Преобразователь угловых перемещений в код

 

5627 А

СО}ОЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) . ()1),<51> С 08 С 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБЪб о -c :. 1".. Ъ

1 ъ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ, И ОТКРЫТИЙ (21) 3383200/18-24 (22) 12.02.82 (46) 15.08.83. Бюл. V 30 (72) В.А. Яковлев, F.Ã. Коровин, A.M. Парков и Й.А. Баталов (53) 681 ° 325(088.8) (56) i, Авторское свидетельство СССР

Ю 624254, кл. С 08 С 9/00, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

N 926703 кл. Ci 08 С 9/04, 1982 (прототип). (.т4)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ

ПЕРЕМЕЦЕНИЙ В КОД, содержащий блок питания, один выход которого соединен с входом синусно-косинусного датчика, первый выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй выход синусно-косинусного датчика соединен с первым входом второго умножителя, и вычитатель, выход которого соединен с входом первого интегратора и первым входом преобразователя напряжения в частоту, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, который также соединен с входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом преобразователя напряжения в частоту, два выхода которого соединены с двумя входами реверсивного счетчика, одна группа выходов которого через первый Функциональнь<й преобразователь подклю,чена к управляющим входам первого умножителя, а вторая группа вйходов реверсивного счетчика через второй функциональный преобразователь подклюJ чена к управляющим входам второго умножителя, о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью расширения области применения преобразователя, в него введены два переключателя и дешифратор, четыре входа которого подключены к прямым и инверсным выходам двух старших разрядов реверсивного счетчика, а пятый вход соединен с вторым выходом блока питания датчика, первый и второй, третий и четвертый выходы дешифратора подключены соответственно к управляющим входам первого и . второго переключателей, первый и вто- Е рой выходы которых подключены к соот- фф\ ветствующим суммирующим входам вычитателя, входы переключателей соеди- С,. нены с соответствующими выходами первого и второго умножителей.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения преобразователя, умножитель выполнен в виде управляемого делителя напряжения, группа цифровых входов которого является управляющими входами умножителя, а аналоговый вход соединен с выходом инвертирующего масштабного усилителя, вход 4 которого является аналоговым входом умножителя, выход управляемого делителя напряжения через рвзистивный делитель подключен к неинвертиру" ющел<у входу л<асштабного усилителя и являетсл выходом умножителя.

1 10356

Изобретение относится к области автоматики и измерительной техники и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления, в частности в линейных и круговых измерительных преобразователях перемещения исполнительных органов станков с числовым программным управлением (1Пу) .

Известен преобразователь угловых перемещений в код, содержащий генератор опорного напряжения, выход которого подключен к индукционному синусно-косинусному датчику угла и к одному из входов аналогового умножителя, к другому входу которого подключен выход суммирующего операционного усилителя, выход аналогового умножителя через фильтр низких частот соединен с входами управляемого генератора частоть1 и дискриминатора направления счета, выходы которых подключены к соответствующим входам реверсивного счетчика, выходы разрядов реверсивного счетчика соединены с соответствующими разрядами функциональных цифро" аналоговых преобразователей, выходы которых соединены с инвертирующими входами операционных усилителей, прямые входы операционных усилителей со"

30 единены с соответствующими выходами синусно-косинусного датчика, выходы операционных усилителей подключены к соответствующим входам функциональных цифроаналоговых преобразователей и суммирующего операционного уси-35 лителя 5 1).

Недостатком такого преобразователя является ограниченная область применения, так как он работает только с индукционным синусно-косинусным дат40 чиком.

Известен также преобразователь угловых перемещений в код, содержащий синусно-косинусный датчик угла, первый и второй входы которого соединены .. 4S с аналоговыми входами первого и второго умножителей, выходы которых подключены к вычитателю, выход вычитателя через первый и второй интеграторы подключены к первому входу преобразова-gp теля напряжения в частоту, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, третий вход соединен с выходом вычитателя, а два выхода соединены с двумя входами реверсив- в» ного счетчика, одна группа выходов которого через первый функциональный преобразователь подключена к управля27 2 ющим входам первого умножителя, а вторая группа выходов через второй функциональный преобразователь — к управляющим входам второго умножителя Г:) 3.

