Преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1992 года по МПК H03M1/48 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых системах управления и информационных системах для точного преобразования угла поворота вала в цифровой код на базе тангенциального или квазитангенциального цифроаналого- вого функционального преобразования в пределах октанта двухфазных выходных сигналов датчика угла типа ВТ.

Целью изобретения является повышение точности преобразования угла поворота вала в код.

Цель достигается при работе с реальными многополюсными синусно-косинусны- ми трансформаторами, используемыми для построения точных преобразователей угла поворота вала в код, выходные характеристики которых в общем случае имеют вид:

fi(«) m Ub 2, hi+2K-sin(1+2K)ia,

к 0

f2(a) m Ub 2 hl+2 -sln(1+2K) (I z + -f-),(1)

к 0

VI

СЛ

00 СЛ

о

где М+2к весовой коэффициент соответствующей пространственной гармоники;

(1+2к) порядковый номер пространственной гармоники;

а - угловое положение ротора двухполюсного или многополюсного ВТ;

j - коэффициент электрической редукции ВТ;

пл - конструктивный параметр ВТ;

ив - напряжение переменного тока, возбуждающее ВТ.

Устройство-прототип осуществляет преобразование в соответствии с математическим выражением вида (2).

При I 1 имеем:

fi(o) f2(a)tg2;r(N-AN)

где 0 а лг/4,, AN -погрешность преобразования от неидеальности ВТ. Из (2) следует (3)

2 яДМ 2л:М2 hi+2K-sln(1+2K)a

к 0

-arctg

Ј hH2K-sin(1+2K)(a + )

к 0

Если ввести обозначение 2 л N Да, где Да - погрешность преобразования по углу, то имеем

Да а-агст.д2, Ьн2к-з1л(1+2к)а

к 0

Ј Ьн2к-51л(1+2к)(а + )

к 0

(4

Полученное выражение показывает, что условие идеального преобразования Да 0 для всех возможных значений a, выполняется только при hi 1; Из hs h hg 0, т.е. при практически невоспроизводимом идеальном синусно-ко- синусном вращающееся трансформаторе.

Реальные СКВТ, характеризующиеся зависимостями вида 91), имеют следующие соотношения амплитуд гармоник;

Ih3l 1/200hi. Ih5l 1/200hi. Ih7l 1/1000hi, lhgl 1/1000hi, учет влияния которых на результат преобра

зования обеспечивается предлагаемым техническим решением.

На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 - диаграм5 мы, поясняющие работу преобразователя.

Преобразователь содержит синусно-ко- синусный вращающийся трансформатор 1, селектор 2 октантов, функциональный циф- роаналоговый преобразователь 3 (ФЦАП)

10 блок 4 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, демодулятор 5, фильтр 6, формирователь 7 модуля напряжения, компаратор 8, блок 9 преобразования напряжения в частоту, реверсивный счетчик 10, преобразователь 11

15 напряжения в частоту, функциональный цифроаналоговый преобразователь 12 (ФЦАП), блок 13 инверторов, блок 14 масштабирования, функциональный цифроаналоговый преобразователь 15, инвертор 16,

20 блок 17элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, аналоговь й инвертор 18, блок 19 масштабирования, аналоговые инверторы 20, 21, аналоговый сумматор 22, фазосдвигающий элемент 23, шина 24 напряжения возбужде25 ния, шины 25 и 26 управления.

Коэффициенты ослабления масштабирующих блоков 14 и 19 устанавливаются путем изменения значений резисторов обратной связи операционных усилителей.

30 Определяются коэффициенты ослабления масштабирующих блоков исходя из значений амплитуд гармоник в выходных, сигналах датчиках угла Ьз, hs, h и hg. Эти значения для данного типа датчиков угла

35 могут быть определены расчетным или экспериментальным путем и приняты как среднестатистические. Когда возникает необходимость получения максимально возможной точности преобразования, ко40 эффициенты ослабления масштабирующих блоков определяются и устанавливаются для конкретного экземпляра датчика угла в составе предлагаемого преобразователя при установке датчика угла на углоизмери45 тельном поворотном устройстве в углах, при которых составляющие погрешности одних гармоник равны нулю, а других - имеют максимальное значение, влияние которых на выходной код компенсируется изменением

50 коэффициентов ослабления масштабирующих блоков 14 и 19.

Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом,

При возбуждении СКВТ 1 напряжением

55 переменного тока UB шины 24 на его фазных выходах индуцируются напряжения переменного тока, амплитуды которых по углу изменяются по законам близким к синусу и косинусу. Эти напряжения поступают на аналоговые входы селектора 2 октантов и

под воздействием значений трех старших разрядов реверсивного счетчика 10 через первый блок 11 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ транслируются на выходы селектора 2 октантов. При этом, каждый из входных сигналов может поступить на первый или второй выход селектора 2 октантов неизменным или инвертированным. Если временно исключить из рассмотрения вновь введенные блоки, а аналоговый сум- матор 22 считать двухвходовым, то преобразование осуществляется аналогично прототипу.

Выходной сигнал аналогового суммато- ра 22 после выпрямления демодулятором 5 и фильтрации с помощью фильтра 6 поступает на ПНЧ 11, где через компаратор 8 управляет направлением счета реверсивного счетчика. Одновременно с этим выходной сигнал фильтра 6 при его отличии от нулевого значения через формирователь 7 модуля напряжения управляет по линейному закону выходной частотой блока 9 преобразования напряжения в частоту. Выходные импульсы блока 9 преобразова- ния напряжения в частоту суммируются или вычитаются реверсивным счетчиком 10. Функциональная зависимость, реализуемая первым функциональным цифроанало- говым преобразователем такова, что при соответствии кода реверсивного счетчика 10 преобразуемому углу выходное напряжение аналогового сумматора 22 равно нулю и код реверсивного счетчика 10 сохраняется неизменным. При нарушении соответствия угла о. и кода вследствие изменения угла поворота вала СКВТ 1 указанным образом оно будет восстановлено При этом погрешность преобразования угла в код будет соответствовать выражению (4)

В предлагаемом устройстве для повышения точности преобразования используются третий и четвертый входы аналогового сумматора 22 и блоки формирующие на них требуемые сигналы в соответствии с фиг. 2 и следующими математическими соотношениями.

При условии а 1 л N и тангенсной зависимости в пределах первого октанта, реализованной первым функциональным цифроанэлоговым преобразователем 3, на выходе аналогового сумматора 22 за счет сигналов на первом и втором его входах образуется сигнал следующего вида, где Ni - код n-З младших разрядов кода N.

U

аых

к 0

hi + 2h-sin(1+2K)a -tg2jrN Ј пн2к-81п(1+2кХ« + л-/2)к - О

( .+ ) ;sln 4 а + ( Н + пэ ) sin 8 а - cos a

Полученное выражение может быть преобразовано следующим образом:

ивых 4(пз + hs) sin a cos 2 а + 8(hy +

+ hg) sin a cos 2 «cos 4 a.

Полученное выражение дает возможность предложить новую структуру преобразователя углового положения вала в код, обеспечивающую более высокую точность преобразования, Она основывается на формировании двух компенсирующих напряжений Укомп 1 и Укомп 2, близких к составляющим выражения (6), и подачу их на третий и четвертый входы аналогового сумматора 22 (АС) одновременно с сигналами первого и второго входа. В качестве компенсирующих напряжений выбраны

Укомп 1 4(ha + hs)fi(a)cos 4 л: N1 и

Укомп 2 8(h Hg)f i(«)cos 4я NICOS 8 ж NI

Первое напряжение образуется с помощью функционального цифроаналогово- го преобразователя 12, реализующего функцию косинуса двойного угла и масштабирующего блока 14, обеспечивающего ослабление в 4(h3+hs) раз. Второе компенсирующее напряжение является производным от первого и образуется с помощью третьего функционального цифроаналогового преобразователя 15, реализующего функцию косинуса учетверенного угла, аналогового инвертора 18 и второго масштабирующего блока 19, обеспечивающего требуемое, ослабление сигнала в 8(h7+hg) раз. Компенсирующие напряжения с помощью аналоговых инверторов 20 и 21 под воздействием внешних сигналов А и В шин 25, 26 подключаются к соответствующим входам аналогового сумматора 22. Аналоговые инверторы 20 и 21 предназначены для инвертирования компенсирующих напряжений Укомп 1 и Укомп 2 в процессе компенсации (если это будет необходимо) и управляются от внешнего переключателя. Состояние аналоговых инверторов 20 и 21 определяется знаком величины (hs+hs) и (hy+hg) соответственно. Блоки элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 и 17, блоки инверторов 13 и 16 и аналоговый инвертор 18 обеспечивают требуемые сигналы управления для осуществления преобразования в пределах всех октантов (фиг. 2). При работе в углах, ограниченных одним октантом, устройство может быть упрощено путем исключения некоторых управляющих блоков без понижения точности. Введенный в устройство фазосдвигающий элемент 23 обеспечивает требуемую ортогональность входного и опорного сигнала демодулятора 5 и позволяет устранить фазовый сдвиг между напряжением возбуждения UB и выходными напряжениями СКВТ 1,

