Преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1980 года по МПК G08C9/04 

1

Изобретение отаосится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для преобразования .угла поворота вала в цифровой эквивалент.

Известно, что прецизионные преобразователи угол-код обычно отроятся как двух- или трехотсчетйые системы, так как повышение точности одноотсчетного преобразователя ограничивается технологическими трудностями изготовления кодирующего элемента (КЭ), инструментальной погреш ностью аналоговых узлов, а также предельной ошибкой квантования, определяемой граничным быстродействием логических схем, образующих отсчетную часть преобразователя.

Измерение углового положения вала с помощью многоотсчетных преобразователей делает необходимым согласование соседних отсчетов для устранения погреш- „ ности измерения, равной весу младшего разряда грубого отсчета (ГО). Для согла-. сования отсчетов корректируют показания канала ГО по результатам анализа показаний каналов ГО и точного отсчета (ТО). Анализ показаний и корректировка, осущест вляются с согласующего устройства, логика работы которого определяется принятой в преобразователе методикой, получения числового эквивалента угла.

Один из распространенных методов преобразования утла в код включает в себя предварительное преобразование угла в изменение фазы электрического сигнала и далее в интервал времени, заполняемый импульсами стабильной частоты, число которых будет пропорционально искомому перемещению вала |l.

Код угла в подобных преобразователях формируется с помощью счетчиков ГО и ТО. Суть согласования отсчетов заключается в том, что в преобразователь вводился согласующий разряд (СР) и необходимость введения поправки в ГО определяерся логическим анализом показаний старших разрядов ТО и СР при условии совмещения нулей ТО и ГО, что достигается первоначальной установкой статсра фазовращаТОЛЯ го таким образом относительно статора ТО, чтобы нуль ГО совпаодл с каким-либо нулем ТО. Поправка в этсм случае вводится путем алгебраического сложения единицы с показаниями ГО, и для введения поправки преобразователь снабжается комбинационными сумматорами количество которых равно числу разрядов в счетчике ГО. В этом случае отпадает надобность в комбинационных сумматорах. Дальнейшее упрощение схемы согласующего устройства и преобразователя в целом достигается за счет организации сдвига нуля ГО относительно нуля ТО на угол, равный половине зоны согласования Блок-схема подобного преобразователя содержит фазовращатели точного и грубого отсчетов, соединенные между собой, каждый из которых соответственно через первый и второй нуль - детекторы подклю чены к одним из входов соответствующих триггеров, выходьг которых соединены с первыми входами элементов И. Выход пер вого элемента И подключен к одному из входов счетчика точного отсчета, а выхо второго элемента И - к первсаду входу блока согласования отсчетов. Источник питания подключен к фазовращателям точ- ного и грубого отсчетов, к третьему нуль детектору и умножителю, выходы которого соединены со вторыми входами элемен тов И. Выход третьего нуль-детектора со единен со входом третьего триггера, пер вый выход которого соединен с другими входами первого и второго триггеров и со . вторым входом блока согласования отсчетов. Второй выход третьего триггера соединен с третьим входом блока согласова ния отсчетов, выход которого соединен с одним из входов счетчика грубого отсчета. Выход счетчика точного отсчета соединен с четвертым цходсм блока согласования отсчетов 21. Известный преобразователь имеет еле- рующке недостатки. Для получения на выходе преобразователя кода, соответствующего углу поворо та вала, необходи ю совмещать нуль фазовращателя ТО с нулем вала, а фазо вращатель ГО устанавливать в такое поло жение, при котором импульсы приращекия угла в канале ГО будут выдаваться в окрестностях точек (2К + ), г (1) где К количество по1шых половин полюсов датчика ТО, укладыьающачся в угол Я. существить подобную выставку и точно афиксировать, фазовращатели в нужном поожении только с помощью механиеского узла, усложняющего крепление статоров и вносящего дополнительную погрешность в общую погрешность преобраователя. Кроме того, в последнее время в качестве фазовращателей стали применяться датчики совмещенного типа, например поворотные трансформаторы, у которых обмотки ТО и ГО имеют общий магнитопровод. В случае применения подобных фазовращателей невозмо шо .