Преобразователь угла поворота вала в код

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в системах позицирования и регулирования скорости. Целью изобретения является повышение точности преобразователя . Для этого в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий датчик положения, два демодулятора, два преобразователя напряжения в код, введены два формирователя напряжения, (Матричный дешифратор, блок определения знака угла, два дешифратора, два элемента И-Ш1И. Поставленная цель достигается за счет кодирования выходных кодов преобразователей напряжения в код с учетом возможных разбросов напряжений на выходах датчика положения. 6 ил., 2 табл. tc X

СО(ОЗ СОЕЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (5g 4 Н 03 M 1/64

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ g .

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3914723/24-24 ,(22) 22.04.85 (46) 30.12.86, Бюл.Ф 48 (72) В.П.Лянзбург (53) 681,325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 742999, кл. G 08 С 9/04, 1978, Авторское свидетельство СССР

И 1050410, кл. G 08 С 9/64, 1982. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА

ВАЛА В КОД (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в системах позицирования и регулирования скорости. Целью изобретения является повышение точности преобразователя. Для этого в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий датчик положения, два демодулятора, два преобразователя напряжения в код, введены два формирователя напряжения,,матричный дешифратор, блок определения знака угла, два дешифратора, два элемента И-ИЛИ, Поставленная цель достигается за счет кодирования выход» ных кодов преобразователей напряжения в код с учетом возможных разбросов напряжений на выходах датчика положения, 6 ил., 2 табл.

1280701

Изобретение относится к электротехнике сигналов и может быть использовано в системах позиционирования и регулирования скорости, Цель изобретения — повышение точности преобразователя.

На фиг.l изображена схема преобразователя угла поворота вала в код; на фиг.2 — схемы демодуляторов, формирователей напряжения блоков, определения квадранта и знака угла; на фиг. 3 — диаграммы изменения выходных напряжений демодуляторов (а) и угла (б); на фиг,4 — зависимость вычисленного угла от угла поворота вала; на фиг.5 — диаграммы на выходе блока определения квадранта угла (а) и круговая диаграмма (б); на фиг,6 диаграммы сигналов на выходе схемы определения знака угла.

Преобразователь угла поворота вала в код содержит датчик 1 положения с выходными обмотками 2 и 3, демодуляторы 4 и 5; формирователи 6 и 7 напряжения, блок 8 определения знака угла, блок 9 функционального преобразования, который выполнен в виде блока 10 определения квадранта, преобразователей 11 и 12 напряжения в код (IIHK) дешифраторов 13 и 14, матричный дешифратор 15, шину )6 данных.

Матричный дешифратор 15 состоит из ячеек 17 с элементом И-ИЛИ входами 18,19, вертикальными и горизонтальными, ячейка имеет входы 20, элементы И-ИЛИ 2),22.

Понятия горизонтальности и вертикальности являются условными и соот. ветствуют чертежу на фиг.!.

Блок 10 определения квадранта содержит инверторы 23 и 24, формирователи 25 — 28 напряжения, элементы И 29 — Зl.и элементы ИЛИ 32 и 33, Блок 8 определения знака угла содержит инвертор 34, формирователи

35 и 36 импульсов, элементы И 37 и 38 и триггер 39.

Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим, образом.

На выходных обмотках 2 и 3 датчик

1 положения формируются два переменных напряжения, огибающая которых пропорциональна синусу и косинусу угла Ч = 4) поворота, Демодулированные напряжения (фиг.3а) несут исходную информацию об угле поворота и поступают на входы преобразователей (ПНК) 11 и 12 и формирователей 6 и 7.

Выходные коды ПНК 11 и )2 изменяются при увеличении или уменьшении их входных сигналов на опеределенную ступеньку, в результате чего кривые

5 U) и У на фиг, Эа апроксимируются ступенчатыми зависимостями N u N л где N — значение кода, соответствующее текущему значению входного напряжения ПНК 11 и 12, Число ступеней, f0 на которое разбивается амплитуда U зависит от требуемой точности апроксимации (например, на фиг.За — 27 ступенек) и диапазона разброса амплитуды U . Очевидно, что в реальных устройствах амплитуда напряжений U и U не может быть абсолютно стабиль2 ной и кривые при эксплуатации устройства могут находиться в некоторых гРаницах U è U, U„ H U соответственно.

