Преобразователь угловых перемещений в код Советский патент 1986 года по МПК H03M1/48 

I12 Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления, в частности в системах числового программного управления перемещениями , механизмов станков. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя путем получения кода скорости изменения угла в широком диапазоне ее изменения и кода ускорения. На фиг. 1 приведена блок-схема преобразователя угловых перемещений в код; на фиг. 2 - блок-схема перестраиваемого реверсивного счетчика; на фиг. 3 - блок-схема блока измерения частоты; на фиг. 4 - блок-схема преобразователя кода в частоту; на фиг. 5 - временная диаграмма работы преобразователя. Преобразователь содержит блок 1 питания, умножители 2 и 3, переключатели 4 и 5, вычитатель 6, датчик 7, функциональные преобразователи 8 и 9, дешифратор 10, реверсивный счетчик (РСЧ) 11 с выходом 12 кода угла, элементы ИЛИ 13 и 14, преобразователь 15 напряжение-частота (ПНЧ), выход 16 кода скорости, выход 17 кода ускорения, блок 18 опорных частот, перестраиваемый реверсивный счетчик 19, блок 20 измерения частоты, преобразователь 21 кода в iчастоту, элементы ИЛИ 22-25, делители 26-29 частоты, реверсивные счетчики 30-32. Блок 20 измерения частоты содержит блок 33 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, делитель 34 частоты, коммутатор 35, реверсивный счетчик 36, элементы ШШ 37 и 38. Преобразователь 21 кода в частоту содержит коммутатор 39, блок 40 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, делитель 41 частоты. Преобразователь работает следующим образом. Синусно-косинусный датчик 7 (фиг. 1), например индукционного типа (револьвер или индуктосин), формирует на первом и втором выходах сигналы и и,с соответственно, являющиеся функциями углового положения оси ротора датчика 7, и,5 Кд-и„.Б1п р0; и,с K -UO-COS р0, где 5 где В коси анал го 3 упра пода форм кода Nq где К а,„ на в дов 35 вход 8 и ется раз 40 код Ng где 45 50 где Н разо к од 55 N где коэффициент передачи датКдчика 7; коэффициент электрической редукции датчика 7; 8угол поворота оси ротора датчика 7 (задающее воздействие) ; напряжение питания, формируемое блоком 1 питания датчика 7; и„ и„ sin , Од, , DO - амплитудное значение и круговая частота напряжения питания датчика 7. ыходные сигналы и синуснонусного датчика 7 поступают на оговые входы первого 2 и второумножителей соответственно. На вляющие входы умножителей 2 и 3 ются соответственно коды Ng и N, ируемые из k-разрядного выходного Ng преобразователя, о ( а„2 +а,2 + ... -f а 2 -i-a,, 2 а- - весовые коэффициенты. од Ng и логические функции а, формируются РСЧ 11 перемещения ыходах младших и старщих разрясоответственно. од Ng поступает на выход 12 и на ы функциональных преобразователей 9, управление которыми выполняс помощью логической функции а . а выходе функционального преобвателя 8 формируется двоичный Кц Ь„2% Ъ,2+ ...