осуществить меха нический разворот фазовращателя ГО от носительно фазовращателя ТО, так как у них общие статор и ротор. Целью изобретения является повьщ1ение надежности путем расширения допустимой зоны рассогласования между нулем вала и нулем фазовращателя точного отсчета, а также между фазовращателем грубого отсчета и точного отсчета за счет введения поправок, учитывающих истинное положение фазовращателей, в счетчики ГО и ТО при начальной установке и поправки к результирующему коду. Поставленная цель достигается т&л,что в преобразователь угла поворота вала в код введены запсыикающие устройства и сумматор. Выход первого запоминающего устройства соединен с первым входом сумматора, первый выход третьего триггера соединен со входсм второго-и третьего запсяийнаюшнх устройств. Выход второго запоминающего устройства соединен с другим входом счетчика точного отсчета, другие выходы которого соединены со вторым входсм сумматора. Первый выход третьего запсминаюшего устройства соединен с гфугим входом счетчика грубого отсчета к с пятым-входом блока согласования отсчетов, выход счетчика грубого отсчета соединен с третьик входом сумматора. Структурная схема преобразователя представлена на фиг. 1, на фиг. 2-изображена диаграмма, поясняющая определение кодов псятравок. Преобразователь угла noBqDOTa вала 1 в код содержит (см. фиг. 1) источник питания 2, фазовращатель 3 точного отсчета (ФВТО), фазо ащатель 4 грубого от счета (ФВГО), нуль-детекторы 5-7, триггеры 8-10, умнохжтель частоты 11, элементы И 12, 13, счеТчик 14 ТО, счетчик 15 ГО, блок 16 согласования отсчетов, который состоит из элемента И 17, трипгеров 18 и 19 и элементов ИЛИ 20, 21, ,запом1шающие устройства (ЗУ) 22-24 сумматор 25. В качестве ФВГО может использоваться любой С1шусно-косинусный Датчик угла с одной парой полнх:ов (р 1); в качест ве ФВТО как датчик с р 1, связа1шый с входным валом через повышающий реду тор, так и многополюсный датчик угла, что предпочтительнее. Роторы ФВТО и ФВГО жестко связаны с входным валом. Статоры расположены друг относительно друга и своих роторов таким образом .чтобы в исходнсм состоянии нуль вала соисходнсм состоянии впадал снулемФВТО, а нуль ФВГО отставал от нуля вала на одну четверть ТО. ПОЛЮСНОГО деления работает следующим Преобразователь образом. Роторы ФВТО 3 и ФВГО 4 неподвижно закрепляются на валу 1, Статс ы фазовра щателей располагаются относительно свои роторов и друг относительно друга произвольным образом. Для определения кодов поправок, вводи мых в ЗУ 22-24, вал 1 разворачиваот в нулевое положение и определяют, насколько смещены относительно нуля вала нуль го и ближайший к нулю вала опережающий нуль ТО (см. фиг. 2). Произвести подобный замер можно с помощью преобразователя, замерив, напри мер, длительности временных интервалов, формируемых триггерами 9 и 10 между старта и стоп- импульсами. Эти интерваль1 будут пропорциональны в канале ГО - углу поворота нуля ФВГО 4 относительно нуля вала и в канале ТО - углу поворота ближайшего к кулю вала опережаю щего, нуля ФВТО, т.е. г/- -2эт: . 0-(Тт --то гдеСго1С|о- замеренные длительности ременных интервалов в каналах ГО и ТО cooTBeiCBeHHo;; период напряжения питания фазовращателей; гоугол рассогласования между нулшми вала 2 и ГО;; .0угол рассогласования между нулем вала и ближайшим к нему опережающим нулем ТО; Р - число пар полюсов ФВТО. Выбор кодов поправок производится следующим образом (см. диаграмму на фиг. 2). 