Датчик углового положения и скорости вращения вала

 

ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА по авт. св. № 934382, о т ли ч а - . ю ш и и с я тем, что, с пелью повы шения точности измерения, второй счет чшс и второй perHcT f кроме ,tl цифровых и знакового разрядов снабжен с вспомои гательными старшими разрядами, вi состав датчика дополнителыю ввепены блок умножения и деления частоты с переменным коэффициентом, блок ьычя .. тания частот, второй нуль-орган и 6по& переключения диапазонов, содерокашйй две схемы сравнения кодов, схему ссжпеи дения, два инвертора, реверсивный счетчик, и дешифратор, причем выходы вспомогательных старших н разрядов второго регистра соед гаень1 с входами первой схемы сравнения xoaoev-i выход которой подключен к вычнтаюше му входу реверсивного счетчика н входу первскх инее ртора, выход которого сое динен с первым входом схемы совпадения , вторсА вход которой подключен к выходу второй схемь сравнения кодов, третий вход - к выходу второго инвертора , а выход - к сумми{; ю(цему входу реверсивного счетчика, выходы jtoTopcvo : соединены с входами дешифратора, последний выход которого подключен к входу второго инвертора, а все выходы к управдякшшм входам блока умножения § и деления частоты, другие входы кото (Л соедш1е11ы с выходом первого счетчика и выходом генератора импуль сов, а выход - с входом блока вычитания частот, другой вход которого подключен к выходу фазоврашателя, а вьЬсрд через второй нуль-орган - к входу формирователя задержанных импульсов, при этом выходы двух старших и знеисоел вого разрядов второго регистра соедисо нены с входами второй схемы сравнеQ ния кодов. о 0д

«е св

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

ЦМ

РЕСПУБЛИН.

3(58 01 Р 3/489

OllHCAHHE H3OE PETEHHR . И ABTOPGH0MV СВИДЕ П!ЛЬСТЕЦУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 934382 (21) 3482230/18-10

1 (22) 22.07.82 (46) 07.11.83. Вюл. Ив 41 (72) Г. И. Каплун (71) Дальневосточный ордена Трудового

Красного Знамени политехнический ин ститут им. В. В. Куйбышева (53) 621.317.39:531.7 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке.М 2970750/18-10,. кл. С Ol P 3/489, 1981 (прототип). (54) (57) ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕ-.

НИЯ И СКОРОСТИ ВРАШЕНИЯ ВАЛА по авт. св. Ж 934382, о т л и ч а ю шийся .гем., что, с целью новы шения точности измерения, второй счет» чик и второй регистр кроме И цифровых и знакового разрядов снабжен 3 вспомо гагельными старшими разрядами, в состав .цатчика дополни гельно ввеаены блок умножения и целения частоты с переменным коэффициентом, блок вычи.тания частот, второй нуль-орган и блок переключения циапазонов, соаеркащий две схемы сравнения кодов, схему совпа пения, ава инвертора, реверсивный счетчик, и дешифратор, причем выходы вспомогательных старших и знакового разрядов второго регистра соединены с. входами первой схемы сравнения roaos, выход которой подключен к вычитаюшему вхоцу реверсивного счетчика и вхоцу первого инвертора, выход которого coe» динен с. первым вхоцом схемы совпадения, второй вхоа ко горой подключен к выходу второй схемы сравнения кодов, третий вход - к выходу второго инвер тора, & выход - K суммирующему входу реверсивного счетчика, выходы которого соединены с входами дешифратора, последний выхоц которого подключен к вхоцу второго инвертора, à see выходы к управляющим входам блока умножения и целения частоты, другие входы которого соецинены с выхоцом первого счетчика и выходом генератора имнульсов, а выход - с входом блока вычита ння частот, другой вхоа которого под ключен к выходу фазоврашателя, а выход через в горой нулъорган - к вхоцу формирователя зацержанных импульсов, при этом выходы авух старших и знакового разрядов второго регистра соеци иены с входами второй схемы сравне ния aoaos

4 106

°

Йэабретение относится к измеритель, ной технике и может быть испольэрвано в качестве датчика углового положения и: мгновенной скорости вращения вала в . точных цифровых системах автоматического управления и регулировйния.

