серии 572, а двухполярные функциональные цифроаналоговые преобразователи могут быть реализованы на микросхемах серии 427.

Вначале рассмотрим работу предлагаемого ЦПУ следящего типа без коррекции погрешности преобразования, т.е. при нулевых значениях составляющих N_КОРР(N_ЦПУ) массива кодов коррекции и, соответственно, при нулевом напряжении на третьем входе вычитающего усилителя 4.

При возбуждении двухфазного датчика угла 1 напряжением U_B переменного тока на его фазных обмотках индуцируются напряжения U_S и U_C переменного тока, изменение амплитудных значений которых по углу (огибающих) в идеале соответствует функциям вида sinα и cosα. Эти напряжения поступают соответственно на аналоговые входы первого и второго двухполярных функциональных цифроаналоговых преобразователей 2 и 6. При этом на их цифровые входы соответственно через первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов 5 и 7 поступают коды управления с поразрядных выходов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика 16. Построение указанных преобразователей и их блоков цифровых инверторов обеспечивает в идеале получение коэффициентов передачи, соответствующих функциям вида cosβ и sinβ, где β - значение выходного кода N_ЦПУ в угловой мере. В этом случае огибающие выходных напряжений переменного тока первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей 2 и 6 определяются как U₁=sinα•cosβ и U₂=cosα•sinβ. На выходе вычитающего усилителя 4 при нулевом напряжении на его третьем входе вырабатывается разностное напряжение переменного тока с огибающей вида U_P=U₁-U₂=sin(α-β).

Напряжение рассогласования U_P поступает на вход демодулятора 19, на другой вход которого с выхода формирователя опорных напряжений 13 через усилитель-формирователь 15 поступает требуемое опорное напряжение. Выходное напряжение демодулятора 19 после частотной коррекции, осуществляемой корректирующим звеном 18, в виде напряжения =U_P постоянного тока поступает на вход формирователя управляющих сигналов 17, выходные напряжения первого и второго выхода которого управляют реверсивным n-разрядным двоичным счетчиком по соответствующим входам «прямого-обратного» счета. Алгоритм управления обеспечивает формирование такого текущего значения кода реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, при котором напряжение U_P принимает нулевое значение, т.е. выполняется условие точного преобразования углового положения α ротора двухфазного датчика угла в выходной код N_ЦПУ цифрового преобразователя угла (α=β≡N_ЦПУ).

Как уже отмечалось, формирователь опорных напряжений предлагаемого ЦПУ аналогичен прототипу. Отличие заключается лишь в формировании нормализующего сигнала, поступающего на четвертый вход формирователя опорных напряжений 13. В прототипе этот сигнал поступает с выхода управляемого аналогового инвертора, аналоговый вход которого подключен к выходу первого однополярного функционального цифроаналогового преобразователя, а управляющий вход - к выходу первого разряда реверсивного счетчика. В предлагаемом ЦПУ указанный сигнал поступает с выхода управляемого аналогового инвертора 3, аналоговый вход которого подключен к выходу первого двухполярного функционального цифроаналогового преобразователя 2, а управляющий вход - к выходу второго разряда реверсивного счетчика 16.

Погрешность преобразования появляется при отличии выходных зависимостей двухфазного датчика угла 1 от синусно-косинусных функций, а также при отличии коэффициентов передачи первого и второго двухполярных функциональных цифроаналоговых преобразователей 2 и 6 соответственно от косинусной и синусной функций, а также от инструментальных погрешностей входящих функциональных блоков.

В режиме вращения ротора двухфазного датчика угла 1 с определенной угловой скоростью, при которой проявляются фильтрующие свойства ЦПУ следящего типа, текущая погрешность преобразования представляется в виде выходного напряжения постоянного тока интегратора 14, вход которого подключен к выходу корректирующего звена 18 (см., например, статью авторов Н.Н. Воронин и др. "Способ определения погрешностей цифровых преобразователей угла следящего типа с двухфазными датчиками угла". Журнал "Измерительная техника", №6, 2004 год).