+Ь,.2Ч Ь,., , bj - весовые коэффициенты, определяемые как а; при а О а; при а. 1, i 0, 1, 2, ..., (k-2), (k-1). а выходе функционального преобвателя 16 фор1«1руется двоичный N; : С,2°+0, ... +C,, 2 Ск.,2 , С; - весовые коэффициенты, определяемые как при а. при а, 1, ., (k-2), (k-1) где i О, 1, 2, Коды Ng и NJ. представляют собой симметричные линейные треугольные avf) выхо функции разрядов (а ного кода РСЧ 11 перемещения (фиг, 5 Симметричная треугольная функция кода Ng отстает по фазе на относительно симметричной треугольной фуукции кода N. Симметричными треi угольными функциями кодов NB и Nf можно грубо аппроксимировать тригонометрические функции (созФ) и (sin соответственно, (-4 угловой экв валент кода (полного) РСЧ 11 переме 2 Р Код Ng поступает на управляющий вход умножителя 2, а код N - на управляющий вход умножителя 3. Умножители 2 и 3 реализуют функц двухквадрантного умножения входных сигналов и. и на нелинейные рациональные функции вида в) г44 и (fNc) 1+BNc которые соответственно формируются умножителях 2 и 3 из кодов Ng, и Np . Соответствующий подбор коэффициента А и В, например с помощью метода Гаусса-Зайделя, позволяет получить аппроксимирующие функции f(Ng) и f(N(,), близкие к синусоидальйым. Функций f(Ng) и f(Nf;) представляют собой функции квазикосинуса и квазисинуса, взятые по модулю, и им можно более аппроксимировать функции /cosf/ и соответтвенно, Двухквадрантные умножители 2 и 3 работают при биполярном (знакопеременном) сигнале на аналоговом входе и однополярном прямом двоичном коде (Ng и Np) на управляющих входах. Положительным значениям кодов Ng и N(4 соответствуют положительные значения функций квазикосинусй и квази синуса. Отрицательные значения функ ций квазикосинуса и квазисинуса rtoлучаются путем умножения функгдий f(Ng) и f(N;.) соответственно на коэффициенты передачи К К, вычитателя 6, Коэффициенты передачи Кр принимают значения +1 или -1 в зависимости от номера квадранта, обеспечивая тем самым необходимые знаки аппроксимирующим функциям. Благодаря этому преобразователь обеспечивает работу в четырех квадрантах и реализует функциональную зависимость рассогласования вида sin(p8-)sin p0f(Ng) - cos p6f-(NO) Отрицательные значения функций квазикосинуса и квазисинуса .реализуются с помощью переключателей 4 и 5, управляемых от дешифратора 10, который формирует два логических сигнала. Первый логический сигнал d, обеспечивает с помощью переключателя 4 коммутацию сигнала U умножителя 2, равного и Кд-и„. sin р9 f(Ng), на первый вход вычитателя 6. Вычитатель 6 выполнен по дифференциальной 9хеме с суммирующими входами -И частотно-зависимыми коэффициентами передачи и может быть реализован, например, на двух последовательно соединенных инвертирующих усилителях с суммирующими входами. Конденсатор, введенный в цепь обратной связи инвертирующего усилителя, придает ему свойства апериодического звена 1-го порядка и делает коэффициент передачи вычитателя 6 частотно-зависимым. Зависимость коэффициента передачи вычитателя 6 от частоты позволяет использовать его для фильтрации пульсаций напряжения ошибки слежения (рассогласования), сформированного после демодуляции несущей. Управление переключателями 4 и 5 осуществляется посредством дешифратора 10, на два входа которого поступают логические сигналы а и а с выходов двух старших разрядов РСЧ 11 перемещения. Различные сочетания логических сигналов а и а, определяют номер квадранта датчика 5 и, следовательно, знаки.аппроксимирующих функций квазикосинуса и квазисинуса„ .