Способ преобразования угла поворота вала фазовращателя в код

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах электропривода с фазовыми датчиками угла поворота двигателя. Целью изобретения является упрощение способа преобразования угла поворота вала фазовращателя в код. Сущность способа заключается в следующем. До начала преобразования угла поворота вала в код подают на первую входную обмотку фазовращателя одно гармоническое напряжение и, изменяя угол поворота вала фазовращателя (например, через 10 град) в пределах полного оборота, измеряют амплитуду напряжения,на его выходе, формируя таким образом первую последовател ность измеренных амплитуд. Подают на вторую входную обмотку фазовращателя другое гармоническое напряжение, ортогональное одному, и, изменяя угол поворота вала через равные углы, измеряют амплитуду напряжения на выходе фазовращателя , формируя таким образом вторую последовательность измеренных амплитуд . Находят первые гармоники полученных последовательностей и определяют отклонение точки перехода через ноль первой гармоники второй последовательности амплитуд от начальной идеальной, в качестве которой используют сдвинутую по фазе на it/2 первую гармонику первой последовательности измеренных амплитуд. Определяют постоянную поправку по фазе В по формуле , sinuCf /U, гд е U,- амплитуда первой гармоники второй последовательности; uq - отклонение от точки перехода через ноль от идеальной , и - амплитуда входного гармонического сигнала, определяют коэффициент С нормирования его амплитуды по формуле С U,j, /и вносят указанные выше поправки во входной сигнал одной из входных обмоток двухфазного фазовращателя и осуществляют преобразование угла поворота вала фазовращателя с двухфазным питанием в код известными способами, например путем формирования во времени кодовой шкалы. 1 ил. (Л СП 00 ;о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК !! 4 Н 03 М 1/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4106341/24-24 (22) 05.08.86 (46) 15.02.89. Бюл. Ф 6 (71) Омский политехнический институт (72) В.Н.Зажирко, В.Г.Кавко, А.М.Мудрик и А.М.Сутормин (53) 681.325 (088.8) (56) Петропавловский В.П., Синицын Н.В. фазовые цифровые преобразователи угла. М.: Машиностроение, 1984, с. 44-46, рис. 45. .Там же, с. 44-45, рис. 46.

Там же, с. 117-120, рис. 95. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ В КОД (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах электропривода с фазовыми датчиками угла поворота двигателя. Целью изобретения является упрощение способа преобразования угла поворота вала фа. зовращателя в код. Сущность способа заключается в следующем. До начала преобразования угла поворота вала в код подают на первую входную обмот. ку фазовращателя одно гармоническое напряжение и, изменяя угол поворота вала фазовращателя (например, через

10 град) в пределах полного оборота, измеряют амплитуду напряжения.на его выходе, формируя таким образом первую последователЬность измеренных! Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в -системах элект,.SU„„1458973 А1 амплитуд. Подают на вторую входную обмотку фаэовращателя другое гармоническое напряжение, ортогональное одному, и, изменяя угол поворота вала через равные углы, измеряют амплитуду напряжения на выходе фазовращателя, формируя таким образом вторую последовательность измеренных амплитуд . Находят первые гармоники полученных последовательностей и определяют отклонение точки перехода через ноль первой гармоники второй последовательности амплитуд от начальной идеальной, в качестве кото-, рой используют сдвинутую по фазе на

1 /2 первую гармонику первой последовательности измеренных амплитуд. Определяют постоянную поправку по фазе

В по формуле В=!!„з1п à,/U, где U<,- амплитуда первой гармоники второй последовательности, h(p, — отклонение от точки перехода через ноль от идеальной, U< — амплитуда входного гармонического сигнала, определяют коэффициент С нормирования его амплитуды по формуле С = U /U вносят указанные выше поправки во входной сигнал одной из входных обмоток двухфазного фазовращателя и осуществляют преобразование угла поворота вала фазовращателя с двухфазным питанием в код известными способами, например путем формирования во времени кодовой шкалы. 1 ил.

2 ропривода с фазовыми датчиками угла поворота вала двигателя.

1458973

Целью изобретения является упрощение способа преобразования угла поворота вала фазовращателя в код.

На чертеже представлена схема преобразователя для осуществления предлагаемого способа.

Преобразователь угла поворота вала фазовращателя в код содержит генератор 1 импульсов, делитель 2 частоты, фазосдвигающий блок 3, блоки

4 и 5 формирования гармонических сигналов U sinat и Б созе соответственно, фазовращатель 6, нуль-компаратор 7, блок 8 задания фазовых сдвигов, блок 9 синхронизации, формирователь 10 импульсов и блок 11 элементов И.