Такой преобразователь не имеет динамической погрешности в режиме flo стоянной скорости и в режиме постоянного ускорения, относительно прост и имеет достаточно высокую надежность, Однако он имеет ограниченную область применения.

Целью изобретения является расширение области применения и упрощение преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, 1 что в преобразователь угловых перемещений в код, содержащй блок питания, один выход которого соединен с входом синусно-косинусного датчика, первый выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй выход синусно-косинусного датчика соединен с первым входом второго умножителя, и вычитатель, выход которого соединен с входом первого интегратора и первым входом преобразователя напряжения в частоту, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, который также соединен с входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом преобразователя напряжения в частоту, два выхода которого соединены с двумя входами реверсивного счетчика, одна группа выходов которого через первый функциональный преобразователь подключена к управляющим входам первого умножителя, а вторая группа выходов реверсивного очетчика через второй функциональный преобразователь подклочена к управляющим входам второго умножителя, введены два переключателя и дешифратор, четыре входа которого подключены к flpR мым и инверсным выходам двух старших . разрядов реверсивного счетчика, а пятый вход соединен с вторым выходом блока питания датчика, первый и второй, третий и четвертый выходы дешифратора подключены соответственно к управляющим входам первого и второго переключателей, первый и второй выходы которых подключены к соответствующим суммирующим входам вычитаееля, входы переключателей соединены с соответствующими выходами первого и второго умножителей.

10356

Умножитель 2 (3)(фиг. 2) выполнен в виде управляемого делителя Т5 на45 пряжения, управляющие входы которого являются управляющими входами умножителя,2 (3), а аналоговый вход соединен с выходом инвертирующего масштабного усилителя 16, вход которого является аналоговым входом умножителя 2 (3 ), выход управляемого делителя 15 напряжения через .резистивный делйтель 17 подключен к неинвертирующему входу масштабного усилителя 16 и является выходом умножителя 2 (3).

Управляемый делитель 15 напря><ения может быть выполнен на базе уп3

Умножитель выполнен в виде управляемого делителя напряжения, груп па цифровых входов которого является управляющими входами умножителя, а аналоговый вход соединен с выходом инвертирующего масштабного усилителя, вход которого является аналоговым входом умножителя, выход управляемого делителя напряжения через.резистивный делитель подключен к неинвер- 1О тирующему входу масштабного усилителя и является выходом умножителя.

На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя угловых перемещений в код; на фиг. 2 — принципиальные схемы умножителя и функционального преобразователя ; на фиг. 3 — диаграммы работы преобразователя угловых перемещений в код.

Преобразователь угловых перемещений в код содержит синусно-косинусный датчик .1 фотоэлектрического или индукционного типа), выходы которого соединены с входами двух квадрантных умножителей 2 и 3, последова, тельно соединенные вычитатель 4, интеграторы 5 и 6, биполярный преобразователь 7 напряжения в частоту, два других входа которого подключены к выходам интегратора 5 и вь1читателя 4, з а два выхода соединень1 с входами реверсивного счетчика 8, выходы которого через функциональные преобразователи 9 и 10 подключены соответственно к управляющим входам умножителей 2. и З,выходы которых через переключате- З5 ли ll и 12 подключены к четырем входам вычитателя 4, управление переключателями 11 и 12 выполняется дешифратором 13, декодирующим сигналы двух старших разрядов счетчика 8 и опорно- 40

ro сигнала, сформированного из напряжения блока 14 питания датчика.

27 4 равляемого делителя 18 тока и масштабного усилителя 19 (фиг. 71. Управля" емый делитель тока 18 выполнен в виде резистивной матрицы типа 9 — 2k, управ. ляемой ключами 20, блок 2(3) включает в себя сопротивления 21-26.

Функциональный преобразователь 9 (10) выполнен на логических элементах ИСКЛОЧЙОЩЕЕ ИЛИ 27.

Преобразователь работает следую-. щим образом.