Сигнал угла поворота вала определяется как аргумент вектора

Ч вЂ” acct П /U

Однако в данном случае вычислений по формуле (1) не производят, а определение угла Ч осуществляют с помощью матричного дешифратора 15 (фиг,l). Как видно из формулы (1) каждой паре значений U u U соотЛ ветствует определенное значение Ч, поэтому в ячейках матрицы записаны значения кода угла Ч,соответствующие различным парам значений U и U, ab)л

З5 численные по формуле (1) для значений

U и U, соответствующих одному и .:,тому же моменту времени, Данный алгоритм работы преобразователя осуществ)ляется следующим образом. Коды с выходов ПКН 11 и 12 поступают на входы дешифраторов 13 и 14, Каждому значению кода на входе дешифратора соответствует сигнал на одном из его выходов, Выходные сигналы дешифраторов 13 и !4 поступают соответственно на вертикальные 18 и горизонтальные 19 входы матричного дешифратора 15 и ее ячеек 17, так как на входе каждой ячейки 17 стоит элемент совпадения, то данная ячейка 17 возбужда ется в том случае, если на ее горизонтальный 19 и вертикальный 18 входы одновременно подается сигнал

55 логической "1". Коды, записанные в каждой ячейке 17 заранее программируются в соответствии с табл,l, в левом вертикальном столбце которой

3 12807 указаны значения ступенчатой кривой

N„, апроксимирующей напряжение U1, а в верхнем горизонтальном ряду приведены значения апроксимирующей кривой И2 Эти эначени N„ N> Форми 5 руются на выходах ПНК 12 и 11 соответственно, Как указывалось выше, каждому коду ПНК ll и 12 соответствует возбуждение одного из выходов дешифраторов 13 и 14, следовательно, 10 значения И„ и N, указанные в табл.1, 2 одновременно обозначают номера возбужденных выходов дешифраторов 14и

13 соответственно. В клетках табл,1 приведены значения угла в градусах, вычисленные по формуле (1), по значениям И1 и Иг для данного момента времени. Эти значения угла запрограм. мированы в ячейках 17 в двоичном коде, который выдается на выходную 20 шину 16.

Как указывалось выше, в реальном устройстве амплитуды кривых U v находятся в некотором диапазоне.

Поэтому в любой момент времени каждо- 5 му значению U (или И ) может соответствовать .Ряд значений Ua (или И ) (фиг.За). Это отражено в табл. 1, Например, значение N„ = 1, которое существует на некотором отрезке времени, может соответствовать ряд иэ шести значений И, Равных 27,26,25,24

23,22. Следовательно, по формуле Ч =

arctg И /И будет вычислено шесть значений угла g равных 2,1; 2.2; 35

2,3; 2,4; 2,5; 2,6 град. Эти значения угла записаны в ячейки 17 в виде кода. Следовательно, реальный угол ,поворота определяется с погрешностью, зависящей от возможного разброса 40 амплитуд кривых 111 и 0 и отклонения их формы от синусоиды. Количество значений N, соответствующих одному значению N зависит от разброса ам1 плитуд сигналов U u U, .На фиг.За

1 этот разброс достигает 207. от амплитуды U поэтому при выбранном уровне квантования потребовалось шесть значений U для одного значения U . В реальных, устройствах стабильность напряжения Ц „ и 11 значительно выше, поэтому количество совпадающих значений N u N по горизонтаг лям и вертикалям табл, 1 значительно меньше. В соответствии с табл,1 на вертикальные входы верхнего ряда ячеек 17 поступает сигнал с первого . выхода дешифратора 14, выходные сиг0l 4 налы которого отображают сигнал N„ .

На горизонтальные входы ячеек 17 зто. го ряда матричного дешифратора 15 поступают сигналы с выходов дешифратора 13, отображающие сигнал N .На горизонтальные входы ячеек 17 первого (слева) столбца ячеек 17 поступает сигнал 13 с выхода дешифратора N» а на вертикальные входы ячеек 17 поступают сигналы с выходов дешифратора

14.

