Преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1992 года по МПК H03M1/64 

Изобретение относится к области авто-, матики, измерительной и вычислительной техники, а именно к устройствам преобразования угла поворота вала в цифровой код угла с синусно-косинусными вращающимися трансформаторами (СКВТ), работающими в амплитудном режиме, или другими датчиками, в которых информация об угле представлена в виде двух квадратурных гармонических составляющих, и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством, а также в системах программного управления станками и в системах управления радио и оптическими телескопами.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя путем повышения его помехоустойчивости и уменьшения влияния высших гармоник.

На фиг. 1 приведена структурная схема предложенного преобразователя; нафиг.2 - структурная схема генератора напряжения возбуждения; на фиг.З - структурная схема аналогового коммутатора; на фиг.4 - структурная схема цифрового коммутатора; на фиг.5 - структурная схема цифрового квадратурного фильтра низких частот; на фиг 6 - циклограмма программно-временного блока преобразователя.

Преобразователь угла поворота вала в код содержит синусно-чосинусный вращаюхЛ

00 00

1 ел

щийся трансформатор(СКВТ) 1. генератор 2 напряжения возбуждения, аналоговый коммутатор 3, АЦП 4, регистр 5, цифровые квад- ратурные фильтры 6, 7 низких частот(ЦКФНЧ). определитель 8 октантов, выходной регистр 9, блок 10 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, цифровой коммутатор 11, блок 12 деления, ПЗУ 13, регистр 14 сдвига, сумматор 15, программно-временной блок 16 и тактовый генератор 17, регистры 18, 19 напряжения.

Генератор напряжения возбуждения 2 (фиг.2) содержит RC-генератор 21 гармонических колебаний и компаратор 21.

Аналоговый коммутатор 3 (фиг.З) содержит первое 22 и второе 23 устройства выборки-хранения и два аналоговых ключа 24.

Цифровой коммутатор 11 (фиг.4) содержит мультиплексоры 25 - 27, элементы 28, 29 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, регистры 30, 31.

Каждый цифровой квадратурный фильтр нижних частот содержит блоки 32 - 35 элементов задержки, сумматоры 36, 37, умножители 38 - 49.

Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом. С генератора 2 напряжения возбуждения на первичную обмотку СКВТ 1 подается напряжение возбуждения частотой (tk и амплитудой Vn:

V0(t) V0 cos (MB t)

С вторичных обмоток СКВТ снимаются сигналы переменного тока, модулированные по амплитуде в функции синуса и косинуса угла поворота1

Vc (а) К V0 cos a. Vs(a) K V0 sin a.

где К- коэффициент трансформации СКВТ. Информационные сигналы Vc и Vs обрабатываются блоком аналогового коммутатора 3. Устройства 22. 23 выборки-хранения выполняют здесь следующие функции. Во- первых, они осуществляют выделение амплитуд сигналов со вторичных обмоток СКВТ, в момент поступления сигнала ПУСК (фиг.б) по первому управляющему входу аналогового коммутатора с генератора 2. Во-вторых, они осуществляют временное хранение выборок сигналов в период их преобразования АЦП последопательного приближения. Выделенные УВХ сигналы Vc и Vs поступают на вход аналогового ключа 24, осуществляющего поочередное подключение информационных сигналов cos и sin

по управляющим сигналам УВХ cos и УВХ sin соответственно ко входу АЦП 4.

Информационные сигналы Vc и Vs преобразуются в АЦП 4 в цифровые коды Vc и Vs , которые служат основой для вычисления угла поворота вала, и поступают на входы регистров 18 и 19, осуществляющих подключение косинусного сигнала Vc на первый оход ЦКФНЧ 6 по управляющему 0 сигналу блока 16 ЧТЕНИЕ АЦП cos (фиг.6), а синусного сигнала Vs - на второй вход того же фильтра по управляющему сигналу ЧТЕНИЕ АЦП sin блока 16.

Цифровая фильтрация осуществляется 5 фильтрами первого порядка, синтезированными из аналогового фильтра Баттерворда нижних частот с введением комплексных весовых коэффициентов, так называемыми цифровыми квадратурными фильтрами 0 нижних частот.

