Преобразователь кода в угол поворотаВАлА Советский патент 1981 года по МПК G08C11/00 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОДА В УГОЛ ПОВОРОТА ВАЛА

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к ци4 роаналоговым преобразователям, и может найти применение в системах управления, имеющих в своем составе цифровые вычислительные машины, интерполяторы, запоминающие устройства или иные устройства, которые могут выдавать информацию в виде кода для преобразования в угол по ворота вала. Известен преобразователь кода в угол поворота вала, состоящий из фазоврашдте ля, формирователя синусоидального напряжения, подключенного к одному из входов h -тактного генератора импульсов через пересчетную схему, счетчика входного кода, переключателя выходов генератора, триггера строба, схемы сравнения, усилителя и исполнительного двигателя 1. Этот преобразователь имеет более высокую разрешающую способность при той же предельной частоте переключения счетных элементов. Известен преобразсжатель кода в угол поворота вала, содержащий последоватет - но соединенные генератор импульсов счетчик и блок (|юрмироваиия двухфазного синусоидального напряжения, регистру усилитель, соединенный с двигателем, который кинематически соединен с (} азофращате- лем 2. В этих преобразователях в качестве датчиков угла используются фазовращатели. Наиболее широко распространены фазовращатели с однофазным и с двухфазным питанием. Предлагаемый преобразователь предусматривает двух()азиое пнтанне фазофрашателя. Преобразователи-аналсяи производят сравнение фазы выходного 1{апряжения фазовращателя с фазой напряжения, задавав- мой счетчиком, которая пропорциональна преобразутемому коду. В результате сравнения вырабатывается управляющее воздействие на вал фазовращателя через усилитель и исполнительный двигатель. Отклонение ({юрмы питающих напряжений от 3802 синусоидальной, нестабильно сть частоты питакших напряжений, сдвиг фаз между питающим и выходным напряжениями при нулевом положения ротора фазовращателя,, задержка сигналов в линиях связи и др. оказывают существенное влияние на сдвиг фазы выходного напряжения фазовращателя, причем влияние зависит от температуры, старения- элементов и других причин. Фаза выходного напряжения, т.е. величина действительного положения вала, определяется со значительной погрешностью. В результате этого происходит грубое преобразование кода в угол поворота вала. Целью изобретения является повышение точности преобразователя кода в угол поворота вала. Для достижения этого в преобразователь кода в угол поворота вала, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик и блок формирования двухфазного синусоидального напряже. ния, входной регистр, усилитель, соединен ный с двигателем, который кинематически соединен с фазовращателем, введены переключающий элемент, формирователь импуль сов, переключатель фаз напряжения, дискриминатор временных интервалов, блок управления направлением вращения двигателя и блок формирования временных инте валов, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, второй Еход - с вьгходом входного регистра, а третий вход - с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с выхо дом фазовращателя, первый выход блока формирования временных итервалов соединен с первыми входами переключающего элемента, дискриминатора временных интервалов и блока управления направлением вращения двигателя, второй выход с вторыми входами переключающего элемента и дискриминатора временных интервалов, третий выход - с третьим входом дискриминатора временных интервалов, а четвертый выход - с вторым входом блок управления направлением вращения д1вига- теля, третий вход которого соединен с од ним из выходов блока формирования двухфазного синусоидального напряжения, чет вертый вход блока управления направлени ем вращения двигателя соединен с выходом старшехх) разряда входного регистра, остальные