Следящий преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1984 года по МПК G08C9/04 

1 Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, может быть использовано в цифровцв - системах автоматического управления, изме рительной технике и робототехнике для преобразования быстроменяющихся угловых величин в цифровой код угла и предназначено для работы с датчиками, выходные сигналы которых пропорциональны синусу и косинусу измеряемого угла, например с синусно-косинусными вращающимися трансформаторами (СКВТ). Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий СКВТ,ч выходы которого соединены через опре делитель октанта с первыми входами функциональных делителей напряжения выходы которых соединены с входами блока вычитания, выход которого соединен через усилитель и фазочувствительный выпрямитель с соответствующими первыми входами сумматора и бло ка вычитания, выходы которых соединены с входами реверсивного .счетчика выход которого соединен с вторыми входами-функциональных делителей час тоты, генератор . Недостатками известного преобразо вателя с функциональными делителями напряжения являются ограниченные точ ность и быстродействие. Наиболее близким к предлагаемому является следящий преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный вращающийся транс форматор, выходы которого соединены с первым и вторым входами определителя октантов, первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выходкоторого соединен с п-ервым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом фазочувствительного вы прямителя, выход которого соединен через фильтр нижних частот с управля емым генератором, выходы которого соединены с соответствующими счетны ми входами реверсивного счетчика, шину питания, соединенную с синуснокосинусным вращающимся трансформатором, вторым входом фазочувствительного выпрямителя и третьим входом оп ределителя октантов, блок синуснокосинусного преобразования кода 2 Недостатками известного преобразователя являются низкая точность , ограниченная погрешностью ДАЛ, кото рые должны иметь согласованные ха6 2 рактеристики, и низкое быстродействие из-за большого времени переходного процесса, что ограничивает его применение для преобразования быстроменяющ 1хся входных воздействий. Цель изобретения - повышение точности преобразователя и его быстродействия в переходньсс режимах. Поставленная цель достигается тем, что в следящий преобразователь угла йоворота вала в ход, содержащий синусно-косинусный вращающийся трансформатор, выходы которого соединены с первым и вторым входами определителя октантов, цифроаналоговый преобразователь, вьсход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен с первьм входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен через фильтр нижних частот с управляемым генератором, выходы которого соединены с соответс;твующими счетными входами реверсивного счетчика, первую шину питания., соединенную с синусно-косинусным вращающимся трансформатором, и вторым входом фазочувствительного вьтрямителя, введены коммутатор, две шины опорного сигнала,три компаратора, генератор, элемент И-ИЛИ, одновибратор, инвертор, регистр последовательных приближений, элемент ИСКЛЮЧАЬЗЩЕЕ ИЛИ, постоянное запоминающее устройство, первый выход коммутатора соединен с вторым входом усилителя, выход которого соединен через первый компаратор с первым входом регистра последовательных приближений, выход фазочувствительного выпрямителя соединен с первыьш входами второго и третьего компараторов, вторые входы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания опорного сигнала, а выходь - с первым и вторым входами элемента И-ИЛИ, выход которого соединен через одновибратор с вторым входом регистра последовательных приближенийj третий вход которого соединен с выходом генератора, а выходы - с третьим и четвертым входами реверсивного счетчика, один выход регистра последовате ъных приближений соединен через инвертор с третьим и четвертым входами элемента И-ИЛИ, выходы реверсивного счетчика являются выходами следящего преобразователя угла поворота вала в код и соединены с первой 31 группой входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторая группа входов которого соединена с выходами определителя октантов, а выходы соединены через пог;тоянное запоминающее устройство с цифровьми входами пифроаналогового преобразователя, первая шина питания соединена с третьим входом определителя октантов, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора второй выход которого соединен с ана логовым входом цифроаналогового преобразователя, выходы синусно-косинусного вращающегося трансформатора соединены с первым и вторым входами коммутатора. На фиг. 1 приведена схема следяще го преобразователя угла поворота вала в код; на фиг. 2 - схема коммутатора; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя угла поворота вала в код; на фиг, 4 - временные диаграммы работы преобразователя в режиме поразрядного преобразования. Преобразователь угла поворота вал в код содержит СКВТ 1, определитель 2 октантов, ЦАП 3, коммутатор 4, уси литель 5, реверсивный счетчик 6, фазочувствительный выпрямитель 7 ,, фильтр 8 нижних частот, управляемый генератор 9, блок 10 переключения ре жимов, состоящий из регистра 11 последовательных приближений, компараторов 12, 13 и 14, генератора 15 импульсов, одновибратора 16, инверто ра 17, элемента И-ИЛИ 18 формирователь 19 кода тангенса-котангенса, состоящий из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 20 и элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 21. Коммутатор 4 содержит усилители 22 и 23, резисторы 24-27, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 28-30, инверторы 31-34, переключатели 35-38. Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом Коммутатор 4 (фиг. 2) обеспечивает приведение выходных напряжении СКВТ 1 U и и в первый октанть. При этом на синусный вход преобразователя (первый вкод дифференциального усилителя 5) подается напряжение, амплитуда которого изменяется от О до 0,.7 и в нечетных октантах и от - Os7 и до ( в четных октантах, На косинусный вход преобразователя (первый вход ЦАП 3) подается напряже .6 ;:t;e; амплитуда которого т -змМЯет-; от и до 0,7 и в нечетных октантах и от - и до - 0,7 и в четных oKraiiтах. При этом напряжение считается положительным, если оно совпадает по фазе с опорным U sinwt, Б противном напряжение отрицательно. На первый вход перек.пючателя 35 по- дается напряжение (J с выхода СКВТ I , на второй вход - инвертированное напряжение tr| с вьсхода усилителя 22. Соответственно, на первый вход переключателя 36 подается напряжение Ь, , на второй вход - инвертированное напряжение и с выхода уси-пителя 23, Переключатели 35 и 36 управляются парафазными сигналами с выходов элементов ИСКПЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 28 и 29, при этом переключатепи 35 и 36 замкнуты при сигнале управления и разомкну ИА ТЫ при сигнале управления О Формирователь 19 кода тангенса-котангенса использует ПЗУ 20, на адресные входы которого подаются разрядьс вьпх:ода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 2 . ПЗУ 20 имеет прощивку, соответств то щую значениям кода тангенса угла в пределах О - л/4. При этом в нечетных октантах, когда третий разряд кода октанта равен О, на адресные входы ПЗУ 20 подается код с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ 1-ШИ 21, равный коду реверсивного счетчика 6 сзС ., изменяющемуся от О до J7/4, Б четных октантах, когда третий разряд кода октанта равен 1, на адресные входы ПЗУ 20 подается код, равный коду дополнительного угла, U 77/4 -с- сцРабота коммутатора 4, определителя 2 октантов, формирователя 19 кода тангенса-котангенса поясняется табЬнцей. Все напряжения в таблице вьгоажены через полные углы, при этом полные углы выражаются следующим образом: Чп-1) пр + (п-)Т где ,2,3,...,8, номер октанта; 8пр приведенный угол поворота ротора СКВТ 1; , приведенный выходной угол, равный коду на выходе реверсивного счетчика 6. Полный угол на выходе преобразователя формируется кодом определителя