На тактовый вход дешифратора 10 подается логический сигнал а, кот рый в зависимости -от полярности полуволны синусоидального напряжения питания Ug принимает значение О или 1 . Сигнал а... несет информаци о знаке напряжения U и использует ся для демодуляции .несущей. Демодуляция осуществляется одновременно с формированием функциональной зави симости рассогласования (1) путем учета в коэффициентах передачи вычитателя Кц.и Kg (операция-выполня ется при формировании логических функций d, d,) не только знаков функций квазикосинуса и квазисинуса но и значения логической функции ад Демодуляция напряжения рассоглас вания реализуется с помощью переклю чателей 4 и 5 и осуществляется путем синхронной коммутации входов вычитетеля 6 в такт (синхронно) со сменой полярности напряжения питаВычитатель 6 формирует напряжени ошибки слежения U . и, sin р9 f(N, - соз p6.f(Nc) - KgJ , Сигнал Ux с выхода вычитателя 6 i . поступает на вход ПНЧ 15, Биполярный ПНЧ 15 может быть реализован, например, в виде интегратора с суммирующими входами на базе операционного усилителя с конденсатором в цепи обратной связи. Конденсатор разряжается ключом каждый раз, когда напряжение на выходе интегратора достигает заданного уровня. На одном из выходов ПНЧ 15 в зави-45 симости от знака входного напряжения формируется последовательность импульсов, частота следования которых |,ц пропорциональна ускорению пере мещения. Величина f определяется равенством где Крщ - коэффициент передачи ПНЧ 15. Сигнал рассогласования в виде по ледовательности импульсов частоты 076 поступает на ПНЧ 15, на один из входов блоков 19 и 20, а также на вход одного из элементйв ИЛИ 13 или 14. На выходе блока 19 формируется биполярный дополнительный код N , младшие разряды которого (код N) несут информацию о величине мгновенной скорости со перемещения, а старший разряд С 34 - о знаке скорости&з. Блок 19 имеет переменный коэффициент Ку передачи, который меняется в зависимости от величины сигнала рассогласования. Управление изменением коэффициента К передачи осуществляет блок 20. В .преобразователе с помощью элементов ИЛИ 13 и 14 и блоков 19 и 20, образующих цифровое изодромное звено, реализован пропорционально-интегральный (ПИ) закон управления. Сигнал рассогласования на выходе ПНЧ 15 представляет собой пропорциональную составляющую ПИ сигнала. Интегральная составляющая ПИ-сигнала формируется в блоке 19 в. виде кода Ny скорости, который затем преобразовывается преобразователем 21 в последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна мгновенной скорости CJ перемещения. Величина fpRi/ определяется равенством fli NiJ 2 n - разрядность двоичного ко: да f - образцовая частота, которая используется для преобразования код-частота. астота f, формируется в блоке 18 дается на тактовый вход блока 21. Последовательность импульсов частоты fi,j(U , в зависимости от знака скорости (в зависимости от значения логической функции 1-}н) подается с одного из двух выходов блока 21 на вход одного из элементов ИЛИ 13 или 14. Двухвходовые элементы ИЛИ 13 ,и 14 осуществляют суммирование пропорциональной и интегральной составляющих пи-сигнала. На первые входы элементов ИЛИ 13 и 14 поступает пропорциональная составляющая ПИ-сигнала из блока ПНЧ 15, а на вторые входы интегральная составляющая из блока

