ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01B7/30 G01P3/42 

Изобретение относится к области военной техники в частности к датчикам положения (далее по тексту - ДП) установленного оборудования, в том числе, вооружения объектов типа БМП, БМД, БТР, танков и другой военной техники, такой как подъемно-мачтовые устройства, опорно-поворотные устройства, а также систем управления дистанционно управляемых модулей систем вооружения.

Известен датчик положения ИЦКР.468331.001 стабилизатора вооружения (далее по тексту - СВ) ИЦКР.461314.001 (индекс 2Э52-2) БМП-3 [1], описанный в техническом описании ИЦКР.461314.001 ТО, привод вертикального наведения (далее по тексту - ВН) которого (см. рис. 1 стр. 97 ИЦКР.461314.001 ТО - функциональная схема привода ВН СВ) содержит датчик положения ИЦКР.468331.001 (см. п. 6.4 стр. 32, рис. 6 - описание конструкции). Данный датчик положения стабилизатора вооружения принят за прототип.

Датчик положения (ДП) - прототипа выполнен в едином корпусе, в котором установлены:

- вращающийся трансформатор (ВТ), состоящий из статора (ВТ-С) и ротора (ВТ-Р) и представляющий собой электрическую микромашину переменного тока, предназначенную для преобразования угла поворота собственного ротора в напряжение, пропорциональное функциям угла (sin α и cos α);

- червячный редуктор (ЧР), состоящий из червячного колеса, соосно жестко закрепленного на статоре вращающегося трансформатора (ВТ-С), и вращающегося перпендикулярно его оси червячного колеса, механически связанного с корпусом (ДП). Червячный редуктор (ЧР) используется для выставки нулевого положения (ВТ) (ДП) при его настройке в составе модуля силового (М) с установленным объектом регулирования (ОР);

- механизм стопорения (МС) механически связан с червячным колесом червячного редуктора (ЧР) и корпусом (ДП) и состоит из винта и контрогайки, обеспечивающих фиксацию статора (ВТ-С) относительно корпуса (ДП) после проведения настройки нулевого положения (ВТ) в составе модуля силового (М).

- муфта состоит из двух полумуфт и крестовины и необходима для исключения влияния несоосности и непараллельности оси цапф установленного объекта регулирования (ОР) и оси ротора (ВТ-Р) вращающегося трансформатора (ВТ). Муфта выполнена по безлюфтовой схеме, что необходимо для обеспечения заданных параметров по точности передачи углового положения между установленным объектом регулирования (ОР) и осью ротора (ВТ-Р) вращающегося трансформатора (ВТ). Одна полумуфта жестко закреплена на роторе (ВТ-Р) и через крестовину механически связана с второй полумуфтой, жестко закрепленной на оси цапф установленного объекта регулирования (ОР).

Питание датчика положения (ДП) осуществляется переменным напряжением 27 В 400 Гц, формируемым блоком управления комплекса 1К13 (БУК), который, в свою очередь, запитан напряжением 36 В 400 Гц от преобразователя напряжения (ПТ), подключенного к бортовой сети +27 В объекта военного назначения (далее - ОВН). Сигнал с ротора (ВТ-Р), снимаемый через механические контактные кольца статора (ВТ-С), пропорциональный функции угла sin а отклонения установленного объекта регулирования (ОР), поступает в систему управления (СУ), где используется для решения комплексной задачи стабилизации и наведения установленного объекта регулирования (ОР).

Недостатками вышеуказанного датчика положения - прототипа являются:

- необходимость использования дополнительного источника питания переменного напряжения 27 В (36 В) 400 Гц, что не соответствует требованиям, предъявляемым к современным СУ;

- плохая помехозащищенность переменного слаботочного сигнала формируемого ВТ ДП, из-за наличия большой длины сигнальных цепей между выходным разъемом ДП и схемой обработки сигнала, находящейся в СУ;

- недостаточная точность измерения углового положения самого ВТ (точность 3 угловые минуты), что не обеспечивает требования по точности, предъявляемые к современным СУ;

- зависимость измерения углового положения от температуры окружающей среды;

- наличие контактных колец для обеспечения токосъема с роторных обмоток ВТ, что снижает надежность работы ДП и в целом СУ;

- отсутствие информационных каналов обмена ДП, что не позволяет оперативно и дистанционно проводить его настройку и диагностику в составе СУ;

- наличие редуктора для механической выставки нулевого положения ДП при его настройке в составе СУ, что усложняет конструкцию ДП, снижает точность первоначальной выставки нулевого положения ДП, а также требует дополнительных трудозатрат и контроля при настройке ДП.

