Преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1986 года по МПК H03M1/64 

Изобретение относится к электротехнике сигналов и може.т быть использовано в системах позиционирования и регулирования скорости.

Цель изобретения - повышение точности преобразователя.

На фиг.1 изображена схема преобразователя угла поворота вала в код; на фиг.2 - схемы демодуляторов, формирователей напряжения блоков, опре деления квадранта и знака угла; на фиг. 3 - диаграммы изменения выходных напряжений демодуляторов (а) и угла (б); на фиг.4 - зависимость вычисленного угла от угла поворота вала; на фиг.5 - диаграммы на выходе блока определения квадранта угла (а) и круговая диаграмма (б); на фиг.6 - диаграммы сигналов на выходе схемы определения знака угла.

Преобразователь угла поворота вала в код содержит датчик 1 -положения с выходными обмотками 2 и 3, демодуляторы 4 и 5; формирователи 6 и 7 напряжения, блок 8 определения знака угла, блок 9 функционального преобразования, который выполнен в виде блока 10 определения квадранта, преобразователей 11 и 12 напряжения в код (ПНК), дешифраторов 13 и 14, матричный дешифратор 15, шину 16 данных I Матричный дешифратор 15 состоит из ячеек 17 с элементом И-ИЛИ входами 18,19, вертикальными и горизонтальными, ячейка имеет входы 20, элементы И-11ПИ 21,22.

Понятия горизонтальности и вертикальности являются условными и соответствуют чертежу на фиг.1.

Блок 10 определения квадранта содержит инверторы 23 и 24, формирователи 25 - 28 напряжения, элементы И 29 - 31,и элементы ИЛИ 32 и 33.

Блок В определения знака угла содержит инвертор 34, формирователи 35 и 36 импульсов, элементы И 37 и 38 и триггер 39.

Преобразователь угла поворота вал в код работает следуюш,им, образом.

На выходных обмотках 2 и 3 датчик положения формируются два переменных напряжения, огибающая которых пропорциональна синусу и косинусу угла Ч wi поворота. Демодулирован- ные напряжения (фиг.За) несут исходную информациюоб угле поворота и поступают на входы преобразователей (ПНК) 11 и 12 и формирователей 6 и 7

10

15

Выходные коды ПНК 11 и 12 изменяются при увеличении или уменьшении их входных сигналов на опеределенную ступеньку, в результате чего кривые и и и на фиг. За апроксимируются ступенчатыми зависимостями N и N , где N - значение кода, соответствующее текущему значению входного напряжения ПНК 11 и 12, Число ступеней, на которое разбивается амплитуда U, зависит от требуемой точности апрок- симации (например, на фиг.За - 27 ступенек) и диапазона разброса амплитуды и. Очевидно, что в реальных устройствах амплитуда напряжений U и Uj не может быть абсолютно стабильной и кривые при эксплуатации устройства могут находиться в некоторых

0

и и

12

и

24

И и

22

СООТграницах U, ветственно.

Сигнал i угла поворота вала определяется как аргумент вектора

5

ai-ctg

(1)

0

0

Однако в данном случае вычислений по формуле ( 1 ) не производят , а определение угла осуществляют с помощью матричного дешифратора 15 (фиг.). Как видно из формулы () каждой паре значений U и U соответствует определенное значение Ч , поэтому в ячейках матрицы записаны значения кода угла ,соответствующие

различным парам значений U и U, численные по формуле (1) для значений

и и и , соответствующих одному и .; тому же моменту времени. Данный алгоритм работы преобразователя осуществ- |Ляется следующим образом. Коды с выходов ПКН 11 и 12 поступают на входы дешифраторов 13 и 14, Каждому значению кода на входе дешифратора соответствует сигнал на одном из его выходов.

Выходные сигналы дешифраторов 13 и 14 поступают соответственно на вертикальные 18 и горизонтальные 19 входы матричного дешифратора 15 и ее ячеек 17, так как на входе каждой ячейки 17 стоит элемент совпадения, то данная ячейка 17 возбуждается в том случае, е сли на ее горизонтальный 19 и вертикальный 18 входы одновременно подается сигнал

логической 1. Коды, записанные в каждой ячейке 17 заранее программируются в соответствии с табл., в левом вертикальном столбце которой

5

0

указаны значения ступенчатой кривой N, апроксимирующей напряжение U, а в верхнем горизонтальном ряду приведены значения апроксимирующей кривой N-. Эти значения N и N, формируются На выходах ПНК 12 и 11 соответственно. Как указывалось вьпие, каждому коду ПНК 1 и 12 соответствует возбуждение одного из выходов дешифраторов 13 и 14, следовательно, значения N и N , указанные в табл.1 одновременно обозначают номера возбужденных выходов дешифраторов 14 и 13 соответственно. В клетках табл,1 приведены значения угла в градусах, вычисленные по формуле (1), по значениям N и Ng для данного момента времени. Эти значения угла запрограммированы в ячейках 17 в двоичном коде, который выдается на выходную шину 16.

