Преобразователь перемещения в код

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для автоматического измерения углового положения объекта. Цель изобретения - повышение точности преобразователя, которая достигается за счет компенсации погрешности преобразователя, вызванной несоответствием амплитуд сигналов питания датчика требуемым значениям, для чего преобразователь перемещения в код содержит генератор, три преобразователя кодов, инвертор, компаратор, интегратор, четыре цифроаналоговых преобразователя, датчик, два коммутатора, усилитель, два фазочувствительных выпрямителя, два преобразователя напряжения в частоту, два сумматора, два реверсивных счетчика и цифровой мультиплексор. В преобразователе осуществляются формирование цифрового кода, пропорционального ошибке преобразования угла, и учет его значения в процессе определения истинного значения угла поворота ротора датчика. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для автоматического измерения положения объекта.

Преобразователи перемещения в код нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности в станкостроении. К преобразователям углового перемещения в код предъявляются жесткие требования по точности преобразования, ресурсу, сохранению точностных параметров в эксплуатации.

Преобразователь углового перемещения в код состоит из датчика угла, преобразующего первичную информацию в электрический сигнал, и электронного блока Наиболее распространенными датчиками угла являются синусо-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ). Для преобразователей с СКВТ в амплитудном или фазовом режиме характерна погрешность преобразования, обусловленная неортогональностью обмоток, неравенством коэффициентов трансформации между входными и выходными обмотками СКВТ и отклонениями параметров питания датчика от требуемых при эксплуатации преобразователя. При этом погрешности каждого образца датчика угла, обусловленные указанными выше факторами, достаточно стабильны и могут быть учтены при эксплуатации преобразователя, в то время как погрешности из-за нестабильности параметров питания датчика изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, хранения преобразователя, наработки и других внешних воздействующих факторов. Это особенно характерно для высокоточных преобразователей перемещения в код с СКВТ с торцовыми печатными обмотками-индуктосинами, обладающими высокой точностью преобразования углового перемещения в электрический сигнал и стабильностью параметров в эксплуатации.

Известен преобразователь перемещения в код, в котором питание двух входных ортогональных обмоток индуктосина осуществляется широтно-амплитудно-импульсными сигналами, изменяющимися по длительности и амплитуде в функции числа, пропорционального взаимному положению входных и выходных обмоток датчика [1] .

Недостатком преобразователя является большая погрешность преобразования, обусловленная несоответствием амплитуд сигналов питания датчика угла требуемым значениям.

Известен также преобразователь перемещения в код, в котором питание двух входных ортогональных обмоток датчика угла осуществляется импульсными сигналами, длительность которых является функцией числа, пропорционального взаимному положению входных и выходных обмоток датчика [2] .

Как и в первом случае недостатком преобразователя является большая погрешность преобразования, обусловленная несоответствием амплитуд сигналов питания датчика требуемым значениям.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь перемещения в код [3] , содержащий задающий генератор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), датчик перемещений, усилитель, интегратор, блок управления, блок компараторов, два ключа и реверсивный счетчик, причем выходы ЦАП подключены к первому и второму входам датчика перемещений, выход которого через усилитель подключен к первому входу блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами реверсивного счетчика, а третий и четвертый выходы подключены к первым входам первого и второго ключей соответственно, выходы реверсивного счетчика подключены к цифровым входам ЦАП, соединенного аналоговым входом с выходом задающего генератора и входом интегратора, выход которого соединен с входом блока компараторов, первый выход которого подключен к второму входу блока управления, а второй выход - к вторым входам первого и второго ключей, выходы которых соединены со счетными входами реверсивного счетчика.

В этом преобразователе на выходах ЦАП формируются два синусоидальных сигнала питания датчика, амплитуды которых промодулированы в функции синуса и косинуса числа, зафиксированного в реверсивном счетчике. Сигнал рассогласования, формируемый на выходной обмотке датчика, с помощью фазочувствительного устройства управляет работой реверсивного счетчика. При этом блок управления формирует сигналы, задающие знак на входы сложения и вычитания реверсивного счетчика и ограничивающие интервал подсчета импульсов в счетчике моментом времени, при котором значение кода, зафиксированное в реверсивном счетчике, соответствует нулевому значению сигнала рассогласования на выходе фазочувствительного устройства.