Техническими задачами заявляемого изобретения являются:

- исключение необходимости использования для работы ДП в составе СУ дополнительного источника питания переменного напряжения 27 В (36 В) 400 Гц;

- повышение помехозащищенности сигнала, формируемого ВТ ДП в составе СУ;

- повышение точности измерения углового положения ДП (до уровня 2,5 угловых секунд);

- уменьшение зависимости измерения углового положения от температуры окружающей среды;

- повышение надежности работы СУ с ДП;

- введение современных информационных каналов обмена ДП с внешними устройствами СУ и ОВН;

- исключение редуктора для механической выставки нулевого положения ДП на ОВН.

Для достижения указанного технического результата в известный датчик положения, содержащий вращающийся трансформатор (ВТ), состоящий из статора (ВТ-С), механически соединенного с корпусом вращающегося трансформатора (ВТ), и ротора (ВТ-Р), муфты, механически соединенной с одной стороны с ротором (ВТ-Р), а с другой стороны с объектом регулирования (ОР), установленном на модуле силовом (М) системы управления (СУ) отличающийся тем, что в него дополнительно введены:

- модуль питания датчика положения (МП-ДП);

- усилитель переменного напряжения (У);

- первая последовательная шина (ПШ1);

- вторая последовательная шина (ПШ2);

- контроллер (К), включающий в себя:

- модуль аналого-цифрового преобразования (М-АЦП);

- блок коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета (БК-ГО);

- блок коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета (БК-ТО);

- блок синхронизации АЦП (БС АЦП);

- блок анализа неисправностей (БАН);

- датчик температуры (ДТ);

- тактовый генератор (ТГ);

- цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

- генератор синуса (ГС);

- модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО);

- модуль вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО);

- модуль вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП);

- модуль базового адреса датчика положения (БА-ДП);

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

- блок компенсации неточности передачи угла (БК);

- формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN);

- формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422),

причем вращающийся трансформатор (ВТ) реализован на базе бесконтактного многополюсного двухотсчетного индукционного редуктосина с синусными и косинусными обмотками грубого и точного отсчета,

при этом статор (ВТ-С) вращающегося трансформатора (ВТ) датчика положения (ДП) электрически соединен с модулем аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) контроллера (К), тактовый генератор (ТГ) контроллера (К) соединен с блоком синхронизации АЦП (БС АЦП), который, в свою очередь, соединен с модулем аналого-цифрового преобразования (М-АЦП), модулем цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и модулем генератора синуса (ГС), который, в свою очередь, соединен с модулем цифроаналогового преобразователя (ЦАП), а выход модуля цифроаналогового преобразователя (ЦАП) контроллера (К) электрически соединен с первым входом усилителя переменного напряжения (У) датчика положения (ДП), при этом выход с усилителя переменного напряжения (У) электрически соединен со статором (ВТ-С) вращающегося трансформатора (ВТ), первый выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета (БК-ГО), который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО), а второй его выход соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета (БК-ТО), который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО), третий выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) соединен с блоком анализа неисправностей (БАН), который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла (ВУ-ДП) датчика положения, в свою очередь, выход модуля вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО) соединен с модулем вычисления угла (ВУ-ДП) датчика положения, а выход модуля вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО) также соединен с модулем вычисления угла (ВУ-ДП) датчика положения,

при этом первый выход модуля вычисления угла датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например, канала типа CAN, а второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например, канала типа RS422,

в свою очередь, первый выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например, канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например, канала типа RS422, третий его выход соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП), а четвертый выход соединен с блоком компенсации неточности передачи угла (БК), который связан с модулем вычисления угла (ВУ-ДП) датчика положения и с датчиком температуры (ДТ),

при этом вход модуля базового адреса (БА-ДП) датчика положения электрически связан системой управления (СУ), первый выход модуля базового адреса датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например, канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например, канала типа RS422, третий его выход соединен с системой управления (СУ), в свою очередь, модуль питания датчика положения (МП-ДП) электрически соединен с контроллером (К), вторым входом усилителя переменного напряжения (У) датчика положения и выходом системы управления (СУ), при этом формирователь сигналов последовательной шины, например, канала типа CAN электрически соединен с первой последовательной шиной (ПШ1), электрически связанной с системой управления (СУ), а формирователь сигналов последовательной шины, например, канала типа RS422 электрически соединен со второй последовательной шиной (ПШ2), электрически связанной с системой управления (СУ).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемый датчик положения (ДП) системы управления (СУ) введены новые компоненты, а именно:

- модуль питания датчика положения (МП-ДП);

- усилитель переменного напряжения (У);

- первая последовательная шина (ПШ1);

- вторая последовательная шина (ПШ2);

- контроллер (К), включающий в себя:

• модуль аналого-цифрового преобразования (М-АЦП);

• блок коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета (БК-ГО);

• блок коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета (БК-ТО);

• блок синхронизации АЦП (БС АЦП);

• блок анализа неисправностей (БАН);

• датчик температуры (ДТ);

• тактовый генератор (ТГ);

• цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

• генератор синуса (ГС);

• модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО);

• модуль вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО);

• модуль вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП);

• модуль базового адреса датчика положения (БА-ДП);

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

• блок компенсации неточности передачи угла датчика положения (БК);

• формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN);

• формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422), с их связями с другими элементами СУ и ОВН.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь вводимые элементы достаточно хорошо известны в технике, но их введение в указанной связи в датчик положения (ДП) позволяет:

- исключить необходимость использования для работы датчика положения (ДП) в составе СУ дополнительного источника питания переменного напряжения 27 В (36 В) 400 Гц, за счет использования встроенного в контроллер (К) датчика положения (ДП) генератора синуса (ГС), сигнал с которого путем цифроаналогового преобразования в модуле (ЦАП) поступает в усилитель переменного напряжения (У) и далее на обмотки возбуждения вращающегося трансформатора (ВТ), позволяя таким образом исключить внешнюю запитку датчика;

- повысить помехозащищенность сигнала, формируемого датчиком положения (ДП) в составе СУ, за счет местной (внутренней) обработки слаботочных аналоговых сигналов, формируемых ВТ с последующей передачей значения углового положения ДП с использованием последовательных шин передачи данных типа CAN и RS422, которые, в свою очередь, менее подвержены внешнему воздействию, чем передача слаботочных аналоговых сигналов;

- повысить точность измерения углового положения датчиком положения (ДП), за счет:

• использования в ДП многополюсного двухотсчетного вращающегося трансформатора (ВТ) повышенной точности с синусными и косинусными обмотками грубого и точного отсчета, позволяющими, используя заложенные в контроллере (К) датчика положения (ДП) алгоритмы обработки сигналов, получить дискретность младшего значащего разряда соответствующую 2,5 угловым секундам;

• введения блоков коррекции значений АЦП шкал грубого и точного отсчета, позволяющих исключить из оцифрованных сигналов постоянной составляющей, обусловленной наличием смещения значений АЦП, зависящего от величина напряжения питания;

• введения блока синхронизации АЦП с тактовым генератором (БС АЦП), позволяющим повысить стабильность измерения АЦП;

- уменьшить зависимость измерения углового положения от температуры окружающей среды за счет учета в блоке компенсаций неточности передачи угла датчика положения (БК) информации с датчика температуры (ДТ);

- повысить надежность работы СУ с датчиком положения (ДП), за счет применения вращающегося трансформатора (ВТ), выполненного по электрической схеме типа редуктосин, без использования контактных колец для обеспечения токосъема с роторных обмоток вращающегося трансформатора (ВТ), а также за счет введения блока анализа неисправностей (БАН), позволяющего идентифицировать грубые отказы, связанные с обрывом обмоток грубого и точного отсчета;

- ввести современные информационные каналы обмена и передачи данных типа CAN и RS422 в датчик положения (ДП) с внешними устройствами СУ и ОВН;

- исключить редуктор для механической выставки нулевого положения датчика положения (ДП) при установке датчика положения (ДП) на ОВН за счет возможности установки нулевого положения датчика программным способом, либо используя последовательный канал (при его настройке собственными технологическими средствами), либо через последовательный канал системы управления (СУ), имеющей встроенные средства настройки. Это дает возможность установить нулевое положение датчика положения (ДП) с высокой точностью, соответствующей 2,5 угловым секундам.

Предлагаемое изобретение позволяет улучшить технические и эксплутационные характеристики СУ с предлагаемым датчиком положения, указанных выше боевых машин и боевых модулей дистанционно-управляемых систем вооружения, подъемно-мачтовых и опорно-поворотных устройств, решить вопросы по их оперативной настройке и диагностике, а также диагностике датчика положения в составе СУ, что достигается применением в предлагаемом датчике положения (ДП) цифрового контроллера, разработанного на новой элементной базе, построенной на современной цифровой платформе с использованием высокоскоростных цифровых информационных каналов обмена данных типа CAN и RS422 с внешними устройствами ОВН.

Устройство и работа заявляемого изобретения поясняются графическими материалами.

На фигуре приведена заявляемая структурная схема датчика положения (ДП).

Сокращения, принятые в тексте и на фигуре:

БА-ДП - модуль базового адреса датчика положения;

БАН - блок анализа неисправностей;

БК - блок компенсации неточности передачи угла датчика положения;

БК-ГО - блок коррекции АЦП шкалы грубого отсчета;

БК-ТО - блок коррекции АЦП шкалы точного отсчета;

БС АЦП - блок синхронизации АЦП с тактовым генератором;

БУК - блок управления комплекса 1К13;

ВН - привод вертикального наведения;

ВУ-ГО - модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета;

ВУ-ТО - модуль вычисления угла шкалы точного отсчета;

ВУ-ДП - модуль вычисления угла датчика положения;

ВТ - вращающийся трансформатор;

ВТ-С - статор вращающегося трансформатора;