7

21. С выходов элементов ИЛИ 13 и 14 снимаются последовательности импульсов с частотами и f соответственно.

В зависимости от знаков скорости GL) и ускорения о перемещения возможны различные комбинации частот ip,j и пк4 при формировании выходных сигналов f, f.

Таблица иллюстрирует возможные комбинации, которые возникают при ,; формировании выходных сигналов f, f в функции от начальных условий (от знаков CJ , 03 ) .

2725078

Постоянная времени Т, определяемая выражением

1

(2)

f, К

со

изменяется в функции от ускорения и) , величина которого определяет режим работы преобразователя,-Идентификация режима работы осуществляется блоком 20 (цифровым частотомером)

путем измерения частоты f

При

пнч определении величины f

используется образцовая частота f которая поступает на тактовый вход блока 20 из блока 18.

С выходов 17 блока 2 снимается абсолютное значение величины ускорения в виде однополярного прямого двоичного кода , который управляет изменением коэффициента передачи Кц блока 19.

Все m разрядов - кода N разбиты на две группы: младшие разряды код NQ, старшие разряды - код N .

При этом выполняется равенство

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления, в частности в системах числового программного управления перемещениями механизмов станков. С целью расширения функциональных возможностей преобразователя путем получения кода скорости изменения угла в широком диапазоне в преобразователь, содержащий датчик, блок питания, два умножителя, два функдаональных преобразователя, реверсивный счетчик, дешифратор, два переключателя, вычислитель и преобразователь напряжениечастота, введены два злемента ИЛИ, блок опорных частот, преобразователь кода в частоту, перестраиваемый реверсивный счетчик и блок измерения частоты. Поставленная цель достигнута за счет использования переменной разрешающей способности преоб- разователя в зависимости от скорости изменения угла. При этом выходной код блока измерения частоты, пропорциональный частоте импульсов с выхода преобразователя напряжение-частота, управляет коэффициентом преобразования перестраиваемого реверсивно л го счетчика, код с выхода которого управляет работой преобразователя кода в частоту, задающего скорость заполнения импульсами реверсивного счетчика. Выход блока измерения частоты является выходом кода скорости изменения угла, а выход перестраиваемого реверсивного счетчика - дом кода угла. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Последовательности импульсбв с iчастотами f и f поступают соответственно на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 1 перемещения.

Особенностьюпостроенияпредлагаемого преобразователя.является наличие всоставе устройства перестраиваемого реверсивного счетчика 19 скорости и блока 20 измерения частоты идентификатора режима работы преобразователя.

С помощью блока 20 в преобразователе реализована активная система самонастройки, предназначенная для изменения постоянной времени TQ цепи, образованной последовательно соединенными блоками 19 и 21, с целью увеличения быстродействия преобразователя. Изменение постоянной времени

достигается за счет изменения

-03

коэффициента К деления блока 19.

где gj - весовые коэффициенты разрядов кода, ,1, ..., г-2, г-1, г, г+1, ..., т-2, т-1;

г - разрядность кода N. Код NJJ с выходов блока 20 подается на две группы входов блока 19, величина коэффициента передачи которого меняется в функции от значения кода N

V I + NU

(4) 2

Подставив значение коэффициента К передачи в выражение (2), получим зависимость постоянной времени Т 55 от значения кода N ускорения

