Преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1981 года по МПК G08C9/04 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД

1

Преобразователь относится к преобразователям угловых перемещений в цифровой, код и может быть использован в измерительной технике и автоматике.

Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий последовательно включенные генератор опорного напряжения, фазорасщепитель, синусно-косинусный поворо ный трансформатор и преобразователь фаза-код Til.

Недостатком этого преобразователя является прямая зависимость точности преобразователя от фазовой нестабильности частотно-зависимых элементов, установленных в измерительной цепи преобразователя, что обуславливает повышенные требования к фазовой стабильности элементов фазорасщепителя и преобразователя фаза-код.

Кроме того, так как точность преобразователя фаза-код уменьщается при повьпиении часто- Ъ1 напряжения запитки синусно-косинусного вращающегося трансформатора ((ЖВТ), то в рассматриваемом преобразователе запитка статорных обмоток СКВТ производится напряжением низкой частоты, что снижает быстродействие и точность преобразователя в динамике.

Известен также преобразователь угла поворота вала в код амплитудного типа, содержащий последовательно включенные генератор, сйнусно-косинусный вращающийся трансформатор, синусно-косинусный делитель напряжения, фазочувствительный выпрямитель, преобразователь напряжение-частота, блок управления и регистр, выходы которого соединены с соответствующими разрядными входами синусно-косинусного делителя напряжения.