ВТ-Р - ротор вращающегося трансформатора;

ГС - генератор синуса,

ДП - датчик положения;

ДТ - датчик температуры;

К - контроллер;

М- модуль силовой;

М-АЦП - модуль аналого-цифрового преобразования;

МП-ДП - модуль питания датчика положения;

МС - механизм стопорения статора вращающегося трансформатора;

ОВН - объект военного назначения;

ОР - объект регулирования;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ПШ - последовательная шина;

ПТ - преобразователь напряжения;

СВ - стабилизатор вооружения;

СУ - система управления;

ТГ- тактовый генератор,

У - усилитель переменного напряжения;

ФСПШ CAN - формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN;

ФСПШ RS422 - формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422;

ЦАП - модуль цифроналогового преобразователя;

ЧР - червячный редуктор для настройки нулевого положения ДП;

cos α_го - электрический сигнал с косинусной обмотки грубого отсчета вращающегося трансформатора;

cos α_то - электрический сигнал с косинусной обмотки точного отсчета вращающегося трансформатора;

sin α_го - электрический сигнал с синусной обмотки грубого отсчета вращающегося трансформатора;

sin α_то - электрический сигнал с синусной обмотки точного отсчета вращающегося трансформатора.

Датчик положения (ДП) 1 содержит вращающийся трансформатор (ВТ) 2, выполненный в виде плоской электрической машины, представляющей собой сердечник статора (ВТ-С) 3 с обмотками и безобмоточным ротором (ВТ-Р) 4. При этом статор (ВТ-С) 3 жестко механически связан с корпусом вращающегося трансформатора (ВТ) 2, а ротор (ВТ-Р) 4 кинематически через подшипниковый узел связан со статором (ВТ-С) 3. Ротор (ВТ-Р) 4 механически связан с безлюфтовой муфтой 5, которая, в свою очередь, механически связана с установленным объектом регулирования (ОР) 6. Муфта 5 состоит из двух полумуфт и крестовины и необходима для исключения несоосности и непараллельности оси цапф установленного объекта регулирования (ОР) 6 и оси ротора (ВТ-Р) 4 вращающегося трансформатора (ВТ) 2. Муфта 5 выполнена по безлюфтовой схеме, что необходимо для обеспечения заданных параметров по точности передачи углового положения между установленным объектом регулирования (ОР) 6 и осью ротора (ВТ-Р) 4 вращающегося трансформатора (ВТ) 2. При этом первая полумуфта жестко закреплена на роторе (ВТ-Р) 4 и через крестовину механически связана со второй полумуфтой, жестко закрепленной на оси цапф установленного объекта регулирования (ОР) 6.

Модуль силовой (М) 7 кинематически связан с установленным объектом регулирования (ОР) 6 и жестко механически связан с корпусом датчика положения (ДП) 1, который, в свою очередь, механически связан с корпусом вращающегося трансформатора (ВТ) 2, при этом привод системы управления (СУ) 8 воздействует на установленный объект регулирования (ОР) 6 поворачивая его относительно модуля силового (М) 7.

Статор (ВТ-С) 3 вращающегося трансформатора (ВТ) 2 датчика положения (ДП) 1 электрически соединен с модулем аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 контроллера (К) 10 датчика положения (ДП) 1, причем с первого выхода вращающегося трансформатора (ВТ) 2 передается сигнал с синусной обмотки грубого отсчета (sin α_го) вращающегося трансформатора (ВТ) 2, со второго выхода вращающегося трансформатора (ВТ) 2 передается сигнал с косинусной обмотки грубого отсчета (cos α_го) вращающегося трансформатора (ВТ) 2, с третьего выхода вращающегося трансформатора (ВТ) 2 передается сигнал с синусной обмотки точного отсчета (sin α_то) вращающегося трансформатора (ВТ) 2, а с четвертого выхода вращающегося трансформатора (ВТ) 2 передается сигнал с косинусной обмотки точного отсчета (cos α_то) вращающегося трансформатора (ВТ) 2. Получаемые, таким образом, от статора (ВТ-С) 3 сигналы пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора (ВТ-Р) 4 вращающегося трансформатора (ВТ) 2.

Тактовый генератор (ТГ) 11 контроллера (К) 10 генерирует электрические импульсы прямоугольной формы с заданной частотой и необходим для синхронизации работы соединенных с ним блока синхронизации АЦП с тактовым генератором (БС АЦП) 12, который, в свою очередь, соединен с модулем аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9, модулем цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13 и модулем генератора синуса (ГС) 14.

Модуль генератора синуса (ГС) 14 контроллера (К) 10 представляет собой цифровой генератор синусоидального напряжения, частота которого прямо пропорциональна выходной частоте тактового генератора (ТГ) 11. Полученный на выходе модуля генератора синуса (ГС) 14 сигнал, представляет собой цифровой код чисел, описывающих синусоидальный закон изменения.