входы - с выходами дискриминатора временных интервалов, а выходы блока управления направлением вращения двигателя соединены с входами усилителя входы переключателя соединены с выхода ,ми блока формирования двухфазного синуидального напряжения выходы переклюателя соединены с входами питания фазоащателя, управляющие входы переключаеля соединены с выходами переключающео элемента. Если на первую входную обмотку сиусно-косинусного вращаюцегося трансфоратора (СКВТ) подать напряжение с едиичным амплитудным значением U -Sill Cut, а вторую входную обмотку можно запиать выражение (J,i Sitt Sinct-COSUJi CO5dL fi; +- -CO3(UDt+oL- - p 4- jiI,) (iJDi + .{ь;), -угол поворота poTopaj -круговая частота напряжения питания} -период напряжения питания; -погрешности, зависящие от направления вращения магнитного поля в СКВТ; -погрешности, независящие от направления вращения магнитного поля. После переключения питающих напряжеий на обмотках, т.е. при другом направ- лении вращения магнитного поля с СКВТ, для выходного напряжения можно записать uL,v о coscl-cosouts-inА 5,ivi(tyt-dL+iilb2 tA|b;,)., где Д.р)2- погрешности при втором положении фаз напряжений питания, завис51щие от направления вращения магнитного поля. Если формировать первый фазовый импульс при переходе через нуль напряжения и из отрицательных значений в положительные, затем второй фазовый им- лульс после переключения фаз, т.е. для ивьщО. образуется временной интервал, соответствующий разности фаз напряжений вых-f Разность фаз между этими напряжениями равна (д.).. Ошибка формирователя фазовых импульсов, сдвиг фаз между питающим и выходным напряжениями при с{. О, сдвиг фаз в линиях связи одинаковы по величине и знаку при любом направлении вращения магнитного поля. Поэтому во временном интервале .эти погрешности отсутствуют. Погрешности, зависящие от направления вращения магнитного поля, значительно уменьшаются. Следовательно, полученный описанным обрасзом временной интервал значительно точнее отображает угол поворота вала. 5 802 чем временной интервал, соответствукший сдвигу фазы и 8blV.l или UstlXi относительнб опорного напряжения, используе- мый в преобразователе-прототипе. Если входной код преобразовать по аре- менной интервал соответствующим образом, то используя разность двух врем нных интервалов для управления исполнительным двигателем,, можно получить более точное преобразование кода в угол по , чем в известных устройствах. Временной интервал Q соответствующий разности фаз напряжений Ug|,j) и вЬ1К2 ПР отсутствии погрешностей выражаетсяд .«, . l-j;l.-.el. -V в -2 21C 2 21C 1C 4 В этом выражении нулевому значению угла, не соответствует нулевое значение временного интервала. Это усложняет формирование временного интервала, соответствукщего заданному коду. Если ротор фазовращателя повернуть на J и принять это положение за исходнее, то, не принимая во внимание погрешности, можно записат1Е ,.() ssin(), Uа-Ъ1пГшЬ-{ ) где (f - угол поворота вала в новой системе отсчета. Теперь разность фаз между этими напряжениями равна , а временной интервал- ©-24 7 . JTC тс Эта зависимость более удобна для преобразования заданного кода во временной интервал. При формировании временного интервала, соответствующего действительному значению угла поворота, необходимо учитывать следующую особенность. После переключения фаз питающих фазовращатель напряжений возникают переходные процессы в переключателе и в фазовращателе. Поэтому минимальный временной интервал не должен быть меньше некоторой величины. Для определенности эту величину примем равной Т, хотя нетрудно обейпечить кратные и дpQбныe Т, ЧТ Итак 0 -Ь ЧТ © - -Hptt /« 2iz:. При изменении угла поворота f от О до 1C, а также от 1Г до 2lt временной интервал изменяется от Т до 2Т. За один оборот ротора фазовращателя временной интервал дважды изменяется от Т до 2Т. Временной интервал цействительного положения вала соответствует удвоенному зна- .