Как указывалось вьше, в реальном устройстве амплитуды кривых U;, и U находятся в некотором диапазоне. Поэтому в любой момент времени каждо му значению U (или N) может соответствовать ряд значений Uj (или N.) (фиг,За). Это отражено в табл. 1. Например, значение N 1, которое

N, 1.

существует на некотором отрезке времени, может соответствовать ряд из шести значений N , равных 27 ,26,25,24 23,22. Следовательно, по формуле Ч arctg N /N будет вычислено шесть значений угла V, равных 2,1; 2.2; 2,3; 2,4; 2.5; 2.6 град. Эти значе- записаны в ячейки 17 в виде кода.Следовательно, реальный угол noiBopoTa определяется с погрешностью зависящей от возможного разброса амплитуд кривых U. и U, и отклонения

Z

их формы от синусоиды. Количество значений N

2

значению N, зависит от плитуд сигналов U и U,,

соответствующих одному разброса ам- На фиг,3а

ISTOT разброс достигает 20% от амплитуды и j поэтому при выбранном уровне квантования потребовалось шесть значений U для одного значения и . В реальных , устройствах стабильность напряжения U. и U, значинапряжения «

тельно вьш1е, поэтому количество совпадающих значений N и Ng по горизонталям и вертикалям табл.1 значительно меньше. В соответствии с табл,1 на вертикальные входы верхнего ряда ячеек 17 поступает сигнал с первого- выхода дешифратора 14, выходные сигto

20

налБ которого отображают сигнал N

1 этоНа горизонтальные входы ячеек 17 го ряда матричного дешифратора 15 поступают сигналы с выходов дешифратора 13, отображающие сигнал . На горизонтальные входы ячеек 17 первого (слева) столбца ячеек I 7 поступает сигнал 13 с выхода дешифратора Nj, а на вертикальные входы ячеек 17 поступают сигналы с выходов дешифратора 14,

Входы остальных ячеек I7 соединены с выходами дешифраторов 13 и 14 в соответствии с табл.1. Зависимость f5 угла.Ч , вычисленного по формуле

arctg и,/и2, где

U2

и

и.. S in U) t и

и cos oJ t, от реального угла

Wt поворота вала представляет собой прямую А (фиг,4). Так как в предлагаемом преобразователе осуществляется квантование напряжений U и 1)2 , а в ячейках 17 закодированы дискретные значения угла Ч , то на выходную шину 16 выдаются дискретные значения угла в виде кода, поступающего с выходов ячеек 17, Поэтому зависимость f(ut) представляет собой ступенчатую кривую В (фиг,6).

Формула (1) однозначно определяет 30 угол Ч лишь в диапазоне от О до 90, для определения угла в пределах 360 следует пользоваться выражением

Ч arctg + ,- , (2)

35 где Ч„; О 90°, 180°, 270° -начальный угол i-ro квадранта, i 1-4,

Формирование сигналов осуществляется блоком 10 определения квад0 ранта. С выходов блока 10 в шину 16 поступают две линии связи, по которым предлагается код начального угла Чд. в соответствии с табл.2 в двоичной системе в виде двух разрядов,

5 Блок 10 определения квадрантов работает следующим образом. Выходные сигналы формирователей 6 и 7 поступают на входы инверторов 25, 27 (фиг,2), выходные сигналы которых

0 инвертируются инверторами 26, 28, в результате чего формируются четыре сигнала Т , Т , и Т (фиг,5), несущие исходную информацию о квадранте угла. Сигналы соответ5 ствуют напряжениям и иЦ (фиг. За). Элементы И 29 - 31 формируют имульсы Т..д Т

ЗА

Т

25

27

г6

гв которые

Г т т 30 26 2V

суммируются

5

элементами ИЛИ 32 и 33. Их выходные сигналы Tj2 и инвертируются инверторами 34,35, после чего четыре сигнала Т , Т , Т,, Т j Т поступают на выходы элементов И-ИЛИ 21 и 22 (фиг.1). На входы элементов И-ИЛИ 21 и 22 поступают сигналы Т. с выходов блока 8 определения знака угла, При положительных значениях