Модуль генератора синуса (ГС) 14 соединен с модулем цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13, преобразующим полученный код числа в аналоговый сигнал переменного синусоидального напряжения.

Преобразованный модулем цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13 слаботочный аналоговый сигнал переменного синусоидального напряжения поступает на первый вход усилителя переменного напряжения (У) 15 датчика положения (ДП) 1, где происходит его усиление и преобразование до необходимого значения амплитуды, требуемой для питания статорных обмоток возбуждения (ВТ-С) 3 вращающегося трансформатора (ВТ) 2.

Выход с усилителя переменного напряжения (У) 15 электрически соединен с вращающимся трансформатором (ВТ) 2, обеспечивая тем самым, питание обмоток статора (ВТ-С) 3.

Первый выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 соединен с блоком коррекции АЦП шкалы грубого отсчета (БК-ГО) 16, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО) 17, а второй выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 соединен с блоком коррекции АЦП шкалы точного отсчета (БК-ТО) 18, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО) 19, в свою очередь, выход модуля вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО) 17 соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20, а выход модуля вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО) 19, также соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 контроллера (К) 10. Третий выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 соединен с блоком анализа неисправностей (БАН) 21, который также соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 контроллера (К) 10.

Первый выход модуля вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22, второй выход модуля вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23 контроллера (К) 10.

Первый выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 контроллера (К) 10 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22, второй выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23, третий выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 контроллера (К) 10, а четвертый выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с блоком компенсации неточности передачи угла (БК) 25, который, в свою очередь, соединен с датчиком температуры (ДТ) 26.

Первый выход модуля базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 контроллера (К) 10 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22, второй выход модуля базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23.

Модуль питания датчика положения (МП-ДП) 28 обеспечивает питание электрически связанных с ним контроллера (К) 10 и усилителя переменного напряжения (У) 15 датчика положения (ДП) 1, при этом выход модуля питания датчика положения (МП-ДП) 28 электрически соединен со вторым входом усилителя переменного напряжения (У) 15.

Формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22 контроллера (К) 10 электрически соединен с первой последовательной шиной (ПШ1) 29 датчика положения (ДП) 1 представляющей собой линию передачи сигналов последовательного протокола типа CAN, а формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23 контроллера (К) 10 электрически соединен со второй последовательной шиной (ПШ2) 30 датчика положения (ДП) 1, представляющей собой линию передачи сигналов последовательного протокола типа RS422.

Первая последовательная шина (ПШ1) 29 и вторая последовательная шина (ПШ2) 30 электрически соединены с системой управления (СУ) 8, которая, в свою очередь, электрически связана с третьим выходом модуля базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 контроллера (К) 10 датчика положения (ДП) 1. Модуль базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 представляет собой устройство, позволяющее проводить однозначную идентификацию датчика положения (ДП) 1 в составе системы управления (СУ) 8 с привязкой его к объекту регулирования (ОР) 6 с которым он непосредственно (механически) связан.

Система управления (СУ) 8 электрически соединена с бортовой сетью +27 В ОВН и обеспечивает питание цепи +27 В модуля питания датчика положения (МП-ДП) 28 датчика положения (ДП) 1.

Датчик положения работает следующим образом:

При подаче питания +27 В от ОВН, через систему управления (СУ) 8, на датчик положения (ДП) 1 происходит включение модуля питания датчика положения (МП-ДП) 28, который вырабатывает стабилизированные напряжения ±5 В и +3,3 В. При этом стабилизированные напряжения ±5 В подаются на второй вход усилителя переменного напряжения (У) 15, который электрически соединен с вращающимся трансформатором (ВТ) 2, обеспечивая тем самым, питание обмоток статора (ВТ-С) 3 заданным переменным напряжением. Стабилизированные напряжения +5 В и +3,3 В поступают на контроллер (К) 10 и используются для работы процессорного ядра и периферийной логики.

Тактовый генератор (ТГ) 11 контроллера (К) 10 генерирует электрические импульсы прямоугольной формы и необходим для синхронизации работы соединенных с ним модулей аналогоацифрового преобразования (М-АЦП) 9, через блок синхронизации АЦП (БС АЦП) 12 и цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13, а также модуля генератора синуса (ГС) 14.

Модуль генератора синуса (ГС) 14 контроллера (К) 10 представляет собой цифровой генератор синусоидального напряжения. Модуль генератора синуса (ГС) 14 соединен с модулем цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13, преобразующим полученный код числа в аналоговый сигнал переменного синусоидального напряжения заданной частоты.

