Магнитомодуляционный преобразователь угла

 

Изобретение относится к бесконтактным преобразователям углового положения в электрический сигнал и может быть использовано в качестве датчика углового положения систем контроля и управления с вентильными электродвигателями. Цель изобретения - повышение точности преобразователя . Поставленная цель достигается тем, что в известный магнитомодуляционный преобразователь угла, содержащий ротор 1, первый и второй чувствительные элементы 2,3, первый и второй релейные элементы 4,5, первый , второй, третий формирователи 6,7,14 импульсов, элемент МЛН 8, пер вый элемент И 9, первый и второй одновибраторы 10,11, элемент ИЛИ 12, первый триггер 13, второй триггер 15, второй и третий элементы И 16, 17, первый сумматор 18, первый элемент 19 задержки, первый селектор 20, четверт1)1й и пятый элементы И 21, 22, третий триггер 23, второй селектор 24, первый инвертор 25, реверсивный счетчик 26, с элементом 27 памяти , введены второй сумматор 28, интегратор 29, второй элемент 32 задержки , нелинейный элемент 30, управляемый одновибратор 31, шестой эле мент И 33, третий одновибратор 34, G S

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABT0PCHOIVlV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И.ОТКРЫТИЙ (61 ) 1234721 (21) 4064874/24-24 (22) 30.04.86 (46) 23.07.88, Бюл.11 27 (71) Дальневосточный политехнический институт им. В.В.Куйбьппева (72) А.С.Суляев и В.Ф.Филаретов (53) 621 ° 317.39:531 ° 717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1234721, кл. G 01 В 7/30, 1984. (54) МАГНИТОМОДУЛЯЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА (57) Изобретение относится к бесконтактным преобразователям углового положения в электрический сигнал и может быть использовано в качестве датчика углового положения систем контроля и управления с вентильными электродвигателями. Цель изобретения - повьппение точности преобразователя. Поставленная цель достигает(19) (11) д (51) 4 И 03 М 1/64 G 01 В 7/30 ся тем, что в известный магнитомодуляционный преобразователь угла, содержащий ротор 1, первый и второй чувствительные элементы 2,3, первый и второй релейные элементы 4,5, первый, второй, третий формирователи

6,7,14 импульсов, элемент ИЛИ 8, пер. вый элемент И 9, первый и второй одновибраторы 10,11, элемент 2И-2ИИЛИ 12, первый триггер 13, второй триггер 15, второй и третий элементы, И 16, 17, первый сумматор 18, первый элемент 19 задержки, первый селектор

20, четвертый и пятый элементы И 21, 22, третий триггер 23, второй селектор 24, первый инвертор 25, реверспв- Я ный счетчик 26, с элементом 27 памяти, введены второй сумматор 28, пп- Я тегратор 29, второй элемент 32 за- ( держки, нелинейный элемент 30, управляемый одновибратор 31, шестой эле- Я мент И 33, третий одновибратор 34, 0Р фъ

141 ( второй инвертор 35, Введение восьми элементов 28-35 позволяет осу» ществить в предложенном устройстве линеаризацию выходных сигналов дат-чика, s результате чего повьппается точность преобразования . в 10 раз.

1976

Кроме того, используемый метод линеаризации в предложенном устройстве снижает требования к линейности выходных сигналов датчика, что значительно упрощает конструкцию датчика.

4 ил.

Изобретение относится к бесконтак", тным датчика, положения, к датчикам положения ротора вентильных электродвигателей, преимущественно магнитомодуляционного типа и является усо-r вершенствованием изобретения по авт. св. Ф 1234721.

Цель изобретения » повьппение точ ности определения углового положения ротора вентильного двигателя„путем введения линеаризации внешней харак» теристики датчика.

1О

На фиг,1 приведена структурная схема магнитомодуляционного преобра зователя угла; на фиг.2 диаграмма выходных сигналов датчика; на фиг ° 3 характеристика нелинейного элемента на фиг.4 - временная диаграмма ра,боты преобразователя.