Для повышения точности преобразования путем цифроаналоговой коррекции начальная погрешность преобразования должна быть представлена в виде соответствующего массива кодов коррекции N_KOPP(N_ЦПУ). Для этого используется аналого-цифровой преобразователь 12 выходного напряжения интегратора 14. В качестве опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 12 используется напряжение =U_ОП постоянного тока формирователя опорных напряжений 13. При формировании требуемого массива выходной сигнал n-го (младшего) разряда реверсивного n-разрядного двоичного счетчика 16 поступает на вход ЗАПУСК аналого-цифрового преобразователя 12, а сигнал с его выхода готов поступает на вход СЧИТЫВАНИЕ через одновибратор 11, обеспечивающий требуемую временную задержку. Такое построение обеспечивает получение на поразрядном выходе аналого-цифрового преобразователя 12 в пределах периода изменения выходных сигналов двухфазного датчика угла 1 достоверных значений 2ⁿ кодов N_АЦП(N_ЦПУ). Эти коды соответствуют ординатам напряжения постоянного тока на входе АЦП (выходного напряжения интегратора 14), т.е. ординатам начальной погрешности преобразования.

Параллельно, также в указанном режиме вращения ротора двухфазного датчика угла 1, под воздействием выходного сигнала одновибратора 11 значения 2ⁿ кодов N_АЦП(N_ЦПУ) с выхода аналого-цифрового преобразователя передаются на временное хранение в оперативное запоминающее устройство 10 за один период изменения выходных сигналов двухфазного датчика угла 1. При этом в качестве адресных кодов используются текущие значения кода N_ЦПУ.

Заключительным этапом формирования требуемого массива кодов коррекции начальной погрешности преобразования является передача всех составляющих массива кодов N_АЦП(N_ЦПУ) коррекции из оперативного запоминающего устройство 10 в перепрограммируемое запоминающее устройство 9 путем использования управляющих сигналов шин УПР.ОЗУ 21 и УПР.ППЗУ 20. Временная протяженность заключительного этапа и выбор соответствующей угловой скорости вращения ротора двухфазного датчика угла 1 определяется быстродействием перепрограммируемого запоминающего устройства 9 и объемом массива кодов N_АЦП(N_ЦПУ) коррекции. На этом подготовка ЦПУ к осуществлению преобразования угла в код с использованием полноразмерного массива кодов коррекции N_КОРР(N_ЦПУ)≡N_АЦП(N_ЦПУ) заканчивается.

Коррекция начальной погрешности преобразования осуществляется следующим образом. На управляющий вход перепрограммируемого запоминающего устройства 9 с шины УПР.ППЗУ 20 поступают сигналы, обеспечивающие передачу кодов N_КОРР(N_ЦПУ) на цифровые входы цифроаналогового преобразователя 8 с опорой на текущие значения кода N_ЦПУ. При каждом новом значении кода N_ЦПУ на цифровой вход цифроаналогового преобразователя 8 автоматически поступает значение кода N_KOPP(N_ЦПУ), в соответствии с которым на его выходе устанавливается ордината U_KOPP(N_ЦПУ) корректирующего напряжения переменного тока. Формирование напряжения такого вида обеспечивается соединением входа опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 8 с выходом напряжения U_ОП формирователя опорных напряжений 13. Указанное корректирующее напряжение поступает на третий вход вычитающего усилителя 4, обеспечивая точное преобразование углового положения ротора двухфазного датчика угла 1 в соответствующий код N_ЦПУ. При этом точное преобразование угла в код осуществляется как при синусно-косинусных зависимостях двухфазного датчика угла 1 и двухполярных функциональных цифроаналоговых преобразователях 2 и 6, так и при отличии указанных от синусно-косинусных функций, без использования низкочастотных каналов коррекции. Также повышению точности преобразования способствует существенное сокращение состава функциональных блоков предлагаемого ЦПУ по отношению к прототипу.