Сущность способа заключается в следующем. 20

До начала преобразования угла поворота вала в код подают на первую входную обмотку фазовращателя напряжение вида U sintot и, изменяя угол поворота вала фазовращателя (напри- 25 мер, через 10 град.) в пределах полного оборота, измеряют амплитуду напряжения на выходе фазовращателя, формируя таким образом первую последовательность измеренных амплитуд gp

Е (о ), подают на вторую входную обмотку фаэовращателя напряжение вида

U sintat и, изменяя угол поворота вала фазовращателя, измеряют амплитуду напряжения на выходе фазовращателя, формируя таким образом вто- рую последовательность измеренных амплитуд Е (ес), находят первые гармоники полученных последовательнос40 клонение точки перехода через ноль первой гармоники полученной последовательности Е (ob) от начальной фазы идеальной последовательности Е „ (М), в качестве которой используют сд инутую по фазе на Т/2 первую гармонику последовательности измеренных амплитуд Е,(<) (например, графическим способом), определяют постоянную поправку по фазе В по формуле

В П. зЕп ц

Um где U — амплитуда первой гармони2< ческой составляющей второй последовательности измеренных амплитуд;

٠— отклонение точки перехода

М через ноль первой гармони-. ческой составляющей второй последовательности измеренных амплитуд, определяют коэффициент С нормирования.амплитуды второго гармонического сигнала по формуле С = U < /О осуществляют дополнительный сдвиг по фазе и изменяют амплитуду одного из формируемых гармонических напряжений питания фаэовращателя, осуществляют преобразование угла поворота вала фазовращателя с двухфазным питанием в код известными способами, например путем формирования во временном масштабе кодовой шкалы.

Теоретическое обоснование способа преобразования угла поворота вала фазовращателя в код заключается в следующем.

Выходное напряжение фазовращателя можно представить в виде

Пв» =U sinMt cosoL+U cosMt

=Е, (eL) sinut+f o(îà) cosset =

= П зЕп(сас+<р(с ) ), (1) где Б — амплитуда напряжений, питающих входные обмотки фазоspащателя, Е4(й), 2(последовательности амплитуд выходных сигналов фазовращателя, зависящие от угла поворота вала фазовращателя Ос, которые при отсутствии погрешностей преобразования угла поворота вала фазовращателя в переменное напряжение, фаза которого зависит от угла поворота вала фазовращателя, имеют вид:

U cosot, U sin<4, опорная частота напряжения. фазовращателя, начальная фаза выходного напряжения фазовращателя, зависящая от угла поворота вала фазовращателя Ы

Е,ц (Мю)

f,„ (ê) cp(a).— зЕпу=sЕпе6,)1 сов =cos< ) (2) Равенствами (2) зависимость q (a) задана неявно, так как оС в общем случае изменяется в диапазоне (- +co), а диапазон изменения (ограничен интервалом (0,2 й) рад. Явное выражение для tp(оЬ), справедливое при

5 1458973 6 любых значениях 0, можно представить <р(о„) напряжения ц однозначно во<)( в виде определяется выражением

Cp(oC),=arcctg(ctg«.) + " sign(-sino<)+

2 5

2 (3) g(0I,)=arcctg Е +

f, (оа) о . Г 1 11

+ — signL-f () g+ —.

r (5) При определении угловой погрешности фазовращателя (6) а 0L можно учесть как компоненту постоянной составляющей погрешности.

При этом aq (<) становится непрерывной функцией (с периодом 2 « рад).

Подставив в (1) (7) и (5), получим

Х-7

dg(oL) ss -arctg—

1+XY — sign X (sign(-1-XY)+1) 2 (8) где х = f< (oL)/f (оа), Y = с 8(06-о Р) .

Первый член правой части (13) является компонентой угловой погрешности Щ (06) и имеет вид:

Е < (oIs) sin(oIs-oL<)) -f (06) сОВ (ОС-о р)

Ь<Р,(о<.) = -arctg

f < 0I cos 0<.-И +Е (М. ° sin oI.- ) Подставляя (4) в (9), получим

d, (о<,) = -агс 8

-sine< +д<, (sl) sin(oL-s )-д< (К) cps(ai-1 )

<, (1О) созО Р+df < 06 соз о«-0(р

50 где дЕ (oI)=df (o<,)/ц, 4Е (о )=дЕ (оа)/ непрерывной функцией 0(. с периодом

/U — относительные искажения после- . 2<<. В этом случае оставшиеся релейIl< довательностн амплитуд, приведенные к ные компоненты в (8) полностью комамплитуде идеального сигнала. пенсируют друг друга при всех

