Способ преобразования угла поворота вала в частоту и код угловой скорости и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H03M1/64 H03M1/60 G01R25/00 

сл

с

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей. В устройство, содержащее фазовращатель, генератор опорного напряжения, два делителя частоты, реверсивный счетчик, введены два квадратурных фазовращателя, два квадратурных фазорасщепителя, два блока вычитания, четыре балансных смесителя, элемент НЕ, переключатель, многосекционный элемент задержки, формирователь импульсов, три элемента И-НЕ, блок индикации, переключатель диапазонов. Цель достигается за счет наличия только одного генератора, принципа построения схемы и возможности переключения диапазона частоты выходного сигнала в любой момент времени путем дискретного изменения параметров многосекционного элемента задержки, 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для построения преобразователей угла поворота вала фазовращателя в частоту и код угловой скорости, а также цифровых измерительных приборов, реализующих методы частотного преобразования неэлектрических величин с использованием электронных и электромеханических датчиков физических величин.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей преобразования угла поворота вала в частоту и код угловой скорости за счет наличия только одного генератора, принципа построения схемы и возможности переключения диапазона частоты выходного сигнала в любой момент времени работы фазовращателя путем дискретного изменения параметров многосекционного элемента задержки.

На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя угла поворота вала в частоту и код; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь угла поворота вала в частоту и код содержит генератор 1 опорной частоты, фазовращатель 2, переключатель 3, квадратурные фазорасщепители 4,5 (широкополосные) квадратурные фазовращатели 6,7, блоки 8,9 суммирования, балансовые смесители 10-13, переключатель 14 диапазона преобразования, многосекционный элемент 15 задержки, делитель 16 частоты, делитель 17 частоты (с коэффициентом пересчета 6, элемент НЕ 18, формирователь импульсов 19, элементы И-НЕ 20-22, реверсивный счетчик 23, блок 24 индикации.

XI

VI v|

К

Способ заключается в следующем. Исходный сигнал генератора 1

Ui(t)Umisln(yi t+pi)

(1)

фиксированной частоты Wi, амплитуды Uml с начальным фазовым сдвигом р подают на вход фазовращателя 2, с помощью которого сигнал (1) сдвигается по фазе на значение

Дрх К -Q-At K a.

где Q- угловая скорость; At - время перемещения вала фазовращателя 2; К- коэффициент пропорциональности, обычно равный единице () при отсутствии редуктора; а Q-At - угол поворота фазовращателя 2.

В результате формируется сдвинутый, по фазе сигнал

U2(t)Um1Sln( ),

(3) (4)

где (pz pi+ А а, фиксированный частоты 0).

Одновременно генерируется основной и сдвинутый по фазе сигналы переменной частоты

U3(t)Um2Sln( СО2 t+ pз), U4(t)Um2Sin( О) 2 Т.+ р А),

где (рз - начальный фазовый сдвиг исходного сигнала (5) переменной частоты;

(7) - начальный фазовый сдвиг сдвинутого по фазе сигнала (6) переменной частоты;

Л#Ъс 0)2 т- значение фазового сдвига, вносимого в исходный сигнал (5) переменной частоты од;

т время задержки (или постоянная времени задержки).

Расщепляют исходный и сдвинутые по фазе сигналы (1), (3) и (6) фиксированной и переменной частоты на квадратурные составляющие. В результате получат квадратурные составляющие

Un(t Um11Sln(), Ul2(t)Um12Sin( ),

U2l(t)Um21Sln( 0)1 t+ 2), U22(t)Um22COS( O1 t+ p2

исходного и сдвинутого по фазе сигналов (1) и (3) фиксированной частоты toi. а также квадратурные составляющие

U4l(t)Um41s n( (02 t+ (fti)

(12)

U42(t)Um42COS( 0)2 t+ p$(13)

сдвинутого по фазе сигналов (6) переменной частоты ад с попарно равными амплитудами

5 Um11+Um12, , .

Квадратурные составляющие (8) и (9) исходного сигнала (1) фиксированной частоты u)i перемножают с одноименными квадратурными составляющими (12) и (13) сдвину- 10 того по фазе сигнала переменной частоты

(02

Ul4(t)Ull(t) U4l(t)(u)1- GЈ)t+ ( + C«2)t + (14)

и

15U24(t)U 12(t) U42(t) ffl2)t+

+ ( (0}+ (W2)t+ P4,(15)

где Umi4 и Um24 - амплитудные значения сигналов (14) и (15) соответственно.

20 При перемножении формируют электрические сигналы (14) и (15) с равными амплитудами, Т.е. .

