Датчик углового положения и скорости вращения вала Советский патент 1983 года по МПК G01P3/489 

110 Изобретение относится к измеритель ; но технике и может быть использовано в качестве цатчика углового положения и мгновенной скорости вращения вала в точных цифровых системах автоматического управления и регулирования. Известен аатчик углового положения и скорости врашения, соаержаший генера тор импульсов, выхоа которого попключей к счетному входу счетчика, выхоа старшего разряца которого через формирователь, опорных сигналов соециней с входом .фазовращателя, поцключённого своим выходом к вхоау нуль-органа, выход нуль-органа соединен с входом

разрешения записи первого регистра, информационные входы которого подключены к выходам срответствующих разрядов первого счетчика, выход генератора импульсов соединен также с счетным входом второго счетчика через ключ, управлякииий вход которого, соединен с выходом дополнительного триггера, вход сброса этого триггера соединен с выходом нуль-органа, выход которого соединен также с входом фо ииирователя задержанных импульсов,. управляющего разрешением записи во второй регистр, а также предустановки второго счётчика и установки в единичное состояние дополнительного триггера, инфорк ационные входы второго регистра подключены к соответствующим выходам счетчика jjl

Недостатком этого устрсяйства является невозможность одновременного обеспечения в широком диапазоне изменения скорости вращения вьюоксй точно- сти измерения как углового полсякения, так и скорости врашения вапА, Это связано с тем, что для достижения минимальной погрешности определения углового положения необходима частота опорно1Ч сигнала фазовращателя знйчТГ;т©лую большая, чем .частота опорного сигнала, при которой достигается минимум погрешности определения скорости врашения. Минимальное значение относительной погрешности измерения скорости врашения достигается за счет подле ркания оптимального соотношения между измеряемой скоростью и частотой опорного сигнала фазоврашателя.

Относительная п хгрешность определения скорости падает с уменьшением скорости вращения, если одновременно снижается частота опорного напряжения. Од нако ; еньшение частоты опорного напрв жеиия приводит к увеличению погрешноусловия мжимума погрешности определения текущего значения скорости вращения).

Цель изобретения - повьшюние точно0 сти путем автоматизации стабильного выбора диапазона измерения скорости врашения.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике углового положения и

5 скорости врашения вала второй счетчик и второй регистр кроме И цифровых и знакового разрядов снабжены 2 вспомЬгательными .старшими разрядами, в состав датчика дополнительно включены

0 блок умножения и деледия частоты с переменным коэффициентом, блок вычитания частот, второй нуль-орган и блок переключения диапазонов, содержащий две схемы сравнения кодов, схему совпа- дения, два инверт ра, реверсивный счетчик, и дешифратор, причем выходы (I вспомогательных старших и знакового разрядов второго регистра соедине;ны с входами первой схемы сравнения

0 кодов, выход которой подключен к вычитаюшему входу реверсивного счетчика и к входу первого инвертора, выход которого соединён с входом схемы совпа- , дения, второй вход которой подключен