угла сигнал выдается с прямого, а при fO 1 на фазе (фиг.За). 1)ри , О

.7

отрицательных - с инверсного выходов блока 8. За нулевое значение угла принято то, которое показано на фиг.За и характеризуется соотношениями: и, г о, и„ +U,

Ug - Если сигнал выдается с прямого выхода блока 8,то На выходы элементов И-Ш1И

21и 22 проходят сигналы с прямых выходов блока 10, если же сигнал выдается с инверсного выхода блока 8, то на выходы элементов И-ИЛИ 21 и

22проходят сигналы с инверсных вы- дов блока 10, т.е. при положительном знаке угла с выходов элемента И-ИЛИ 21 и 22 снимается прямой, а при отрицательном знаке угла обратный код Это необходимо для обеспечения правильных значений начальных углов квадрантов при положительных и отрицательных углах. На фиг.За показаны сигналы Т и Т , значения кода и соответствующие им квадранты I - 4 для двух направлений вращения вала: условно положительного (против часовой стрелки) и отрицательного (по часовой стрелке). Реверс вращения вала происходит в момент времени t. На фиг.З направление вращения указано стрелками, а также показаны коды квадрантов, их начальные углы и обозначения квадрантов, пр ичем:, для положительного вращения квадранты имеют обозначения +1, +2, +3, +4, а для отрицательного - (-1), (-), (-3), (-4). Пусть вал вращается в положительном направлении, начиная с нулевого значения угла. В первом квадранте

Ч

0

а код Т, О,

, „ ..„ Т. 0. При переходе во второй квад- ,рант (+2) код Tg, 1. Tgg 0 (Ol), 3 02 ° Р переходе в третий квадрант код принимает значение Ю, 180 . Далее движение вала

Ч

,03

происходит до момента времени t (на фиг.51Г- до точки t ) , в который вал реверсируется- (изменяется знак скорости). Угол уменьшается, сохраняя положительный знак, при этом изобра12807016

жающая точка на фиг.Зб последовательно проходит 3,2 и 1-й квадранты по часовой стрелке и возвращается в ис, ходкое положение Ч О в момент времени t . Дальнейшее движение вала совершается в области отрицательных - углов,которым соответствует изменение знака,угла сдвига по фазе напряжений

и

и и. (фиг.За) и сигналов Т

1 на фазе (фиг.За). 1)ри , О

2.7

и

0

5

0

угол равен +90 , а при Ч О угол изменяет знак, т.е. Л. -90. В результате этого блок 8 определения зпака угла выдает сигнал с инверсного выхода, в результате чего на выходы элементов И-ИЙИ 21 и 22 проходят сигналы с инверсных выходов блока 10 (выходы инверторов 23 и 24 на фиг.2), т.е. номера квадрантов выдаются в обратном коде.

Как видно из фиг.З, начиная с мо-, мента времени t выдается код 00, чт,Ь соответствует первому отрицательному .квадранту (-1), совпадающему с четвертым положительным квадрантом. Начальное значение (-1) квадранта равно Ч .Далее изображающая точка проходит все четыре квадранта и возвращается в исходное положение, при этом коды квадрантов принимают значения 00, 01, 10, 10, которым соответствуют начальные углы -0°, -90, -180, -270 в соответствии г табл.2, Знак минус здесь услойлен, так как знак угла обозначается кодом выходного сигнала блока 8.

С выходов элементов И-ИЛИ 21 и 22 код квадранта по двухразрядной линии связи поступает в шину 16, на которой код ячеек 17 и код квадрантов образуют полный код угла, изме- няюп;ийся в пределах Wt (0-360) по апроксимирующей прямой А (фиг.Зб) Составляющие этого кода выходной код 5 матричного дешифратора 15 и код квадрантов отображаются кривыми D и Е соответственно (фиг.Зб),

Работа блока 10 основана на выяв- Ьении временного совпадения коротких

и,. и И:

5

0

импульсов и , с выходов формирователей 35 и 36 и импульсов U

с выходов формирователей 7. В зависимости от совпадений на выходе 37,38 формируются импульсы Uj 1135 Ь , 38 36 7 устанавливающие триггер 39 в то или иное состояние.

В интервале времени 0-t. (фиг.6) при вращении вала формируются импуль/1280701

сы , которые устанавливают триггер 39 в состояние Т. 1, соответствующие положительному знаку угла Ч , который возрастает от нулевого зна- ; чения, определяемого напряжениями 5

В момент

и, и и, и, О, УЗ и„.