Вычитают перемноженные сигналы (14) и (15). В результате вычитания сигнала (14)

25 из сигнала (15) получают сигнал суммарной частоты ал+(У2(16):

30

U5l(t)Um51COS( 0)1+ ftfc)t+ р1+ рА, (17) U52(t)Um52Sin( O)1+ U)t+ . (18)

При расщеплении формируют сигналы .(17) и (18) с равными амплитудами, т.е. . Перемножают квадратурные составляющие (17) и (18) сигнала (16) сум- 35 марной частоты с разноименными квадратурными составляющими (10) и (11) сдвинутого по фазе сигнала (З) фиксирован- ной частоты coi:

и

Ul5(t)U5l(t) U2l(t)( Щ1+ + 4-HDlt + 2J+Sln UM+ pl-( У1+ W2)t- ((19)

U25(t)U52(t) U22(t)( «1+ UU)t+ + рг(л(Ом + 23+Slnt (). + +(p 1 + j)A - (DM P2 .(20)

При перемножении квадратурных сигналов (17) и (10), (18) и (11) формируют электрические сигналы (19) и (20) с равными амплитудами, т.е. .

Вычитают перемноженные сигналы (19) и (20). В результате вычитания сигнала 19 из сигнала (20) получают сигнал генерируемой

частоты 0)2:

U6(t)U25(t)-Ul5( Sln( 0)21+ + р4- ( OJ2t+ 4- x) Um6Sin(ufct+#}+ ), (21)

где Um6 амплитуда второго разностного сигнала;

р4 р2 (4-

рб начальный фазовый сдвиг, Полученный сигнал регенерируют, т.е. восстанавливают амплитудное значение сигнала (21) путем его масштабирования:

U(t)KMn U6(t)Um7Sln( (021+ РЗ+

+ AI/ЪС- ,(22)

(де Um6 - амплитудное значение сигнала (21);

Кмп - коэффициент масштабного преобразования, до выполнения неравенства

Um7 Um2(23)

Для обеспечения условия регенерации кроме условия (23) баланса амплитуд должно соблюдаться условие баланса фаз:

(рЗ+ А (рос- ,

(24)

которое обеспечивается путем задержки во времени сигнала (4) на время т. Практически Ау5мп 0. Тогда условие (24) выполняется при

Арос ж, где ,2,4,6... (25)

При At, тогда аи . При m ш-. Если К 0, то частота

v

Ш2 дополнительно увеличивается.

Выходная частота од увеличивается в п раз следующим образом. Частота генерируемого сигнала (4) при

a coQ+ Асох.

(26)

При уменьшении в п раз постоянной времени t линии задержки 15 выходная частота преобразователя увеличивается в п раз и определяется выражением

С02

- -

т/п

пшо + nsia, (27)

аналогичным выражению (26), но вместо т здесь подставлено в п раз меньшее значение. В результате получают, при , У2

(At/( r/n) п , а при К 0 имеют

for 4- Арх Ктг + Агрх ад г/п

псоо + nsi a.

при Ay x const.

Таким образом, обеспечивается смещение в п раз (при Ay7x const) диапазона частот генерируемых сигналов. Физически это осуществляется за счет уменьшения в п раз постоянной времени линии задержки 15, т.е.

t - r/n Ayv/ п Ашх Јg д const

Следовательно, для увеличения чувствительности (или крутизны преобразования) в п раз необходимо уменьшить время задержки в это же число раз ( TI л /п). При этом, однако, в п раз увеличивается и начальное значение частоты оь.

Для получения приращения частоты Aft) а в чистом виде необходимо провести измерения переменной частоты генерируемого сигнала при двух значениях угла

поворота сельсин-датчика: и «Х2 а., В результате получают со 2 (00 + si «X1 и

(1)о + S1 0x2 .

Вычитая первый результат измерения из второго, получают

С02 - С021 +

+ S | аХ2 - ftfe - 810x1 SUZ .(28)

0

0

5

Для передачи информации на расстояние целесообразно использовать генерируемый сигнал с переменной частотой одг, определяемой выражением (26). При получении непосредственного результата преобразования угла поворота в частоту целесообразно проводить обработку результатов двух измерений частоты генерируемого сигнала указанным выше приемом и определять приращение частоты а по вы- 0 ражению (28).

Преобразователь угла поворота вала в частоту и код работает следующим образом.

С выхода генератора 1 на фазовращатель 2 поступает сигнал (1) с заданной ампли- j. тудой и частотой, Этот же сигнал поступает на счетный вход делителя частоты, на один из входов переключателя 3 и на вход квадратурного фазовращателя 6.

Выходной сигнал (3) фазовращателя 2 поступает через другой вход переключателя 3 на вход квадратурного фазовращателя 7.