Если выполняется условие б5 полная погрешность d.y (<) определяе

Р)ч«(< (<()+ z() д««<сэ() Если относительные искажения то аргумент арктангенса в (15) будет последовательностей амплитуд Не пре" ограниченным по модулю, à d(p<(0<) —, .восходят величины h>

Если преобразование угла поворота вала фазовращателя в переменное напряжение, начальная фаза которого зависит от угла поворота вала фазовращателя 0<., выполняется без погрешностей, но согласно (3) идеальная характеристика фазовращателя (зависимость начальной фазы выходного переменного напряжения фазовращателя

Ч< от угла поворота ot.) будет пилообразной функцией о(с периодом .

2Я рад, причем линейный участок имеет угол наклона о /4 в пределах полного оборота вала фазовращателя.

При наличии погрешностей преобразования угла поворота вала фазовращателя в перемениое напряжение с последующим преобразованием данного напряжения в код неидеальные последовательности амплитуд Е,(са) и Е (0 ) можно представить в виде:

Е, (ot) =*0„<созо +ЬЕ < (0<.), (4)

fz(o<)U sin<+hfz(oI) где Ьf, (eL), df (о() — искажения последовательностей f; (0<) и 35

f (oI) соответственно.

При этом, если Е„(ы) H fz(îÎ Не имеют общих нулей, что практически всегда выполняется, начальная фаза 40 мр(а) = q() - uÄ>(), где q (01,) — реальная характеристика фаэовращателя, (Ы) — идеальная характеристика

СР (о )=агсс дГс д(о<.-о )) +

II . Г Н

+ — sign -э 1п(Ы-Ы )) + — y (7)

2 P 1 2

7 1458973

I«, (ыМ„„, — 8; («,()(„.„,3„, то справедливы оценки:

1 ) 1м(2кс l (2 () макс к »

lccsccCc)м„„аIl 2 " ) ((- — )1 (12) )макс — ьд (ь) "sinoLp df < (ос) sin(oL-М )+БЕ (Ы ) cos(oL-oL ) ° е

+ 1()(1

cosoL +df oL cos oL-oL +df ot, з п oL-Ы() (2 — =2- Х+ 6,(1 где,. Д.= Хэ /3 — оценка погрешности 15 аппроксимации.

Чтобы погрешность аппроксимации ограничить допустимым значением

Д ъ ф „, необходимо ограничить допустимый уровень искажений последо- 20 вательностей амплитуд

Ч3 3 Г— ц))о() "())(до() = 0 59 одоп ° (14)

1+ (2

При Sö 27. погрешность 6 составит 25 единицы угл. сек. При () „ «< 2Х знаменатель (18) близок к единице при всех всех oL . В выражение для d Lp,(о(.) он входит как сомножитель вида 1/X который можно аппроксимировать линей- 30 ной функцией Х: с погрешностью 1, не превышающей значения

Id,I s —" 2 () ц

1п«(2 () „

Это позволяет еще более упростить выражение для, Щ (()(.):

dip (Ы.). = SinoL>(2-coso(>)—

-2 1,25-coecll(df, (cl) sin(cl+fbcе)-асс(И) cas(cc+)d,))+ - (<, (И)

+dfs(cd)) sin(2<-2И -lf)+ },

sin2oL -2sino) где Ь =arctg — Ы.р о

2cosoLp-cos2o(()

З

50 (с точностью до з „ /4), (Ь2(— оценка погрешности аппроксимации, которая при 3ц 2Х имеет порядок о „,рад: (Л,1-(Ь (,(1 Ь8„1=5„

Ыр 55

Учитывая, что sinoCo«o(- — ; (2-cosolp) (1 + †); 2 1»25-созс((, г

fd: (0» 5+О» 5М.р) в выражении (20) мож-.

При малых Зц правую часть (10) можно аппроксимировать выражением

arcctg X = Х вЂ” Х /3 и тогда

1 но выделить главныи член угловой погрешности (с учетом смещения начала отсчета vaoL ):

Щ(в)),рад- d f c(cl) cos (cl-clf)-а1, (oL) sin(oL-o(p)+ (h а4 (16) имеющий порядок «Г23ц» и оценить общую дополнительную погрешность от всех аппроксимаций и отброшенных слагаемых значением ((а 2 ц» рад °

Влияние гармоник искажений модулирующих функций d(f (К) и dfz(eL) на угловую погрешность фазовращателя в первом приближении (16) можно оценить отдельно для каждой гармоники (с суммированием результатов).