Известен датчик углового положения и скорости вращения, соцержаший генератор импульсов, выхоц которого поцклю . чен к счетному входу первого счетчика, выход старшего разряда которого через формирователь, опорных сигналов соеци нен с входом .фазоврашателя, поцключенного своим BblxogoM к вхоцу нуль-органа, выхоц нуль-органа соецинен с входом разрешения записи первого регистра, информационные вхоцы которого подклю- . чены к выходам соответствующих разряцов первого счетчика, выход генератора импульсов соединен также с счетным входом вжрого счетчика через ключ, управляющий вхоц которого. соецинен с выходом дополнительного триггера, вхоц сброса этого триггера соединен с выхо- дом нуль-органа, выхоц которого ñîåцинен также с входом формирователя задержанных импульсов, . управляющего разрешением записи во второй регистр, а также предустановки второго счетчика и установки в единичное состояние дополнительного триггера, информационные входы второго регистра подключены к соответствующим выходам счетчика )1), Непостатком этого устройства является невозможность одновременного обеспечения в широком диапазоне изменения скорости вращения высокой точно сти измерения как углового. положения, так и скорости вращения вала. Это связано с тем, что цля достижения мини мапьной погрешности определения углового положения необходима частота опорного сигнала фазоврашателя значИтельно большая, чем частота опорного сигнала, при которой достигается минимум погрешности опрецеления скорости вращения. Минимальное значение относительной погрешности измерения скорости врагиня постигается за счет поппе ркания оптимального соотношения между измеряемой скоростью и частотой опорного сигнала фаэоврашателя. сти определения углового положения.

Относительная погрешность определения . углового положения имеет цве составляющие. Первая составляющая определяет« ся изменением углового положения за время между цвумя соседними измерениями.

Частота опорного сигнала фазоврашателя выбирается постоянной (исходя

30 иэ условия минимума погрешности определения углового положения при максимальной скорости вращения) и произ водится преобразование выхоцной частоты фаэоврашателя перец подачей на вход

15 блока измерения скорости (исходя из условия минимума погрешности опрецеления текущего значения скорости врашения).

Бель изобретения - повышение точно20 сти путем автоматизации стабильного выбора диапазона измерения скорости вращения.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике углового положения и

25 скорости вращения вала второй счетчик и второй регистр кроме И цифровых и знакового разрядов снабжены 0 вспомогательными старшими разрядами, в состав датчика дополнительно включены

З0 блок умножения и целения частоты с переменным коэффициентом, блок вычи тания частот, второй нуль-орган и блок переключения диапазонов, соцержаший цве схемы сравнения копов, схему совпадения, aaa arse ртора, реае pchsm é счетчик, и дешифратор, причем выхо ды 1 вспомогательных старших и знакового разрядов второго регистра. соедине:ны с входами первой схемы сравнения

40 кодов, выхоц которой поцключен к вы читающему входу реверсивного счетчика и к вхоцу первого инвертора, выход .которого соединен с вхоцом схемы co&He

; цения, второй.вхоц которой подключен

45 к выходу второй схемы сравнения ко цов, третий вход - к выхоцу второго инвертора, а выход - к суммирующему входу реверсивного счетчика, выходы которого соецинены с вхопами цешифратоРа, последний выход котоРого под ,ключен к входу второго инвертора, а все выходы » «к управляющим входам блока умножения и деления .частоты, другие вхоцЫ которого. соединены с выхо дом первого счетчика и с выхоцом ге. 55 нератора импульсов, а выход - с входом блока вычитания частот, другой вход кэ торого BOHKlllo÷åí K выхоцу фазоврашате ля, а выход через второй нуль-орган

Относительная погрешность определе ния скорости падает с уменьшением скорости вращения, если одновременно снижается частота опорного напряжения. Оц

H&Ko уменьшение частоты опорного напри жеиия приводит к увеличению погрешно1

3006 2

3 1053 к входу формирователя зацерканных NM-, I пульсов, при этом выходы цвух старших и знакового разрядов второго регистра соединены с входами второй схемы срав кения кодов.

На фиг. 1 изображена функциональная схема цатчика; на фиг. 2 —.схема блока умножения и целення частоты.

Датчик соцержит генератор 1 импульсов, выхоц которого goaKBlo÷ås K счет- щ ному входу первого счетчика 2. Выход,1 старшего разряца счетчика 2 через ф©р- мирователь 3 опорных напряжений сое динен с входом фаэоврашателя 4, под ключенного своим выходом к входу нуль органа 5. Выход нуль-органа 5 соецинен с входом разрешений записи первого ре» гистра 6, информационные вхоцы кото рого подключены к выходам соответству юших триггеров первого счетчика 2,, ; подключенным также к входам блока 7 умножения и целения частоты, цругой вхоц которого соединен с выхоцом гене% ратора 3.. Выхоц блока 7 умножения и деления часто гы соединен с входом блока 8 вычитания частот, цругой вход которого поцключен к выхоцу фазовраша теля. Выхоц блока 8 вычитания частот подключен через второй нуль-орган 9 к входу сбпоса дополнительного тригге- ра 10 и формирователя 11 зацержанных импульсов, третий выход которого сое»

asses с входом установки в единичное . состояние триггера 10. Выход послец-. него подключен к управляющему входу ключа 12. Выход ключа 12 соединен со

1 счетным вхоцом второго счетчика 13, р вхоцы предустановки которого соединены. с вторым выходом формирователя 11, первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регист . 4О ра 14, информационные входы которого соединены с выходами второго счетчи ка 13. Во взаимодействии элементы 10,.

