Преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1982 года по МПК G08C9/00 

(5) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД

1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к преобразователям типа угол-код, и предназначено для. ввода данных в цифровые вычислительные машины.

Известны преобразователи угла поворота вала в код, содержащие индукционный датчик угла типа вращающегося трансформатора, преобразователь напряжения в код, коммутатор обмоток (фаз) датчика угла, логический блок и регистр для записи кода l и 2.

В известных устройствах на выходе индукционного датчика угла формируют ся синусное и косинусное напряжения в функции угла поворота, поступающие на вход преобразователя напряжение-код.

В преобразователе 1J синусное и косинусное напряжения поступают через селектор октанта (логический блок) на вход преобразователя напряжение-код, включающего линейные

множительные устройства. Старшие триразряда определяются логическим блоком при выборе октанта, а остальные формируются в преобразователе напряжение-код.

Недостатками такого преобразователя являются погрешность, обусловленная нелинейной зависимостью синусного и косинусного напряжений от угла поворота в пределах tS, а

10 также необходимость иметь преобразователь напряжение-код на большое число разрядов, что предъявляет высокие требования к электронным элементам и на практике ограничивает

15 точностные возможности преобразователя угла в код.

Устройство 2 снижает погрешность от нелинейной зависимости синусного и косинусного напряжений,

