Цифровой тахометр

 

ЦИФРОВОЙ ТАХОМЕТР, содержащий микро-ЭВМ, переключатель сигналов запуска и последовательно соединенные контактор, электродвигатель, растровый датчик угловых перемещений, схему управления, при этом второй выход контактора подключен к первому входу переключателя сигналов запуска, вьпсод которого соединен с вторым входом схемы управления, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и уменьшения избыточности информации, в него введены компаратор, преобразователь код-напряжение, постоянное запоминающее устройство, счетчик,адреса, управляемый делитель частоты, триггер, схема совпадения, устройство квантования периода, буферный регистр и вычислительное устройство, причем второй выход растрового датчика угловых перемещений подключен к первому входу компаратора, выходом соединенного с третьим входом схемы управления, первый выход которой подключен к первому входу буферного регистра, а через устройство квантования периода к первому входу микро-ЭВМ и к первому входу вычислительного устройства, вьгходом соединенного с вторым входом буферного регистра, выход которого подключен к второму входу микро-ЭВМ, к втором - входу вычислительного устройства и к первому входу управляемого делителя частоты, выходом соединенного с четвертым входом схемы управления , второй выход которой подключен к второму входу устройства квантования периода и к первому входу схег-Я) совпадения, третий и четвертый выходы схемы управления соединены с входами триггера, выходом подклюСП ченного к второму входу схемы собпа .дения, выход которой соединен с вто00 QO 00 рым входом компаратора, при этом первый выход растрового датчика угловых перемещений подключен к второму входу переключателя сигналов запуска, выходом соединенного с третьим входом микро-ЭВМ.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(st) С 01 Р 3/489

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (21) 3642222/24-10 (22) 16.09.83 (46) 23.04.85. Бюл. М 15 (72) В.А.Поджаренко и П.Л.Иельничук (71) Винницкий политехнический институт (53) 621. 317. 39: 531. 77 (088.8) (56) 1. Кирианаки Н,В., Дудыкевич В.Б.

Иетоды и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот.

Львов, "Вища школа", 1975, с. 151-153.

2. Экспресс-информация ПЭВТ, 1974, вып. 48, с. 5-11 (прототип).

/ (54) (57) ЦИФРОВОЙ ТАХОИЕТР, содержащий микро-3ВМ, переключатель сигналов запуска и последовательно соединенные контактор, электродвигатель, растровый датчик угловых перемещений, схему управления, при этом второй выход контактора подключен к первому входу переключателя сигналов запуска, выход которого соединен с вторым входом схемы управления, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и уменьшения избыточности информации, в него введены компаратор, преобразователь код-напряжение, постоянное запоминающее устройство, счетчик, адреса, управляемый делитель частоты, триггер, схема совпадения, устройство квантования периода, буферный регистр и вычислительное устройство, причем второй выход растрового датчика угловых перемещений подключен к первому входу компаратора, выходом соединенного с третьим входом схемы управления, первый выход которой подключен к пер— ному входу буферного регистра, а через устройство квантования периода— к первому входу микро-ЭВИ и к первому входу вычислительного устройства, выходом соединенного с вторым входом буферного регистра, выход которого подключен к второму входу микро-ЭВИ, к второму входу вычислительного устройства и к первому входу управляемого делителя частоты, выходом соединенного с четвертым входом схемы управления, второй выход которой под- ( ключен к второму входу устройства квантования периода и к первому входу схемы совпадения, третий и четвертый выходы схемы управления соединены с входами триггера, выходом подключенного к второму входу схемы совпа- ©

:дения, выход которой соединен с вторым входом компаратора, при этом пер- О© вый выход растрового датчика угловых перемещений подключен к второму вхо- QQ ду переключателя сигналов запуска, выходом соединенного с третьим вхо- . дом микро-3ВМ.

3 1151

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к средствам измерения угловых скоростей, и может найти применение в машиностроении и приборостроении. 5

Известно устройство измерения угловой скорости, содержащее датчик угловой скорости, устройство квантования периода и блок преобразования периода информативного сигнала в 1О число, пропорциональное скорости вращения.