Входы остальных ячеек 17 соединены с выходами дешифраторов 13 и 14 в соответствии с табл.l. Зависимость угла,Ч, вычисленного по формуле Ч =

К " 1 г где " = "м э пи

= U cos М t от реального угла

ы поворота вала представляет собой прямую А (фиг,4), Так как в предлагаемом преобразователе осуществляется квантование напряжений U и U2, а в ячейках 17 закодированы дискретные значения угла Ч, то на выходную шину

16 выдаются дискретные значения угла в виде кода, поступающего с выходов ячеек 17. Поэтому зависимость

Ч(ы1) представляет собой ступенчатую кривую В (фиг,6).

Формула (1) однозначно определяет угол Ч лишь в диапазоне от 0 до 90, o для определения угла в пределах 360 следует пользоваться выражением

arctg U< 1.12 + о1, (2) где Ч ° = 0, 90, 1800, 270 — начальный угол i-го квадранта, l.

1 — 4, Формирование сигналов М ; осуществляется блоком 10 определения квадранта, С выходов блока 10 в шину 16 поступают две линии связи, по которым предлагается код начального угла

Ч ; в соответствии с табл.2 в двоичной системе в виде двух разрядов.

Блок 10 определения квадрантов работает следующим образом. Выходные сигналы формирователей 6 и 7 поступают на входы инверторов 25, 27 (фиг,2), выходные сигналы которых инвертируются инверторами 26, 28, в результате чего формируются четыре сигнала Т, Т, Т в и Т (фиг.5), 27 25 несущие исходную информацию о квадранте угла. Сигналы Т и Т т соответствуют напряжениям U u U (фиг. За) .

Элементы И 29 - 31 формируют импульсы T 9 — Тг5 Тгв э Т = Тр Тр

Тд = Тг ° Т, котоРые суммируются

80701 6 жающая точка на фиг,56 последовательно проходит 3,2 и 1-й квадранты по часовой стрелке и возвращается н исходное положение Ч = 0 в момент времени t, . Дальнейшее движение вала сонершается в области отрицательных ., 5 12 элементами ИЛИ 32 и 33. Их выходные сигналы Т32 и Т инвертируются инверторами 34,35, после чего четыре сигнала Т32 Тзз Т3 = ТЭ2, Тд Т3 поступают на выходы элемейтов И-ИЛИ

21 и 22 (фиг,1). На входы элементов

И-ИЛИ 21 и 22 поступают сигналы Т и с выходов блока 8 определения знака угла. При положительных значениях угла сигнал ньдается с прямого, а при отрицательных — с инверсного выходов блока 8, За нулевое значение угла принято то, котоное показано на фиг,За и характеризуется соотношениями: U = О, U = +U г

Если сигнал выдается с прямого выхода блока 8,то на выходы элементов И-ИЛИ

21 и 22 проходят сигналы с прямых выходов блока 10, если же сигнал выдается с инверсного выхода блока 8, то на выходы элементов И-ИЛИ 21 и

22 проходят сигналы с инверсных выдов блока 10, т,е. при положительном знаке угла с выходов элемента И-ИЛИ

21 и 22 снимается прямой, а при отрицательном знаке угла обратный код.

Это необходимо для обеспечения правильных значений начальных углов квадрантов при положительных и отрицательных углах, На фиг,5а показаны сигналы Т и Т, значения кода и соответствующие им квадранты 1 — 4 для двух направлений вращения вала: условно положительного (протин часовой стрелки) и отрицательного (по часовой стрелке), Реверс вращения вала происходит в момент времени +, 4

На фиг,5 направление вращения указано стрелками, а также показаны коды кнадрантов, их начальные углы и обозначения квадрантов, причем, для положительного вращения квадранты имеют обозначения +1, +2, +3, +4, а для отрицательного — (-1), (-2), (=3), (— 4). Пусть вал вращается н положительном направлении, начиная с нулевого значения угла. В первом кнао драите Ч<„ = О, а код Т „ = О, Т, = О. При переходе во второй кнад 22 .рант (+2) код Т. „= 1. Т„= О (01), а = 90, При переходе в третий квадрант код принимает значение 10, а Ч = 180 . Далее движение вала происходит до момента времени 1 (на фиг.5& до точки 1;„ ), в который вал ренерсируется (изменяется знак скорости). Угол уменьшается, сохраняя положительный знак, при этом изобра углов,которым соответствует изменение знака угла сдвига по фазе напряжений и U (фиг.За) и сигналов Т и