5 к вьЕходу второй схемы сравнения кодов, третий вход - к выходу второго инвертора, а выход - к суммируюшему входу реверсивного счетчика, выходы которого соединены с входами дешифра-Q тора, последний выход которого под- .ключен к входу второго и)1вертора, а все выходы - к управляющим входам блока умножения и деления частоты, другие входЬ которого соединены с выхо дом первого счетчика и с выходом генератора импульсов, а выход - с входом блока вычитания частот, другой вход которого подключен к выходу фазовращателя, а вь1ход через второй нуль-орган 6сти определения углового положения. , Относительная погрешность определения углового положения имеет аве составляющие. Первая составля ошая определяется изменением углового положения за время между двумя соседними измерениями. Частота опорного сигнала фазовращателя выбирается nocTOHHHCrfi (исходя из условия минимума погрешности определения углового положения при максимальной скорости врашения) и производится npeo6pia3OBaHHe выходной частоты фазовращателя перед подачей на вход блока измерения скорости (исходя из к вхоцу формирователя зацерисаиных им- пульсов, прда этом выхоаы цвух старших и знакового разряаов второго регистра соеаинены с входами второй схемы сравнения коаов. На фиг. 1 изображена функциональная схема датчика; на фиг. 2 -.схема блока умнсккения.и деления частоты. содержит генератор 1 импуль сов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 2. Выход старшего разряда счетчика 2 через фор мирователь 3 опорных напряжений сое цинен с входом фазовращателя 4, подключенного своим выходом к входу нульоргана 5. Выход нуль-органа 5 соединен с входом разрешений записи первого ре- гистра 6, информационные входы которого подкл|Ьчены к выходам соответствующих триггеров первого счетчика 2, подключенным также к входам блока 7 умножения и деления частоты, другой вход которого соединен с выходом генератора 1, Выход блока 7 умножения и деления частоты соединен с входом блока 8 вь1читания частот, другой вхо{ которого подключен к выходу фазоврао1а теля. Выход блока 8 вычитания частот подключен .через второй нуль-орган 9 К входу сброса дополнительного триггера 10 и формирователя 11 задержанных импульсов, третий выход которого соединен с входом установки в единичное, состояние триггера 1О. Выход последг него подключен к управляющему входу ключа 12. Выход ключа 12 соединен со счетным входом второго счетчика 13, входы предустановкикоторого соепине с вторым выходом формирователя 11, : первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регнст ра 14, информационные входы которого соединены с выходами второго счетчика 13. Во взаимодействии элементы lOt« 14 образуют блок 15 измерения скоро- сти вращения. Блок 16 переключения диапазонов , содержит в своем составе первую схему 17 сравнения кбцов, соединенную своими входами с выходами вспсмог тепьных старших и знакового разрядов второго регистра 14. Выход схемы 17 сравнения кодов соединен с BEd4HTai6i шим вхОдом реверсивного счетчика 18 и входом первого инвертора 19. Bidxod инвертора соединен с входом схемы 20 совпадения. Лрутой вход последней подключен к выходу второй схемы 21 сравнения кодов, входы которой соединены с выходами двух ртарпих цифровых и знакового разрядов второго регистра 14. Третий вход схемы 2О совпадения соеjlH eH с выходом второго инвертора 22. Bbixoa схемы 2О подключен к суммирую пюму входу реверсивного счетчика 18, выходы которого соединены с входами дешифратора 23. Выходы дешифратора 23 подключены к управляющим входам блока 7 умножения и деления частоты. Последний выход дешифратора 23 соединен также с. входом второго инвертора 22. Устройство, работает следующим образом., . Первый счетчик 2 выполняет функцию; деления частоты генератора 1. Формирователь 3 вырабатывает из выходных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напряжения фазовращателя 4.. Нуль-орган 5 формирует из выходных синусоидальных сигналов фазовращателя 4 прямоугольные периодические , по переднему фронту которых осуществляется запись кода первого счетчика 2 в первый регистр 6. Выходные сигналы первого счетчика 2 вместе с импульсами генератора 1 поступают на информационные входы блока 7 умножения и деления частоты, на управляющие входы которого воздействуют выходные сигналы дешифратсура 23. Выходная частота f 1}д блока 7 умножения и деления частоты - ()/l :.,,if где FO - опорная частота фазоврашателя, 1 - целое число, зависящее от выбранного диапазона измерения скорости вращения. Сигналы с частотой Рц с выхода блока 7 умножения и деления частоты поступают на вход блока 8 вычитания чистот, на второй вход которого пос1упают вькодные сигналы фазо вращателя с частотой Г„, равной foi ept. где fgn - частота вращения вала фазовращател$1| знакам плюс и минус соответствуют два противоположных направления вращения. На выходе блока 8 вычитания частот образуется сигнал разностнсЛ частоты Fp равной Fo|2 Второй нулы-орган 9 из выходных синусоидальных сигналов блока 8 вычитания частот формирует прямоугольные импульсы, поступающие в блок 15 вычисления скорости вращения, образовяшгый аопалнитепьным триггером 1О, форм роватёлем 11 задержанных импульсов, ключом 12, вторым счетчиком 13 и вторым регистром 14 в вышеописанной юс взаимосвязи. Из выражения слецует, что подача на вход блока вычисления скорости разностной частоты FP эквива лентна поааче на вход фазовращателя преобразованной опорное частоты р связанной с истинными значением частоты о соотношением Ч-РО Ёлок вычисления скорости определяет приращение периода Тр разностноГР сигнала ( ° отшмиению к периоду Tffp преобразованного сигна ла (Тцв / пр ) и работает следующи образом. По переднему фронту выходно го сигнала нуль-органа 9 дополнител1г ный триггер 10 переходит в нулевое состоящие и, воздейств уя на управляющи вход ключа 12, прекратит поступление импульсов генератора 1 на счетный вход второго счетчика 13. Передний фрон1г вы ходного сигнала нуль-органа 9 запустит также формирователь 11 задержанных импульсов, который выдает на своем первом выходе импульс через время, достаточное для завершения распространения переносов Ьо втором счетчике 13. По импульсу происходит перезапись кода счетчика 13 во второй регистр 14. Второй импульс формирователя 11. задержанных импульсов, воздействуя на входы предустановки вто. рого счетчика 13, осуществит запись в него кода, соответствукицего промежутку времени между передним фронтом импульса нулсхюрт ана 9 и началом импульса на третьем выходе формирователя 11 задержанных импульсов. Этот импульс поступает на установрчный вход триггера 1О и переводит его в единичное состояние, в результата чего открывается ключ 12, и импульсы генератора 1 вновь поступают на счетный вход второго счетчика 13. Таким образом, в регистре 13 б каждого следующего периода выход сигнеша нуль-органа 9 фиксируется код разности бТр равный . Для обеспечения минимального значения погрешности В Q необходимо цля каждои измеряемой скорости вращения задавать свОе значение преобразованной частоты и соответствующее значение параметра 1 . Однако неизменность структуры блока измерения скорости вращения обеспечивается только в том случае, если параметр i принимает целочисленные значения, т.