14 образуют блок 15 измерения скоро сти вращения..45

Блок 16 переключения диапазонов содержит в своем составе первую схе му 17 сравнения «оцов, соединенную своими входами с выходами вспомога тельных старших и знакощио разрядов второго регистра 14. Выход схбмы 17, сравнения коцов соецинен с вычитав» шим входом реверсавного счетчика 18 и входом первого инвертора 19. Выход инвертора соединен с вхоцом схемы 20: И совпадения. Другой ахоа последней поцключен к выходу второй схемы 21 сравнения копов, входы которой соеди»

006 4 иены с выходами цвух ртаппих цифровых и знакового разрядов второго регистра 14.

Третий вхоц схемы 20 совпацения соединен с выходом второго инвертора 22., Выход схемы 20 подключен к суммирую, шему входу реверсивного счетчика 18, выхоцы которого-соединены с входами цешифратора 23. Выходы дешифратора 23 подключены к управляющим входам бло» ка 7 умножения и деления частоты.

Поспецний выход дешифратора 23 соеци нен также с. входом второго ннверторн 22.

Устройство, работает следующим об» разом..

Первый счетчик 2 выполняет функцию деления частоты генератора 1. Формирователь 3 вырабатывает,нз выходных периодических сигналов первого счетчи», ка 2 onopsbre напряжения фаэоврашате . ля 4. Нульорган 5 формирует иэ выходных синусоицальных сигналов фаэо» врашателя 4 прямоугольные периоцичео» кие сигналы, по перецнему фронту zo торых осуществляется запись коца первого счетчика 2 в первый .регистр 6.

Выходные сигналы первого счетчика 2 вместе с импульсами генератора 1 поступают на информационные вхоцы блока 7 умножения и целения частоты, на управляющие вхоцы которого возцействуют выходные сигналы цешифратора 23. Выходная частота Fqg блока 7 умножения н деления частоты равна „„-r..(" )), ;г гце F - опорная частота фаэоврашателя, I - целое число, зависящее от, выбранного диапазона измерения скоро- сти вращения. Сигналы с частотой Г с выхоца блока 7 умножения и целения частоты ноступают на вход блока 8 вычитания чистот, на второй вход кото»

I рого поступают выходные сигналы фазо- . врашатела с частотой равной ps о "Вр г

rae f s - частота вращения вала фазоврашателя, знакам smoc и минус соответствуют asa противоположных на» правления вращения.

На выхоце блока 8 вычитания частот, образуется сигнал разностной частоты

Fp равной р уц y,= oI ер.

Второй нуль-орган 9 иэ выходных сину- соидальных сигналов блока 8 вычитания частот формирует прямоугольные импуль.

53006

55

5 10 сы, поступающие в блок 15 вычисления скорости вращения, образованный цопопнительным триггером 10, форми рователем 11 зацерканных импульсов, ключом 12, вторым счетчиком 13 и вторым регистром 14 в вышеописанной их взаимосвязи. Иэ выражения следует, что ноцача на вхоц блока вычисления скорости разностной частоты f эквива лентна поцаче íà sxon фазовращателя преобразованной ollopBOI частоты F пр, сэяэанной с истинными значением опорной частоты о соопюшением др = о1