Таким образом, введение в состав преобразователя угла поворота вала в код новых блоков с их определенной взаимосвязью между собой и известными блоками позволяет удовлетворить условию ивых 0 при а 2 п N с более высокой степенью точности, чем у прототипа, с вращающимися трансформаторами, имеющими реальные выходные характеристики. При этом его точность повышается в 8-9 раз по сравнению с прототипом в сходных условиях. Например, для ВТ с (ha+hs) 0,005 максимальная погрешность преобразования у прототипа составляет величину 16 угл.с. с вращающимся трансформатором на коэффициент электрической редукции 64, а у предлагаемого устройства не более 2 угл.с. На практике сумма (пз+hs) не превышает величины 0,002-0,0025. Это значит, что реальная погрешность преобразования будет меньше одной угловой секунды.

Формула изобретения Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный вращающийся трансформатор, вход которого подключен к шине напряжения возбуждения, а выходы соединены с информационными входами селектора октантов, один выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, а другой - с аналоговым входом первого функционального цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом аналогового сумматора, выход которого через последовательно соединенные демодулятор и фильтр соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выходы которого соединены с входами реверсивного счетчика, выходы младших разрядов которого соединены с группой входов первого блока элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которого соединены с цифровыми входами первого функционального цифроаналогового преобразователя, выходы старших разрядов реверсивного счетчика соединены с управляющими входами селектора октантов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены два функциональных цифроаналоговых преобразователя, инвертор, блок инверторов, два блока масштабирования, второй блок элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, три аналоговых инвертора, фазосдвигающий элемент, две шины управления, которые соединены с управляющими входами первого и второго аналоговых инверторов, выходы которых соединены с третьим и четвертым входами аналогового сумматора соответственно, вход фазосдвигающего

элемента соединен с шиной напряжения возбуждения, а выход - с входом опорного напряжения демодулятора, выход младшего из старших разрядов реверсивного счетчика соединен с входом управления

первого блока элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которого через блок инверторов соединены с цифровыми входами второго функционального цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход

которого подключен к одному выходу селектора октантов, а выход соединен с входами первого блока масштабирования и аналоговым входом третьего функционального цифроаналогового преобразователя, цифровые

входы которого подключены к выходам второго блока элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход старшего из младших разрядов реверсивного счетчика через инвертор соединен с управляющим входом второго блока

элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, группа входов которого подключена к остальным выходам младших разрядов реверсивного счетчика, выхоД старшего разряда блока инверторов соединен с управляющим входом

третьего аналогового инвертора, выход которого через второй блок масштабирования соединен с информационным входом второго аналогового инвертора, выход первого блока масштабирования соединен с информационным входом первого аналогового инвертора, выходы разрядов реверсивного счетчика являются выходом преобразователя.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых системах управления и информационных системах для точного преобразования угла поворота вала в цифровой код на базе тангенциального или квазитангенциального цифроаналого- вого функционального преобразования в пределах октанта двухфазных выходных сигналов датчика угла типа ВТ, Целью изобретения является повышение точности преобразователей угла поворота вала в код с реальными датчиками угла типа СКВТ, в выходных сигналах которых присутствуют высшие гармоники. Преобразователь содержит СКВТ, селектор октантов, ФЦАП, демодулятор, фильтр, формирователь модуля напряжения, компаратор, блок преобразования напряжения в частоту, реверсивный счетчик, блоки элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, блок инверторов, блоки масштабирования, инвертор, аналоговые инверторы, аналоговый сумматор, фазосдвигающий элемент, шину напряжения возбуждения, шины управления, 24-23-5-6-10-2-22-5, 24-1- 2-3-22, 10-4-3, 4-13-12-14-20-22, 2-12-15-18- 19-21-22, 13-18, 10-16-17, 6-8-10, 6-7-9 2 ил

N

Nt

fa

Nt и

ff N

Фиг 2.