Преобразованный модулем цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13 слаботочный аналоговый сигнал переменного синусоидального напряжения поступает на первый вход усилителя переменного напряжения (У) 15 датчика положения (ДП) 1, где происходит его усиление и преобразование до необходимого значения амплитуды, требуемой для питания статорных обмоток возбуждения (ВТ-С) 3 вращающегося трансформатора (ВТ) 2. При этом статор (ВТ-С) 3 жестко механически связан с корпусом вращающегося трансформатора (ВТ) 2, а ротор (ВТ-Р) 4 кинематически через подшипниковый узел связан со статором (ВТ-С) 3. Ротор (ВТ-Р) 4 механически связан с безлюфтовой муфтой 5, которая, в свою очередь, механически связана с установленным объектом регулирования (ОР) 6. Муфта 5 состоит из двух полумуфт, при этом первая полумуфта жестко закреплена на роторе (ВТ-Р) 4 и через крестовину механически связана со второй полумуфтой, жестко закрепленной на оси цапф установленного объекта регулирования (ОР) 6.

Модуль силовой (М) 7 кинематически связан с установленным объектом регулирования (ОР) 6 и жестко механически связан с корпусом датчика положения (ДП) 1, который, в свою очередь, механически связан с корпусом вращающегося трансформатора (ВТ) 2, при этом привод системы управления (СУ) 8 воздействует на установленный объект регулирования (ОР) 6 поворачивая его относительно модуля силового (М) 7, тем самым изменяя положение ротора (ВТ-Р) 4 вращающегося трансформатора (ВТ) 2.

Обмотки статора (ВТ-С) 3 вращающегося трансформатора (ВТ) 2 электрически соединены с модулем аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9, причем с первого выхода передается сигнал с синусной обмотки грубого отсчета (sin α го), со второго выхода передается сигнал с косинусной обмотки грубого отсчета (cos α го), с третьего выхода передается сигнал с синусной обмотки точного отсчета (sin α то), а с четвертого выхода передается сигнал с косинусной обмотки точного отсчета (cos α то). Получаемые, таким образом, от статора (ВТ-С) 3 сигналы пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора (ВТ-Р) 4 вращающегося трансформатора (ВТ) 2, а следовательно и угла поворота установленного объекта регулирования (ОР) 6 относительно модуля силового (М) 7.

Первый выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 соединен с блоком коррекции АЦП шкалы грубого отсчета (БК-ГО) 16, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО) 17, а второй выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 соединен с блоком коррекции АЦП шкалы точного отсчета (БК-ТО) 18, который в свою очередь соединен с модулем вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО) 19, в свою очередь, выходы модуля вычисления угла шкалы грубого отсчета (ВУ-ГО) 17 и модуля вычисления угла шкалы точного отсчета (ВУ-ТО) 19 соединены с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20. Третий выход модуля аналого-цифрового преобразования (М-АЦП) 9 соединен с блоком анализа неисправностей (БАН) 21, который также соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 контроллера (К) 10.

Первый выход модуля вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22, второй выход модуля вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23.

Первый выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22, второй выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23, третий выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с модулем вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20, а четвертый выход постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 24 соединен с блоком компенсации неточности передачи угла (БК) 25, который, в свою очередь, соединен с датчиком температуры (ДТ) 26.

Таким образом, в модуле вычисления угла датчика положения (ВУ-ДП) 20 формируется многоразрядный код, значения которого пропорциональны углу поворота установленного объекта регулирования (ОР) 6 относительно модуля силового (М) 7 с учетом компенсации неточности передачи угла и температуры окружающей среды, с ценой младшего разряда соответствующей 2,5 угловым секундам, который передается в формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22 и формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23.

Первый выход модуля базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 контроллера (К) 10 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22, второй выход модуля базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 соединен с формирователем сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23.

Формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN (ФСПШ CAN) 22 электрически соединен с первой последовательной шиной (ПШ1) 29 датчика положения (ДП) 1 представляющей собой линию передачи сигналов последовательного протокола типа CAN, а формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422 (ФСПШ RS422) 23 электрически соединен со второй последовательной шиной (ПШ2) 30 датчика положения (ДП) 1, представляющей собой линию передачи сигналов последовательного протокола типа RS422.

Первая последовательная шина (ПШ1) 29 и вторая последовательная шина (ПШ2) 30 электрически соединены с системой управления (СУ) 8, которая, в свою очередь, электрически связана с третьим выходом модуля базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27. Модуль базового адреса датчика положения (БА-ДП) 27 представляет собой устройство, позволяющее проводить однозначную идентификацию датчика положения (ДП) 1 системой управления (СУ) 8.

По запросу из системы управления (СУ) 8 датчик положения (ДП) 1 по протоколам первой последовательной шины (ПШ1) 29 или второй последовательной шины (ПШ2) 30 выдает в систему управления (СУ) 8 многоразрядный код, пропорциональный углу поворота установленного объекта регулирования (ОР) 6 относительно модуля силового (М) 7. Выбор типа протокола информационного взаимодействия с датчиком положения (ДП) 1 (по первой последовательной шине (ПШ1) 29 либо (или) по второй последовательной шине (ПШ2) 30) определяется аппаратно-программной частью системы управления (СУ) 8.