2 октантов и кодом реверсивного счеФчика 6 , равным углу ,

Напряжение рассогласования Uj ычисляется относительно приведенных напряжений с учетом приведения их. значений в первый октант., ЦАП 3 производит умножение выходного кода формирователя 19 кода тангенса-котангенса на напряжение, полу чаемое на выходе коммутатора 4( , а усилитель 5 определяет разность между напряжением;на выходе коммутатора 4U и полученным произведением формируя тем самым напряжение рассог ласования . Напряжение рассогласования .lij рав . где - выходной код формирователя 19. Работа коммутатора 4, реверсивного счетчика 6, формирователя 19 пояс няются временными диаграммами на фиг. 3. На них показаны выходные напряжения СКВТ 1 U и (J2 /коммутатора 4UJ и и , выходной код реверсивного счётчика 6 и формирователя 19 кода тангенса-котангенса. Все напряжения условно показаны в виде оги бающих, причем огибающая напряжения переменного тока считается полояятельной, если напряжение совпадает по фазе с опорным напряжением и sin tut, в противном случае она считается отрицательной. Изменение кода на выходе реверсивного счетчика 6 и формирователя 19 показано в виде непрерьшных величин, численно равных значению соответствующего кода. Блок 10 переключения режимов пред назначен для перевода преобразователя из следящего режима в режим пораз рядного взвешивания, если сигнал рас согласования превышает некоторый уровень, заданный опорными напряжениями Ug , и на входах компараторов 13 и 14. В зависимости от уровня сигнала а реверсивный счетчик 6 работает в различных режимах. При разрешающем сигнале разряды реверсивного счетчика 6 повторяют соответствующие разря ды регистра 11, а при запрещающем изменяются по сигналам управляемого генератора 9. Это позволяет-изменять режим работы преобразователя при выходе напряжения рассогласования U