Магнитомодуляционный преобразоваJl тель угла содержит ротор 1 в виде ,постоянного магнита, первый 2 и вто,рой 3 чувствительные элементы, первый

4 и второй 5 релейные элементы, первый 6 и второй 7 формирователи импульсов,элемент ИПИ 8,первый элемент И

9,первый 10 и второй 11 одновибраторы, .элемент 2И-2И-ИЛИ 12, первый триггер

;13, третий формирователь 14 импуль;сов, второй триггер 15, второй 16 и третий 17 элементы И, первый сумматор 18, первый элемент 19 задержки, первый селектор 20, четвертый 21 и ,пятый 22 элементы И, третий триггер

23 второй селектор 24, первый инвер" тор 25, реверсивный счетчик 26, элемент 27 памяти, второй сумматор 28, интегратор 29, нелинейный элемент

30, управляемый одновибратор 31, второй элемент 32 задержки, шестой элемент И 33, третий одновибратор 34, второй инвертор 35 °

Магнитомодуляционный преобразова тель угла работает следующим образом.

При повороте ротора 1 датчика в виде постоянного магнита с чувствительных элементов 2 и 3 магнитомодуляционного типа поступают широтномодулированные последовательности (ШИМ) импульсов, относительная длительность которых (скважность) изменяется по гармоническим законам 36 и 37 с относительным фазовым сдвигом

90 ° соответствующим пространственному сдвигу чувствительных элементов

2 и 3 около ротора 1.

Сигналы с чувствительных элементов 2 и 3 проходят через релейные элементы 4 и 5, улучшающие форму им» пульсов, и формирователи 6 и 7 импульсов, которые формируют короткие импульсы по информационному фронту

ШИМ. Последние сигналы через элемент

ИЛИ 8 поступают на первый вход первого элемента И 9, на .второй вход которого поступает стробирующий импульс 38 (фиг.2), формируемый относительно неподвижного фронта ШИИ с первого релейного элемента 4 с помощью последовательно соединенных двух одновибраторов 10 и 11. Длитель. ность импульса 38 и его расположение в периоде Т несущей частоты ШИМ соответствует участкам синусоид 36 и 37, близким к линейным (но не строго линейным) ° В данном случае протяо женность этих участков по 90 (сплоп -. ные участки синусоид 36 и 37).

Триггер 13 устанавливается по одному входу через третий формирователь 14 импульсов по моменту неподвижного фронта ШИМ и устанавливается по второму своему входу тем из корот50

3 I 41 1 97 ких импульсов информационных фронтов

ШИМ; положение которых в периоде совпадает с импульсом 38 строба. На одном выходе первого триггера 13

5 получается близкий к линейному (но не строго линейный) закон изменения скважности IIIHM импульсов 39,40,41 и

42, отличный от пилообразованного.

Преобразование закона (39,40,41 и 42)10 .в пилообразный (39,40,43, 44) производится путем инверсии сигналов 41и

42 на участке 180-360 угла Ы т.е. на том участке, где длительность

ШИМ импульса 37 больше длительности 15 импульса 36. Импульсы ШИМ 36 с первого релейного элемента 4 поступают на один вход второго элемента И 16, на второй вход которого поступают импульсы 37 информационного фронта 20

ШИМ, которые проходят элемент 16 толь. ко, если он открыт импульсом 36, т.е. в случае 36 > 37. Аналогично на выходе третьего элемента И 17 импульс появляется в том случае, когда 25

37 > 36. Второй триггер 15 устанавливается ими в положение, индицирующее положение вала в участках 180-360 т.е. 36 > 37 или 37 > 36, своими выходными сигналами разрешая прохож- 30 дение через элемент 2И-2И-ИЛИ прямого сигнала с первого триггера 13 или его инверсного выхода. Таким образом, на выходе элемента 2И-2ИИЛИ 12 получаем близкий к пилообразному от угла закон 39,40,43 и 44 и другие изменения относительной длительности ШИМ.

