Датчик углового положения,скорости и ускорения вращения вала Советский патент 1984 года по МПК G01P3/489 

1 Изобретение относится к измери тельной технике и может быть использовано в качестве датчика углового положения, мгновенной скорости и ускорения вращения вала в точных цифровых системах автомати ческого управления. Известен индуктивный датчик угловых ускорений, который содержит импульсный датчик угловой скорости, расположенный на валу и соединенный со входами схем И, к другим входам которых подключены выходы генератора, выходы схем И соединены со входами реверсивного счетчика, инверсные выходы которого через схемы инк реманта и первую группу вентилей соединены с первыми входами отсчетного устройства, прямые выходы счет чика соединены со входами дешифрато ра и через вторую группу вентилей со второй группой входов отсчетного устройства, прямой и инверсный, выходы дешифратора соединены соответственно с управляющими входами первой и второй групп вентилей Ж. Недостатком такого устройства яв ляется запаздывание измерения из-за двойного интервала времени между сигналами импульсного датчика угловой скорости. I Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дат чик углового положения j скорости и ускорения вращения вала, который содержит последовательно соединенны генератор импульсов, первый счетчик формирователь опорных сигналов, фазовращатель, первый нуль-орган и первый регистр, информационные вход которого подключены к соответствующим выходам первого счетчика, выход генератора импульсов через ключ соединен со счетным входом второго счетчика, выходы которого подключен к информационным входам второго регистра, вход разрешения записи кото рого соединен с первым выходом формирователя задержанных импульсов, второй выход которого подключен к входу предустановки второго счетчик третий выход - через дополнительный триггер к второму входу ключа, а вход - к второму входу дополнительного триггера и к последовательно соединенным фазовому детектору, интегратору, суммирующему элементу и управляемому генератору, при этом 402 второй вход фазового детектора соединен с выходом управляющего генератора, а вход фильтра нижних частот подключен к входу интегратора и к второму входу суммирующего элемента 2 . Недостатком известного устройства является значительг1ая погрешность измерения низких скоростей и ускорений, обусловленная малой величиной относительного изменения частоты выходных сигналов фазовращателя, которая равна алгебраической сумме опорной частоты фазовращателя F и частоты вращения вала Fg. Погрешность измерения низких скоростей и ускоре1шй может быть уменьшена путем непосредственного использования в каналах измерения скорости и ускорения сигналов дополнительного фазовращателя с большим коэффициентом электрической редукции L, у которого выходная частота F выражается следующим соотношением: F-FO LFgp. Однако использование в составе датчика двух фазовращателей существенно усложнит его конструкцию и увеличит стоимость. Цель изобретения - увеличение точности измерения в диапазоне низких скоростей и ускорений. Указанная цель достигается тем, что датчик углового положения, скорости и ускорения вращения вала, содержащий последовательно соединеншле генератор импульсов, первый счетчик, формирователь опорных сигналов, фазовращатель, первый нуль-орган и Первый регистр, информационные входы которого подключены к соответствуюпц1м выходам первого счетчика, выХод генератора импульсов через ключ соединен со счетным входом второго счетчика, выходы которого подключены к информационным входам второго регистра, вход разрешения записи которого соединен с первым выходом формирователя задержанных Импульсов, второй выход которого подключен к входу предустановки второго счетчика, третий выход через дополнительный триггер - к второму входу ключа, а вход - к второму входу дополнительного триггера и к последовательно соединенным фазовому детектору, интегратору, суммирующему элементу и управляемому генератору, при этом второй вход фазового детектора соединен с выходом управляемого генератора, а вход фильтра нижних частот подключен к входу интегратора и к второму входу суммирующего элемента, введены умножитель частоты и последовательно соединенные схема запрета, делител частоты, блок вычитания частот и второй нуль-орган, причем выход генератора импульсов подключен к первому входу схемы запрета, управляющий вход которой соединен с выходом триггера i-го разряда первого счетчика, выход фазовращателя через умножитель частоты подключен к второму вх ду блока вычитания частот, а выход второго нуль-органа соединен с входом формирователя задержанных импульсов. На фиг. 1, изображена структурная схема датчика углового положения, скорости и ускорения вращенияJ на фиг, 2 - осциллограммы, иллюстрирую щие работу датчика. Датчик содержит герёратор 1 импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 2, выполненного на триггерах. Выход старшего разряда счетчика 2 через формирователь 3 опорных сигналов соединен со входом фазовращателя 4, подключенного своим выходом ко вход первого нуль-органа 5. Выход первого нуль-органа 5 соединен со входом разрешения запис первого регистра 6,информационные вхо которого подключены к выходам соответ ствующих триггеров счетчика 2. Выхо генератора 1 импульсов соединен так же с первым входом схемы запрета 7, управляющий вход которой подключен к выходу триггера i -го разряда первого счетчика 2. Выход схемы 7 запр та через делитель 8 частоты соедине с первым входом блока 9 ычитания частот, второй вход KOTOpjoro подклю чен к выходу умножителя 1,0 частоты, соединенного сбоим входом с выходом фазовращателя 4. Выход блока 9 вычитания частот соединен со входом второго нуль-органа 11. Выход генератора 1 импульсов соединен