,ч

Т со

( 1 + N 1 f

V I If-,; г 9 Изменение постоянной времени Тц в соответствии с выражением (4) дос тигается за счет специальной схемы построения перестраиваемого реверсивного счетчика 19 скорости (фиг. 2 Блок 19 составлен из трех последовательно соединенных реверсивных счетчиков (РСЧ) меньшей разрядности г-разрядногр первого РСЧ 30, (m-r)разрядного второго РСЧ 31 и (п + 1 - т)-разрядного третьего РСЧ 32 (где m - суммарная разрядность реве сивных счетчиков 30 и 31). На выход старшего разряда РСЧ 32 формируется логическая функция выходов РСЧ 30 и 31 и с выходов младших разрядов РСЧ 32 снимается п-разрядный код , 1.2%1,2 + ...+1г., 2 г ( П,2 -flp,, 2 +...П (m-0 m (ffl + i) +,«-, -Urn., 2 Ч,. (-2)(M-t) весовые коэффициенты млад ших разрядов перестраиваемого РСЧ 19, 1 0, 1,.. (г-2),(г-1), г (2+1) (т-2), (т-1), т,(га+1),., (п-2), (п-1). Реверсивные счетчики 30-32, соединенные последовательно через двух входовые эле менты ИЛИ 22-25, образуют прямой канал суммирования и вычитания входных импульсов частоты пнм которые поступают на суммирующий или вычитающий входы РСЧ 30. Импульсы положительного и отрицательного переносов, сформированные РСЧ 30, подаются соответственно через элементы ИЛИ 22 и 23 на суммирующий и вычитающий входы РСЧ 31. Аналогично с выходов положительного и отрицательного переносов РСЧ 31 импульсы переноса поступают соответ ственно через элементы ИЛИ 24 и 25 на суммирующий и вычитающий входы РСЧ 32. По црямому каналу блок 19 имеет постоянное значение коэффициента передачи, равное минимальной величине коэффициента К 1/2 К« коэффициенты пегде К с, , редачи реверсив(5) 55 Кл, V 07 ных счетчиков 30-32 соответственно. из выраДля последовательного соединения реверсивных счетчиков 30-32 используется один из входов каждого элемента ИЛИ 22-25. Другой вход служит для передачи на один из входов реверсивных счетчиков 31 и 32 дополнительных (форсирующих) импульсов, формируемых делителями 26-29 частоты. Дополнительные импульсы формируются из входных импульсов частоты „цц в функции от величины кода N ускорения. Делители 26 и 28 работают при положительных ускорениях и их входы подключены к суммирующемувходу РСЧ 30, При отрицательных ускорениях работают делители 27 и 29, а их входы подключены к вычитающему входу РСЧ 30. Управление делителями 26 и 27 осуществляется младшими разрядами однополярного прямого кода N. (г-разрядным кодом N(j) , а управление делителями 28 и 29 производ1-1т ся старшими разрядами кода Ny (m-r)-разрядным кодом Ny,, . Управляемые делители 26-29 частоты могут быть реализованы на основе микросхемы типа К 155 ИЕ8. В зависимости от кода управления коэффициент деления такого делителя может меняться от нуля (при нулевом значении (2 кода управления) до величины -1)/2 , где 1 - разрядность в кода управления. Делители 26 и 27 имеют одинаковый коэффициент деления, равный а коэффициент деления делителей 28 и 29 определяется выражением Переменный коэффициент лередачи блока 19 выражается зависимостью ,.Ж которая при подстановке выражений (6), (7) и (8) и при учете зависимости (3) преобразуется в равенство (4), При нулевом значении кода , данное равенство приводится к виду (5), а при максимальном значении кода N выражение (9) имеет вид mcor что практически эквивалентно.отключению младших m разрядов блока 19. Управление изменением коэффициента передачи К осуществляется бло ком 20 измерения частоты (фиг. 3). В основу построения блока 20 положен компенсационный принцип. Блок 20 работает следующим образом. Входные импульсы частоты пич посту пают через элементы ИЛИ 37 и 38 на суммирующий или вычитающий входы реверсивного счетчика 36. В результате суммирования или вычитания вхо ных импульсов на выходах РСЧ 36 фор мируется биполярный дополнительный код ускорения, который поступает через блок 33 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на управляющие входы делителя 34. Блок 33 преобразует биполярный дополнительный код ускорения в прямой однополярный, т.е. формирует аб солютное значение величины ускорени Управление блоком 33 осуществляется старшим (знаковым разрядом) РСЧ 36. Целитель 34 выполняет преобразовани код-частота. На тактовый вход делителя 34 поступают импульсы образцовой частоты f2, из которой на его выходе формируются импульсы отрицательной обратной связи с частотой следования f д,. Они поступают на вход коммутатора 35, который также управляется знаковым р&зрядом РСЧ 3 и затем элементы ИЛИ 37 и 38 подают на входы счетчика РСЧ 36, компенсируя входные импульсы частоты f . При равенстве частот ос выходах блока 33 устанавливается од нополярный прямой код N , ускорени а на выходах счетчика РСЧ 36 - биполярный дополнительный код мгновен ного ускорения О) , который также может быть использован для целей управления. В режиме постоянной скорости измеряемого перемещения преобразователь не имеет ошибки по скорости В этом режиме напряжение И рассог ласования на выходе вычитателя 6 равно нулю. Частота пнч на выходе ПКЧ 15 также равна нулю, а частота ff,Ki на выходе блока 21 равняется постоянной величине. Величина ее определяется кодом мгновенной скорости, хранящимся в блоке 19. Содержимое РСЧ 11 изменяется по линейному закону, отслеживая линейное изменение измеряемого перемещения. Формула изобретения 1. Преобразователь угловых перемещений в код, содержащий блок питания, первый выход которого подключен к входу датчика, первый и второй выходы которого подключены к аналоговым входам соответственно первого и