Синусно-косинусный датчик 1 (фотоэлектрического или индукционного типа) формирует на первом и втором вы" ходах сигналы У, и l/ соответственно, являющиеся функцией углового положения оси ротора датчика 1:

LJ< = K< 0> - s inp 9, ll =- Кд Ил. cosp9р где К вЂ” коэффициент передачи датчика l;

U — напряжение питания, формируемое блоком 14 питания датчика:

Л

0 „ — для фотоэлектрического и датчика, Ом "пы -для индукционного датчика;

0„„ — максимальное значение напряжения питания датчика 1;

К вЂ” угловая частота напряжения питания датчика 1;

Р - коэффициент электрической редукции датчика 1.

Если в качестве синусно-косинусного датчика 1 применяется датчик фо-. тоэлектрического типа, то в функции синуса и косинуса от угла поворота

6 оси датчика 1 изменяются уровни. напрл><ений постоянного тока, а если приивняется датчик индукционного типа (резольвер или индуктосин), то в той же функции изменяется амплитуда переменного напряжения, имеющего частоту Ф .

Выходные сигналы О4 и U синуснокосинусного датчика 1 поступают на аналоговые входы первого 2 и второго 3 умножителей соответственно.

Умноиители 2 и 3 реализуют функции двухквадрантного умножения входных сигналов 01 и 0 на нелинейные рациональные функции квазисинуса и квазикосинуса °

Двухквадрантные умножители 2 и .3 работают при биполярном (знакопеременнои ) сигнале на аналоговом входе

t и однополярном цифровом коде на управляющих входах.

3 1035627

Для того, чтобы при использовании двухквадрантного умножителя обеспечить работу в четырех квадрантах и, реализовать вычисление Функции в виде

Умножитель 3

Номе р квадранта

Умножитель 2

Знак функции

Знак Функц и

ooos sрe (И,) sin р f(N ) 1 при О а

A при 1 с 0

Bi (p8-®) = ei p9f(s>)-cgqpg (я ), где ф - угловой эквивалент цифрового кода (полного) ревер" сивного счетчика;

Таким образом, требования, предьявляемые к Функциям $(ИВ) и (йс), ограничивают диапазон углов, в которых могут работать Функциональные преобразователи 9 и 10 (только положительные значения кодов N и И ..

35 а

Отрицательные значения Фун <ций

f(N ) и f(W ) реализуются с помощью переключателей 11 и 12, управляемых от дешифратора 13. Переключатели 11 4О и 12 коммутируют выходные сигналы умножителей 2 l1 3:

0> = Кд U„s i np8. f (Np), ling = K tJ> cosp8 (й ) на четыре входа вычитателя 4. 45

Вычитатель 4 выполнен по дифференциальной схеме с суммирующими входами и частотно-зависимым коэффициентом передачи и может быть реализован, например, на двух последовательно со 50 единенных инвертирующих усилителях с суммирующими входами. Конденсатор, введенный в цепь обратной связи инвертирующего усилителя, придает ему свойства апериодического звена 1-го порядка и делает коэффициент передачи вычитателя 4 частотно-зависимым. Зависимость коэффициента передачи вычиб

И - выходной код первого Функционального преобразователя 9 (Фиг. 1);

Я - выходной код второго функциос нальногo преобразователя 10

1,Фиг. 1), "!

1 необходимо изменять знаки коэффициентов передачи К и К „вычитателя 4

8 L 3Ф> согласно табл..1.

Таблица

1 тателя 4 от частоты позволяет исполь" зовать его для фильтрации пульсаций напряжения ошибки слежения, сформированного после демодуляции несущей, и отказаться по сравнению с аналогом от применения специального фильтра.

Управление переключателями 11 и

12 осуществляется. посредством дешифратора 13, на четыре входа которого поступают инверсные R g Ggi, u npR мые а и а5,логические сигналы с выходов двух старших разрядов реверсивного счетчика 8 (Фиг. 1). На пятый вход дешифратора 13 подается логический сигнал а „, Формируемый из напряжения питания датчика 1 согласно выражению

Дешифратор 13 формирует две пары логических сигналов.

Первая пара логических сигналов

Д и с1 обеспечивает с помощью переключателя 11 коммутацию выхода умножителл ": на первые входы вычитателя 4.

Вторая пара логических сигналов

d> и Ц обеспечивает с помощью пере7 1035627 8 клечателя 12 коммутацию выхода умно- Табл. 2 иллюстрирует формирование жителя 3 на вторые входы вычитателя 4. логических функций по квадрантам.