Основным условием, обеспечивающим нормальное функционирование рассматриваемого преобразователя, в частности, синусно-косинусного делителя напряжения, является наличие достаточно больших по амплитуде (порядка единиц вольт) сигналов на выходе вторич-. 3 ных обмоток СКВТ. Б этом случае уровень внутренних шумов, выбросов, помех, возникающих на выходе синуснокосинусного делителя напряжения, имеет величину второго порядка малости и практически не оказывает влияния на точность преобразователя . Однако на практике большинство высокоточных СКВТ, в частности, индуктосины, редуктосины имеют малую амплитуду выходных сигналов (десятки МЛВ), что приводит к необходимости установки на выходе вторичных обмоток СКВТ двух идентичных усилителей сигнала переменного тока. Так как неравенство коэффициентов усиления (коэффициентов передач усилителей, также как и неравенство коэффициентов передач синусного и косинусного каналов синусно-косинусного делителя напряже}тя,.приводит к прямой погрешности преобразователя, что является недостатком этого преобразователя. Цель изобретения - повышение точности преобразователя угла поворота вала в код. Поставленная цель достигается тем что в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий генератор, вы ход которого соединен с первичной обмоткой синусно-косинусного вращающегося трансформатора, усилитель, синусно-косинусный делитель напряжения и фазочувствительный выпрями;ель выход которого через последовательно соединенные преобразователь напряжен С-частота и блок управления соединен с входом регистра, введены второ усилитель, нуль-орган, делитель частоты, инвертор, четыре ключа, два аналоговых сумматора и двухразрядный цифровой сумматор, первая выходная о мотка синусно-косинусного вращающего ся трансформатора через первый и вто рой ключи соответственно подключена к первым входам аналоговых сумматоров, а вторая выходная обмотка синус но-косинусного вращающегося трансфор матора через третий и четвертый клю|Чи подключена соответственно ко вторым входам аналоговых сумматоров,выходы которых через усилители подключены соответственно к первому и второму входам синусно-косинусного дели теля напряже1гая, выход которого соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, выход генератора через нуль-орган подключен к входу делителя частоты, выход которого подключен 0 к управляющим входам первого и третьего ключей через инвертор - к управляющим входам второго и четвертого ключей, выход делителя частоты соединен с первым входом двухразрядного сумматора, второй и третий входы которого подключены к выходам двух старших разрядов ре-гистра,.а выходы двухразрядного сумматора соединены с входами двух старших разрядов синуснокосинусного делителя напряжения, остальные входы которого подключены к остальным выходам регистра. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - эпюры сигналов на выходе элементов преобразователя. Преобразователь содержит генератор 1, синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ 2 с первичной 2-1 и вторичными 2-2 обмотками, усилители 3 и 4, синусно-косинусный делитель 5 напряжения, фазочувствительный выпрямитель 6,-преобразователь 7 напряжение-частота, блок 8 управления, регистр 9, нуль-орган 0, делитель 11 частоты, ключи 12-15, инвертор 16, аналоговые суг чаторы 17 и 18 и двухразрядный цифровой сумматор 19. Первичная 2-1 обмотка СКВТ 2 подключена к выходу генератора I. Первая (синусная) вторичная 2-2 обмотка СКВТ 2 через ключи 12 и 13 подключена к первым входам сумматоров 17 и 18, а вторая (косинусная) вторичная 2-2 обмотка СКВТ 2 через ключи 1А и 15 подключена ко вторым входам сумматоров 17 и 18. Выходы сумматоров 17 и 18 через усилителя 3 и 4 подключены к первому и второму входам синуснокосинусного делителя напряжения (CKЛH 5.- Регистр 9 выполнен, например, в виде N-разрядного реверсивного счетчика. Предпоследний (N-l) разряд регистра 9 и выход делителя I1 частоты подключены соответственно к шинам первого и второго входов первых разрядов цифрового сумматора 19, а выход N (старшего) разряда регистра 9 подключен к шине первого входа второго разряда цифрового сумматора 19. Выходы первых и вторых разрядов двухразрядного сумматора 19 подключены соответственно к входам (N-l) и N разрядов СКДН 5.. Остальные разрядные входы СКДН 5 подключены к соответствующим разрядным входам регистра 9. Вход делителя частоты I1 через нуль-орган 10 подключен к выходу генератора 1, а выход делителя 11 частоты подключен к управляющим входам .ключей 12 и 14 и через инвертор 16 ,к управлякицим входам ключей 13 и 15. Устр йство работает следующим образом. На выходе генератора I формируетс синусоидальное напряжение.U.t) с ча /тотой Wf, , которое одновременно поступает на запитку первичной обмотки СКВТ 2 VI на вход нуль-органа 10. На выходе вторичных синусной и ко синусной обмоток СКВТ 2 индуктируютс синусоидапьные напряжения переменног тока с амплитудами U-, - Uj,sin-oLo и Щк UgCosAo, которые затем через нормально-замкну тые ключи 13 и 15 или нормально-разо нутые ключи 12 и 14 поступают соотве ственно через сумматоры 17 и 18 и ус лители 3 и 4 на синусный и косинусны входы СКДН 5. Управление ключами 12 и 14 осуществляется прямоугольными и пульсами низкой частоты uJ( , поступа ющими на управляющие входы ключей непосредственно с выхода делителя 11 частоты, а управление ключами 13 и 1 осуществляется прямоугольными имгульсами низкой частоты Ш) , поступающими на управляющие входы ключей 13 и 15 через инвертор 16 (фиг. 2t) . Для формирования прямоугольных импульсов низкой частоты на вход делите ля 11 частоты поступают прямоугольные импульсы с высокой частотной Ш, которые образуются из положительных полуволн опорного напряжения с помощью нуль-органа 10 (фиг. 2а , 5 , В ) . Между частотой Шр опорного напряжения и частотой Шк прямоугольных коммутационных импульсов выполняется соIотнощение (., где i 2,4,... За первый полупериод следования коммутационных импульсов низкой частоты, т.е. в течение времени (фиг. 2 ), когда на выходе делителя частоты 11 сформированы прямоуголытые импульсы единичной амплитуды, ключи 12 и 14 установлены в замкнутое положение (при этом ключи 13 и 15 находятся в разомкнутом положении) . В этом случае выходное напряжение синусной обмотки и(Ао) через замкнуTbrii KJno4 12 поступает на первый вход сумматора 17, а выходное напряжение 06 косинусной обмотки через ключ 14 поступает на второй вход сумматора 18. Сумматор 18, вып(;лт{еипый по схеме, при которой сигнал на выхода сумматора равен , 1, (1) где Ц,. 