Принцип действия такого устройст Ва основан на подсчете импульсов опорной частоты от образцового квар- 15 цевого генератора за промежуток времени Т между двумя или несколькими импульсами от датчика с. последующим преобразованием период — угловая скорость. При нормировании динамической 3) погрешности такого. устройства существенно уменьшается верхний предел из-. мерения угловой скорости. Для его расширения необходимо автоматически переключать пределы измерения, что 25 приводит к усложнению схемы прибора и сохраняет его функциональные возможности на том же уровне 31) °

Однако такое устройство снабжено датчиком угловой скорости с низкой разрешающей способностью, что снижает его динамическую точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является цифровой тахометр, содержащий микро-ЭВМ, переключатель сигналов запуска и последовательно соединенные . контактор, электродвигатель, .растровый датчик угловых перемещений, схему управления, при этом второй выход 4О контактора подключен к первому входу переключателя сигналов запуска, выход которого соединен с вторым входом ,схемы управления $2). .Такое устройство реализует метод 45 квантования периода информативного сигнала с последующим вычислением по указанному в статье алгоритму угловой скорости. Несмотря на то, что датчик имеет высокую разрешающую 50 способность (Е= 10800}, точность такого устройства низкая. Это обуславливается тем, что в динамическом режиме работы (при снятии характерис.тик разбега) погрешность такого та- 55 хометра определяется двумя составляющими " погрешностью дискретности и погрешностью усреднения скорости

888 3 на пути 2Ji/2 (2 — число штрихов круroaoA периодической, меры дискретного преобразователя угла). Причем первая составляющая погрешности особенно проявляется в области высоких иэмеряейых скоростей вращения, а вторая в области низких и зависят они от Z.

Увеличение разрешающей способности приводит к уменьшению погрешности усреднения (начальный участок характеристики разбега) и к увеличению погрешности дискретности (установившийся режим), и, кроме того, в этом же режиме возрастает избыточность информации, а это приводит к необходимости увеличения объема запоминающего устройства микро-3ВМ увеличению времени обработки всей полученной информации. Этот недостаток можно было бы устранить путем использования датчика с высокой разрешающей способностью с последующим делением частоты. информативного сигнала (переключение диапазонов измерения). Но число переключателей невелико, а значит погрешность изменяется в широких пределах.

Однако датчики с высокой разрешающей способностью и фиксированным Z имеют ограниченный верхний предел измерения угловой скорости.

Фиксированное значение Z приводит к возникновению еще одной составляющей динамической погрешности, обусловлен— ной заменой объекта измерения,так как не существует одинаковых объектов даже среди объектов заданной номенклатуры, Например, если к цифровому тахометру, обладающему какой-то определенной динамической погрешностью, подключить электродвигатель с более низкой постоянной времени, то динамическая погрешность возрастает, и наоборот, увеличение постоянной времени объекта ,измерения приводит к уменьшению динамической погрешности и к повышению избыточности информации.

Из этого следует, что для минимизации динамической погрешности необходимо изменять разрешающую способность датчика.

Цель изобретения — повышение разрешающей способности и уменьшение избыточности информации.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой тахометр, содержащий микро-ЭВМ, переключатель сигналов запуска и последовательно соединенные контактор, электродвигатель, растро3 115 вый датчик угловых перемещений, схему управления, при этом второй выход контактора подключен к первому входу переключателя сигналов запуска, выход которого соединен с вторым входом схе- мы управления, введены компаратор, преобразователь код-напряжение, постоянное запоминающее устройство, . счетчик адреса, управляемый делитель частоты, триггер, схема совпадения, устройство квантования периода, буферный регистр, вычислительное устройство, причем второй выход растрового датчика угловых перемещений подключен к первому входу компарато-, ра выходом соединенного с третьим входом схемы управления, первый выход которой подключен к первому входу буферного регистра, а через устройство квантования периода — к первому входу микро-ЭВМ и к первому входу вычислительного устройства, выходом соединенного с вторым входом буферного регистра, выход которого подключен к второму входу микро-ЭВМ, к второму входу вычислительного устройства и к первому входу управляемого делителя частоты, выходом соединенного с четвертым входом схемы управления, второй выход которой подключен к второму входу устройства квантования периода и к первому входу схемы совпадения, третий и четвертый выходы схемы управления соединены с входами триггера, выходом подключенного к второму входу схемы совпадения, выход которой соединен с вторым входом управляемого делителя частсты, а через последовательно соединенные счетчик адреса, постоянное запоминающее устройство и преоб40 разователь код-напряжение — с вторым входом компаратора, при этом первый выход растрового датчика угловых перемещений подключен к второму входу переключателя сигналов запуска, 4$ выходом соединенного с третьим входом микро-3ВМ.