Большинство новых элементов заявляемого датчика положения реализованы как часть программного обеспечения контроллера датчика положения, при этом обработка получаемых и передаваемых данных осуществляется модулями контроллера, такими как, модули аналого-цифрового преобразования и цифроаналогового преобразования, модуль вычисления угла датчика положения и модулей формирователей сигналов последовательной шины типа CAN, RS422.

Выходной каскад усилителя переменного напряжения датчика положения может быть выполнен по мостовой схеме, построенной на транзисторных сборках управляемых в линейном режиме формируемым цифроаналоговым преобразователем контроллера.

(См. книгу под редакцией Богнера Р. и Константинидиса А. «Введение в цифровую фильтрацию» пер. с англ. - М.: Мир, 1976).

(См. книгу Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники», пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993).

(См. книгу Войтицкий С.А., Войтицкая Г.Н. Аналого-цифровой преобразователь сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора в опорно-поворотном устройстве малогабаритной РЛС наземного базирования // Вестник Тульского государственного университета. Сер. Системы управления. 2010. Вып. 1).

(См. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Техносфера, 2006. 856 с.).

Таким образом, заявляемый в качестве изобретения датчик положения системы управления позволяет:

- исключить необходимость использования для работы датчика положения (ДП) в составе СУ дополнительного источника питания переменного напряжения 27 В (36 В) 400 Гц, за счет использования встроенного в контроллер (К) датчика положения (ДП) генератора синуса (ГС), сигнал с которого путем цифроаналоговоого преобразования в модуле (ЦАП) поступает в усилитель переменного напряжения (У) и далее на обмотки возбуждения вращающегося трансформатора (ВТ), позволяя таким образом исключить внешнюю запитку датчика;

- повысить помехозащищенность сигнала, формируемого датчиком положения (ДП) в составе СУ, за счет местной (внутренней) обработки слаботочных аналоговых сигналов, формируемых ВТ с последующей передачей значения углового положения ДП с использованием последовательных шин передачи данных типа CAN и RS422, которые, в свою очередь, менее подвержены внешнему воздействию, чем передача слаботочных аналоговых сигналов;

- повысить точность измерения углового положения датчиком положения (ДП), за счет:

• использования в ДП многополюсного двухотсчетного вращающегося трансформатора (ВТ) повышенной точности с синусными и косинусными обмотками грубого и точного отсчета, позволяющими, используя заложенные в контроллере (К) датчика положения (ДП) алгоритмы обработки сигналов, получить дискретность младшего значащего разряда соответствующую 2,5 угловым секундам;

• введения блоков коррекции значений АЦП шкал грубого и точного отсчета, позволяющих исключить из оцифрованных сигналов постоянной составляющей, обусловленной наличием смещения значений АЦП, зависящего от величина напряжения питания;

• введения блока синхронизации АЦП с тактовым генератором (БС АЦП), позволяющим повысить стабильность измерения АЦП;

- уменьшить зависимость измерения углового положения от температуры окружающей среды за счет учета в блоке компенсаций неточности передачи угла датчика положения (БК) информации с датчика температуры (ДТ);

- повысить надежность работы СУ с датчиком положения (ДП), за счет применения вращающегося трансформатора (ВТ), выполненного по электрической схеме типа редуктосин, без использования контактных колец для обеспечения токосъема с роторных обмоток вращающегося трансформатора (ВТ), а также за счет введения блока анализа неисправностей (БАН), позволяющего идентифицировать грубые отказы, связанные с обрывом обмоток грубого и точного отсчета;

-ввести современные информационные каналы обмена и передачи данных типа CAN и RS422 в датчик положения (ДП) с внешними устройствами СУ и ОВН;

-исключить редуктор для механической выставки нулевого положения датчика положения (ДП) при установке датчика положения (ДП) на ОВН за счет возможности установки нулевого положения датчика программным способом, либо используя последовательный канал (при его настройке собственными технологическими средствами), либо через последовательный канал системы управления (СУ), имеющей встроенные средства настройки. Это дает возможность установить нулевое положение датчика положения (ДП) с высокой точностью, соответствующей 2,5 угловым секундам. Таким образом, поставленные в заявке технические задачи достигнуты.

Приведенные в описании технические преимущества, целесообразность и надежность датчика положения, реализованного по заявляемой структурной схеме, подтверждены испытаниями образцов в составе СУ на испытательной базе ОАО «СКБ ПА» и ОАО «КЭМЗ» г. Ковров, АО «УКБТМ» и АО «НПК Уралвагонзавод» г. Нижний Тагил, а также АО «КБП» г. Тула.

Источники информации:

1) Боевая машина пехоты БМП-3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Часть 1 и 2. Воениздат, Москва, 1998 г.