20 поскольку здесь используется функциональный преобразователь напряжениекод и выходной код формируется по номерам функциональных уровней напряжения. 3 Однако он требует применения высоко точного функционального преоб|эазователя, что является на практике сложной технической задачей и также ограничивает точностные возможности преобразователя угла в цифровой код Преобразователь угла поворота вала в код f2j содержит до. полнительно преобразователь числа фаз, выполненный в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) с двухфазной первичной и 2 - фазной вторичной обмотками i предназначенный для повышения точности преобразования угла в код. Ло гический блок определяет первые п-разрядов двоичного кода путем сра нения фазы и модуля входных напряжений преобразователя числа фаз с фазой и модулем опорного напряжения и записывает их в регистр. В пределах угла jeo/ll значения остальных разрядов кода определяются преобразователем напряжение-код и также записываются в регистр. Данное устройство также обладает существенными недостатками. Выходные напряжения преобразователя числа фаз изменяются в функции угла по ворота по закону синуса или косинус т.е. преобразователь имеет принципиальную ошибку от нелинейности выходного напряжения СКВТ. Наличие двух электрических машин -СКВТ - да чика и преобразователя числа фаз увеличивает массогабаритные показатели устройства, что также является недостатком, в особенности для бортовых систем. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь угла поворота вала в код, содержащий индукционный датчик угла - трехфазный сельсин, выходы которого ;подключены к входам коммутатора фаз и блока компара- торов, демодулятор, линейный делитель напряжения (.ЛДН), дешифратор входы которого связаны с выходами блока компараторов, а выход подключен к входу коммутатора фаз и первому входу ЛДН одновременно, вычитающий блок, блок умножения на коэф фициент и реверсивный счетчик, соед ненные последовательно. Вход вычитающего блока соединен с выходом демодулятора, первый и второй выходы блока питания подключены соот1ветственно к входу датчика угла и третьему входу ЛДН. При подключении к входу датчика угла питающего напряжения с блока питания на его выходах Сфазах) формируется система из 3-х напряжений, имеющих пространственный сдвиг друг относительно друга на угол равный 27Г/Э и изменяющихся в функции поворота вала по закону синуса. В каждой из 30-градусных зон изменения угла соотношение выходных напряжений фаз между собой и нулевым уровнем различно, что отражается в выходных сигналах блока компараторов. Тем самым для каждой 30-градусной зоны запрограммированы рабочая и опорная фазы, подключением которых к входам демодулятора управляет сигнал с дешифратора. Выходное напряжение рабочей фазы в диапазоне О-ЗО после фазочувствительного выпрямления в демодуляторе поступает на один из входов ЛДН, на два других входа которого подаются соответственно выходной сигнал с дешифратора и некоторый опорный сигнал постоянного тока с блока питания, с которым сравнивается по величине напряжение рабочей фазы. Сигнал с ЛДН приходит на вход вычитающего блока, который формирует единичные прира1Цгния, поступающие через блок умножения на коэффициент на вход реверсивного счетчика и формирующие в его разрядах двоичный код 3. Известный преобразователь угла поворота вала в код обладает существенными недостатками. Степень нелиней ности синусоидальной функции на отрезке 0-30° составляет З., что принципиально ограничивает точностные возможности известного устройства на уровне 0,7-1,О угл.град. (8-9 дв. разрядов). Сигнал опорной фазы подключаемый к демодулятору, необходим лишь для выделения огибающей сигнала рабочей фазы, к входу ЛДН он не подключается, а для нормального функционирования блока ЛДН к нему подводится опорный сигнал из блока питания. Таким образом, при преобразовании в код в блоке ЛДН рабочий и опорный сигналы формируются разными источниками с различными электромагнитными системами, в разной степени подверженными воздействию эксплуатационно-технологических факторов, Это обстоятельство приводит к дополнительным ошибкам преобразования угла в код от увеличения фазовой и амплитудной погрешностей при изменении условий эксплуатации, что также снижает точностные возможности известного преобразователя. Цель изобретения - повышение точности преобразования угла поворота вала в код. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий т-фазный датчик угла, вход которого соединен с выходом блока питания, основные выходы т-фазного датчика угла соединены с сигнальными входами управляемого коммутатора фаз, линейный делитель напряжения и реверсивный счетчик, введены преобразователь код напряжение, задающий генератор, блоки выборки и хранения, блок сравнения, реверсивные счетчик младших и старших разрядов,.коммутатор стробов и формирователь строб-импульсов, вхо которого соединен с дополнительным выходом т-фазного датчика, угла, выходы формирователя строб-импульсов соединены с первым и вторым информационными входами коммутатора стробов, первый выход которого соединен с первым входом первого блока выборки и хранения, второй выход с первым входом второго блока выборки и хранения, второй вход которого соединен с первым выходом управляе-. мого коммутатора фаз, второй выход управляемого коммутатора фаз соединен с вторым входом первого блока выборки и хранения, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход второго блока выборки и хранения соединен с опорным входом линейного делителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с первым входом реверсивного счетчика младших разрядов, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, кодовые выходы реверсивного счетчика младших разрядов соединены с кодовыми входами линейного делителя напряжения, выход реверсивного счетчика младших разрядов подключен к входу реверсивного счетчика, выходы которого /через преобразователь код-напряжение соединены с управляющими входами управляемого коммутатора фаз, выход задающего генератора соединен с входом блока питания, первый выход реверсивного счетчика соединен с входом реверсивного счетчика старших разрядов, а второй выход реверсивного счетчика соединен с управляющим входом коммутатора стробов. На фиг. 1 представлена структураня схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - диаграмма выХ.