Датчик скорости, направления вращения и углового положения вала Советский патент 1991 года по МПК H03M1/48 G01P3/489 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам скорости, направления вращения и углового положения вала механизма, в основном предназначенного для быстродействующих систем отработки механического параметра с высокой точностью, например, для электропривода подачи металлорежущего станка.

Целью изобретения является повышение точности датчика.

Цель достигается за счет поддержания на выходе фазовращателя постоянной частоты независимо от скорости и направления вращения его вала, что дает возможность эффективно фильтровать высокочастотные флуктуации на выходе линии связи, возникающие от воздействия помех на нее, а также от несовершенства конструкции фазовращателя и неидеальной синусоидальности напряжений на входе фазовращателя; за счет снижения частот питания

§

vi

ю

фазовращателя с одновременным увеличением в 8 раз по сравнению с выходной частотой фазовращателя частоты на входе узла автоподстройки частоты; за счет выбора величин и смещения частот генераторов перестраиваемого и неизменной частот;. т«с. чтобы исключить паразитную взаимосинхронизацию; за счет синхронизации работы устройства выборки и хранения в аналоговом узле скорости с участками кривой на выходе конденсаторного частотомера, обеспечивающей минимальную величину пульсаций на выходе, особенно на предельно низких скоростях вращения,

На чертеже приведена структурная схема датчика скорости, направления вращения м углового положения вала,

Датчик скорости, направления вращения и углового положения вала содержит: генераторы постоянной частоты i л управляемый 2, селектор 3 октанта, фаговый компаратор 4, дешифратор 5, делитель 6, 7 частоты, смеситель 8 частот, устройство 9 выборки и хранения (УХВ) фильтры 10, И нижних частот, полосовой фильтр 12, блок 13 частотной коррекции, RS-триггер И, блок 15 выбора меньшего напряжения., дешифратор 16, делитель 17 частоты, компаратор 18, регистр 19 D-тригге ов 2G, фазорасщепитель21, одновибратор 22, конденсаторный частотомер 23, фазовращатель 24, .резонансный усилитель 25 м устройство 26 выборки м хранения. Блок 15 выбора меньшего напряжения может быть выполнен в виде диодного элемента НЕ-И, на выходе которого будет только тот аналоговый входной сигнал, значение которого в данный момент меньше, при этом второй диод элемента будет заперт.

Описываемый датчик работает следующим образом.

При неподвижном вале фазовращателя 24, механически сочлененного с валом контролируемого механизма (не показан), частоты напряжений на входе и выходе фазовращателя 24 имеют одно и то же значение, а разность фаз соответствует данному угловому положению вала. Количество напряжений на входе м выходе фазовращателя определяется типом электрической машины. У сельсина, например, входные обмотки образуют трехфазную систему, а выходное напряжение однофазно. У одного из типов вращающегося трансформатора входные обмотки ортогональные.

Наилучшие результаты по точности датчика относятся к фазовращателю 24 с трехфазными входными обмотками и ортогональными выходными обмотками. На выходе фазорасщепителя 21 форма напряжений или чисто синусоидальная, или квазисинусоидальная с большим числом ступеней и высоким порядком остаточных гармонических составляющих. Выходные

обмотки фазовращателя 24 совместно с резонансным усилителем 25, в качестве которых могут быть использованы, например, конденсаторы, образуют резонансную систему связанных контуров, настроенных на

0 частоту первой гармоники выходных напряжений. В этом случае эффективно подавляются; гармоники из-за неидеальности синусоиды с выхода фазорасщепителя 21, высокочастотные флуктуации, возникаю5 щие от воздействия помех на линии связи с фазовращателем 24, и флуктуации, возникающие из-за несовершенства конструкции фазовращателя. Причем динамика привода с датчиком не ухудшается благодаря соот0 ветствующему выбору величины добротности системы и значения частоты.

С выхода фазовращателя 24 ортогональные синусоидальные напряжения поступают на вход селектора. 3 октанта, с

5 выхода которого восемь (за один период его входного напряжения) участков синусоиды

ж п

в пределах от „ до + -„ поступают на вход оо

устройства 9 выборки и хранения. На управ0 ляющие входы селектора октанта и на управляющий вход первого устройства выборки и хранения 9 соответствующие импульсы поступают с выходов дешифратора 5 так, что импульс управления устройством

5 выборки и хранения соответствует моментам перехода через нулевые значения каждого из восьми участков синусоид.

В датчиках, на выходе фазовращателя которых имеется только одно напряжение,

0 напряжение, ортогональное выходному напряжению фазовращателя, получают с выхода фазосдвигающей цепи в селекторе 3 октанта.

С выхода устройства 9 выборки и хране5 имя через блок 13 частотной коррекции напряжение поступает на 8,ход управляемого генератора 2 (частоты), отклонение частоты на выходе которого соответствует величине и знаку напряжения на его входе.