14 - сигналы, поступающие на первьй н второй входы сут матора 18, в соответствии с (1) пропускает выходное напряжение косинусной обмотки СКВТ 2 без изменения по фазе через усилитель 4 на косинусш.тй (первый), вход СКДН 5. Сумматор 17, выполненный на дифференциальной схеме включения, при которой си1нал на выходе (матора равен %-i где (, Ugyn сигналы, поступающие на первый и второй входы сумматора 17, в соответствии с (2) также без изменения по фазе пропускает выходное напряжение синусной обмотки СКВТ 2 через усилитель 3 на синусный (второй) вход СКДН 5. В этом случае с учетом неравенства коэффициентов усиления К и К усилителей 3 и 4 выходные сигналы усилите-, лей равны l%sind.oK и U2V Ц, K cosdLo или U2y U(,K(1n)cosAo, (з) rfi,e амплитудная погрешность, обусловленная неравенством коэффициентов усиления К К/j усилителей 3 и 4, а К - К1 ffy . За второй полупериод следования коммутационных импульсов низкой частоты, т.е. в течение времени Тц. (фиг. 2 б) на выходе инвертора 16 сформированы прямоугольные импульсы единичной амплитуды (фиг. 2 t) при том ключи 13 и 15 установлены в замнутое положение (ключи 12 и I4 в том случае - разомкнуты). В этом лучае в соответствии с (О и (2) выодное напряжение Ц|(1о) косинусной бмотки СКвТ 2 через ключ 15, суммаор 17 и усилитель 3 поступает с изенением по фазе на 180 на синусный (второй) вход цифрового СКДН 5. Выходое напряжение J.o) синусной оботки СКВТ через ключ 13, сумматор 18 усилитель 4 без изменения по фазе оступает на косинусный (;1ервый) вход ифрового СКДН 5. С учетом (I) и (2), также неравенства коэффициентов усиения уси-пителей 3 и 4 выходные сигпапы упнми ге.ией в этом случае равны -IJ(,KiCOsdo oKiSind urm U,UoK(1 sincLo . Выходные сигнапы усилителей 3 и А с амплитудами , UQ(3) и Щу (iy (4) проходят через СКЛН 5, который управляется кодом N-разрядного регистра 9. За первый полупериод следования коммутационных импульсов на втором входе первого младшего разряда цифрового сумматора 19 находится единич ный сигнал (так как сигнал на выходе делителя частоты равен единице). В этом случае, дискретные сигналы (N) и N разрядов регистра 9, проходящие через цифровой сумматор 19, изменяются по модулю на единицу младшего разряда цифрового сумматора 19 и, вследствие этого код, поступающий на вход СКЛН 5, отличается от кода угла fb регистра 9 на единицу (N-l) разряда регистра, т.е. по углу - на 90 В этом случае амплитуда выходного напряжения СКДН 5 с учетом (З) равна с(с.лц (Ь -K(.)cosa ИЛИ после преобразовании К Xs i п (do -fi) - (1 -( J cosi 1 (5 За второй попупериод следования коммутационных импульсов на втором входе 1 младшего разряда цифрового сумматора 19 находится нулевой сигнал (так как сигнал на выходе делителя частоты равен нулю) (фиг. 28 ), В этом случае дискретные сигналы (N-I) и N разрядов регистра 9, проходящие через цифровой сумматор 19, не изменяются по модулю, и выходной код угла В регистра 9 без изменения проходит на цифровой вход СКДН 5. При этом амплитуда выходного напряжения СКДН 5 с учетом (4) равна ОКАН 0 cosAtjsinp + К (1-djc) S i ndpcosfS , (6) или после преобразований UcttAH U(, г п (dc,-Р ) + (1-с(.) S i псЦсо Выходные напряжения СЗ) и (4) пе менного тока поступают в фазочувстви тельный выпрямитель 6, постоянная вр мени которого выбирается равной Тф- , jjj И на выходе фазочувствительного выпрямителя 6 формируется сигнал постоя1 ного тока, пропорцион ный сумме амплитуд выходных напряже Щ:. CRAM J скдм ri ли при UC|,B U,K,(do- ). (7) do r Этот сигнал, пропорциональный разности между измеряемым углом и кодом угла fi регистра 9, поступает через преобразователь 7 напряжение-частота в блок 8 управления, на выходе которого формируется управляющий сигнал, изменяющий код регистра 9 в сторону уменьшения сигнала рассогласования (7 При нулевом сигнале фазочувствительного выпрямителя 6 преобразователь 7 и блок 8 управления отключается при этом как следует из 17) код на выходе регистра 9 равен измеряемому углу cLo , без учета амплитудных погрешностей усилителей 3 и 4, установленных на выходе СКВТ 2 для усиления его выходных сигналов. Формула изобретения Нреобразователь угла поворота : вала в код, содержащий 1енератор, выход которого соединен с первичной обмоткой синусно-косинусного вращающегося трансформатора, усилйтель, синусно-косинусный делитель напряжения и фазочувствительный выпрямитель, выход которого через последовательно соединенные преобразоваTorjb напряжение-частота и блок управления соединен с входом регистра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены второй усилитель, нуль-орган, делитель частоты, инвертор, четыре ключа, два аналоговых сумматора и двухразрядный цифровой сумматор, первая выходная обмотка синусно-косинусного вращающегося тра} сформатора через первый и второй ключи соответственно подключена к первым входам аналоговых сумматоров, а вторая выходная обмотка синусно-косинусного вращающегося трансформатора через третий и четвертый ключи подкпючена соответственно ко вторым входам аналоговых сумматоров, выходы которых через усилители подключены соответственно к первому и второму входам синусно-косинусного делителя напряжения, выход которого соединен с входом фазочувствительного вытфямителя,выход генератора через нуль-орган подключен к входу допителя частоты, выход которого подключен к управляющкм входам моркогл и третьето у8 ключей, через инвертор - к управляющим входам второго и четвертого ключей, выход делителя частоты соединен с первым входом днухразрядного сумматора, второй и третий входы которого подключены к выходам двух старших разрядов регистра, а выходы двухразрядного сумматора соединены с входами двух старших разрядов синусно-косинусного делителя напряжения, остальные входы которого подклю10чены к остальным выходам регистра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Ахметжанов А.А. и др. Индукционный редуктосин, М., Энергия, 1971, с. Д8. 2.Зверев А.Е. и др. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. Л,, Энергия, 1974, с. 141-146, рис. 67 (прототип).

8

f

Код Фиг1

а

fbsZ