ОДНЫХ напряжений индукционного т-фазного датчика в функции поворота вала cL Преобразователь угла поворота вала в код содержит т-фазный датчик 1 угла, представляющий собой многофазно-многополюсный вращающийся трансформатор (ММВТ, обмотка возбуждения которого расположена на роторе, имеет Р - пар полюсов и подключена к выходу блока 2 питания, выходы вторичных обмоток (т-фаз) подключены к группе сигнальных входов управляемого коммутатора 3 фаз, два блока А и 5 выборки и хранения (БВХу первые входы которых связаны соответственно -с первым и вторым выходами управляемого коммутатора 3 фаз, формирователь 6 строб-импульсов, вход которого подключен к дополнительному выходу ММВТ, коммутатор 7 стробов, два входа которого соединены с соответствующими выходами формирователя 6, а первый и второй выходы подключены соответственно к вторым входам бликов 4 и 5. Предлагаемое устройство включает также блок 8 сравнения, первый вход которого связан с выходом блока непосредственно, второй - с выходом блока 5 через линейный делитель 9 напряжения, а выход подключен к управляющему входу реверсивного счетчика 10, задающий генератор 11, импульсный выход которого соединен со счетным входом блока 10, а выход синусоидального сигнала - с входом блока 2, два дополнительных реверсивных счетчика 12 и 13 соответственно фазных зон и зон однозначности соединенных последовательно с реверсивным счетчиком 10, и преобразователь 1 кода в систему напряжений. Группа кодовых выходов реверсивного счетчика 10 соединена с управляющими входами блока 9, группа из (к-1) кодовых выходов К-разрядного реверсивного счетчика 12(К 1пт+1) соединена с входами блока 1Л, 2т выходов которого подключены к- управ ляющим входам коммутатора 3 фаз, до полнительный выход реверсивного сче чика 12 соединен с третьим входом коммутатора 7 стробов. Выходные сиг налы фаз ММВТ имеют трапецеидальный закон изменения в функции угла поворота , 2) , который обеспечивается соответствующим выполнением геометрических размеров зубцов статора и ротора ММВТ, т.е. наличием линейного закона изменения выходного напряжения ) 1-фазы в диапазоне дискретности ММВТ, определяемой д.-ьЭС/ти неизменности по ампли ..way/ , V . /. . .N туде напряжения ,,(a) фазы (f+j) начало которой смещено по углу относительно фазы f на 90 .эл.град., в пределах дискретности ММВТ q.. Данными условиями обеспечивает- - Л. t UiCct) ся линейный характер функции 1- «аи/. что позволяет использовать при преобразовании напряжения в код в качестве опорного выходной сигнал {l+j)-фaзы, а в качестве аналогового-сигнал I-фазы. Дополнительный выход ММВТ является выходом второй роторной обмотки ММВТ, уложенной на роторе одновременно с обмоткой возбуждения и имеющей с ней общую схему намотки.Сигнал с дополнительног выхода МНВТ используется для запуска формирователя 6 стрс -импульсов. Преобразователь работает следующим образом. При запуске задающего генератора 1.1 синусоидальный сигнале его выхода после усиления по мощности в бло ке 2 питания поступает на обмотку возбуждения ММВТ. При этом на выходных обмотках ММВТ формируется система из m напряжений (по числу фаз), сдвинутых относительно друг друга по углу d на величину q (фиг Эти напряжения поступают на сигналь ные входы управляемого коммутатора 3 фаз, который является 2т-канальным устройством (т каналов для рабо чих и m каналов для опорных фаз). При некотором угле d. производится выбор нужной пары фаз (рабочей и опорной), отношение выходных сигналов которых преобразуется в дальней шем в код. Выходы данной пары фаз ММВТ подключаются с помощью коммутатора 3 соответственно к первым 18 входам блоков 4 и 5 выборки и хранения, где сигналы переменного тока преобразуются в сигналы постоянного тока путем стробирования их импульсами той же частоты (несущей;, поступающими с выходов коммутатора 7 стробов. Стробирую| ие импульсы вырабатываются формирователем 6 стробимпульсов (ФСИ }, на вход которого поступает сигнал переменного тока несущей частоты с дополнительного выхода ММВТ. ФСИ 6 формирует строб-импульсы требуемой ширины в момент перехода через О из отрицательного по.лупериода напряжения несущей частоты в положительный,причем на втором его выходе импульсы имеют фазовый сдвиг на 180 эл.град. относительно импульсов на первом выходе. Коммутатор 7 стробов подключает тот или иной выход ФСИ 6 к соответствующим входам блоков 4 и 5 в зависимости от фазы рабочего и опорного сигналов тем самым обеспечивается однополярность сигналов, поступающих на входы блока 8 сравнения. Управление коммутатором стробов осуществляется сигналами с дополнительного выхода первого дополнительного реверсивного счетчика 12. Амплитуда сигналов постоянного тока с выходов t и 5 пропорциональна амплитуде синусоидальных сигналов. С выхода блока 4 снимается рабочий (аналоговый) сигнал, который поступает на первый вход блока 8 сравнения, а с выхода блока 6 - опорный, который подается на вход ЛДН 9. Блоки 8, 10 и 9 совместно с задающим генератором 11 образуют первую замкнутую систему следящегоi уравновешивания, с помощью которой рабочий и опорный си|- налы уравновешиваются по амплитуде на входах блока 8 сравнения, при этом на кодовых выходах реверсивного счетчика 10 формируется двоичный код, пропорциональный величине рабочего сигнала, снимаемого с выхода рабочей фазы при некотором угловом положении oL. Разряды реверсивного счетчика 10 образуют первую группу разрядов выходного кода предлагаемого преобразователя (младших и формируются при изменении угла oL в диапазоне , т.е. на линейном участке выходного сигнала рабочей фазы, их число определяет дискретность преобразователя, равнуюС -----йгде n - число двоичных разрядов первой группы. Введение в преобразователь первого дополнительного реверсивного счетчика 12 и преобразователя Н кода в систему .напряжений образует совместно с коммутатором 3 фаз, блоками t и 5 и первой системой следящего уравновешивания вторую замкнутую систему, которая осуществляет поиск и выбор требуемой пары при некотором oLj. Выбор нужной пары рабочей и опорной фаз производится путем последовательного перебора парных сочетаний фаз и сравнения их выходных сигналов в блоке 8. Номер выбранной i-той рабочей фазы определяет код на выходе реверсивного счетчика 12, разряды которого образуют вторую группу кодовых выходов преобразователя. Число разрядов второй группы (средних) зависит от количества фаз ММВТ К 1пт+1. Увеличение их числа на 1 достигается тем, что в код преобразуются как прямая полуволна огибающей выходного сигнала рабочей (зы .(Oiot), так и обратная (4-sol:S), т.е. каждая фаза используется в качестве рабочей, (а также опорной) дважды за период изменения огибающей. Однозначность цифрового отсчета угла предлагаемым преобразователем сохраняется в диапазоне . Для расширения рабочего диапазона преобразователя по углу поворота вала служат разряды третьей группы (старшие), которые формируются вторым дополнительным реверсивным счетчиком 13, который осуществляет подсчет зон однозначности отсчета при углах поворота и формирует на выходе двоичный код старших разрядов, число которых определяется заданной величиной рабочего диапазона преобразователя. При рабочем диапазоне, перекрывающем полмый угол, необходимое число разрядов реверсивного счетчика 13 определяется выражением г7/1 пр. Общее число разрядов выходного кода преобразователя определяется суммой n+k+r