1888 4

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; gO на фиг. 2 — его временные диаграммы.

Цифровой тахометр содержит контактар 1, электродвигатель 2, раст. ровый датчик 3 угловых перемещений, компаратор 4, схему 5 управлений, устройство б квантования периода, микро-ЭВМ 7, схему 8 совпадения, триггер 9, счетчик 10 адреса, постоянное запоминающее устройство 11, преобразователь 12 код-напряжения, управляемый делитель 13 частоты, буферный регистр 14, вычислительное устройство 15 и переключатель 16 сигнала запуска.

Контактор 1 вторым выходом подключен к переключателю сигнала запуска, выход которого соединен со схемой 5 управления и микро-ЭВИ 7, а первым выходом контактор 1 подключен к электродвигателю 2, вал которого сочленен с осью модулятора растрового датчика 3 угловых перемещений, имеющего два выхода. Выход 2— основной информативный выход (выход

sin-сигнала) соединен с одним иэ входов компаратора 4, выход которого подключен к основному входу (вх,3) схемы 5 управления. Выход растрового датчика 3 (выход соз-сигнала) подключен к переключателю 16 сигнала запуска и к первому входу (вх. 1) схемы

5 управления. Выход 1 схемы управления является информативным ее выходом, подключен к одному из входов устройства 6 квантования периода, к второму входу которого подключен второй выход (вых,2) — выход опорного сигнала схемы 5 управления. Устройство 6 квантования периода своим выходом подключе" но к одному из входов микро-ЭВИ, а также к одному из входов вычислительного устройства 15, выход которого соединен с вторым входом буферного регистра, первый вход которого подклю-. чен к выходу 1 (вых. 1) схемы 5 управления. Кроме того, вторые входы микро-ЭВМ 7, вычислительного устройства 15, а также кодовый вход управляемого делителя 13 частоты подключены к выходу буферного регистра 14. Второй вход управляемого делителя 13 частоты, а также вход счетчика 10 адреса подключены к выходу схемы совпаt дения, один вход которой подключен к второму выходу (вых. 2) схемы управления, а второй ее вход соединен с выходом триггера 9, входайи подключенного к третьему и четвертому выходам схемы 5 управления. Выход управляемого делителя частоты соединен с четвертым входом (вх. 4) схемы управления. Счетчик 10 адреса, постоянное запоминающее устройство 11 и преобразователь 12 код-напряжение соединены последовательно, а выход по" следнего подключен к второму входу мпаратора. Контактор 1 служит для

1151888 6 одновременного запуска исследуемого электродвигателя 2, микро-ЭВМ 7 и ее устройства сопряжения с датчиком 3.

Переключатель сигнала запуска служит для управления работой всего уст- 5 ройства. Коэффициент его пересчетного устройства выбирается таким, чтобы полностью заполнить отведенные ячейки ОЗУ микро-ЭВМ информацией о периодах информативного сигнала. 10

Устройство работает в два такта.