ЦКФНЧ работает следующим образом. Отсчеты косинусного входа квадратурного сигнала Vc поступают одновременно на входы блока 32 элементов задержки, умно- 5 жителей 38, 40, которые являются первым входом ЦКФНЧ С выхода блока 32 элементов задержки отсчеты поступают на входы умножителей 42, 44. Отсчеты, взвешенные на умножителе 38, поступают на первый не- 0 инвертирующий вход сумматора 36, на второй неинвертирующий вход которого поступают отсчеты, взвешенные на умножителе 42, на третий инвертирующий вход по- ступают отсчеты синусного входа, 5 взвешенные на умножителе 41, на четвертый инвертирующий вход поступают отсчеты синусного входа, взвешенные на умножителе 45, на пятый инвертирующий вход поступают отсчеты, взвешенные на ум- 0 ножителе 78 с выхода блока 35 элементов задержки, на шестой неинвертирующий вход поступают отсчеты, взвешенные на умножителе 48 с выхода блока 35 элементов задержки, на вход которой поступают отсче- 5 ты, просуммированные в сумматоре 36 и поступающие на первый ЦКФНЧ, где формируются отсчеты косинусного квадратурного выхода.

На второй вход ЦКФНЧ поступают от- 0 счеты с синусного входа квадратурного сигнала Vs, откуда они подаются одновременно на вход блока 33 элементов задержки, умножителей 39, 41, С выхода блока 33 элементов задержки отсчеты по- 5 ступают на входы умножителей 48, 45. Отсчеты, взвешенные на умножителе 39, поступают на первый неинвертирующий вход сумматора 37, на второй неинвергиру- ющий вход которого поступают отсчеты, взвешенные на умножителе 43 на третий

неинвертирующий вход поступают отсчеты косинусного входа, взвешенные на умножителе 40, на четвертый неинвертирующий вход поступают отсчеты косинусного входа, взвешенные на умножителе 44, на пятый неинвертирующий вход поступают отсчеты, взвешенные на умножителе 48 с выхода блока 34 элементов задержки, на шестой неинвертирующий вход поступают отсчеты, взвешенные на умножителе 47 с выхода блока 35 элементов задержки, на вход которой поступают отсчеты, просуммированные на сумматоре 37 и поступающие на второй выход ЦКФИЧ, где формируются отсчеты синусного квадратурного выхода

Квадратурный выходной сигнал формируется согласно передаточной характеристикин.,,.(л,-|.).1±4

1-(B,-JB™)Z

1

)

где Ад, AM, Вд, Вм - коэффициенты фильтра, являющиеся функцией частоты среза и коэффициента комплексности

Отфильтрованные первым ЦКФНЧ 6 информационные сигналы Vi и /2 поступают одновременно на входы определителя октантов, второго ЦКФНЧ 7 и цифрового коммутатора 11. Определитель 8 октантов представляет собой блок, структурная схема которого эквивалента схеме аналогового варианта его выполнения А именно, формирование кода квадранта угла осуществляется исходя из знаков отфильтрованных кодов Vc и Vs , в то время как код октанта формируется с учетом сравнения величин этих сигналов. Первым принят октант в котором sin а О, cos alpha О, I sm a | I cos a. Номер октанта возрастает против часовой стрелки. Формирование трех старших разрядов кода угла из номера октанта осуществляется в определителе 8 октантов. Использование цифрового выполнения определителя 8 октантов вместо аналогового и включение его после первого ЦКФНЧ повышает помехоустойчивость всей структуры.

По известному номеру октанта определяют сигналы пропорционапьные синусу и косинусу угла, приведенного в первый октант по выраженигм

Isin a I, cos/7 lcos«|- в 1, 4, 5 и 8 октантах

sin/ | cos а, smal - во 2, 3, 6, и 7 октантах

Это осуществляется в цифровом коммутаторе 11, где на первый и второй управляющие

входы поступают два младших разряда с выхода определителя 8 октантов По сигналу ВЫБОР ФИЛЬТРА, поступающего с блока 16 на третий управляющий вход

5 коммутатора 11, последний обрабатывает квадратурный сигнал с первого 6 или со второго 7 ЦКФНЧ, низкий уровень этого сигнала подключает выходы первого ЦКФНЧ, а его высокий уровень - второго

10 ЦКФНЧ (фиг.6).

