Датчик углового положения и скорости вращения вала Советский патент 1982 года по МПК G01P3/489 

(5) ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано в качестве датчика углового положения и мгновенной скорости вращения вала в точных цифровых системах авто матического управления. Известно устройство для измерения скорости и угла поворота вала, которое содержит установленный на валу модулирующий диск с одной широкой и серией узких прорезей, чувствитель ный элемент с формирователем импульсов, подключенным к селектору, и отсчетное устройство, а также преобразователь частоты в напряжение и управляемый генератор. При этом вход преобразователя подключен к формирователю импульсов, а выход генератора - к селектору и отсчетному устройству 1 J. Недостатками устройства являются отсутствие информации о направлении вращения и низкая надежность, связан ная с применением принципа счета при определении углового положения. Потеря одного или нескольких импульсов приводит к искажению показаний датчика на всем обороте. Кроме того, датчик выдает не мгновенные значения скорости, а усредненные на длительном интервале измерения, т.е. непригоден для измерения переменной скорости вращения. Также известно устройство управления вентильным электродвигателем, которое включает в себя цифровой датчик углового положения вала, содержащий генератор импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выполненного на триггерах, выход старшего разряда которого через формирователь опорных сигналов соединен с входом фазовращателя, выход которого через нульорган подключен к входу разрешения записи первого регистра, информационные входы которого соединены с выходами соответствующих триггеров первого c4eTMHKa 2J. Недостатком известного устройства является отсутствие информации о скорости и направлении вращения вала. Цель изобретения заключается в обеспечении опеределения мгновенных значений скорости и направления вра щения, в повышении точности измерения скорости вращения. Поставленная цель достигается тем, что в датчик введены ключ, вто рой регистр, второй счетчик,разрядность которого равна разрядности первого счетчика плюс знаковый разряд, дополнительный триггер и формирователь задержанных импульсов причем выход генератора импульсов подключен к входу второго счетчика через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом дополнитель ного триггера, вход сброса которого соединен с выходом нуль-органа и с входом формирователя задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регистра, информационные входы которого соединены с соответ. ствующими выходами триггеров второго счетчика, вход предустановки которого подключен к второму выходу формирователя задержанных импульсов третий выход которого соединен с входом установки дополнительного триггера. На чертеже изображена .схема датч ка углового положения и скорости вр щения вала. Датчик содержит генератор 1 импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 2, выполненного на триггерах. Выход старшего разряда счетчика 2 через формирователь опорных сигналов 3 со динен с входами фазовращателя , подключенного своим выходом к входу нуль-органа 5. Выход последнего соединен с входом разрешения записи первого регистра 6, информационные входы которого подключе1 ы к выходам соответствующих триггеров счетчика Выход генератора 1 импульсов соеди нен также со счетнь1м входом второг счетЧика 7 через ключ 8, управляющ вход которого соединен с выходом дополнительного триггера 9- Вход сброса триггера 9 соединен с выхо94 дом нуль-органа 5- Выход нуль-органа 5 соединен также с входом формирователя 10 задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регистра 11, Информационные входы регистра 11 соединены с соответствующими выходами триггеров второго счетчика 7, входы предустановки которого подключены к второму выходу формирователя 10 задержанных импульсов. Третий выход последнего соединен с входом установки в единичное состояние дополнительного триггера 9Датчик работает следующим образом. Первый счетчик 2 выполняет функцию деления частоты генератора 1, Формирователь 3 вырабатывает из выЯодных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напряжения фазовращателя с частотой д . Нульорган 5 формирует из выходных синусоидальных сигналов фазовращателя i прямоугольные периодические сигналы, по .