Процесс преобразования угла поворота фазовращателя 2 в частоту осуществляется при положении переключателя 3, указанном на фиг. 1. Процесс измерения абсолютного изменения частоты генерируемого сигнала в зависимости от измерения угла поворота фазовращателя 2 осуществляется в два такта: при указанном и противоположном положениях переключателя 3.

Для преобразования угла поворота вала в частоту входной и выходной сигналы (1) и (3) фазовращателя 2 расщепляют на квадратурные составляющие (8), (9) и (10), (11) с помощью квадратурных фазовращателей 6 и 7 соответственно. Выходной сигнал (22) устройства, задержанный на время г с помощью многосекционного элемента 15 задержки, расщепляют на квадратурные составляющие (12) и (13) с помощью квадратурного фазорасщепителя 4.

Квадратурные составляющие (8) и (9) исходного сигнала (1) фиксированной частоты 0) с амплитудами смешивают с одноименными квадратурными составляющими (12) и (13) сдвинутого по фазе сигнала переменной частоты 0% с амплитудами с помощью балансных смесителей 10 и 11 соответственно, В результате получают сигналы (14) и (15), частоты спектральных составляющих которых равны

0)2 И U1+ 0)2 .

С помощью блока 8 вычитания сигнал (14) вычитают из сигнала (15), Полученный сигнал (16) суммарной частоты расщепляют на квадратурные составляющие (17) и (18) с помощью квадратурного фазорасщепителя 5.

Квадратурные составляющие (17) и (18) расщепленного сигнала суммарной частоты и с равными амплитудами смешивают соответственно с квадратурными составляющими (10) и (11) сдвинутого по фазе сигнала фиксированной частоты с помощью балансных смесителей 12 и 13 соответственно.

В результате получают сигналы (19) и

(20)с равными амплитудами. Частоты спектральных составляющих полученных сигналов равны 0)1+W2 и . С помощью блока 9 вычитания сигнал (19) вычитают из сигнала (20). Полученный сигнал (21) генерируемой частоты используют в качестве основного генерируемого сигнала переменной частоты 0)2. Этот сигнал поступает на аналоговый выход устройства. Для регенерации сигнал

(21)поступает также на вход многосекционного элемента 15 задержки. Последняя обеспечивает задержку сигнала (21) на время г, т.е. обеспечивает задержку сигнала (21) на время т, т.е. обеспечивает формирование сдвинутого по фазе сигнала (22) переменной частоты. Сигнал (22) поступает на вход первого широкополосного квадратурного фазовращателя 4, обеспечивая регенерацию выходного сигнала устройства, т.е. формирование исходного сигнала переменной частоты 0)2., содержащей информацию об угле поворота фазовращателя 2.

Обеспечение условий (23) и (24) регенерации достигается путем подбора коэффициента усиления дифференциального усилителя 9 и введением многосекционного

элемента 15 задержки, обеспечивающей получение ряда значений г. С помощью переключателя 14 диапазонов осуществляется выбор частного диапазона и крутизны преобразования угла поворота сельсин-датчика

2 в частоту.

Для измерения пропорционального углу поворота приращения частоты выходного сигнала в устройство дополнительно введены переключатель 3, делители частоты 16 и

17, элемент НЕ 18, формирователь 19 импульсов, три элемента И-НЕ 20-22, реверсивный счетчик 23 и блок 24 индикации.

В качестве второго делителя частоты .17 используется счетчик импульсов И 4 в режиме деления частоты на 6. Эпюры напряжений, поясняющие процесс измерения значения частоты (28), пропорциональной углу поворота сельсин-датчик 2, приведены на фиг.2.

Переключатель 3 в положительные и отрицательные полупериоды управляющего сигнала (см. фиг.2,г) находится в положениях, указанном и противоположном (фиг,1). При переключении входного и выходного

сигналов сельсин-датчика 2 в устройстве возникают переходные процессы (см. фиг.2,а). Для повышения точности измерения в моменты времени перехода через нуль из исходного сигнала (21) переменной частоты формируют короткие (счетные) импульсы заданной длительности с помощью формирователя 19. Эти импульсы используются « качестве счетных импульсов реверсивного счетчика импульсов 23.

Измерительный интервал времени формируется сигналом с первого выхода второго делителя частоты 17. Длительность его выходных импульсов (см. фиг. 2,а) , где То - период следования прямоугольных импульсов с первого выхода делителя частоты 17. Указанные импульсы поступают на третий (в элементе И-НЕ 22 и на четвертый) вход каждого из элементов И-НЕ 20-22.

Импульсы установки в нуль реверсивного счетчика импульсов 23 формируются D моменты времени совпадения импульсных сигналов с первого, второго и четвертого выходов второго делителя частоты 17 (см.