Блек вычисления скорости опрецеляет приращение .h. р периода Тр разностногр сигнала (Y, «3/F pl по. отношению к периоцу др преобразованного сигнала (7ц = 3 / Гяр ) и работает следующим образом. По перецнему. фронту выхоцно» го сигнала нуль-органа 9 цополнитель ный триггер 10 перехоцит в нулевое состояние и, возцействуя на управляющий вхоц ключа 12, прекратит поступление импульсов генератора 1 на счетный sxon второго счетчика 13. Передний фрон!т выхоцного сигнала нуль-органа 9 запус тит также формирователь 11 зацержанных импульсов, который выдает на своем первом выхоце импульс"через время; достаточное для завершения распространения переносов во втором счетчике 13. По этому импульсу происхоцит перезапись коца, счетчика 13 во второй регистр 14. Второй импульс формирова тели 11.зацерканных импульсов, возцействуя на вхоцы прецустановки swo» рого счетчика 13, осуществит запись в него коца, соответствукя промежутку времени межцу перецним фронтом импульса нульоргана 9 и началом импульса на третьем выхоце формирователя 11 зацержаниых импульсов. Этот импульс поступает на установочный вхоц тригге» ра.10 и перевоцит его в единичное со» стояние, в результате чего открывается ключ 12, и импульсы генератора 1 вновь поступают на счетный вход второ го счетчика 13. . Таким образом, в регистре 13 s начале кажцого слецуюшего napsona выхоцного сигнала нульоргана 9 фиксируется коц разности dTp равный

, -т,- „,.

Для обеспечения минимального значения погрешности 8 и необхоцимо цля каждой измеряемой скорости вращения зацавать свое значение преобразованной час- тоты и соответствующее значение параметра s . Оцнако неизменность структуры

5 блока измерения скорости вращения обеспечивается только в том случае, если параметр принимает целочисленные значения, т.е. одно значение параметра j соответствует некоторому циапазону измерения скорости вращения. Разряц- . ность приращения Р р буцет при этом увеличиваться: с уменьшением частоты вращения ц, что слецует иэ выражения

4. 2

При постоянной разряцности и Т скорость вращения опрецеляется по формуле

20 -2»

"йр М2 ь р, к

me М Т

Таким, образом, критерием выбора циапазона является сохранение неизменной разрядности и Гр . Если при возрастании скорости вращения раэряцность

Тр превысит зацанную, то необхоцимо перейти на циапазон с меньшим на еци« ницу значением параметра 4, Наоборот, при уменьшении раэряцности АТ необхоцимо увеличить значение параметра 4 .

Погрешность измерения скорости вра-. щения буцет уменьшаться с увеличением (. Минимальное значение периоца Гид равное +qp 1 опрецеляется тем, чтобы обеспечить на первом диапазоне наилучшую точность измерения скорости вращения. Тогца на слецующих циапазонах, соответствующим большим эначени» ям параметра t, погрешность измерения скорости Srg будет падать. Значение параметра <, соответствующее первому циапазону измерения скорости, может быть найцено из соотношения ,.е., г„,„ l ..

Величина максимал soro приращения

А1"р. gg на первом цианазоне при максимальной скорости вращении г

ВРЩД1 и число и цифровых разряцов второго счетчика 13 и второго регистра 14 опрецеляются выражениями

07

sptnex ttpt 7 и ма

Полученное выражение округляется цо ближайшего большего целого.

10 е=, (- ).! .7 10

Кроме,11 цифровых разрядов второй счетчик 13 и второй регистр 14 имеют k вспомогательных старших и знако вый разряд. В.спомогательные старшие разряды прецнвэнвчены цля организации анализа выхода hTp эа пределы разряд ной сетки, т.е. цля анализа выполненияycJto ass V

Признаком переполнения разрядной сет-,, . ки будет несовпадение коца so вспомо . гательных разрядах с коцом шакового разряца. Это положение справедливо при выполнении условия .е.

qpqПри ЬЧ р =0 на первом, так и на всех послецующих цивпазонах в конце пери ода "п все 11 - 4- 1 разряды второго счет чиха 13 сбросятся в ноль. ЕслиЬТрсЮ,® то от момента сброса в ноль цо момента фиксации коца КТр в, регистре 14 на счетный вход второго счетчика 13 посту пят менее 2" импульсов, т.е. изменят свое состояние только основные разряды, . а вспомогательные останутся в нулевом состоянии. При pe > 9" ") f какой либо иэ вспомогательных разрядов перейдет в единичное состояние. Аналогично можно показать, что, если ЬЧ р а О,и вйполияет ся условие b T p c 2" Я, то в момент фиксации вспомогательные и знаковые разряцы второго счетчика 13 буцут в единичном состоянии, а при нарушениивтого условия какой либо из вспомогв тельных разрядов перейдет в нулевое состояние.