f0 Т на фазе (фиг.5а), 11ри, Ч ) О угол равен +9СО, а при Ч 0 угол

О изменяет знак, т,е. Ф. = -90 . В результате этого блок 8 определения знака угла выдает сигнал с инверсно15 го выхода, в результате чего на выходы элементов И-H3I91 21 и 22 проходят сигналы с инверсных выходов блока 10 (выходы инверторов 23 и 24 на фиг.2), т,е, номера квадрантов выдаются в

20 обратном коде, Как видно из фиг.5> начиная с момента времени вьдается код 00, чтЬ соответствует первому отрицательному квадранту (-1), совпадающему с четвертым положительным квадрантом. Начальное значение (-1) квадранта равно Ч

04 =-О,Далее изображающая точка проходит все четыре квадранта и возвращается н исходное положение, при этом

30 коды квадрантон принимают значения

00, 01, 10, 10, которым соотнетствуют начальные углы -О, -90, -180 о 0 о

-270 н соответствии г табл,2, Знак минус здесь услойлен, так как знак

35 угла обозначается кодом выходного сигнала блока 8, С выходов элементов ii — ИЛИ 21 и

22 код квадранта по двухразрядной линии связи поступает в шину 16, на

40 которой код ячеек 17 и код кнадрантов образуют полный код угла, изменяющийся в пределах Mt = (0-360) по апроксимирующей прямой (фиг.36)

Состанляюшие этого кода выходной код

45 матричного дешифратора 15 и код кнадрантов отображаются кривыми Р и Е соответственно (фиг,36).

Работа блока 10 основана на выян1пении временного совпадения коротких

50 импульсов U < и 11, с выходов формирователей 35 и 36 и импульсов Uz с выходов формирователей 7. В зависимости от совпадений на выходе 37,38 формируются импульсы 3 7 = (13 (1, 55 (1 = Б 6 13., устанавливающие триггер 39 н то или иное состояние, В интервале времени О-t (фиг.б) при вращении вала формируются импуль7 !2807 сы U, которые устанавливают триггер

39 в состояние T = 1, соответствующие положительному знаку угла который возрастает от нулевого значения, определяемого напряжениями

Б и1-1, У(=О, У =U. Вмомент ( времени t„ изменяется знак скорости, вследствие чего угол ((уменьшается, сохраняя свой знак, В момент времени угол Ч = О начинает изменяться 10

2 в сторону отрицательных значений.

Вследствие изменения знака сдвига фаз между напряжениями U и U (при (4 > О сдвиг фаз K > 0, а при f 4 О

К 1 О) формируются импульсы U устанавливающие триггер 39 в противоположное состояние: Т = О, Т = 1, что указывает на отрицательный знак угла. При дальнейшем вращении вала угол Ч достигает в момент времени 20 о значения 360, после чего отсчет начинается с О . В момент времени t< а знак скорости вновь изменяется, в связи с чем в момент времени t> угол (переходит через нулевое значение, изменяясь в сторону положительных, величин. При этом формируется сигнал устанавливающий триггер 39 в исходное положение, Таким образом, блок 8 определения знака выдает сигнал T = 1 или Тв = О, соответствующий положительному или отрицательному знаку углу Ч, изменяющемуся относительно нулевого значения, определяе мого напряжениями U = О и U>- =U . 35

Выходной сигнал блока 8 поступает по одноразрядной линии в шину 16.

Следовательно, код, снимаемый с шины

16, содержит информацию о знаке угла, начальном значении, угла квадранта, в котором находится угол и те-.

01 кущее значение угла в пределах. данного квадранта, т.е. полную информацию об угле поворота вала.