чению угла поворота вала, : Соответственно с этим должен быть преобразован во временной интервал код заданного положения вала. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы формирования временных интерПреобразователь кода в угол поворо.та .вала содержит генератор 1 импульсов, соединенный через счетчик 2 с блоком 3 формирования двухфазного синусоидаш ного напряжения, выходные напряжения которо- го через переключатель 4 фаз напряжения поступают на питание фазовращателя 5. Переключатель 4 фаз напряжения управляе.тся переключающим элементом 6. Выход фазовращателя 5 через формирователь 7 импульсов подан на первый вход блока 8 формирования временных интервалов, на второй вход последнего подан выход генератора 1 импульсов, а на остальные входы поданы выходы младших разрядов регистра 9. Первые три выхода блока 8 формирования временных интервалов поданы на входы дискриминатора 10 временных интервалов. Кроме того, второй выход подан на первые входы переключающего tre rT tii- t5t-T nVr4. О tfVtt СлЛ элемента 6 и блока 11 управления направлением вращения двигателя, третий выход „одан на второй вход переключающего элемента 6. Четвертый выход блока 8 формирования временньрс интервалов соединен с вторым входом блока 11 управления на- правлет1ем вращения двигателя, третий вход последнего соединен с выходом блока 3 формирования двухфазного синусоидального напряжения, другие входы под-о ключены к выходам дискриминатора 1О временных интервалов и к выходу старшего h разряда входного регистра 9. Выходы блока 11 управления направлением вращения двигателя соединены с входами усилителя 12, который вызывает .вращение ваяя фазовращателя 5 через кинематически связанный с шгм двигатель 13, БЛОК 8 формирования временных интервалов состоит из счетчика 14 на h +2 разрядов, схемы 15 совпадения кодов в И 1 разрядах регистра 9 и в соответствующих разрядах счетчика 14 и элементов И 16-19. Преобразователь функционирует следуюши.х образом. Генератор 1 импульсов вырабатывает импульсы высокой частоты, которые поступают на вход счетчика 2. Блок 3 формирования двухфазного синусоидального напряжения из прямоугольного выходного напряжения счетчика 2 формирует синус ное и косинусное напряжения, которые.подаются на управляемые входы переключателя 4. С выхода переключателя 4 эти напряжения поступают на входы фазовращателя с5. Переключением напряжений управляет переключающий элемент 6. При первом положении переключающего элемен та 6 на первый вход фазовращателя 5 подается напряжение5-1)1 out на второй вход COSUut, а на его выходе подучается напряжение Sih(u) f). При втором положении переключающего элемента 6 на первый вход фазовращателя подается CO5ШЬ а на второй вход Такое сочетание напряжений на входах фазовращателя 5 создает на его выходе напряжение 5ih(u t-f-V)-Ha фиг. 2 цифрой 1 обозначено питающее напряжение SWUBt.a 2 и 3, изображают соответственно 6iи(u))и Sih() при . Формирователь 7 импульсов формирует фазовые импульсы при переходе через нуль выходного напряжения фазовращателя 5 из отрицательных значений в положительные. Эти импульсы поступают на первый вход блока 8 формирования временньгх интервалов. При первом положении переключающего элемента 6 фазовые импульсы (ФИ) формируются из напряжения SiVi (U)t - -t-M)Счетчик 14 блока 8 постоянно считает импульсы генератора 1. Количество разря :дов в счетчике 14 принято на два больше ч.