0 Генератор 1 вырабатывает напряжение неизменной частоты, которое делится делителем 7 частоты, Б свою очередь с выхода которого напряжение пониженной частоты поступает на вход делителя б частоты и од5 новременно на один из входов фазового компаратора 4. На другой его вход поступает напряжение через полосовый фильтр 12 с выхода смесителя 8, а на входы смесителя поступают напряжения с выходов обоих генераторов. Таким образом, при неподвижном вале фазовращателя частоты на входе фазового ,омпаратора 4 равны между собой, сдвиг dbj3 между ними неизменный, выход RS-триг- герь 14 находится в состоянии, соответству- ю чем нулевому сигналу на одном из его входов, компаратор 18 - также в одном из состояний, принятом за нулевой.

Построение схемы устраняет возможность взаимной синхронизации генерато- ров через неустранимые паразитные емкостные связи между цепями генераторов.

Требуемые динамические характеристики контура автоподстройки частоты, в состав которого «зходят элементы 1-3, 5-9, 12, 1C, 17, 21, 24, 25, задают блоком 13 частотной коррекции, выполненным, например, в вчде регулятора.

При вращении вала фазовращателя в Одну или дру.-ую сторону значение частоты на его выло до эетается неизменным благодаря работа контура автоподстройки частоты и резонансная система на выходе фазовраиатзля так же, как и ранее, подав- ляет отклонения формы кривой на выходе от синусоидальной. Значение входной частоты фазовращателя 24 или увеличивается, или уменьшается в зависимости от направления вращения вала..

Контур автоподстройки часто-, ы работа- те следующим образом.

Частота выходных сигналов делителя неизменна, тогда сигнал на выходе делителя 6 частоты соответствует выходной часто- те фазовращателя 24 в установившемся режиме, Сигналы управления с выхода дешифратора 5 формируются в момент перехода выходного сигнала фазовращателя через ноль в установившемся режиме (или одного из двух квадратурных сигналов).

При изменении углового положения вала фазовращателя 24 изменяется фаза (частота) его выходных сигналов.

Сигналы управления фиксируют в опре- деленные блоками б и А моменты амплитудное значение сигнала фазовращателя 24, приведенное селектором 3 октанта к первому октанту, в УХВ 9. Это значение, скорректированное блоком 13, управляет выходной частотой сигналов генератора 2 так, что через смеситель 8 и фильтр 12 частота выходных сигналов делителя 17 частоты изменилась для компенсации изменения частоты выходных сигналов фазовращателя 24. Выходные сигналы разрядов делителя 17 с помощью дешифратора 16 позволяет сформировать дискретные сигналы, соответствующие требуемым угловым положениям вала, на D-триггерах 20 регистра 19,

количество которых соответствует требуемому количеству сигналов, в том числе и 0-метка. На С-входы триггеров 20 регистра 19 поступает сигнал с выхода делителя 17 частоты с постоянной частотой и фазой, соответствующей фазе сигнала и выхода фазовращателя. На D-входы поступают сигналы с выхода дешифратора 16, подключенного к делителю частоты 17, входящему в канал формирования входных напряжений фазовращателя. Частота и фаза сигналов с дешифратора 16 переменны.: 0-триггеры 20 выполняют функции фазовых компараторов. Сигналы на их выходах однозначно привязаны к заданным угловым положениям вала.

На входе фазового компаратора 4 разностная частота выходного сигнала фильтра 12 также увеличивается или уменьшается по отношению к неизменной частоте с выхода делителя частоты 7, в связи с чем на соответствующем выходе фазового компаратора 4 разностная частота биений фильтруется соответствующим фильтром 10 или 11 нижних частот и через блок 15 выбора меньшего напряжения поступает на вход компаратора 18, на выходе которого формируется частотный сигнал скорости вращения. Необходимость введения блока 15 выбора наименьшего из двух значений напряжений определяется тем. что при низких скоростях вращения вала (в диапазоне 1:10000 и более) и при реализации предельно высокой разрешающей способности датчика (10000 меток на 1 оборот вала и более) за счет флуктуации фазы на обоих выходах фильтров 10, 11 нижних частот даже при использовании одного из самых со- вершенных фазовых детекторов, аналогичных известному, при медленном погороте вала в любую сторону возможно одновременное появление медленно меняющегося напряжения. Выбор меньшего значения из двух напряжений более достоверно определяет истинное угловое положение вала. Полученное значение частоты кратно значению частоты генератора 1, но не равно частоте генератора 2, т.е. значение этой частоты не равно и не кратно ни одной из указанных частот, что определяется выбором частот обоих генераторов, емкостью делителя 7 и дополнительным введением смесителя 8 и полосового фильтра 12, выделяющих разностную частоту генераторов.

Выходной сигнал RS-триггера 14 однозначно определяет направление вращения вала.