е. одно значение параметра 4 соответствует некоторому диапазону намерения скорости вращения. Разряд- : ность приращения &ТР будет при этом Увеличиваться- с уменьшением частоты вращения вр , что следует из выражения При постр5шной разрядности лТ скорость вращения определяется по формуле . fepW b где АА т. То .. Таким, образом, критерием выбора диапазона является сохранение неизменной разрядности лТр . Если при возрастании скорости вращения разрядность (СГп превысит заданную, то необходимо перейти на диапазон с меньшим на единицу значением параметра 4 , Наоборот, при уменьшении разрядности Afp необходимо увеличить значение параметра 4 . Погрещность измерения скорости вращения будет уменьшаться с увеличением Минимальное значение тюриодаТир jJaBHoe определяется тем, чтобы обеспечить на первом диапазоне наилучшую точность измерения скорости вращения. Тогда на следующих диапазонах, соответствующим большим значениям параметра i , погрешность измерения скорости 8Ц} будет падать. Значение параметра 4 , соответствующее первому диапазону измерения скорости, может быть найдено из соотаошения о И It 1 IOgz, np 0 Величина максимального приращения ptnoiXi на диапазоне при максимальной скорости вращенияр р. и число Ш аи4фовых разрядов второго счетчика 13 и второго регистра 14 определяются выражениями pmoiM epmax . waxf Полученное выражение округляется до ближайшего большего целого. Кроме .П цифровых разрядов второй счетчик 13 и второй регистр 14 име ют с вспомогательных старших и знаховый разряд. Вспомогательные старшие разряды предназначены для организапив анализа выхода &Тр за пределы разряп- ной сетки, т.е. для анализа выполнения ° . - : Признаком переполнения разрядке сет ки будет несовпадение кода во вспомо- гательных разрядах с кодом знакового разряда. Это положение справедливо при вьшолнении условия , - .5 При лТр О на первом, так и на всех последующих диапазонах в конце периода пр все f) разряды второго счет чика 13 сбросятся в ноль. ЕслиbTn Q lt ТО от момента сброса в ноль до момента фиксации кода лТр в, регистре 14 на счетный вход второго счетчика 13 посту пят менее 2 импульсов, т.е. изменят свое состояние только основные разряды а вспомогательные останутся в нулевом состоянии. При йТр какой-либо из вспомогательных разрядов перейдет в единичное состояние. Ан шогично можнр, показать, что, если &Тр выполняете ся условие лТр /i , .то в момент фиксации вспомогательные и знаковые разряды второго счетчика 13 будут в единичном состоянии, а при нарушении этого условия какой-либо из вспомогательных разрядов перейдет в нулевое состояние. Таким образом, критерием перехода на диапазон с меныиим «качением пара метра I является несовпадение кода ЗЕГ кового разряда второго регистра 14 с кодом вспомогательных разрядов. Поскольку на каждый следующий диапазон при неизменном значении Р8 сопровож дается увеличением разрядности ьТр на два разряда, то для. получения одво {ачного представления - на последнем диапа. число двапазйк нов 5 должно быть связано с Komnecti BOM вспомогательных разрядов cooiHO шением 72(5-0.Критерием перехода на диапазон с большим значением параметра i является совпадение кода в двух старинЬс дифро вых разрядах второго регистра 14 с кодом его знакового разряда. Пусть, 1 06. 8 например, HpV О ,т.е. в знаковом раэряде - ноль, и, кроме того, в двух цифровых разрядед кода Д.ТР также нули. Увеличение значений 4 на единицу , приведет к возмоокному заполнению двух старших цифровых разрядов, однако переполинёние разрядной сетки не произойдет. | Принцип работы блока переключения диапазонов следующий. Проверка совпадения содержимого знакового разряда с содержимым Е вспомогательных р 1зрядов. Если они не совпа дают, то - переход на диапазон,с меньшим на единицу значения параметра 4 . Если содержимое знакового и вспомо гательных разрядов совпадаю т, то происходит проверка совпадения содержимого знакового и двух старших цифровых разря дов. При совпадении « переход на диапа.. зоне с большим на единицу значением па- раметра Блох переключения диапазонов, реализующий приведенный алгоритм работает следующим образом. Первая схема сравнения 17 выраба- тьюает на выходе единичный сигнеш при несовпадении содержимого знакового и с вспомогательных старших разрядов. Этот единичный сигнал поступает на Bbi4Hta- юший вход реверсивного счетчика 18, соответственно уменьшая его код на единицу. Выход схемы 17 сравнения через инвертор 19 соединен с входом трехвходовой схемы 2О совпадения, на второй вход которой поступают единичные сигналы с выхода второй схемы 21 сравнения при совпадении кода знакового разряда с кодом двух старших цт))ровых разрядов, а третий вход схемы 2О подключен к выходу инвертора 22. При отсутствии запрешаюш гр нулевого потенциала на выходе инверторов 19, 22 единичный потенциал с вь1хода схемы 21 сравнения при совпа нии кода знакового разряда с кодом двух старших цифровых разрядов, а третий вход схемы 20 подключен к выходу инвертора 22. При отсутствии запрещающего нулевого потенциала на выходе инверторов 19, 22 единичный потенциал с выхода схемы 21 срйвн«{ия через схему 20 совпадения поступит на суммирующий вход реверсивного счетчика 18 и увеличит его код на единицу. Код счетчика 18 расшифровьюается дешифратором 2.3, так что каждому диапазону измерения соответствует один возбужденный вьсход дешифратор ра. Пос1Ю перехода на последний диапазон