ем в регистре 9 преобразуемого кода, так как на переходные прсщессы выделяет ся минимум длительности одного периода питающих напряжений Т. При состоянии 11 (см. фиг. 2) в старщих h+1 и И +2 разрядах счетчика 14 блока 8 элемент И 17 блока 8 пропускает фазовый импуль как ФИ1, сформированный из 51И (twt- Этот импульс является началом временны интервалов действительного и заданного входным кодом положений вала. Импульс ФИ1 для угла Ц / О на фиг. 2 обозначен цифрой 4. Знаки У, будут обозначать окрестность точки с большей или с меньшей стороны. Импульс ФИ1 устанавливает в О счетчик 14 блока 8, переключает элемен 6, последний через переключатель 4 уста навливает второе сочетание фаз на входе фазовращателя. Импульс ФИ1 поступает на дискриминатор 1О временных интерваОВ и на блок 11 упразлезгая направленим вращения. од на счетчике 14 возрастает по мере оступления импульсов на его вход. Выоды с 2 по И разрядов этого счетчика и выходы с 1 по И -1 разрядов входного регистра 9 поданы на схему 15 совпадения кодов. При совпадении кодов 1Ш выходе схемы 15 появляется импульс и поступает на вход элемента И 16, разрещение на котором возникает при коде 10 VI +1 и И +2разрядах счетчика 14. В течение времени Т после появления импульса ФШ. т.е. до переполне ния младщих И разрядов счетчика 14, сигналы из блока 8 отсутствуют, так как в И +1 и h+2 разрядах счетчика 14 находится код 00. Через промежуток времени после импульса ФИ1, равный Т, возникает код 10 в VI +1 и И +2 разрядах счетчика 14. Элементы И 16 и 18 открываются. В младших Y разрядах счетчика 14 снова начинает возрастать код. В некоторый момент появляется второй импульс с выхода схемы 15 совпадения кодов и проходит через элемент И 16, как импульс конца временного интервала заданного положения вала. Длительность этого интервала может быть в пределах Т-2Т и выражает величину угла О- Ти- Старший разряд входного регистра 9 определяет на какой половине окружности находится заданное положение вала. Временной интервал заданного положения вала на фиг. 2 обозначен 7. Пунктирной линией обозначена возможная длительность временного интервала от минимального значения до максимального. При коде 10 в h+1 и И+2 разрядах счетчика 14 через элемент И 18 проходит второй фазовый ФИ2, который сформирован от напряжения 51(1 (iwt- -if)-Импульс ФИ2 является концом временного интервала действительного положения вала. На фиг. 2-5 изображает временную диас эагму появления импульса ФИ2 для угла Ч / О, а 6 - длительность временного интервала действительного положения вала для Ч / О. Импульс ФИ2 поступает на дискриминатор 10 временных интервалов, а через элемент 6 и переключатель 4 переключа- . ет сочетание фаз напряжений на входе фазовращателя 5. При коде 11 в И + 1и И+2 разрядах счетчика 14 снова появляется импульс ФИ1 и начинается новый цикл. На фиг. 2 цифры 8, 9, 1О, 11 изображают аналогичные цифры 4, 5, 6, и 7 диаграммы дня угла 12, 13, 14, 15 - диаграммы для угла 18, 19, 20 и 21 - диаграммы для угпа У/1С; 22 23, 24, 25 - диаграммы для угла - if и 26, 27, 28, 29 - диаграммы для угла . Как видно из диаграмм фиг. 2, временные интервалы действительного положения вала -Ьа дважды изменяются от Т до 2Т при изменении угла f от О до 2 С . Имеется неопределенность в определении действительного положения вала. Вре- .менной интервал одной и той же длительности может соответствовать углу на пер вой половине окружности от О до С и на второй половине окружности от It до 2. Для устранения неопределенности можно использовать знак опорного напряжения в момент появления фазового импульса ФИ1. Сдвигая питающее напряжение 51У1 Ujb на можно получить напряжение Sili(u)-t-) (фиг. 2, диаграмма 32) . Как видно и.з фиг. 2, для углов от О до фазовый импульс ФИ1 появляется при отрицательном значении напряжения 5-1М (uit- )9 для углов от 1C до 2 1D ФИ1 появляется при положительном значении напряжения 51И(ц;Ъ-:).Учет этого условия приводит к однозначности в определении действительного положения вала. Однако сказанное справедливо при отсутствии изменения сдвига ФИ1 относительно опорного напряжения по сравнению с первоначапьной установкой.