Для предлагаемого преобразователя величина линейного диапазона q S. составляет единицы угловых минут, поскольку возможное число пар полюсов ММВТ превышает сотню, а количество фаз - восемь и более. На этом коротком участке выходной сигнал

|-фазы ММВТ имеет высокую степень линейности, а сигнал ()фaзы практически неизменен по величине что позволяет осуществлять преобразование напряжени1Р1 в код с высокой точностью, реализуя прв и более,строить преобразователь угла в код с ценой младшего разряда 0,75 - 1,5 угл.сек

Использование для преобразования в код отношения выходных напряжений {-той и (i+j)-тoй фаз ММВТ в качест ве аналогового и опорного сигналов позволяет значительно снизить влияние технологических и практически исключить влияние эксплуатационных факторов на точность преобразования угла в код, поскольку колебания собственных параметров машины и изменения величины амплитудной и фазовой погрешностей в выход юм си|- нале ММВТ проявляются в разной степени и с тем же знаком как в аналоговом, так ив опорном напряжениях и при их сравнении исключаются. Запуск формирователя строб-импульсов СИ1- налом с дополнительного выхода ММВТ позволяет исключить ошибки преобразования угла, в код, вызванные уходом фазы рабочего и опорного сиг- . налов относительно строб-импульса при изменении условий эксплуатации преобразователя. В данном случае сдвиг фазы стробируемого сигнала вызывает и сдвиг строб-импульса той же величины и направления, исключающий вышеуказанные ошибки. Введение в преобразователь угла поворота вала в код новых, по сравнению с прототипом, элементов - двух блоков выборки и хранения, формирователя строб-импульсов коммутатора стр бов, блока сравнения и двух дополнительных реверсивных счетчиков - и связей между ними в совокупности с высокоточным многофазно-многополюсным вращающимся трансформатором, примененным по прямому назначению, позволяет в несколько раз повысить точность преобразования угла в код, увеличив разрешающую способность.преобразователя и снизив его чувствительность к факторам технологического и эксплуатационного характера.

Экономический эффект при использовании предлагаемого преобразователя составит порядка 60 тыс.руб в год. i 1 формула изобретения Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий т-фазный дат чик угла, вход которого соединен с выходом блока питания,.основные выходы т-фазного датчика угла соедине с сигнальными входами управляемого коммутатора фаз, линейный делитель напряжения и реверсивный счетчик, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что с целью повышения точности преобразователя, в него введены преобразователь код-напряжение, задающий генератор, блоки выборки и хранения блок сравнения, реверсивные счетчики младших и старших разрядов, коммутатор стробов и формирователь строб-импульсов, вход которого соединен с дополнительным выходом гп-фа ного датчика угла, выходы формирователя .строб-импульсов соединены с первым и вторым информационными вхо дами- коммутатора стробов, первый выход которого соединен с первым входом первого блока выборки и хранения, второй выход - с первы входом второго блока выборки и хра- нения, второй вход которого соедине с первым выходом управляемого комМу татора фаз, второй выход управляемо го коммутатора фаз соединен с вторым входом первого блока выборки и хранения, выходVкоторого соединён с первым входом блока сравнения, вы1ход .второго блока выборки и хранения соединен с опорным входом линейного делителя напряжения, выход которого соединен с вторым уходом блока сравнения, выход которого соединен с первым входом реверсивного счётчика младших разрядов второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, кодовые выходы реверсивного счетчика младших разрядов соединены с кодовыми входами линейного делителя напряжения, выход реверсивного счетчика младших разрядов подключен к реверсивного счетчика, выходы которого через преобразователь код-напряжение соединены с управляющими входами управляемого коммутатора фаз, выход задающего генератора соединен с входом блока питания,первый выход реверсивного счетчика соединен со входом реверсивного счетчика старших разрядов, а второй выход реверсивного счетчика соединен с управляющим входом коммутатора стробов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 416717, кл. G 08 С 9/00, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР № ШЗЗ, кл. G 08 С 19/0, 1973. 3.Авторское св детельство СССР ff , кл. G 08 С 9/0, 1976 (прототип),

(