По приходу сигналов ЗП МЕНЬШЕГО и ЗП. БОЛЬШЕГО по четвертому и пятому управляющим входам коммутатора соответст- венно с блока управления 16

15 осуществляется запись меньшего по модулю из отфильтрованных сигналов в первый регистр 30, а большего по модулю - во второй регистр 31. Таким образом, «а первом выходе коммутатора 11 всегда (т.е для обо20 их фильтров) формируется код меньшего, а на втором его выходе- большего по модулю из квадратурного сигнала

Обработанные таким образом отфильтрованные сигналы Vi и Vs с первого фильт25 ра, а затем (согласно циклограмме, см. фи 6) и Va и V/j со второго фипьтра поступают на входы блока 12 деления, где формируется код,

V2 Sin/ . , f) .ч

).(/ +2Г7й )

V3 COS У u/ J

(2)

35

который используется в качестве адреса для обращения к ПЗУ 13

ПЗУ 13 запрограммировано по закону арктангенса в диапазоне углов (0° - 45°) и осуществляет функциональное преобразование входной величины:

arctgftg /) Д т е формирует на выходе код угла поворота Нулевому входному коду tg/ соответствует нулевой код угла Д а мак- симальному входному коду tg/ соответствует, максимальный код угла/ Количество разрядов во входном и выходном кодах обеспечивают необходимые точности представления непрерывных величин / и tg/ ди- скретными квантовыми уровнями

Таким образом, отфильтрованные первым ЦКФНЧ 6 сигналы с внесенной собственной погрешностью поступают на функциональный преобразователь, включающий в себя блок 12 и ПЗУ 13. на выходе которого формируется первое значение кода угла поворота с некоторой погрешностью:

Ј f(AV), т.е. , .

Информационные сигналы, прошедшие через оба ЦКФНЧ 6 и 7, приобретают удвоенную собственную погрешность (при полной идентичности звеньев фильтрации):

V ± 2 AV.

И также поступают на функциональный преобразователь, на выходе которого формируется второе значение кода угла поворота:

/ ±2 7„Функциональный преобразователь, организованный из одного блока деления и одного ПЗУ, уменьшает время обработки информационных сигналов и экономит объем памяти. Код, поступающий на сход коммутатора 11 при первом чтении ПЗУ 13, поступает на вход регистра 14 сдвига по управляющему сигналу/ блока 16, а код от второго чтения ПЗУ 13 поступает на вход регистра 5 по управляющему сигналу/%. По этому же сигналу осуществляется сдвиг данных в регистре 14 сдвига на один разряд влево, что равнозначно умножению числа на два. Таким образом, на выходе сдвигающего регистра формируется удвоенное значение первого кода угла поворота, полученного с первого ЦКФНЧ 6, вместе с собственной погрешностью, а на инверсных выходах регистра 5 формируется инверсное значение второго кода угла поворота, полученного со второго ЦКФНЧ 7, вместе с собственной погрешностью.

Далее эти коды поступают на вход сумматора 15. на выходе которого будет формироваться значение кода угла поворота вала СКВТ с компенсацией собственной погрешности введенной фильтрации. С выхода сумматора 15 скомпенсированный код угла поворота поступает на первый вход блока 10 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, другой вход которого управляется младшим разрядом кода определителя 8 октантов. Таким образом, в нечетных октантах, когда младший разряд кода октанта равен нулю, на выход блока 10 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 проходит прямой код угла, а в четных октантах, когда младший разряд кода октанта равен единице, на выходе этой схемы формируется инверсный код угла, дополняющий угол/ до45°, т.е. равный (jr/4 0С выхода блока 10 код угла р или (тг/4 -/3) подается на первый вход регистра хранения кода 9, на второй вход которого с блока определителя октантов 8 поступает код октанта. Пс сигналу ЗП.ДАННЫХ блока 16 по управляющему входу выходного регистра 9 на его выходе формируется объединенный код угла,