ШИМ сигнал 39,40,43 и 44 с законом 40 изменения относительной длительности с выхода элемента 2И-2И-ИЛИ 12 поступает на один вход первого сумматора

18 и на второй его вход через первый элемент 19 задер* и на период ШИМ Т. 45

Сумматор 18 вычитает означенные сигналы. При движении вала датчика в сторону увеличения угла последующий импульс ШИМ длиннее предыдущего, поэтому разностный импульс с выхода первого сумматора 18 положителен, ри движении вала в обратную сторону разностный импульс с выхода первого сумматора 18 отрицателен.

Полярность разностного импульса с

55 первого сумматора показывает направление вращения вала датчика. Почти все разностные импульсы первого сумматора 18 имеют малую длительность, так как частота ШИМ 2-20 кГц, и sa период Т ротор даже при высокой скорости его вращения, например

5000 об/мин, проходит не более TO ., что соответствует относительной длительности 0,1 разностного импульса по характеристике 39 на фиг.2. Именно на такую максимальную длительность (или относительную длительность, так как Т = const) настроен первый селектор 24 импульсов, пропускающий только короткие импульсы.

При переходе одного участка "пилы" например с 39 на 40, с 40 на 41 и т.д., разностный импульс с первого сумматора 18 имеет длину размаха пи лы, т.е. 38. Появление такого дли1 тельного сигнала с выхода сумматора

18 показывает, что входной угол датчика перешел на следующий участок

tt It

В данном преобразователе угла производится перерасчет участков "пилы" реверсивным счетчиком 26 ° Причем при движении в одном направлении третий триггер 23 находится в одном положении, "длинные" разностные импульсы через первыи селектор 20, пропускающий сигналы длительностью не менее

0,8-0,9 от длительности сигнала 38, проходят через один из элементов И

21 или 22 и суммируются счетчиком 26; при вращении ротора 1 в обратном направлении открыт вычитающий вход счетчика, число участков "пилы" на счетчике 26 уменьшается.

Таким образом, состояние выходных шин счетчика 26 и его элементы 27 памяти в двоичном коде показывает номер участка "пилы", на котором в данныи момент находится ротор. Количество оборотов, которое может быть ! перекрыто данным преобразователем угла, определяется разрядностью P счетчика 26, Так, при P = 3 зона однозначного измерения угла составит

630, при P = 4 — 1350 и т.д.

В данном преобразователе угла функционируют два канала отсчета: грубый - код с реверсивного счетчика 26 и элемента 27 памяти, показывающий номер участка "пилы"; точный

ШИМ сигнал с выхода элемента 2И-2ИИЛИ, показывающий своей относительной длительностью местонахождение внутри одного участка "пилы".

В точном канале датчика имеется погрешность в определении угла, -5 1411 вызванная отклонением близких к ли"1 нейным участков синусоид 36 и 37 относительной длительности от строго линейных законов. На фиг.3 показан более подробно участок синусоиды 36, близкий к линейному 45, и линейный ,закон 46; зпюра 47 показывает раз ность 46-45, т.е. величину погрешности, которая пропорциональна Ы—

- siri .Видно,что на участках nutl лы" 0-45 для устранения ошибки необходимо укоротить импульсы с выхода элемента 2И-2И-ИЛИ 12 на участках о

У

45 — 90 — удлинить. В данном уст". ройстве использован иной метод коррекции — вначале все импульсы с выхода элемента 2И-2И-ИЛИ 12 удлиняются на величину, пропорциональную закону 48 (фиг.3), а затем укора-20 чиваются на постоянную величину 49, на которую нелинейность 47 "поднята" для получения положительной нелинейности 48. Причем добавление длины импульсов на 48 производится к подвижному информационному заднему фронту импульса ШИМ, а уменьшение на 49 производится со стороны неподвижного переднего фронта.