Изменение внешних условий, старение элементов вызывает дополнительные сдвиги импульса ФИ1 и опор ного напряжения друг относительно друга. Это вызывает неточное определение угла действительного положения вала около 18О® и около 360°. Например, примем Ч ТС и допустим импульс ФИ1 сдвинулся влево. Так как на длительность временного интервала не влияют изменение начального сдвига, в линиях связи, то его длительность соответствует диаграмме 14 на фиг. 2, Импульс ФИ1 появляется при положительном значелии напряжения51И((иЬ-), как буд- то угол находится на второй половине окружности, т.е. получается f вместо Ч ЯГ Подобная ошибка возможна н около 36О°. Для избежания этого явления в качестве опорного можно использовать, например напряжение s t Cout-54)(диаграмма 33 фиг. 2), где V - дополнительный сдвиг фазы, который должен быть больше можного максимального отклонения импуль са ФИ1 относительно опорного от первоначальной установки. Максимальное значение У жестко не ограничивается, в качестве опорного можно использовать оаже питающее напряжение COSiwfc Если действительное положение вала находится в окрестности 180° или 360 то определение половины окружности нужно производить по импульсу ФИ2. Появление импульса ФИ2 при положительном значении опорного напряжения указывает на половину окружности Ь-1Г; а появление при отрицательном значении опорного напряжения на половину окружности K-HiCЭпемент И 19 блока 8 формирования временных интервалов определяет попадание действительного значения угла . в область около 180° или 360. На входы элемента И 19 поданы единичные выходы И-1, И , h+1 разрядов и нулевой выход И +2 разряда счетчика 14, а также фазовый нмпуЛзС с выхода формирователя 7. На выходе элемента И 19 появляется им- пульс ФИ2 при попадании импульса ФИ2 в зоны углов 135 18О° и 315°-360. На фнг. 2 диаграммы 16 и ЗО изображают эти зоны,, а 17 и 31 - импульсы ФИ2. Импульс ФИ2 поступает на блок 11 управления направлением вращения двигателя, на который подано также питающее напряжение для формирования опорного напряжения sin(uJ-t- -Ч) (33 - cjwr. 2). Начало временных интервалов(t«.tii) действительного и заданного положений вала, определяемое импульсом ФИ1, концы-t(j. и t с выходов элементов И 16 и И 18 поступают на дискриминатор 10 временных интервалов, на первом выходе которого формируется сигнал npH-ba.-tiL на втором выходе - при .,а на третьем выходе при ta.-ti. Эти сигналы поступают на блок 11 управления направлени-о ем вращения. Блок 11 управления направлением вращения двигателя представляет собой логическое устройство , не считая усилителяограничителя для формирования опорного напряжения (ОП), На блок 11, кроме уже названных сигналов, подан выход старшео Vi разряда регистра 9. На первом ыходе блока 11 появляется сигнал для ращения фазовращателя вправо, а на втоом выходе - сигнал для вращения впево. оторые поданы на усилитель 12, последннй управляет двигателем 13, кинематиески связанньтм с валом фазовращателя, ращение вала происходит до тех пор, поа заданное и действительное значения глов ()не совпадут. В этот момент 80 на входах усилителя 12 .сигналы отсутствуют. На этом преобразование кода в угол поворота заканчивается. Ниже приводятся поги1еские функции, выполняемые блоком 11. Приняты следук щие обозначения: ПРАВО , ЛЕВО - сигналы на первом и втором выходах блока 11 в К цикяе ОП, ОП - сигналы, соответствующие положительному и отрицатель ному 3 1ачениям опорного напряжения Vi, Я сигналы единичного и нулево го состояний П(старшего) разряда регистра преобразуемого кода ()i,(,)),(-fcg. . сигналы с выходов дискриминатора временных интервалов в К цикле}и 5пyльc начала временных интервалов -Ь и К дик ле; (0H2)j,- дополнительный импульс кон появ ля ющи йся при зна- угла У В зонах 315° 135 °-180°и в К цикле; (ФИ 2) - отсутствие импульса (ФЙ 2) A,V - знаки логического умножения и сложе1шя. В блоке 11 происходит коммутация сигналов {t 9г 7 -J ) 7 Установка Нйправ ления вращения происходит импульсами. ФИ1 или ФИ2, которые не совпадают по времеда с коммутируемыми сигналами. Имеются та1сже логические операции между импульсами, появляющимися в разных 11 ДОЛЖНЫ быть тактах. Поэтому в блоке например триг- запоминающие элементы, геры. Пользуясь временными диаграммами на фиг. 2 можно найти логические функ. ции появления сигналов ПРАВО и ЛЕВО„ Запишем логическую функцию . - ((ф 2 м1л5п лп| v(q)Ml) M().jAOnA 1 v(Q)M2)AOnAniv Л Единичное значение этой функции соответствует тому, что действительное и заданное значения углов(с1, находятся на одной и той же половине окру:жности. Действительно, если в цикле отсутствовал импульс ФИ2 то на выходе./ .