Каждая п-я гармоника искажений хотя бы в одной из модулирующих функций вызывает (И+1)-ю и (N-1)-ю гармониI ки в кривой угловой погрешности фазовращателя, а постоянная составляющая в модулирующей функции дает первую гармонику в кривой hq(oL)

В соответствии с (16) амплитуду

N-й гармоники Щ (()6) в первом приближении можно выразить через амплитуды вызывающих ее гармоник искажений ас c(и d fs (cd) с номеРамн (о+1) и (n-1): к)р(> 2 Fs+Fo y (17)

1 2 2 где Гв=созыр(А2„„+А2„, +В(„, -В,„, )+ . Fc =созЫр (А, „, -А(„+ +Вг„, +В2„+, ) +

Л12 ))а а»

В " соответственно амплитуЬг нт ды синусной и косинусной составляющих (и+1) -й гармоники искажений

df, (ОС) и «г(а).

Угловая погрешность от неравенства амплитуд и неортогональности основ1458973

l0 ных гармоник модулирующих функций имеет вид постоянной составляющей и второй гармоники сС . bq(aC)=—

2

»(sin(g >+ P,) + —, 1 х sin(2<-F1(+gz) +(p2Gвч +2 g è где (», = arctg В,, -A„+B„;

<42 = arctg Bo, +A„ /А, -B„

».(„ — оценка относительных искажений каждой иэ модулирующих функций.

Принимая первую гармонику одной из модулирующих функций за идеальный сигнал (А(, =В „ =0), можно представить амплитуду второй гармоники угловой погрешности в виде (19)

При точности установки фазовращателя порядка + 1 град. вторая гармоника угловой погрешности будет преобладающей в кривой Q(p(oC), при (7 (О, 17..

При компенсации второй гармоники угловой погрешности путем изменения амплитуды и фазы напряжения, питающего одну из входных обмоток фазовращателя, относительно идеального сигнала, в качестве которого используют первую гармонику напряжения, питающего другую входную обмотку фазовращателя, напряжение на выходе фазовращателя определяется выражением

UoÄ,„=f (М) (А sin(Dt+B cosset)-f (е(.) со зсХ (20) где А и  — коэффициенты, характеризующие изменение напряжения, питающего первую входную обмотку фазовращателя, относительно идеального сигнала.

Преобразуем (20) к виду

Uвык = (((к.) А singt (f 2 (Ы) — В f, (oL)g cosa)t (21) и сравним (21) с (9) . Такое сравнение показывает, что изменение входного напряжения, питающего одну из входных обмоток фазовращателя, равносильно некоторому преобразованию исходных модулирующих функций

f,(ot) и fz(k) в эквивалентные, причем они являются параметрами такого преобразования

f(,Э к,к.

4 экв (М,) =Й, (М.) -В Г, (ь .) . (22) Соответственно происходит и преобразование искажений модулирующих функций в эквивалентные:

bf(к (о(.)=А ЬЙ((о )-(1-А) созда; l

bf, cC, =bf (oC,)-B cos<-Bbf, (<),J которые и определяют угловую погрешность фазовращателя согласно (16).

15 Как видно из (23), амплитуды гармоник эквивалентных искажений линейно связаны с соответствующими амплитудами гармоник исходных искажений модулирующих функций:

A(ý„= (ï Агэп -А „В (л 7 (В(э((=В((Аэ В»э (1 В -В В(() при n)1

В(э =A В ((1 A) В2э =В (В В В(»

25 Параметры А и В можно выбрать такими, чтобы свести к нулю амплитуду второй гармоники угловой погрешности, определяемую по (24) для эквивалентных искажений. Условия компен3р сации согласно (15) имеют вид:

/ откуда, используя (24) при А ((=В„=

=О, получим требуемые значения параметров: соз (»»1»«

2((( ф (2Ь) U«sin (»Ч ( в=в

40 Щ

Преобразователь угла поворота вала фазовращателя в код, реализующий предлагаемый способ, работает следующим образом.

Генератор 1 импульсов вырабатывает тактовые импульсы, которые поступают на вход делителя 2 частоты. .Параллельный код с делителя 2 частоты поступает на управляемь1й фазосдви50. гающий блок 3, который с целью повышения точности преобразования угла поворота вала фазовращателя в код за счет компенсации погрешностей фазовращателя обеспечивает дополнительный

55 компенсирующий фазовый сдвиг напряжения, подаваемого на одну из входных обмоток фазовращателя (например, первую).. Ha управляющий вход управ"

L ляемого фазосдвигающего блока 3 поll 145 дают параллельный код задания компенсирующего фазового сдвига, соответствующий дополнительному компенсирующему фазовому сдвигу, определяемому коэффициентом В, получаемым предварительно для каждого образца фаэовращателя. Код задания формируется блоком 8 задания фазовых сдвигов.