Изобретение относится к области военной техники, в частности к датчикам положения (ДП) установленного оборудования, в том числе вооружения объектов типа БМП, БМД, БТР, танков и другой военной техники, такой как подъемно-мачтовые устройства, опорно-поворотные устройства, а также систем управления дистанционно управляемых модулей систем вооружения. Техническим результатом является исключение необходимости использования для работы ДП дополнительного источника питания переменного напряжения 27 В (36 В) 400 Гц, повышение помехозащищенности сигнала формируемого вращающимся трансформатором ДП, повышение точности измерения углового положения ДП (до уровня 2,5 угловых секунд), уменьшение зависимости измерения углового положения от температуры окружающей среды, повышение надежности работы системы управления (СУ) с ДП, введение современных информационных каналов обмена ДП с внешними устройствами, исключение редуктора для механической выставки нулевого положения ДП. Для достижения технического результата в датчик положения дополнительно введены первая последовательная шина, вторая последовательная шина, модуль питания, усилитель переменного напряжения, контроллер, включающий в себя модуль аналого-цифрового преобразования, блок коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, блок коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, блок синхронизации АЦП, блок анализа неисправностей, датчик температуры, тактовый генератор, цифроаналоговый преобразователь, генератор синуса, модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета, модуль вычисления угла шкалы точного отсчета, модуль вычисления угла датчика положения, модуль базового адреса датчика положения, постоянное запоминающее устройство, блок компенсации неточности передачи угла, формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа RS422. 1 ил.

Датчик положения, содержащий вращающийся трансформатор (ВТ), состоящий из статора, механически соединенного с корпусом вращающегося трансформатора, и ротора, муфты, механически соединенной с одной стороны с ротором, а с другой стороны - с объектом регулирования, установленном на модуле силовом системы управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены модуль питания датчика положения, усилитель переменного напряжения, первая последовательная шина, вторая последовательная шина, контроллер, включающий в себя модуль аналого-цифрового преобразования, блок коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, блок коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, блок синхронизации АЦП, блок анализа неисправностей, датчик температуры, тактовый генератор, цифроаналоговый преобразователь, генератор синуса, модуль вычисления угла шкалы грубого отсчета, модуль вычисления угла шкалы точного отсчета, модуль вычисления угла датчика положения, модуль базового адреса датчика положения, постоянное запоминающее устройство, блок компенсации неточности передачи угла, формирователь сигналов последовательной шины канала типа CAN, формирователь сигналов последовательной шины канала типа RS422,

причем вращающийся трансформатор реализован на базе бесконтактного многополюсного двухотсчетного индукционного редуктосина с синусными и косинусными обмотками грубого и точного отсчета,

при этом статор вращающегося трансформатора датчика положения электрически соединен с модулем аналого-цифрового преобразования контроллера, тактовый генератор контроллера соединен с блоком синхронизации АЦП, который, в свою очередь, соединен с модулем аналого-цифрового преобразования, модулем цифроаналогового преобразователя и модулем генератора синуса, который, в свою очередь, соединен с модулем цифроаналогового преобразователя, а выход модуля цифроаналогового преобразователя контроллера электрически соединен с первым входом усилителя переменного напряжения датчика положения, при этом выход с усилителя переменного напряжения электрически соединен со статором вращающегося трансформатора, первый выход модуля аналого-цифрового преобразования соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы грубого отсчета, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы грубого отсчета, а второй его выход соединен с блоком коррекции значений АЦП шкалы точного отсчета, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла шкалы точного отсчета, третий выход модуля аналого-цифрового преобразования соединен с блоком анализа неисправностей, который, в свою очередь, соединен с модулем вычисления угла датчика положения, в свою очередь, выход модуля вычисления угла шкалы грубого отсчета соединен с модулем вычисления угла датчика положения, а выход модуля вычисления угла шкалы точного отсчета также соединен с модулем вычисления угла датчика положения,

при этом первый выход модуля вычисления угла датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, а второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422,

в свою очередь, первый выход постоянного запоминающего устройства соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, третий его выход соединен с модулем вычисления угла датчика положения, а четвертый выход соединен с блоком компенсации неточности передачи угла, который связан с модулем вычисления угла датчика положения и с датчиком температуры,

при этом вход модуля базового адреса датчика положения электрически связан системой управления, первый выход модуля базового адреса датчика положения соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, второй его выход соединен с формирователем сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, третий его выход соединен с системой управления, в свою очередь, модуль питания датчика положения электрически соединен с контроллером, вторым входом усилителя переменного напряжения датчика положения и выходом системы управления, при этом формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа CAN, электрически соединен с первой последовательной шиной, электрически связанной с системой управления, а формирователь сигналов последовательной шины, например канала типа RS422, электрически соединен со второй последовательной шиной, электрически связанной с системой управления.