элемента реализующего (ФИ) Л (Ф112), появится импульс по (ФИ1)|. Первый член в фигурных скобках равен единице при отрицательном значении опорного напряжения и нулевом состоянии И разряда регистра входного кода, т.е. при 0$cL.$ fC и ,a второй член равен . единице при положительном значении опорного напряжения и единичном состояний V разряда, регистра в момент появления импульса ФИ1, т„е. приEieoig 2fr,C;soto$2fi Если появляется импульс {ФИ2), то первые два члена дают нулевые значения. Последние два члена.равны едигааце при значениях cLq. и ci , Находящихся на од- ной и той же половине окружнойти. Единичное значение функции (фИ) (OVl2) (ФМ1 л(фи2),лопК )Vi2) Л ()./ ОП л VIIJ-AK; соответствует тому, что ct и - находятся в разных половинах окружности. Дальше можно записать )( .K Равенство нулю этих функций на выходах блока 11 управления направлением вращения характеризует-отработку рассогласования, т.е. окончание преобразования кода в угол поворота вала. Во временном интервале действительного положения вала ошибки ряда факторов значительно снижены а некоторые совсем устранены, поэтому предложенный преобразователь кода в угол поворота вала имеет более высокую точность по сравнению с аналогом. Повышается разрешающая способность так как значению угла соответствует удвоенный йременной интервал в отличие от аналога. Формула изобретения Преобразователь кода в угол поворота вала, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик и блок формирования двухфазного синусоидального напряжения, входной регистр, усилитель, соединенный с двигателем, который кинематически соединен с .фазовращателем. отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены переключагаций элемент, формирователь импульсов, переключатель фаз напряжения, дискриминатор временных интервалов, блок управления направлением вращения двигателя и блок формирования временных интервалов, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, второй вход - с выходом вход него регистра, а третий вход - с выходом формирс«ателя импульсов, вход которого соединен с выходом фазовращателя, первый выход блока формирования времен шлх интервалов соединен с первыми входами переключающего элемента, дискрими натора временных интервалов и блока управления направлением вращения двигателя, второй выход -. с вторыми входами переключающего элемента и дискриминатора временных интервалов, третий выход - с третьим входом дискриминатора временных интервалов, а четвертый выход - с вторым входом блока управления

Ф{/2. направлением вращения двигателя, третий вход которого соединен с одним из выходов формирования двухфазного синусоида1О ного напряжения, четвертый вход блока управления направлением вращения двигателя соединен с выходом старшего разряда входного регистра, остальные входы с выходами дискриминатора временных интервалов, а выходы блока управления на правлением вращения двигателя соединены с входами усилителя, входы переключателя соединены с выходами блока формирования двухфазнсво синусоидальи я о ш« пряжения, выходы переключателя соедиие ны с входами питания фазсюращатеа уп равлякшие входы переключателя соедвиены с выходами переключающего элемента. Источники информации, принятые во внимание при сспертизе 1.Авторское свидетельство СССР М 410433, Krt. э OS С 9/ОО, 1972. 2.Авторское свидетельсзъо СССР № 285372, кл, G 08 С 9/ОО, 1969 (лрототип).

Ю II

К

о. к

ISfS

IS

20

б

25