Формула и з о б р е т е н и я

Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий датчик положения, выходы которого соединены с входами первого и второго демодуляторов, выходы которых соединены со входами преобразователей напряжений в код, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены два формирователя,напряжения, блок определения знака. угла, матричный дешифратор, блок определения квадранта, два дешифратора и два элемента И-ИЛИ, выходы демодуляторов соединены через

1 формирователи напряжения с первыми и вторыми входами блока определения .знака угла и блока определения квадранта, выходы которого соединены с нечетными входами элементов И-HJIH первый выход блока определения знака угла соединен с первыми нечетными входами элементов И-ИЛИ, а второй выход — с вторыми нечетными входами элементов И-ИЛИ и является одним из выходов старших разрядов преобразователя, выходы элементов И-ИЛИ являются остальными выходами старших разрядов преобразователя, выходы первого и второго преобразователей напряжения в код соединены через первый и второй соответственно дешифраторы с горизонтальными и вертикальными входами матричного дешифратора, соответственно, выходы которого являются выходами младших разрядов преобразователя.

1О

Таблица 1

1280701

22 2! 20 19 18 !7

0 0

1 2 2.2 2.3 2.4 2 5 . 2,6

5,.2

5,0

6 3 6,6 6 9 . 7,1

7,4 7.8!

0,6 10,8 10.9 11.3 II,Ü 12.3

12.8 13.6

13 13.5 14

14,6

l5 3 15.9

17,7 18,4

15.1 15 ° 6 16,2 16,9

17 1 17 7 18 4 19 2 20

20.8 21,,8

22,2

19.1 19.8 20.6 21,4

23,2 24,2

Р

25,5 26,6 27.7

21.8 22.6 23,5

20.4

26,5 27,6 28,8 ЭО

28,6 29,7 31 32 ° 3 33.7

30,6 31.7 ЭЭ 30,4 35.8 37.4

23,7 24,6 25,6

25.6 26.6

27,5 Э

28 ° 4 29,5

Э2.5 33.7 35 36,4 37.3 39.5 41.2

31,3

348 355 36,7 388 398 414 448 45

33,1

37,7 38,6 00 41 ° 6 43,2 45 46.8

35 40 ° 4 41 .8 43,4 05

46,7 48,6

18

40 42 43,4 45

46,6 48 ° 4 50.2

43,5 45 46,5 48,2 50 51

49.6 51.Ý 53,!

46,5 48

49,4 51

22

56,9

24

26

0 0 0 0 0

2 4.2 4.4 4.6 4,8 8.4 8.7 9@i 9.5 9.9

52,7 54.4

54 58.7, 12,.

1280701

Продолжение табл.!

3 !2

ll !О 9. 8

48,6

56,8 58,2 60

62.3 64,5 66.8 69.1

57.5 52,4 61.4 64.4 65,6 67,8 70

58,У 60,5 62,4 64,6 66,5 68.6 70.8 73 75,4 77.7 80,1 82,8 85

87,5 90

6!,6 63.4 65.4 67,4 69,4 tl,б 73,7 76 78е5 80,2 83 85,2 87.6 90

83,7 85.8 87,9 90

50,5 52,6

52,1 54,2 56,3

53,6 55.6 57,7!

55 57 59

Г Г 1

59 ° 9 62 ° 2

6l в2 63в4 65э8 68э2 /0t7

7! 6 74 74 6 79 2 81 3

72.g 74.Ü 77.2 79.7 88.2 84.3 87.4 90

66,3 68,2 70,2 74.3 76.5 78 7 80.9 83 2 85,4 87,7 87,9 90

73 75 77 79,l 81,,2 89.4 85.6 87,8

1 разряд

2 разряд

180

270

Значение, град

1280701 !4

Таблица 2

s ""80701 оград

28

Zf

Я

И

1f

1Ф

Ю

Ф

0 2 0 Е 8 10121ФЮ 182022ZOZIZgag cot,граб.

Фиг. Ф

1280701

Tj

"i)

>ii

4 9 5

1 2 (Риг, b

Фцз. 5

Редактор А,Ревин

Заказ 7133/58

Производственно-полиграфическое предприятие, r,Óæãîðîä, ул,Проектная,4

r г» ги гд

Ъ т„ ï ив

Upj

Уу

Цу

1/,ц.

Ул

Ьа

7g

Тф

Составитель А.Сидоренко

Техред E. Кадар Корректор Л.Обручар!

Тираж 816 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д,4/5