переднему фронту которых осуществляется запись кода первого счетчика 2 в первый регистр 6. В последнем фик(Сируется код текущего углового положения вала. Второй счетчик 7 вместе с ключем 8, дополнительным триггером Э, формирователем 10 задержанных импульсов и регистром 11 образуют блок вычисления частоты вращения . Покажем, что при выполнении условия fo (fjg),частота вращения с некоторым приближением пропорциональна разности периодов опорного и выходного напряжения фазовращателя - оДействительно, выходная частота фазовращателя равна f-fo BПричем fp положительна, если f f, и отрицательна, если Q. Выразив из (.2) частоту вращения и подставив вместо периода выходного сигнала фазовращателя Т его значение из (О, получаем -1 -1 После несложных преобразований выражение (3) можно переписать в виде - rV 1 -1М - It,) TO 14 Тд / J Разложив в (4) выражение в круглых скобках 8 ряд Тейлора, получаем ) Так как f о fg, то /дТ/« Т и можно пренебречь членами высших пор ков малости в разложении (% и запи сать выражение для частоты вращения в виде v Блок определения частоты вращени работает следующим образом. По переднему фронту выходного си нала нуль-органа 5 дополнительный триггер 9 переходит в нулевое состо ние и, воздействуя на управляющий, вход ключа 8, прекращает поступление импульсов генератора 1 на счетный вход второго счетчика 7. Передни фронт выходного сигнала нуль-органа запускает также формирователь 10 за держанных импульсов, который выдает на своем первом выходе импульс через время, достаточное для завершения распространения переносов во BjopoM счетчике 7. По этому импульсу происходит перезапись .кода счетчика во второй регистр 11 .Второй импульс формирователя 10 задержанных импульсо воздействуя на входы предустановки второго счетчика 7 осуществляет запись в него кода, соответствующего промежутку времени между перед ним фронтом импульсануль-органа 5 и началом импульса на третьем выходе формирователя 10 задержанных импульсов. Этот импульс поступает на установочный вход триггера 9 и пере |водит его в единичное состояние, |после чего открывается ключ 8 и импульсы генератора 1 вновь пЬступают на счетный вход второго счетчи. ка 7Таким образом, в регистре 11 в начале каждого следующего периода выходного сигнала нуль-органа 5 фиксируется код разности ДТ йТ Т-Т определенный в предыдущем периоде выходного сигнала нуль-органа 5Считаем, вначале, что Т 7 Т,. Так ка второй счетчик 7 имеет разрядность, равную разрядности первого счетчика 2, плюс дополнительный знаковый разряд, то через время, равное Тр, после начала выходного сигнала нульоргана 5 знаковый разряд второго счетчика 7 устанавливается в единичное состояние, а цифровые разряды сбрасываются в нулевое состояние. После этого счетчик 7 подключается к генератору 1 еще на время, равное Дт, т.е. к моменту фиксации в цифровых разрядах счетчика будет код, пропорциональный йТ. Если Т Т, то к моменту фиксации второй счетчик не досчитает до кода, соответствующего Т, т.е. в цифровых разрядах будет код, пропорциональный разности Т -(дТ), а знаковый разряд останется в нулевом состоянии. Следовательно, во втором случае зафиксируется дополнительный код приращения ДТ. Поскольку выбор положительного направления произволен, то удобнее считать положительным то направление вращения, при котором приращения периода выражены в прямом коде. Используя в качестве знака инверсное значение знакового разряда, получаем на выходе второго регистра 11 сразу код скорости со знаком направления вращения. Технико-экономические преимущества предлагаемого решения могут быть выявлены только после оценки погрешности, связанной с отбрасыванием высших, порядков малости в разложении (5). Можно считать, что погрешность определяется значением первого из отбрасываемых членов ряда. Эта оценка несколько завышена для отрицательного приращения периода и для положительного. Тогда относительная по грешность ujy определения скорости из-за отбрасывания членов ряда равна du) /дТ/ /TO . Так как /ДТ /ТрХ /fg,//fQ , то уменьшение отношения /дТ//Тд требует увеличения частоты опорного напряжения, что связано с уменьшением разрядности счетчиков и увеличении составляющей погрешности, связанной с дискретным представлением информации. Реально при использовании современных быстродействующих элементов достижение измерения углового положения . и скорости вращения с относительной погрешностью на хуже единиц-долей процента при частоте вращения до ста оборотов в секунду. Формула изобретения Датчик углового положения и скорости вращения вала, содержащий гене