из области, задаваемой опорными напряжениями Ug и и .

Рассмотрим работу преобразователя при.небольших изменениях угла 0 поворота ротора СКВТ 1, Пусть ротор СКВТ 1 повернут на малый угол б , с выходньк обмоток СКВТ 1 на определи:тель 2 октантов и коммутатор 4 постуЬают напряжения U U sin.wt sin 9 , sinwt cos$. С выхода коммутатоi a 4 напряжение U поступает на первый вход усилителя 5, (J поступает на аналоговый вход ЦАП 3, на цифровой вход которого идет код с формирователя 19. С выхода ЦАП 3 напряжение 3 . поступает на второй вход усилителя 5, где напряя:ения Ul и U вычитаются и находится напряжение рассогласования DC, равное ) Подставляя соответствующие значения напрЯя1:ений и кода из таблицы с учетом приведения полных углов к первому 1рктанту. « . t.p(-) , получаем напряжение рассогласования Ij. , равное; S() Uj.U3iMWt COScCfjp для нечетных октантов и ) U UstnLot ein() для четны : октантов. .С выхода усили теля 5 напряжение рассогласования Ug поступает на вход фазочувствительного вьшрямитёля 7, где перемножается . с опорным напряжением. На выходе фазочувствительного выпрямителя 7 получается напряжение U полярность которого определяется отставанием или опер1ежением цифрового значения Кода otnp относительно угла поворота ротора СКЕ1Т 1. Фнльтр 8 нижних час- . тот вьзделяет постоянную составляющую напряжения 0, одновременно подавляя гармоники опорного напряжения и формируя необходимую частотную характеристику преобразователя, как замкнутой следящей системы. С выхода фильтра 8 напряже1ше (Jg поступает на вход управляемого генератора 9. Частота управляемого генератора 9 определяется величиной напряжений рассогласования i-i и соответственно величиной напряжения Ug, полярность которого определяет на вход суммирования или вычитания реверсивноЛ счет чика 6 должны поступать импульсы с управляемого генератора 9. Выходной код реверсивного счетчика 6 идет на вход формирователя 19 кода тангенса-котангенса и изменяется таким образом, чтобы напряжение рассогласования стремилось к нулю. Когда Ug ста новится равным нулю, колебания управляемого генератора 9 прекращаются и на выходе реверсивного счетчика 6 фиксируется код, цифровое значение которого равно углу поворота ротора СКВТ 1. . Рассмотрим работу преобразователя при скачке угла б поворота ротора СКВТ 1. В этом случае напряжение U на выходе дифференциального усилителя 5 имеет значительную величину, соответственно и нап ряжение U на выходе фазочувствительного вьшрямителя 7 также велико, а полярность его оп- ределяется отставанием или опережением цифрового значения кода относительно угла 6j . Работу преобразователя в этом случае определяет блок 10 переключения режимов, на nep вые входы компараторов 13 и 14 которого поступает напряжение U с выхода фазочувствительного вьтрямителя 7 На вторые входы компараторов 13 k 14 подаются напряжения U- и и, ко торые задают порог срабатывания компараторов 13 и 14, При этом |U0), а величина этих напряжений выбирается в зависимости от требуемого.време ни установления преобразователя в следящем режиме и величины допустимых изменений угла 9 поворота ротора СКВТ 1 при включениях, сбоях и резких изменениях. При превышении напряжением U: порога срабатывания Ug(Uj.) компаратора 13 (14),он срабатывает и выходное напряжение 0}5( поступает на вход элемента И-ИЛИ 18. С выхода элемента И-ИЛИ 18 сигнал поступает на вход одновибратора 16, который формирует импульс запуска регистра 11 последовательных приближений. Работа блока 10 переключения режимов поясняется временными диаграммами на фиг. 3. В момент времени ti напряжение рассогласования превьшает порог срз «g компаратора 13, на его батывания U; выходе появляется напряжение U. 1 , которое поступает на первый вход элемента И-ИЛИ 18, на второй вход которого идет инвертированный сигнал завершения преобразования. В результате, на выходе элемента И-ИЛИ 18 появляется напряжение , которое запускает одновибратор 16. С выхода одновибратора 16 на вход запуска регистра 11 последовательных приближений поступает импульс длительностью который запускает регистр 11 последовательных приближений.. В момент времени t на втором выходе регистра 11 последовательных приближений появляется напряжение которое поступает на вход загрузки кода реверсивного счетчика 6 и останавливает его. Инвертированное значение напряжения Uy блокирует прохождение напряжений и и на выход элемента И-ИЛИ 18 до завершения полного цикла преобразования. С момента времени tj регистр 11 последовательных приближений начинает работать с тактовой частотой генератора 15, последовательно, начиная со старшего разряда, подключая к информационным входам реверсивного счетчика 6 соответствующие разряды, состояние которых определяется компаратором 12, выход которого подключен к информационному входу регистра 11 последовательных приближений, первый вход подключен к чыходу усилителя 5, на второй вход подано опорное напряжение . В момент времени tj регистр 11 последовательных приближений включает свой первый старший, разряд, который поступает на информационный вход реверсивного счетчика 6 и проходит на его выход, так как на входе загрузки присутствует разрешаннций сигнал Щf. С выхода реверсивного счетчика 6 этот разряд поступает на вход формирователя 19 кода тангенса-котангенса и с его выхода на цифровой вход ЦАП 3, на выходе которого появляется напряжение Uj, величина которого определяется кодом на 191ФРОВОМ входе , ЦАП 3. Напряжение Ш поступает на второй вход усилителя 5, где вычитается из напряжения U, в результате формируется напряжение рассогласования Uj, полярность которого опреде- . ляет состояние выхода компаратора 12. В момент времени t регистр 11 по9