73 и 56 Для согласования отсчетов нуль ГО должен быть смещен в зону согласования отсчетов, т.е. в первую половину первого (считая от нуля вала) полюса ТО. Поэтому код поправки в счетчик ГО ( согласующий разряд) равен числу К , сяределяемому из равенства К ( 1) - Кро, (3) где число значащих разрядов в сче-пчике ГО; число разрядов в счетчике ГО, включая разряд согласования; 2 -1 - максимальное число, фикс1фуемое в счетчике ГО (совместно с разрядом согласования); число полных половин полюсов датчика ТО, укладывающихся в угол Угол рассогласования между нулем вала и скорректированным нулем ГО (угол ), согласно фиг. 2, равен: ft -,4 ) Pro о V го-Чо остаток от сЛ, после ВЫ-читания из него К половин полюсов датчика ТО. Для выполнения операции согласования необходимо также, чтобы в исходном положении нуль ТО.сяережал нуль ГО на одну четверть полюсного деления ТО, т.е. нуль ТО должен занимать положение, обозначенное на фиг. 2 как скорректированный О ТО. Поэтому код лойравки в счетчик ТО должен соответствовать углу i- , равному-(то А -В гто 2.Р Поправка к результирующему коду небходима для совмещения скорректированноо нуля ТО с истинным нулем вала. та поправка должна соответствоватьуглу Поправки вводятся в ЗУ один раз, при егулировке преобразователя, и остаются остоянными все время эксплуатации, если течение этого щэемени датчики на валу. е переустанавливаются. Код поправки в ЗУ 23 равен числу К J - целое в ЗУ 22N,, К, где П7о исло дискретов, укладывающихся в угол укладывающихся T,.Дискретом преобразователя считается цена отсчетной ецинйш, определяемая иа равенства сС- гае п суммарное число разрядов в счет чиках ТО и ГО, исключая разряд согласования. Коп поправки в ЗУ 24 равен числуМ„ К где целое число пискретов, укладывающихся в угол . В качестве ЗУ могут использоваться, например, группы вентилей,. выполнэнных на микросхемах серии 134, потенциальные входы которых постоянно подключены к шинам 5В или о&дий в зависимости от того, кои I или О должен хранить ся в данной ячейке. При подаче на вторые входы элементов И импульса опроса на выходах элементов И появляется импульсный коа, соответствующий хранимому в данном ЗУ числу.. При переустановке фазовращателей на валу 1 новые кооы поправок заносятся в ЗУ перексммутацией шин памяти. После внесения в ЗУ коаов поправок преобразователь готов к работе. По выходным сигналам источника пита ния 2, принятым в качестве сясрного напряжения и описываемым равенством1 д )t,B нулевом петекторе 5 ш фабаты ваются кс откие импульсы, совпадающие во времени с моментами перехода сигнала Ujj через нуль от отрицательной полуволны к положительной, которые воздействуют на счетаый вход триггера 8. На каж цые два импульса, поступающих на сче-гный вход триггера 8, с его выходов выдается по одному старт-импульсу и по одному импульсу соггассдаания, причем если старт-импульс ы)дается по кажсому нечвр ному входному импульсу, то импульс согласования выдается по каждому четному вхоиному импульсу {или наоборот). Стар-пимпульс всегда отстоит от импульса согласования на время, равное овяому периоду onqpHoro напряжения. Со старт-импуль са начинается цикл преобразования. Нуль-детекторы 6 и 7 формируют стопимпульсы в моменты времени, совпадающие с точками перехода через нуль сигна лов отрицательной полуволны к положительной. Цикл преобразования начинается со стар- -импульса. Старт-импульс осущес-рвляет запись в счетчики 14 и 15 ТО и ГО кодов поправок из ЗУ 22 и 23. Креме того, страт-кн пульс устанавливает триггер 19 блока согласования в нуль, а 73 5 триггер 18, являющийся разрядом согласования, в состояние О или 1 в зависимости от кода поправки в ЗУ 23. Если число Кд, определяемое из равенства (3), четаое, то в младшем разряде ЗУ 23 записан нуль и триггер 18 по старт импульсу устанавливается в нуль, а если К д - нечетное, то в младшем разряде ЗУ 23 единица и триггер 18 по стратаимпульсу