второго умножителей, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго переключателей, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам вы штателя, реверсивный счетчик, выходы которого подключены соответственно через первый и второй функциональные преобразователи к цифровым входам первого и второго умножителей, причем выходы двух старших разрядов реверсивного счетчика подключены к информационным входамдешифратора, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого и второго переключателей, второй выход блока питания подключен к синхровходу дещифратора, и преобразователь напряжение-частота, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя путем получения кода скорости изменения угла в широком диапазоне ее изменения, и кода ускорения, в него введены два элемента ИЛИ, блок опорных частот, преобразователь кода в частоту, блок измерения частоты и перестраиваемый реверсивный счетчик, выход вычитателя подключен к входу преобразователя напряжение-частота, первый выход которого подключен к первому информационному входу перестраиваемого реверсивного счетчика и первым входам блока измерения частоты и первого элемента ИЛИ, второй выход преобразователя напряжение-частота подключен к второму информационному входу перестраиваемого реверсивного счетчика, второму входу блока измерения частот и первому входу второго элемента ИЛИ выход которого подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика, к суммирующему входу которого подклю чен выход первого элемента ИЛИ, первый выход блока опорных частот подключен к третьему входу блока измерения частоты, первая и вторая групп выходов которого подключены соответственно к первой и второй группам управляющих входов перестраиваемого реверсивного счетчика, выходы котор го являются выходами кода скорости преобразователя угловых перемещений в код и подключены к управляющим входам преобразователя кода в часто ту, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, второй выход блока опорных частот подключен к информационному входу преобразователя кода в частоту, третья группа выходов блока измерен частоты является выходами кода ско рости преобразователя угловых перемещений в код. 2. Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что перестраиваемый реверсивный счетчик содержит четыре делителя частоты, три реверсивных счетчика и четыре элемента ИЛИ, попарно объединенные информационные входы первого и второго, третьего и четвертого делителей частоты являются соответственно первыми и вторыми информационными входами перестраиваемого реверсивного счетчика, а другие их входы подключены соответственно к первому и второму входам первого реверсивного счетчика, первый и второй последовательные, выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, выходы которых подключены соот ветственно к первому и второму входам второго реверсивного счетчика, первый и второй последовательные выходы которого подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего реверсивного счетчика, параллельные выходы первого, второго и третьего оеверсивных счетчиков являются выхо дами перестраиваемого реверсивного счетчика, входы первого и третьего делителей частоты являются первой группой управляющих входов перестраиваемого реверсивного счетчика, выходы первого и третьего делителей частоты подключены к вторым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, управляющие входы второго и четвертого делителей частоты являются второй группой управ ляющих входов перестраиваемого реверсивного счетчика, выходы второго и четвертого делителей частоты подключены к вторын входам соответственно третьего и четвертого элементов ИЛИ. 3.Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что блок измерения частоты содержит делитель, частоты, блок элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, коммутатор, реверсивный счетчик, первый и второй элементы ИЛИ, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входом блока измерения частоты, третьим входом которого является информационный вход делителя частоты, выход которого полключен к информационному входу коммутатора, первый и второй-выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам реверсивного счетчика, йыходы которого подключены к входам блока элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ РШИ, выходы которого подключены к управляющим входам делителя частоты, группа выходов старших и младших разрядов блока элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЖ являются соответственно первой и второй группой выходов блока измерения час тоты, третьей группой выходов которого являются выходы реверсивного счетчика, выход старшего разряда которого подключен к управляющему входу коммутатора. 4.Преобразователь по п. 1, о тличающийся тем, что преобразователь кода в частоту содержит коммутатор, делитель частоты и блок элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которого являются управляющими входами преобразователя кода-в частоту, информационный вход делителя частоты является информационным входом преобразователя кода в частоту, выход

делителя частоты подключен к инфор- дами преобразователя кода в частоту, мационному входу коммутатора, первый вход старшего разряда блока элементов и второй выходы которого являются ИСЕШЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к управлясоответственно первым и вторым выко- ющему входу коммутатора.

Фиг.1

Фаг, 2

/7////////л

/Vff

У

///77/7////Л

I

Y/////////////////////

Ф