с махсималшым значением (соответ ствукнций измерению минимальных частот в):вшенвя), нулевой потенциал с выхоаа инвертора 22, поаключенногчэ своим вхопом к последнему выходу дешифратора 23, 5 закроет схему совпадения 2О. и дальней шее увеличение кода счетчика 17 будет блокировано.

Работа бпокй 7 основана на исключе НИИ каждого импульса с номером 2 в 10 серии цмпульсов генератора 1. Для это го (фиг. 2) кО у«мутатор 24 подключен своими информационными входами к: триггеров счетчика 2, а на ляюише входы к м««мутатора 24 поданы вы- 15 в

ходные сигналы от дешифратора 23. При наличии единичного потенциала на i -ом выходе дешифратора 23 выходной сигнал 1 -«юго триггера счетчика 2 через комму:татор 24 поступит на вход формировате- 20 foi 25 коротких импульсов, выходной, сигнал которого запретит, прохождение

/foff углоЗого 1

очередного импульса генератора 1 через схему 26 запрета. Таким образом, на выходе схемы 26 запрета будут сигналы со средней частотой равной

Лср Импульсы с частотой поступают на вход вспомогательного счетчика 27, который имеет коэффициент пересчет, равный коэффициенту пересчета счетчика 2, так что на выходе счетчика 27 будут сигналы с частотой Т уд .

Блок 8 вычитания частот включает

нижних частот.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет с приемлемой для большинства практических применений точностью измерять как угловое положение, так и скорость вращения вала в широком диапазоне частот вращения., себя балансный модулятор и фильтр

ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА по авт. св. № 934382, о т ли ч а - . ю ш и и с я тем, что, с пелью повы шения точности измерения, второй счет чшс и второй perHcT f кроме ,tl цифровых и знакового разрядов снабжен с вспомои гательными старшими разрядами, вi состав датчика дополнителыю ввепены блок умножения и деления частоты с переменным коэффициентом, блок ьычя .. тания частот, второй нуль-орган и 6по& переключения диапазонов, содерокашйй две схемы сравнения кодов, схему ссжпеи дения, два инвертора, реверсивный счетчик, и дешифратор, причем выходы вспомогательных старших н разрядов второго регистра соед гаень1 с входами первой схемы сравнения xoaoev-i выход которой подключен к вычнтаюше му входу реверсивного счетчика н входу первскх инее ртора, выход которого сое динен с первым входом схемы совпадения, вторсА вход которой подключен к выходу второй схемь сравнения кодов, третий вход - к выходу второго инвертора, а выход - к сумми{; ю(цему входу реверсивного счетчика, выходы jtoTopcvo : соединены с входами дешифратора, последний выход которого подключен к входу второго инвертора, а все выходы к управдякшшм входам блока умножения § и деления частоты, другие входы кото(Л соедш1е11ы с выходом первого счетчика и выходом генератора импуль сов, а выход - с входом блока вычитания частот, другой вход которого под- ключен к выходу фазоврашателя, а вьЬсрд через второй нуль-орган - к входу формирователя задержанных импульсов, при этом выходы двух старших и знеисоел вого разрядов второго регистра соедисо нены с входами второй схемы сравнеQ ния кодов. о 0д

фvi.f

фае. 2