Таким образом, введение в состав ЦПУ оперативного запоминающего устройства позволяет получить полноразмерный массив кодов коррекции погрешности преобразования, несмотря на ограниченное быстродействие перепрограммируемого запоминающего устройства, что повышает точность преобразования. Кроме того, замена однополярных функциональных преобразователей на двухполярные также повышает точность преобразования, так как снижается инструментальная составляющая погрешности преобразования.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может найти применение в системах управления угловым положением подвижных частей объекта регулирования. Технический результат заключается в обеспечении точного преобразования угла в код следящего типа с использованием двухфазного датчика угла с зависимостями, соответствующими функциям вида ≅sinα и ≅cosα, где α - угловое положение ротора двухфазного датчика угла. Результат достигается за счет: предварительного выявления текущей погрешности преобразования в виде напряжения постоянного тока, аналого-цифрового преобразования этого напряжения в соответствующий массив кодов коррекции с опорой на выходной код цифрового преобразователя угла, оперативного хранения сформированного массива в оперативном запоминающем устройстве, последующего долговременного хранения в перепрограммируемом запоминающем устройстве и его использования для цифроаналогового формирования напряжения, корректирующего текущую погрешность преобразования. 1 ил.

Цифровой преобразователь угла следящего типа, содержащий двухфазный датчик угла с выходными зависимостями по углу, близкими к синусно-косинусным функциям, управляемый аналоговый инвертор, вычитающий усилитель, демодулятор с усилителем-формирователем, корректирующее звено, реверсивный n-разрядный двоичный счетчик, текущее значение кода которого является выходным кодом цифрового преобразователя угла, формирователь управляющих сигналов, формирователь опорных напряжений переменного и постоянного тока, интегратор, аналого-цифровой преобразователь с одновибратором, перепрограммируемое запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, шину КОНТРОЛЬ и шину УПРАВЛЕНИЕ ППЗУ, при этом выход внешнего генератора возбуждения подключен к обмотке возбуждения двухфазного датчика угла и к первому входу формирователя опорных напряжений переменного и постоянного тока, к второму и третьему входам которого подключены соответственно обмотки первой и второй фазы двухфазного датчика угла, а к его четвертому входу - выход управляемого аналогового инвертора, выход напряжения переменного тока формирователя опорных напряжений подключен к входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя и входу усилителя-формирователя, а выход напряжения постоянного тока - к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, выход демодулятора через корректирующее звено подключен к входу интегратора и к входу формирователя управляющих сигналов, первый и второй выходы которого подключены к входам "прямого-обратного" счета реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выход интегратора подключен к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя и к шине КОНТРОЛЬ, вход ЗАПУСК аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу n-го (младшего) разряда реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, а выход ГОТОВ подключен к входу СЧИТЫВАНИЕ через одновибратор, адресные входы перепрограммируемого запоминающего устройства поразрядно подключены к выходам реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, управляющие входы - к шине УПРАВЛЕНИЕ ППЗУ, а выходы данных перепрограммируемого запоминающего устройства подключены к цифровым входам цифроаналогового преобразователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй двухполярные функциональные цифроаналоговые преобразователи, коэффициенты передачи которых близки к косинусной и синусной функциям соответственно, первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов, оперативное запоминающее устройство и шина УПРАВЛЕНИЕ ОЗУ, при этом аналоговые входы первого и второго двухполярных функциональных цифроаналоговых преобразователей подключены соответственно к обмоткам первой и второй фазы двухфазного датчика угла, цифровые входы подключены к поразрядным выходам реверсивного n-разрядного двоичного счетчика соответственно через первый и второй блоки n-разрядных цифровых инверторов, а выходы - соответственно к первому и второму входам вычитающего усилителя, выход цифроаналогового преобразователя подключен к третьему входу вычитающего усилителя, выход вычитающего усилителя подключен к входу измерительного напряжения демодулятора, выход первого двухполярного функционального цифроаналогового преобразователя подключен к аналоговому входу управляемого аналогового инвертора, управляющий вход которого подключен к выходу второго разряда реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выход усилителя-формирователя подключен к входу опорного напряжения демодулятора, поразрядные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены через оперативное запоминающее устройство к соответствующим входам данных перепрограммируемого запоминающего устройства, адресные входы оперативного запоминающего устройства подключены к соответствующим выходам двоичного реверсивного n-разрядного счетчика, вход ЗАПИСЬ оперативного запоминающего устройства подключен к выходу одновибратора, а управляющий вход оперативного запоминающего устройства - к шине УПРАВЛЕНИЕ ОЗУ.