устанавливается в единицу. Необходимость подобной установки триггера 18 связана с тем, что в счетчике ТО 15 можно фиксировать только целые полюса, половины же полюсов фиксируются в разряде согласования. Стар-импульс также устанавливает в единицу триггеры 9 и 10, разрешая тем самым прохождение импульсов заполнения с умножителя частоты 11 через элементы И 12 и 13. В результате в счетчиках 14 и 15 начинают формироваться коды, соответствующие углам поворота вала 1, отсчитанные не от истинных нулей фазовращателей, а от их скорректированных положений. Стоп-импульсы устанавливают триггере; 9 и 1О в состояние нуль, и элементы И 12, 13 закрываются. Первый цикл преобразования на этом заканчивается. В счетчиках ГО и ТО зафиксированы коды. прсЯ1ор1даональные углам поворота вала, отсчитанные от скорректированных нулей фазовращателей. Для получения в счетчиках 14 и 15 числа, пропорционального углу поворота вала относительно общей точки отсчета, совпадающей со скорректированным нулем ТО, осуществляется операция согласования, т.е. импульс согласования, вырабатываемый в триггере 8, проходит через элемент И 17, если старший разряд счетчика ТО 14 стоит после окончания первого цикла преобразования в состоянии О. Импульс согласования, прошедший через элемент И 17, добавится к содержимому счетчика ГО 15 только в том , если по окончании первого цикла преобразования триггер 18 остался в состоянии 1, а триггер 19 в состоянии О. Для получения на выходе преобразователя кода числа, пропорционального углу поворота вала к отсчитанного относительно истинного, а не смещенного нуля вала, результирующий код выводится в вычислительное устройство через сумматор 25, осуществляющий алгебраическое сло(Жение кода поправки Ы,,с кодом числа, зафиксированного в счетчиках 14, 15 пос973rie операции согласований. На этом заканчивается полный цикл преобразования. Формула изобретения Преобразователь угла поворота вала в коц, содержащий фазовращатели точного и грубого отсчета, соединенные между собой, кажгл:,й из которых соответственно че рез первый и второй нуль-детекторы подключены к одним из входов соответствующих триггеров, выходы которых соединены с первыми входами элементов И, вы-, ход первого элемента И подключен к одному из входов счетчика точного отсчета, а выход второго элемента И - к первому входу блока согласования отсчетов, источник питания подключен к фазовращателям точного и грубого отсчетов, к третьему нуль-детектору и умножителю частоты, выходы которого соешгаены со вторыми входами элементов И, выход /третьего нульдетектора соединен со входом третьего триггера, первый выход которого соединен с другими входами первого и второго триг теров и со вторым входом блока согласования отсчетов, второй выход третьего триггера соедкиен с третьим ..входом блока согласования отсчетов, выход которо28

27 751,0 го соединен с ош1им из входов счетчика грубого отсчета, выход счетчика точного отсчета соед1шеи с четвертым входом блока согласования отсчетов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены запоминающие ycTpoiiCTBa и сумматор,выхоц первого запоминающего устройства со едрп1ен с первым входом сумматора, первый выход третьего триггера соединен со входом второго и третьего запоминаЬщихг устройств, выход второго запоминающего устройства соединен с другим входом сче-рчика точного отсчета, другие выходы которого соединены со вторым входом сумматора, первый выход третьего запоминающего устройства соединен с другим вхошм счетчика грубого отсчета и с пятым входом блока согласования отсчетов, выход счетчика грубого отсчета соединен с третьим входом сумматора. Источники информации, Принятые во внимание при экспертизе 1.Зверев А. Е. Преобразователь угловых перемещений в цифровой код. Л., Энергия, 1974, с. 153-156. 2.Заеолокин А. К. Последовательные преобразователи непрерывных величин в числовые эквиваленты. М., Госэнергоиздат, 1962, с. 61-63 (прототип).

4

f

р