8973

)2 Импульсные сигналы с выходов делителя 2 частоты и управляемого фаэосдвигающего блока 3 поступают на блоки.4 и 5 формирования гармонических сигналов, где они преобразуются в два синусоидальных напряжения, причем в одном из формирователей при выполнении его в виде активного фильтра для нормирования амплитуды выходного напряжения изменяют коэф фициент усиления. Выходные напряжения блоков 4 и 5 вида U U з п(д1 и О Б )А2+В сое(ит+й), где А, Вкоэффициенты, определяющие величину дополнительного компенсирующего фазового сдвига и коэффициент нормироиаиия аиппитуды С « -)А +B, подают на входные обмотки фазовращателя 6, на выходе которого образуется переменное напряжение, начальная фаза которого изменяется в зависимости от угла поворота вала фазовращателя о) B G 1)вы ="„,зЖ6) +4, где Ц„,(f соответственно амплитуда и фаза выходного напряжения фазовращателя

6. Выходное напряжение фазовращателя 6 U поступает на нуль"компаратор 7, где на него формируются ,прямоугольные импульсы, поступающие затем на блок 9, который осуществляет синхронизацию выходного сигнала нуль-компаратора 7 с,частотой делителя 2 частоты. С выхода блока 9 синхронизации сигнал поступает на формирователь 10 импульсов, по выходному импульсу которого с выходов разрядов делителя 2 частоты, снимается код, соответствующий углу поворота вала фазовращателя ю(, Формула и э о б р е т е и и я

Способ преобразования угла поворота вала фазовращателя в код, основанный на формировании последовательности импульсов в первый ступен чато нарастающий сигнал путем суммирования импульсов последовательности за заданный интервал времени, формировании второго ступенчато нарастающего сигнала иэ первого, сдвинутого

5 относительно первого ступенчато нарастающего сигнала на четверть задан-, ного интервала времени, формирова:нии в моменты достижения максимальных значений первого н второго сту1р пенчато нарастающих сигналов двух ! последовательностей импульсов и последующем их преобразовании в первый и второй гармонические сигналы, преобразовании их с помощью фазо16 вращателя в третий гармонический сигнал, фаза которого пропорциональна углу поворота вала фаэовращателя, формировании в каждом периоде третьего гармонического сигнала в момент

2р перехода через ноль из отрицательного значения в положительное прямоугольного импульса, по переднему фронту которого преобразуют величину первого ступенчато нарастающего

26 сигнала в код, соответствующий текущему значению угла поворота вала фазовращателя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью упрощения способа, в нем формируют четвертый

30 гармонический сигнал, который перед началом формирования последовательности импульсов подают на первую входную обмотку фазовращателя, поворачивают его вал на один оборот, в

З течение которого через равные углы измеряют амплитуду выходного сигнала фазовращателя, затем четвертый гармонический сигнал подают на вторую входную обмотку фазовращателя, пово4g рачивают вал на один оборот, в течение которого через равные углы измеряют амплитуду выходного сигнала фазовращателя, по амплитудам выходных сигналов фазовращателя за каж45 дый из оборотов его вала определяют соответственно первую и вторую последовательности измеренных ампли туд и выделяют их первые гармонические составляющие, вычисляют отклоне5О ние точки перехода через ноль первой гармонической составляющей второй последовательности измеренных амплитуд относительно точки перехода через ноль первой гармонической сос55 тавляющей первой последовательности измеренных амплитуд, сдвинутой на

90 относительно своего первоначального положения, вычисляют постоянную поправку по фазе В по формуле

14

1458973

U1I sinh(pъ

П.

Составитель М.Сидорова

Редактор А.Долинич Техред И.Дидык Корректор Л.Пилипенко

Заказ 378/58 Тираж 879 Подписное

ВНИИПИ Государственного ко ытета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 где U — амплитуда первой гармониФ 5 ческой составляющей второй последовательности измеренных амплитуд;

Щ, — отклонение точки переходачерез ноль первой гармони- 10 ческой составляющей второй последовательности измеренных амплитуд;

U — амплитуда четвертого гармо. нического сигнала, осуществляют дополнительный сдвиг второго ступенчато нарастающего сигнала на время, пропорциональное постоянной поправке по фазе В, определяют коэффициент С нормирования амплитуды второго гармонического сигнала по формуле С = Uq, /U и изменяют амплитуду второго гармонического сигнала пропорционально коэффициенту С нормирования амплитуды.