Для получения аналогового сигнала скорости вращения вала, в большинстве случаев существенно упрощающего систему управления объекта в целом, в котором используется датчик, применены последовательно соединенные конденсаторный чз- 1р гомер 23 и устройство 26 выборки ь хранения.

Конденсаторный частотомер 23 содержит (не показано) в своем составе ключи, переключающиеся с измеряемой частотой, подключающие дозирующие конденсаторы сначала на разряд от стабилизированного хпочнмка напряжения, а затем на разряд ль вход фильтра нижних частот. Основной недостаток известного час готомерз - увели- -энме уровня пульсаций с понижением измеряемой частоты -устраняется установкой на выходе устройства 26 выборки и хране- нмя.

Однако при измерении сверхнизких (по отношению к максимальной) частое где по- .тлянная времени фильтра часгсьомера 23 с измерима с измеряемым периодом, ввиду точечного времени выборки устройства 26 сборки и хранения пульсации выходного сигнала имеют все же значительную величину. Для уменьшения пульсаций строб-им- гульс на устройство выборки л хранения формируют непосредственно перед переключением ключей частотомера, т.е. ч пользуют наиболее пологий участок экспоненты на выходе фильтра нижних частот частото- ра 23, Указанный импульс формируют гзр- ; вибратором 22, задним фронтом которого нйоеклю1 ают ключи частотомера. При этом уровень пульсаций на выходе устройства 23 ыиборки и хранения, являющеюся аналоговым выходом скорости да г«ика, имеет более низкое значение на сверхнизких скоростях цращания.

Использование изобретения в приводах, например, металлорежущего станка, в состав которых входит машина постоянного soKa или переменного - вентильная или асинхронная, позволяет повысить точность обрабатываемой детали и упростить схему привода за счет наличия всех требующихся для привода дискретных и аналоговых сигналов высокой точности. Стоимость привода с предлагаемым датчиком также снижается.

Формула изобретения

Датчик скорости, направления вращения и углового положения вала, содержащий генератор постоянной частоты, первый делитель частоты, выход которого соединен с фазорасщепителем, выход которого соединен с входом фазовращателя, второй и третий делители частоты, первый фильтр

нижних частот, управляемый генератор, регистр, компаратор и триггер, отличающийся тем, что, с целью повышения точности датчика, в него введены последовательно соединенные смеситель частот и полосовой фильтр, первый и второй дешифраторы, фазовый компаратор, первое и второе устройство выборки и хранения, второй фильтр нижних частот, блок выбора меньшего напряжения, одновибратор, конденсаторный частотомер, селектор октанта, блок частотной коррекции и резонансный усилитель, вход которого подключен к выходу фазовращателя, а выход соединен с

информационным входом селектора октанта, управляющие входы которого подключены к группе выходов первого дешифратора, а выход соединен с информационным входом первого устройства выборки и хранения, управляющий вход которого подключен к выходу первого дешифратора, а выход через блок частотной коррекции соединен с входом управляемого генератора, выход которого соединен с одним входом смесителя частот, другой вход которого подключен к выходу генератора постоянной частоты и через второй делитель частоты - к одному входу фазового компаратора и входу третьего делителя частоты, группа выходов

которого соединена с входами первого дешифратора, а выход соединен с входом синхронизации регистра, информационные входы которого подключены к выходам второго дешифратора, а выходы являются выходами угловых положений вала датика, выход полосового фильтра соединен с другим входом фазового компаратора и входом первого делителя частоты, группа выходов которого соединена с входами второго дешифратора, первый и второй выходы фазового компаратора через соответствующие фильтры нижних частот соединены с соответствующими входами триггера и соответствующими входами блока выбора

меньшего напряжения, выход которого соединен с входом компаратора, выход которого является частотным выходом скорости вращения вала датика и соединен с входом одновибратора, один выход которого через

конденсаторный частотомер соединен с информационным входом второго устройства выборки и хранения, управляющий вход которого подключен к другому выходу одно- вибратора, а выход является выходом

аналогового сигнала скорости вращения вала датчика, выход триггера является выходом сигнала направления вращения вала датчика,

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам скорости, направления вращения и углового положения вала механизма, в основном предназначенного для быстродействующих систем отработки механического параметра с высокой точностью, например, для электропривода подачи металлорежущего станка. С целью повышения точности в датчик, содержащий генератор постоянной частоты, три делителя частоты, фазорасщепитель, фазовращатель, первый фильтр нижних частот, управляемый генератор, регистр, компаратор, триггер, введены смеситель частот, полосовой фильтр, два дешифратора, фазовый компаратор, два устройства выборки и хранения, второй фильтр нижних частот, блок выбора меньшего напряжения, одновибра- тор, конденсаторный частотомер, селектор октанта, блок частотной коррекции и резонансный усилитель. Это позволяет существенно улучшить параметры датчика. 1 ил. сл С

±Я$ с

Т |,

ТиткяЛ |

L