Формула изобретения 1. Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный

0 вращающийся трансформатор, входы которого подключены к одним выходам генератора напряжения возбуждения, а выходы соединены с информационными входами аналогового коммутатора, аналого-цифро5 вой преобразователь, определитель октантов, постоянное запоминающее устройство, три регистра, блок элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, программно-временной блок, отличающийся тем, что. с целью повыше0 нил точности преобразователя, в него введены регистр сдвига, цифровой коммутатор, блок деления, доа цифровых квадратурных фильтра низких частот, выходной регистр, сумматор и тактовый генератор, выход кото5 рого соединен с тактовыми входами программно-временного блока и аналого- цифрового преобразователя, другой выход генератора напряжения возбуждения соединен с первым управляющим входом ана0 лотового коммутатора и входом Пуск программно-временного блока, первый выход которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, а второй и третий выходы - с соответствующими

5 управляющими входами аналогового коммутатора, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами первого и второго регист0 ров, управляющие входы которых подключены к четвертым и пятым выходам программно-временного блока соответственно, а выходы соединены с входами первого цифрового квадратурного фильтра

5 низких частот, выходы которого соединены с входами определителя октантов и входами второго цифрового квадратурного фильтра низких частот, выходы которого соединены с одной группой информационных входов

0 цифрового коммутатора, другая группа информационных входов которого соединена с выходами первого цифрового квадратурного фильтра низких частот, а выходы соединены с входами блока деления, выходы

5 которого через постоянное запоминающее устройство соединены с входами третьего регистра и регистра сдвига, выходы которого и инверсные выходы третьего регистра соединены с входами сумматора, выходы которого соединены с группой входов блока

элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.управляющий вход которого подключен к выходу младшего разряда определителя октантов, а выходы соединены с одной группой входов выходного регистра, другая группа входов которого подключена к выходам определителя октантов, выходы старших разрядов которого соединены с первым и вторым управляющими входами цифрового коммутатора, третий, четвертый и пятый управляющие входы которого подключены соответственно к выходам программно-временного блока с шестого по восьмой, девятый выход которого соединен с входом управления записью регистра сдвига, десятый - с входом управления записью третьего регистра и входом управления сдвигом регистра сдвига, а одиннадцатый выход - с входом управления записью входного регистра,

2. Преобразователь по п. 1, от л и ч a torn, и и с я тем. что цифровой коммутатор содержит три мультиплексора, два регистра

0

5

0

5

и два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы первого и второго мультиплексоров являются одной группой входов, а вторые входы первого и второго мультиплексоров являются другой группой входов цифрового коммутатора, управляющие входы первого и второго мультиплексоров объединены и являются третьим управляющим входом цифрового коммутатора, а выходы соединены с входами третьего мультиплексора, первый и второй входы первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются первым и вторым входами цифрового коммутатора, а выход соединен с одним входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом третьего мультиплексора, выходы которого соединены с входами регистров, управляющий вход первого регистра соединен с другим входом второго элемента ИС- КЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, который является четвертым, а управляющий вход второго регистра пятым управляющими входами цифрового коммутатора.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники Целью изобретения является повышение точности преобразователя путем повышения его помехоустойчивости и уменьшения влияния высших гармоник. Для достижения поставленной цели в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий СКВТ, источник напряжения возбуждения, аналоговый коммутатор, АЦП, определитель октантов, ПЗУ, три регистра, блок элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, программно-временной блок, введены регистр сдвига, выходной регистр, цифровой коммутатор, блок деления, два цифровых квадратурных фильтра низких частот, сумматор и тактовый генератор. 1 з.п.ф-лы, 6 ил. (Л С

-i

l

i

. 3

-

27

U.

прЗга н

1 угL-gy

l9

CtW . J

oYZ

CDnr-. 5

-Ъа гг

Н Чт. I -о

1 чт. «1о

вР р С О « ч

А.«с

Фиг. 6

J

ми

S. 4М-Ч Ь

о и ft с - и «I «J