. фиг. 2,е). Следом за импульсами установки в нуль счетчика 23 формируются импульсами разрешения записи информации в режиме суммирования. Эти импульсы формируются при совпадении сигналов с первого,

третьего и четвертого выходов делителя частоты 17 (см, фиг. 2,ж). Счетные импульсы с выхода формирователя 19 поступают через элемент И-НЕ на суммирующий вход реверсивного счетчика импульсов 23.

Окончание записи происходит в момент времени переключения переключателя 3 в противоположное положение.

В моменты времени совпадения импульсных сигналов с первого, третьего и четвертого выходов делителя частоты 17 (при этом сигнал с четвертого выхода дополнительно инвертируется с помощью элемента НЕ 18) формируются импульсы (см. фиг. 2,з), разрешающие подачу счетных импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 23. В результате на суммирующий и вычитающий входы счетчика 23 в нечетные (первые) и четные (вторые) такты работы переключателя 3 поступят следующие количества импульсов:

A to

A to.

(29) (30) где 2 (Шо+51 ax2) (31

установившееся значение частоты Уг выходного сигнала устройства при AyJxz К а а;

2k («о+вкм)(32)

установившееся значение частоты Gfc выходного сигнала устройства при К .

С помощью реверсивного счетчика 23 осуществляется вычитание кода числа (30) из кода числа (29). В результате выходной код счетчика 23 будет равен коду числа:

м м м Ato Ato Awx -2lfsa -2

At0 Afx,

(33)

гдеД(х) AuJx/27T s/A(px2-А х1)/2я s( «x2 - аХ1)/2л: s a/In. Код числа (33) поступает на выход устройства для передачи по цифровой линии связи, а также поступает на блок 24 информации. С помощью последнего осуществляется индикация результатов измерений в виде чисел десятичной системы.

Формула изобретения 1. Способ преобразования угла поворота вала в частоту и код угловой скорости, заключающийся в формировании опорного

напряжения фиксированной частоты, формировании фазового напряжения переменной частоты, сдвинутого по фазе относительно фазы опорного напряжения на угол, пропорциональный углу поворота вала, с помощью фазовращателя, формировании из опорного и фазового напряжений соответственно первого и второго напряжений переменных частот, формировании кода уг0 ловой скорости как разности переменных частот первого и второго напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и функциональных возможностей способа, при формировании первого

5 напряжения переменной частоты расщепляют опорное напряжение на квадратурные напряжения фиксированной частоты, которые перемножают с одноименными квадратурными напряжениями второго на0 пряжения переменной частоты, вычитанием полученных напряжений формируют напряжение суммарной частоты, которое затем расщепляют на квадратурные напряжения суммарной частоты, при формировании

5 второго напряжения переменной частоты расщепляют фазовое напряжение переменной частоты на квадратурные напряжения, которые затем перемножают с разноименными квадратурными напряже0 ниями суммарной частоты соответственно, вычитанием полученных напряжений формируют третье напряжение переменной частоты, второе напряжение переменной частоты формируют смещением по фазе на

5 заданную величину третьего напряжения переменной частоты.

0 блок индикации, переключатель диапазонов, выход генератора опорной частоты соединен с входами фазовращателя, первого делителя частоты, одним входом переключателя и входом первого квадратурного

5 фазовращателя, выходы которого соеди- нены с первыми входами первого и второго балансных смесителей соответственно, выходы которых соединены с входами первого блока вычитания, выход которого соединен с входом первого квадратурного фазорасщепителя, выходы которого соединены с одними входами третьего и четвертого балансных смесителей соответственно, выходы которых соединены с входами второго блока вычитания, выход которого является вы- ходом частоты устройства и соединен с входом многосекционного элемента задержки, выходы которого через переключатель диапазонов соединены с входом второго квадратурного фазорасщепителя, выходы которого соединены с другими входами первого и второго балансных смесителей соответственно, выход фазовращателя соединен с другим входом переключателя, выход которого соединен с входом второго квадратурного фазовраа ателя, выходы которого соединены с другими входами третьего и четвертого балансных смесителей, выход второго блока вычитания соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И-НЕ, выход первого делителя частоты соединен с вторыми входами первого, второго элементов И- НЕ, первым и вторым входами третьего элемента И-НЕ и входом второго делителя частоты, первый выход которого соединен с третьим входом третьего элемента И-НЕ, второй - с третьими входами первого и второго элементов И-Н Е, а третий с четвертыми входами первого и третьего элементов И-НЕ, через элемент НЕ - с четвертым входом второго элемента И-НЕ и непосредственно - с управляющим входом переключателя, выход первого и второго элементов И-Н Е соединены с входом сложения и вычитания реверсивного счетчика соответственно, выход третьего элемента И-НЕ соединен с установочным входом счетчика, выходы которого соединены с входами блока индикации и являются выходами кода угловой скорости устройства.

фиг./

фаг. 2.