Таблица 2

Код квадранта

Коэффициент передачи вычитателя

Знак функции

Логическая функция П

Номер квадранта

5 Ill P6 CO5 P g с(и,) f(n ) 82. ЬЭ

К а а ан а = 1 ои

0

1 0 а = 0 ви

+1 а = 1

ОИ

2 0 а = 0 ои аои= 1

0 аОи= 0 аов аои

Бычитатель 4 формирует напряжение ошибки слежения 0

u =

Номер квадранта определяется различными сочетаниями логических значе- - 0 ний старших разрядов а н и а> ревер- сивного счетчика 8. Знаки функций

5 1и р 9 и сО5 pg т (Нд) и f (Мс) Определяется номером квадранта: функции

51п рgu f(МВ) положительны в 1- и 35

2-м квадрантах, функции cos р Ди f(М ) положительны в 1- и 4-м квадрантах.

При работе с синусно-косинусным датчиком фотоэлектрического типа напряжение Ои блока l4 питания датчика 40 имеет одну пОлярность. При этом а, постоянно и равно i. Коммутация блоков в каждом квадранте неизменна и выполняется согласно табл. 2 при аод †вЂ

Коэффициенты передачи вычитателя К 45 и К>з зависят от номера квадранта, вида функции и принимает значения

+1 или -1.

При работе с синусно-косинусным датчиком индукционного типа (резоль- 50 веры и индуктосины) напряжение 0„, блока 14 питания датчика биполярно.

При этом а ппринимает в зависимости от полярности полуволны синусоидального напряжения Оп значения "Т" или 55

"0". Коммутация блоков в каЖдом квадранте выполняется синхронно с измене" нием значения Оов(изменением поляр1 ности напряжения питания датчика 1) .

Коэффициенты передачи К и Кв зависят как от номера квадранта и вида функции, так и от логического значения

Г1 оп

Такое изменение знака коэффици-. ентов передачи Кя и К вычитателя 4, синхронное с изменением знака полу" волны синусоидального напряжения питания датчика 1, позволяет дополнительно с помощью переключателей 11 и 12, дешифратора 13 и вычитателя 4 реализовать функции демодулятора напряжения ошибки слежения.

Предлагаемое техническое решение позволяет по сравнению с аналогом отказаться от применения специального демодулятора при раьоте с индукционными датчиками. Это обстоятельство позволяет унифицировать структуру преобразователя угловых перемещений в код вне зависимости от вида применяемого синусна-косинусного датчика (фотоэлектрического или индукционного).

1035627 где С. 1

55 = о +" +

Сигнал Uq с выхода вычитателя 4 поступает на вход первого интегратора 5, выход которого соединен с входом второго интегратора 6. Выходные сигналы вычитателя 4 и интеграторов 5 и 6 поступают на первый, второй и третий входы биполярного преобразователя 7 напрях<ения в частоту импульсов.

Биполярный преобразователь 7 напря 10 жения в частоту мох<ет быть реализо" ван, например, в виде интегратора с суммирующими входами на базе операционного усилителя с конденсатором в цепи обратной связи. Конденсатор разряжается ключом каждый раз, когда напряжение на выходе интегратора до" стигает заданного уровня.

На одном из выходов биполярного преобразователя 7 напряжения в частоту, 20 в зависимости от знака суммы входных напряжений, формируется последовательность импульсов частоты пнч AHA AHAB (" 6 9.(1 + 1 0- ) 25 гдеК - коэффициент передачи преинч образователя 7 напряжения в частоту импульсов;

ОрИ 6 " выходное напряжение первого интегратора 5;

ЗО

0 =1Оь< 1 - выходное напряжение второго интегратора 6;

i

Последовательность импульсов частотыК„„„поступает на суммирующий или вы35 читающий входы реверсивного счетчика 8, Формирующего код Ч,„;

Иц--Оо l +G "+" +Q . К-2 g 1<" "

1 К2 +0k 1

l где Q„ - весовые коэффициенты младших разрядов, и логические функцииО „иО „, (и зЧ

С1к стаРших РазРЯДов.

Функции 0 Ни Gyp у - К и 15

С к поступают на четыре входа дешифратора 13.