Таким образом, критерием перехода . на nsasaaoH с меньшим значением пара метра 1 является несовпацение zona зна кового разряца второго регистра 14 с кодом вспомогательных разрядов. По скольку на кажцый cnenyzsnsO циапвэон при неизменном значении Fgp сопровож» цается увеличением разряцноссти КТр на цва разряда, то для, получения оцнозначного прецставления zona ВТАБ д, к .. ° на последнем циапаэоне число дивпазе . новб должно быть связано с количес в . вом вспомогательных разрядов соотнес шеи ием

Критерием перехода на циапвэон с боль шим значением параметра q является совпадение коца в цвух стапниХ цифро вых разрядах второго регистра 14 с кодом его знакового paapsna. Пусть, 83006, 8 например, 1Лр О, т.е. в знаковом разрядее - ноль, и, кроме того, в двух старших цифровых раэряцах кода g1 р также

1 куля. Увеличение значения 4 ía единицу нриведет к возможному заполнению двух стариих цифровых разрядов, однако перепол некие разрядной сетки не роиэойцет.

Принцип работы блока переключения диапазонов следующий.

Проверка совпацення coneржимого знакового разряца с содержимым Г вспомо

; гательных разрядов. Если они не совпа

l. дают, то - переход на диапазон,с меныпим нв ециницу значения параметра ю .

Если содержимое знакового и 8 вспомо. гательных разрядов совпацают, то происходит проверка совпадения содержимого знакового и цвух старших цифровых разри» цов. При совпадении переход на диапазоне с большим на единицу значением параметра 1 .

Блох нереключения циапвзонов, реалиэуюший приведенный алгоритм работает слецуюшим образом.

Первая схема сравнения 17 вырабатывает на выхоце ециничный сигнал при несовпацении соцержимого знакового и вспомогательных старцих разрядов. Этот единичный сигнал поступает на вычиФа«

ЗО юший вхоц реверсивного счетчика 18, соответственно уменьшая его код на единицу. Выход схемы 17 сравнения через инвертор 19 соецинен с вхоцом трехвхоцовой схемы 20 совпацения, на второй вход которой поступают единич ные сигналы с выхода второй схемы 21 сравнения при совпадении кода знаково

ro разряца с кодом цвух,старших цифровых разрядов, а третий вход схемы 20

4р подключен к выходу инвертора 22. При отсутствии запрешвюшего нулевого по тенциала на выходе инверторов 19, 22 ециничный потенциал с выхоца схемы 21 сравнения при совпадении zona энако45 БОГО разряда с кОцОм двух старших цифровых разрядов, а третий вхоц схемы 20 подключен к выходу инвертора 22.

При отсутствии запрешаюшего нулевого, потенциала на выходе инверторов 19, 22

5а:единичный потенциал с выхода схемы 21 сравнения через схему 20 совпацения юступит на суммируюший ахоп ревер сивного счетчика 18 и увеличит его коц нв единицу. Коц счетчика 18 расшифро вывае жя дешифратором 23, так что хвж дому диапазону измерения соответствует onss воэбужценный выхоц цешифрато ра. После перехода на послецний циапазон. 0 1083006 10 с максимальным значением < (соотнес- очередного импульса генератора 1 через ствующий измерению минимальных частот схему 26 запрета. Таким образом, на вращения), нулевой потенциал с выхода . выхоце схемы 26 запрета буцут сигналы инвертора 22, подключенного своим вхо- со средней частотой f о равной цом к последнему выходу цешифратора 23, g ф закроет схему совпадения 20, и цальней, шее увеличение кода счетчика 17 будет > CP блокировано. Импульсы с частотой 1 поступают на

Работа блока 7 основана на исключе- вхоц вспомогательного счетчика 27, копии кажцого импульса с номером 2 в 10 торый имеет коэффициент пересчета, серии импульсов генератора 1. Иля это, равный коэффициенту пересчета счетчи го (фиг. 2) коммутатор 24 подключен ка 2, так что на выходе счетчика 27 своими информационными входами к выхо- будут сигналы с частотой д . дам триггеров счетчика 2, а на управ- . Блок З вычитания частот включает ляюшие входы коммутатора 24 поданы.вы- 15 в себя балансный модулятор и фильтр ходные сигналы от цешифратора 23. При на- нижних частот. личин ециничного потейциала на q -ом Таким образом, предлагаемое устрой выхоце дешифратора 23 выходной сигнал ство позволяет с приемлемой цля больф ого триггера счетчика 2 через комму- шинства практических. применений точ» татор 24 поступит на ахоп формировате 20 постыл измерять как угловое положение, ля 25 коротких импульсов, выходной так и скорость вращения вала в широком

csrHan которого запретит, прохождение диапазоне частот вращения.

Код угло5осо положения

1063б06

Составитель М. Хаустов

Техреду.М.Костик .: Корректор О. Билак

Редактор О. Сопко !

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8863/42 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ: Государственного,комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., n. 4/S