Эпюры на фиг,4 поясняют процессы коррекции длительности одного из импульсов ШИМ в точном канале. Импульс 50 с выхода элемента 2И-2И-ИЛИ

12 поступает на один вход второго сумматора 28 и на вход интегратора 29, выходное напряжение 51 которого пропорционально длительности сигнала

50. Напряжение 51 с выхода интеграто» ра 29 через нелинейный элемент 30 с характеристикой 48 поступает на управляющий вход управляемого одновибратора 31, на вход запуска которого подключен короткий импульс 52, вырабатываемый первой схемой 9 со впадения, который соответствует заднему подвижному фронту ШИМ. Управляемый одновибратор 31 вырабатывает импульс 53, длительность которого пропорциональна управляющему одновибратором сигналу, т,е. 48. Импульсы

53 и 50 складываются на втором сум50 маторе 28, в результате чего на выхо» де последнего импульс-54 длиннее импульса 50 на величину 48. Импульсы

55 с выхода третьего формирователя

14, соответствующие положению перед- 55 него неподвижного фронта ШИМ запускают третий одновибратор 34, на выходе которого импульс 56 имеет длитель976 6 ность 49 (не обозначена); импульс 56 инвертируется вторым инвертором 35 и поступает на второй вход шестого элемента И 33, закрывая его на время

49. Таким образом, импульс 54 с выхода второго сумматора укорачивается на величину 49, и на выходе шестого элемента И 33 получаем ШИИ сигнал 57, в котором компенсирована погрешность

g - -sin <6 . Достигаемая точность определяется точностью реализации нелинейной функции 48 на нелинейном элементе 30. Даже при линейной аппрок симации 48 с помощью двух диодов и операционного усилителя удается повысить точность измерения угла в

18-20 раз, т.е. с 1ОЕ снизить ошибку до 0,5 .

Кроме того, предлагаемый метод компенсации ошибки в магнитомодуляци онном преобразователе угла позволяет свести к минимуму ошибки, связанные с отличиями формы сигналов 36 и 37 от синусоид. В последнем случае нели нейный элемент должен иметь характе ристнку разности линейной и реальной характеристики 36.

Импульс 52 заднего фронта ШИМ задерживается элементом 32 задержки, с выхода которого он поступает на вход обнуления интегратора 29, подготавливая последний к приходу следующего импульса ШИМ на вход для интегрирования длительности.

Математическая зависимость, описывающая характеристику нелинейного элемента 30 следующая: 0,5 (Ы- вхп Ы ),что следует из вычитания законов 45 и 46: (0,5 + 0,5 iif, - 0,5-0,5 sin 8 ) Величина 49„ на которую укорачивается импульс 54 соответствует 0,5 (45 - sin 45 )

= 0,0391, т.е. импульс 56, вырабаты ваемый третьим одновибратором, должен иметь длительность 0 0391 ° Т, где

Т вЂ” период несущей частоты ШИМ.

Элемент 27 памяти счетчика 26 сохраняет код и после выключения системы, предотвращая ошибки неоднозначного измерения угла, Формула и з о б р е т е н и я

Магнитомодуляционный преобразователь угла по авт.св. У 1234721, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя в него введены второй

7 1411976 8 сумматор, интегратор, нелинейный эле элемента И, выход третьего формировамент, управляемый одновибратор, вто- теля импульсов через последовательно рой элемент задержки, шестой элемент соединенные, третий одновибратор и

И, третий одновйбратор, второй ин- второй инвертор подключен к второму вертор, выход первого элемента И входу шестого элемента И, выход инсоединен с первым входом управляемого тегратора через нелинейный элемент одновибратора и через второй элемент подключен к второму входу управляемо задержки с первым входом интегратора, го одновибратора, выход которого второй вход которого подключен к 10 соединен с вторым входом второго выходу элемента 2И-2И-ИЛИ и.к первому сумматора, выход шестого элемента И входу второго сумматора, выход кото- является выходом точного отсчета рого соединен с первым входом шестого преобразователя, О Же яд

Составитель М.Сидорова

Редактор Н.Лазаренко Техред М.Дидык Корректор ЭЛончакова

Заказ 3673/56 Тирах 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4