с.пкдовательных приближений подключзет с.телуюидай . разряд к информационному входу ренерсивного счетчика 6 и отключает первый старший разряД; так как на выходе компаратора 12, до момента t. сохраняется низкое знгг чегже напряжения Ц,,. Соотзетственно изменяется состояние кода и на зьжо-де реверсивного счетчика 6э так как. iia входе загрузки присутствует разре2

;иаюшдй сигнал U.,1 С выхода реверсивного счетчи15а 6 новое значение кода поступает на вход формирователя 19 кода и с его выхода на тдафрово вход ЦАП 3. На,выходе ЦАП 3 появляет 1

повое значение напряжения

КО-ое ззычитается из напругжения

; на выходе усилителя 5 появляется :i:)Boe значение напрял ения расссгла;;ования U, полярность которого опре деляет состояние выхода компаратора 12. При этом напряжение рассогла1:ования Uj уменьшается по абсолютной :;и;шичине, В момент вреь5еки t регистг i1 Последовательных прибл1скений под: л очает следующий разряд, не изменяя состояния предьщущего, так как на .оде компаратора 12 сохранилось на:ч; ;;.;сание U 1. При этом ;;апряжекке ./;::::,согласования еще ботюе у леньшаетси„ В последуквдие моменты времени Cr--t. регистр 11 последовательных

- ; и

приближений изменяет зкаченне кода 3 соответствии с выходным 1:япряже:.ш: ем компаратора 12 таким образом, чтобы напряжение рассогласования (Jj стремиаось к нулю.

На фиг. 4 условно показаноj что регистр 11 последовательных приближений имеет восемь разрядов и соответственно восемь рабочих тактов t,t.. По окончании последнего такта в момент времени t. сигнал U завершения преобразования становится равным нулю, разрешая работу реверсивного счетчика 6 в счетном режиме, а преобразователя - в следящем режиме. При переходе в следящий режим на выходе реверсивного счетчика 6 фиксируется код ctj., цифровое значение которого равно углу 9 поворота ротора СКВТ 1 Инверсное значение напряжения U поступает на второй и четвертый входы элемента 18 разрешая прохождение напряжений U.. и Ь на его выход при последующих скачках угла поворота ротора СКВТ 1. Время установления преобразователя определяется как чисбч б

10

лом разрядов регистра 11 последовательных приближений, которое равно числу разрядов реверсивного счетчика б, так и длительностью одного такта преобразования, которая ограничивается временем установления напряжения на выходе 1ДАП 3. Максимальное время установления преобразователя с точностью до величины младшего разряда равно

, Л . -г-

где Ш

частота опорного напряжения

1ь: время, определяющее длительность импульса запуска преобразователя ;

время одного такта преобраЧзования;

число разрядов регистра 11

п последовательных приближений.