В первом такте происходит квантование периодов информативного сигнала датчика и запись информации в ОЗУ микро-3BN, Квантование начинается 15 по получении сигнала от схемЫ 16 одновременно с включением электродвигателя. Счетчик переключателя сигнала запуска считает число периода на втором выходе растрового датчика, 20

Импульс переполнения счетчика переключателя сигналов запуска поступает на схему 5 управления и прекращает квантование периодов сигнала датчика, а также поступая на микро-ЭВМ 25 дает команду на обработку информации. вычисление по заданному алгоритму значений угловой скорости, динамического момента, т.е. разрешение на начало второго такта работы. ЗО

Первый такт работы цифрового та,хометра.

Информативный сигнал синусоидаль,ной формы (Uq =Б 81ПЧ) с BTopoI Î вы хода датчика 3 поступает.на один из входов компаратора 4, где осуществляется его неравномерное квантование с целью преобразования крутизны синусоиды, которая изменяется с изменением измеряемой скорости, в час- 0 тоту следования импульсов. Зто позволяет повысить разрешающую способность цифрового тахометра. Напряжение П, сравнивается с выходным напряжением преобразователя 12 код-на- 5 пряжение (ПКН) при помощи компаратора 4. Уровни напряжения ПКН соответствуют значениям сигнала Б зхпМ через Ti/9, т.е.

U =ц 5ihll (9 Ц =g э;д ggJg 50. и т.д. Входные коды ПКН, обеспечивающие значения U U 2 H U задаются при помощи постоянного запоминающего устройства ПЗУ 11 Адресные входы .55 ПЗУ подключены к счетчику 10 адреса.

Для реализации непрерывного квантования сигнала U„ c выхода компаратора 4 на вход счетчика 10 адреса через схему 5 управления заведена цифровая положительная обратная связь.

При совпадении каждого уровня выходного напряжения КПН с напряжением U„ на выходе компаратора появляется импульс, т.е. происходит преобразование крутизны синусоидального сигнала в частоту. Эта последовательность импульсов поступает на второй вход схемы 5 управления и проходя ее подается на устройство 6 квантования периода, а на первый вход схемы 5 управления с второго выхода датчика

3 подается сигнал прямоугольной формы, сдвинутый относительно U на Т /2.

Это необходимо для различия четвертей периода. сигнала U, . Кроме того, перепад напряжений на выходе компаратора 4 формируется формирователями

Ф1 и Ф2, входящими в схему 5 управления, в зависимости от значения

U =0„соз М и управляет работой триггера 9. Последний устанавливается в состояние условной " 1", открывая схему 8 совпадения, и импульсы от генератора опорной частоты, входящего в схему 5 управления, с второго ее выхода поступают на счетчик 10 адреса, Каждый прошедший через схему 8 совпадения импульс устанавливает счетчик

10 в новое состояние, а триггер 9 в состояние условного "0", Таким образом, замыкая цепь обратной связи, производят умножение информативного сигнала в 18 раз. Периоды этого сигнала; квантуются опорной частотой f (вых.2 схемы 5 управления) в схеме 6 квантования периода, и коды подаются в мик" ро-ЭВМ 7, а также в вычислительное устройство 15, в котором осуществляется определение разрешающей способности датчика на основе информации о динамических характеристиках объекта измерения.

Алгоритм работы вычислительного устройства определяется следующим образом. В процессе разбега электродвигателя cKopocTb вращения его вала изменяется по такому закону:

n(41=n,(1- 1"), где n — скорость вращения при установившемся режиме работы; — электромеханическая постоянная времени электродвигателя °

Эта зависимость может быть апроксимирована

7 () Kt; e(т

11 4 >r a о 1

1151888 8 ти с учетом конструктивных параметров датчика и с учетом динамических свойств объектов измерения на основании априорной информации.

Код i-го периода определяется

2»

1. о " и 2

Так1как каждое следующее значение интервала квантования стремится к оптимальному интервалу квантования, то 2. L (м1)-aM -a(Yi Vl-1 )

C другой стороны

R=, ÖñÈ где К=п /Т= max — максимальное ускорение вала.

Расчет значения моментов времени появления импульсов от датчика угловой скорости (ДУС) 3.