также со счетным входом второго счетчика 12 через ключ 13, управляющий вход которого соединен с выходом дополни тельного триггера 14. Вход сброса триггера 14 соединен с выходом,второго нуль-органа 11. Выход этого нуль-органа 11 соединен также со входом формирователя 15 задержанных импульсов, первый выход которого подключен ко входу разрешения записи второго регистра 16. Информационные входы регистра 16 соединены с соответствующими выходами триггеров второго счетчика 12, вход предустановки которого подключен ко второму выходу формирователя 15 задержанных и шульсов. Третий выход формирователя 15 соединен со входом установки в единичное состояние дополнительного триггера 14. Выход второго нуль-органа t1 соединен также с первым входом фазового детектора, 17-, выход которого подключен ко входу фильтра 18 нижних частот и входу интегратора 19, Выход интегратора 19 подключен ко входу суммирующего элемента 20, другой вход которого подключен к выходу фазового детектора 17. Вьлход суммирующего элемента 20 соединен со входом управляемого генератора 21, вход которого подключен ко второму входу фазового детектора. Датчик углового положения, скорости и ускорения вращения вала работает следующим образом. Первичный счетчик 2 выполняет функцию делителя частоты f генератора 1 на коэффициент 2, так, что на выходе старшего п-го разряда счетчика 2 образуются прямоугольные импульсы с частотой FJJ f/2 , Формирователь 3 вырабатывает из выходных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напряжения фазовращателя 4. Первый нуль-орган 5 формирует из выходных синусоидальных сигналов фазовращателя 4 прямоугольные периодические сигналы, по переднему фронту которых осуществляется запись кода первого счетчика 2 в первый регистр 6, В первом регистре 6 фиксируется код текущего углового положения вала. Выходсше сигналы генератора 1 поступают также на первый вход схемы 7 запрета, на управляющий вход которой .поступают сигналы с частотой f/2 с i-r.o разряда первого счетчика 2, которые запрещают прохождение через схему 7 каждого импульса с номером 2, Среднее значение частоты импульсов на схемы 7 запрета равно f (2 - 1)/2 Делитель 8 частоSТЫ имеет коэффициент деления, равны , где 2 - коэффициент умножения умножителя 10 частоты, так, что выходная частота Fj делителя 8 равна Fj Fj. 2(2 - 1)/2 Умножитель 10 частоты умножает .в 2 раз выходную частоту фазовраща теля 4, равную сумме F , так, что выходная частота умножителя 10 будет равна: Fy 24F, -н Fgp). На выходе блока 9 вычитания частот образуется частота Fp, равная разности частот умножителя 10 и делителя 8: FP + ,p. При i k, выходная частота блок 9 вычитания будет равна Fp FQ+ 2Fe Выходной сигнал блока 9 вычитания частот аналогичен выходному сигналу фазовращателя, имеющего коэффициент электрической редукции, равный 2. Второй нуль-орган 11 фор мирует из выходных синусоидальных сигналов блока 9 вычитания частот прямоугольные импульсы, которые поступают в блок вычисления частоты вращения и блок вычисления ускорени Второй счетчик 12, имеюнщй разрядность, равную разрядности nepBorj счетчика, плюс дополнительный знако вый разряд, вместе с ключом 13, дополнительным триггером 14, формирователем 15 задержанных импульсов и регистром 16 образуют блок вычисления частоты вращения, причем вычисление кода скорости заменено вычислением кода приращения дТ период Т выходного сигнала блока 9 вычитани частоты по отношению к периоду Т опорного сигнала фазовращателя 4. По переднему фронту выходного си нала второго нуль-органа 11 переходи в нулевое состояние дополнительный триггер 14 и одновременно запускает ся формирователь 15 задержанных импульсов. Сигнал с выхода триггера 14 воздействуя на управляющий вход, ключа 13, прекращает поступление импульсов генератора 1 на счетный вход второго счетчика 12. Через время , достаточное для переноса в счетчике 12, вырабатывается первый импульс формирователя 15, который поступает на вход разрешения записи 406 второго регистра 16, и осуществляется запись кода &Т из счетчика 12 во второй регистр 16. Второй импульс формирователя 15, воздействуя на входы предустановки второго счетчика 12, осуществляет запись в счетчик 12 кода, соответствующего промежутку времени между появлением первого и третьего выходных импульсов формирователя 15. Импульс с третьего выхода формирователя 15 переводит в единичное состояние триггер 14, в результате чего открывается ключ 13 и сигналы генератора 1 вновь поступают на вход счетчика 12. Поскольку коэффициенты пересчета первого счетчика 2 и второго счетчика 12 равны, то в конце каждого периода выходного сигнала нуль-органа 11 в регистре 16 будет зафиксирован либо прямой код дТ, если Т TQ, либо дополнительный код ЛТ, если Т TQ. Фазовый детектор 17, фильтр 18, интегратор 19, суммирующий элемент 20 и управляемый генератор 21 образуют блок вычисления ускорения. Вы.ходное напряжение U фазового детектора 17 пропорционально разности фаз сигналов на его входах, или иначе и пропорционально интегралу от разности между выходной частотой FP второго нуль-органа 11 и частотой управляемого генератора 21. В операторной форме выходное напряжение фазового детектора равно: ) 1 tFp(P) - ), где Т,, - постоянный коэффициент, .Р - оператор Лапласа. Выходной сигнал фазового детектора непосредственно подан на первый вход суммирующего элемента и через интегратор с передаточной функцией 1/12 - на второй вход суммирующего элемента 20. Следовательно, напряжение на выходе суммирующего элемента равно: ) 1 и, (р) Частота генератора F, пропорционгшьна с коэффициентом К2 входному управляющему напряжению Ш : ) K2U2.P) Следовательно / Та. р2 + + К2)и, (Р) ) . 1101740 Предлагаемое устройство обладает возможностью измерения значительно более низких скоростей и ускорений вращения.

ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ, СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, первый счетчик, формирователь опорных сигналов, фазовращатель, первый нуль-орган и первый регистр, информационные входы которого подключены к соответствующим выходам первого счетчика, выход генератора импульсов через ключ соединен со счетным входом второго счетчика, выходы которого подключены к информационным входам второго регистра, вход разрешения записи которого соединен с первым выходом формирователя задержанных импульсов. второй выход которого подключен к входу предустановки второго счетчика, третий выход - через дополнительный триггер к второму входу ключа, а вход - к второму входу дополнительного триггера и к последовательно соединенным фазовому детектору, интегратору, суммирующему элементу и управляемому генератору, при этом второй вход фазового детектора соединен с выходом управляемого генератора, а вход фильтра нижних частот подключен к входу интегратора и к второму входу суммирующего элемента, отличающийся тем, г что, с целью увеличения точности измерения в диапазоне низких скоростей и ускорений, в него введены умножитель частоты и последовательно соединенные схема запрета, делитель частоты, блок вычитания частот и второй нуль-орган, причем выход генератора импульсов подключен к первому входу схемы запрета, управляющий вход которой соединен с выходом триггера 1-го разряди первого C4et4HKa, выход фазовращателя через умножитель час тоты подключен к второму входу бло4 ка вычитания частот, а выход второго нуль-органа соединен с входом формирователя задержанных импульсов.

iг/(oдoe положение

Углоооя скорость

Фиг.1

Углобое ускорение

Фиг.2