При частоте опорного напряжения 400 Гд (u)2513 1/с), числе разрядов регистра 11 последовательных приближений , времени одного такта t. 10-10 c и времени Ц 20-10 с время установления равно 7-4510 С5 что на несколько порядков меньше времени, необходимого для преобразователя, работающ.его только в следящем режиме. Проведенные испытания показали до ;таточное совпадение расчетов с экспериментом.

Преимущества предложенного преобразоваться по сравнению с известными заключаются в том, чт.о точность преобразования увеличивается в 2 раза), Получение времени установления выходной величины на уровне 1 мс, подтверденное экспериментально, более чем в 500 раз меньше, чем у прототипа. Это расширяет возможности применения устройства и позволяет его использовать, как в одноканальных преобразователях углов, изменяющихся с высокой скоростью и ускорением, так и в многоканальных устройствах с мультиплексированием. В последнем случае это приводит к существенному сокращению аппаратных затрат при сохранении динамической погрешности преобразования на прежнем уровне. Показатели преобразователя улучшаются за счет введения новых элементов и изменения связей. Наряду с существенным улучшением основных показателей преобра1 1111644612

зователя улучшаются и его эксплуата- ное влияние на характеристики оборуционные характеристики, что еще в , дования и повышает его производительбольшей степени оказьгоает положитель- кость.

.iLLJ-l

СЛЕДЯЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД, содержащий синусно-косинусный вращающийся трансформатор , выходы которого соединены с первым и вторым входами определителя октантов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен через фильтр нижних частот с зшравляемым генератором, выходы которого соединены с соответствующими счетными входами реверсивного счетчика, шину питания, соединенную с синусно-косинусным вращающимся трансформатором и вторым входом фазочувствительного выпрямителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия преобразователя,/в него введены коммутатор, две шины опорного сигнала, три компаратора, генератор, элемент И-ИЛИ, одновибратор, инвертор, регистр последовательных приближений, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, постоянное запоминакндее устройство, первый выхол коммутатора соединен с вторым входом усилителя, выход которого соединен через первый компаратор с первым входом регистра последовательных приближений, выход фазочувствительного выпрямителя соединен с первыми входами второго и третьего компараторов, вторые входы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания опорного сигнала, а выходы - с первьы и вторым входами элемента И-ШШ, вьрсод которого соединен через одновибратор с вторым входом регистра последовательных приближений, третий вход которого соединен с выходом генератора, а выходы - с третьим и четвертым входами реверсивного счетчика, один выход регистра последовательных приближеНИИ соединен через инвертор с третьим и четвертым входами элемента И-ШШ, выходы реверсивного счетчика являются выходами следящего преобразователя угла noBojpoTa вала в кбд и .соедиО) нены с первой группой входов элемен4i 4 Од та ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторая группа входов которого соединена с выходами, определителя октантов, ,а выходы ccieдинены через постоянное запоминайщее устройство с цифровыми входами цифроаналогового преобразователя, первая шина питания соединена с третьим входом определителя октантов, выход которого соединен с .управляющим входом коммутатора, второй выход .которого соединен с аналоговым входом цифроангшогового преобразователя выходы синусно-косинУсного вращающегося трансформатора соединены с первым и вторым входами коммутатора.

V

г/, IP

и

J т

Ж ц-№«s5

VL

ишВ

Ж

ж

-UsinB

-IkosB

UcosB

UsinB

U1 Мсозв Мп0

-ЫпВ

UcosB

l

SJ ftm.

7Л 9

UcosB

UsinB

-UcosB

-USine У Я 2Л cosff o(

i,

UIB

.JS.

Utz

is

ifo

te

Фиг.