времени t изменяется знак скорости, вследствие чего угол уменьшается, сохраняя свой знак. В момент времени tj угол 4 О начинает изменяться в сторону отрицательных значений. Вследствие изменения знака сдвига фаз между напряжениями U и U (при сдвиг фаз , а при О d 0) формируются импульсы и,. ,

-on

устанавливающие триггер jy в противоположное состояние: Т„ О,

Tg

угол ч достигает в

t, значения 360 , после

g - I - g ,

что указьшает на отрицательный знак угла. При дальнейшем вращении вала

момент времени

чего отсчет

начинается с 0°. В момент времени t знак скорости вновь изменяется, в связи с чем в момент времени tg угол Н переходит через нулевое значение, изменяясь в сторону положительных величин. При этом формируется сигнал

20

25

Ц

37 «

устанавливающий триггер 39 в исходное положение. Таким образом, блок 8 определения знака выдает сиг30

нал Tj

или Tg О, соответствующий положительному или отрицательному знаку углу Ч , изменяющемуся относительно нулевого значения, определяемого напряжениями U О и 1) U,

Выходной сигнал блока 8 поступает по одноразрядной линии в шину 16. Следовательно, код, снимаемый с шины 16, содержит информацию о знаке угла, начальном значении угла квадранта, в котором находится угол и те-.

40

8

кущее значение угла в пределах. данного квадранта, т.е. полную информацию об угле поворота вала.

Формула изобретения

fO

Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий датчик положения, выходы которого соединены с входами первого и второго демодуляторов, выходы которых соединены со входами преобразователей напряжений в код, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности преобразователя, в него введены два формирова 5 теля-,напряжения, блок определения знака.угла, матричный дешифратор, блок определения квадранта, два дешифратора и два элемента И-ИЛИ, выходы демодуляторов соединены через формирователи напряжения с первыми и вторыми входами блока определения .знака угла и блока определения квадранта, выходы которого соединены с нечетными входами элементов И-ИЛИ, первый выход блока определения знака угла соединен с первыми нечетными входами элементов И-ИЖ, а второй выход - с вторыми нечетными входами элементов И-ИЛИ и является одним из выходов старших разрядов преобразователя, выходы элементов И-ИЛИ являются остальными выходами старших разрядов преобразователя, выходы первого и второго преобразователей напряжения

35 в код соединены через первый и второй соответственно дешифраторы с горизонтальными и вертикальными входами матричного дешифратора, соответственно, выходы которого являются выходами младших разрядов преобразователя.

8

кущее значение угла в пределах. данного квадранта, т.е. полную информацию об угле поворота вала.

Формула изобретения

Таблица 1

А8.6

50.552.6

52.-i 5А.2 56.3

33.655.6 57.7 59.962.2

I

55 57 59 61,263,4 65,8 68,2 70,7

56.8 .58.2 60 62,364,5 66..1 71.6 74 74,6 79,2 81.3

57,5 52,4 61.4 64,465,6 67,8 70 72.3 74,b 77,2 79.7 88,2 84,3 87,4 90

58.760,5 62Л 64,666,5 68,6 70,8 73 75,4 77,7 80,11 82.8 85 87.5 90 61,6 63,4 65,467.4 69,4 71,6 73.7 76 78,5 80,2 83 85,2 87,6 90

66.368,2 70.2 74,3 76,5 78.7 80,9 85.4 87.7 87,9 90 73 75 77 79.1 81.2 89.4 85,6 87,8 90

83.7 85,8 87.9 90

L.

ff

фиг. 2

3SO w«

Фиг.}

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в системах позицирования и регулирования скорости. Целью изобретения является повышение точности преобразователя. Для этого в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий датчик положения, два демодулятора, два преобразователя напряжения в код, введены два формирователя напряжения, (Матричный дешифратор, блок определения знака угла, два дешифратора, два элемента И-Ш1И. Поставленная цель достигается за счет кодирования выход- ных кодов преобразователей напряжения в код с учетом возможных разбросов напряжений на выходах датчика положения. 6 ил., 2 табл. tc X

О 2 1 6 8 Ю12 Iff J6 18 20222 262830 (t,8fla&.

Фиг.

jcn

JZL

-I Г-1 I-I

JT

-глотатотогпо агглат.

7-|g gгт-по Q о чгггт: ivjil r JTl/r /и|яг|г|7|/ и1яг1лг

fJTf-XJ

) -

- Фиг. 5

i/, 7

; г

Фиг.6

Редактор А.Ревин

Составитель А.Сидоренко

Техред ВТ.Кадар Корректор Л.Обручар

Заказ 7133/58 Тираж 816Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная,4