Первый импульс от ДУС 3 поступает через время, за которое вал повернет-10 ся на угол 2 /2, второй — 47/2 и т.д., т.е. первый импульс появится через

1/2 поворота вала, второй — 2/Z, а

i-й — i/Z. Количество оборотов вала

R за время t определяется соотношением: 1 о т и О 1+1

Следовательно о

Для начального участка характеристики при t< 7. R равно 20

К"- gtdt = е

Но с другой стороны

%= 1 (Z, Следовательно z;

В результате квантования каждого периода информативного сигнала на выходе устройства 6 квантования периода .будут соответствующие коды:

35 м,= (t - „) у .

N. = (4.-t. где f — частота. опорного генератора. о

Оптимальным режимом измерения 40 скорости вращения вала можно считать режим, при котором погрешность средства измерения (погрешность квантования — Ь„о )была бы ограничена во всем рабочем диапазоне скоростей, З д, сд сь

KS; оба кв кв. вах с

Это достигается путем сравнения

N с некоторым наперед заданным

N и ограничения частного от деле- о о11т ния, т.е.

1Otlx

К.„

i где а — некоторое число (О(а<1). И

В устройстве NT 2000. Это зна-. оот чение выбрано из .условия минимума погрешности измерения угловой скорос

2; (;+ -1 1 Z,. 2 +" о2 ; -11= =„ъ

2/Г+1 Г 2

- ф-1 где величина постоянная для каждого i-го измерения, легко вычисляется и учтена при прожигании ПЗУ вычислительного устройства 15.

С учетом этого упрощения алгоритм выбора Z представляется соотношением Ф

2., =

+1 „2

Таким образом, в вычислительном устройстве происходит экстраполяция значения разрешающей способности датчика угловой скорости на основе . известного значения разрешающей способности предшествующего такта, а также на основе информации, которую несет код N . После того ° как код

Б с выхода устройства квантования периода поступает в устройство 15, где вычисляется Z;+ происходит за" пись кода, соответствующего Е;+„ в буферный регистр f4. Каждый новый импульс, который подается с вых. 1 схемы 5 управления на вход устройства 6 квантования периода, тактирует буферный регистр 14, и значение 2,. (уже прошедшего такта) с его выхода подается на второй вход вычислительного устройства 15 для вычисления разрешающей способности Z., подается в микро-ЗВМ 7 для дальнейшей обработки информации, а также подается на второй вход управляемого делителя 13 частоты.

Делитель 13 построен таким образом, что в зависимости от управляюще9 11 51888 )О го кода, поступающего с выхода буфер- Погрешность измерения угловой сконого регистра 14, делитель выдает 1 рости определяется двумя составляю/ импульсов, таким образом осуществля- щими: ется измерение разрешающей способности устройства в соответствии с тре1 . их буемым алгоритмом. ЬУЕ Z 2

Мгновенные значения угловой скорости вычисляются в микро-ЭВМ на основе информации Мт. и Е, Устройство имеет более высокую точность.

Достоинство устройства заключается в том, что разрешающая способность датчика изменяется в каждом цикле измерения, а не 1-2 раза на весь диапазон измерения.

4ok, т 2 "т

1 де К=6O f,.

Чтобы не загромождать память микро-ЭВМ при вычислении экстраполирован ного значения разрешающей способности тахометра использовано вычислительное устройство 15.

Использование такого тахометра позволит повысить разрешающую способ-20 ность в 18 раз.

Изменение разрешающей способности датчика позволяет поддерживать заданную погрешность во всем диапазоне измерения, 25

Кроме того, изменение разрешающей способности датчика цифрового тахометра уменьшает избыточность информации.

Применение такого тахометра в машиностроении, приборостроении позволит повысить точность измерения угловой скорости, достоверность контроля качества электродвигателя,что приведет к повышению качества выпускаемой продукции.

1151888

Составитель И.Хаустов

Редактор P.Öèöèêà Техред С.йовжий Корректор В.Гирняк

Заказ 2314/34 Тираж 897 Подаисное

ВНИИПИ Государственнога комитета СССР по делам изобретений и открытий I13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.узыород ул.Проектная,.4