Ko@ N> поступает на входы Функциональных преобразователей 9 и 10, уп" равление которыми выполняется с помо- 0 щью логических ФУнкций ок и г1к .

На выходе функционального преобразователя 9 формируется двоичный код N> где — весовые коэффициенты, определяемые как

i = О, 1, 2,..., (К-2), (К" 1).

На выходе функционального преобразователя 10 формируется двоичный код а, .< К 1

Nс-Со2. +С„2+ "<-Ск 2 Ск-.<

- весопые коэффициенты, определяемые как а. при а = 0

1 а< при ак — — 1

0, 1, 2,..., (К 2), (К 1).

Коды М и йс представляют собой симметричные треугольные Функции выходного кода разрядов (ао ... ак) реверсивного счетчика 8 (Фиг. 4). симметричная треугольная Функция кода

Ч отстает по Фазе на Ж/2 относительно симметричной треугольной функции кода M@.

Код Н> поступает на управляющий вход умножителя 2, а код N - на упC равляющий вход умножителя 3.

Умнох<ители 2 и 3 реализуют Функции

1 двухквадрантного умножения входных сигналов U и О на нелинейные рациональные функции вида:

Соответствующий подбор коэффициентов А и В позволяет получить функции f(Nq) и (Й ) близкие к синусоидальным.

Принципиальная схема умножителя приведена на фиг. 2.

От датчика 1 на вход умножителя 2 (3) поступает сигнал () ((.1.< или (1 ) и через масштабный инвертирующий усилитель подается на аналоговый вход управляемого делителя 15 напряжения.

На управляющие входы умножителя ? (3) от функционального преобразователя 9 (10) поступает двоичный код Et (g )

Этот код подается на цифровые входы управляемого делителя напряжения 15 и далее на ключи 20, коммутирующие резисторы управляемого делителя тока 18, например матрицы типа $ --2R .

Выходное напряжение() х делителя 15

I (а Ь.К 1, "жс>

SIX 1 " 9 SION R5wQ4 К Х f Як 5 или " " 1 1 Ь(С1 f2 Р ьц м 18 х

+ " ""+" " с о

Щ+1И Р,2 2 к

После введения обозначений р as(A + az> кЦ 2 2 КХ (RÚ - R4 >

15 получают 1 1 ь(с)

Ьых

+В ЫСЭ

Иетодическая ошибка преобразования, обусловленная использованием кусочно-нелинейных функций (Й ) и 1(йс) для формирования сигнала ошибки слежения невелика. При оптимальном выборе коэффициентов А и В, например с помощью метода Гаусса-Зайделя, относительная погрешность преобразования при идеальных входных сигналах не превышает 0 00923 от полюсного деления датчика 30

11 10356 в соответствующем масштабе вычитается из входного 0 согласно выражению

27 12

Преобразователь угловых перемещений в код практически не чувствителен к частоте напряжения питания дат" чика 1 и устойчив к возмущениям.

Интеграторы, введенные в структуру преобразователя, обеспечивают астатизм системы, определяемый 3-м порядком.

В режиме постоянной скорости измеряемого перемещения напряжение на выходе второго интегратора 6 устанавливаетсл,таким, что напряжение на вы" ходе вычитателя 4 и выходе первого интегратора 5 стЬновится- равным нулю. Динамическая погрешность преобразования в этом случае отсутствует.

В режиме постоянного ускорения ди". намическая ошибка преобразования также равна нулю. В этом режиме после окончания переходного процесса напряжение на выходе интегратора 5 устанавливается постоянным, а напряжение на выходе интегратора 6 линейно возрастает. Солержимое реверсивного счетчика 8, выполняющего функцию цифрового интегратора, изменяет значения кодов N и N т а к и м о бр а з о м, что напряжение 0 < на выходе вычитателя 4, пропорциональное ошибке слежения, устанавливается равным нулю.

ll035627

3035627 еее 0К-г (а

1иг.2

103562

Составитель И. Сидорова

Техоед A.Áàáèíåö

Редактор Л. Веселовская аказ 8 1

Корректор A. Тяско ое

ЗН 38

0к

d1 2

З 5 37/5 Тираж 618 Подписн

ВНИИПИ,Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 москва 1 -35ь Разовская наб.с g. М филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4