Недостатком такого преобразователя является ограниченная точность преобразования углового перемещения в код, обусловленная несоответствием амплитуд сигналов питания датчика требуемым значениям.

Цель изобретения заключается в повышении точности преобразователя.

Цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в код, содержащий генератор, выход которого соединен с входом интегратора и с опорными входами первого и второго ЦАП, выходы которых соединены с входами датчика, выход которого через усилитель соединен с первым входом первого фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход соединен с входом первого преобразователя напряжения в частоту, положительный и отрицательный выходы которого соединены соответственно с входами сложения и вычитания первого реверсивного счетчика, счетчика, выходы которого являются выходами преобразователя и соединены с входами первого и второго преобразователей кодов, выходы последнего из которых соединены цифровыми входами первого ЦАП, первый и второй коммутаторы и компаратор, введены инвертор, третий и четвертый ЦАП, первый и второй сумматоры, второй фазочувствительный выпрямитель, второй преобразователь напряжения в частоту, второй реверсивный счетчик, цифровой мультиплектор и третий преобразователь кодов, выходы которого соединены с цифровыми входами второго ЦАП, выход которого и выход первого ЦАП соединены с информационными входами соответственно первого и второго коммутаторов, при этом выход генератора соединен с первым входом второго фазочувствительного выпрямителя и входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом цифрового мультиплексора, с входом инвертора и первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, вторые управляющие входы которых подключены к выходу инвертора, первые выходы соединены с входами опорного напряжения соответственно третьего и четвертого ЦАП, а вторые выходы - с входами опорного напряжения соответственно четвертого и третьего ЦАП, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с вторым входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжения в частоту, положительный и отрицательный выходы которого соединены с входами соответственно сложения и вычитания второго реверсивного счетчика, выходы которого соединены с первой группой входов второго сумматора, вторая группа входов которого подключена к выходам первого реверсивного счетчика, а выходы соединены с входами третьего преобразователя кодов, выходы первого и второго преобразователей кодов соединены соответственно с первой и второй группами информационных входов цифрового мультиплексора, первая и вторая группы выходов которого соединены с цифровыми входами соответственно третьего и четвертого ЦАП.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый преобразователь отличается наличием новых блоков: инвертора, двух ЦАП, двух сумматоров, фазочувствительного выпрямителя, преобразователя напряжения в частоту, реверсивного счетчика, цифрового мультиплексора и преобразователя кодов. Таким образом, он соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что указанные блоки широко известны. Однако при их введении в указанной связи с остальными блоками в заявляемый преобразователь углового перемещения в цифровой код они проявляют новые свойства, что приводит к повышению точности преобразователя за счет компенсации несоответствия амплитуд сигналов питания датчика, требуемым значениям. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критеpию "существенные отличия".

На чертеже представлена функциональная схема преобразователя перемещения в код.

Преобразователь перемещения в код содержит генератор 1, преобразователь 2 кодов, компаратор 3, инвертор 4, интегратор 5, ЦАП 6, 7, датчик 8, коммутаторы 9, 10, усилитель 11, фазочувствительный выпрямитель 12, ЦАП 13, 14, преобразователь 15 напряжения в частоту, сумматор 16, реверсивный счетчик 17, фазочувствительный выпрямитель 18, преобразователь 19 напряжения в частоту, преобразователи 20, 21 кодов, реверсивный счетчик 22, сумматор 23, цифровой мультиплексор 24.

Выход генератора 1 соединен с входами компаратора 3, интегратора 5, первым входом фазочувствительного выпрямителя 18 и входами опорного напряжения ЦАП 6 и 7, выходы которых соединены соответственно с входами коммутаторов 10 и 9 и первым и вторым входами датчика 8, соединенного выходом через последовательно включенный усилитель 11 с первым входом фазочувствительного выпрямителя 12, второй вход которого соединен с выходом интегратора 5, а выход - с входом преобразователя 15 напряжения в частоту. Положительный и отрицательный выходы последнего соединены соответственно с входами сложения и вычитания реверсивного счетчика 17, выходы которого являются выходами преобразователя перемещения в код и соединены с первой группой входов сумматора 23, через последовательно включенный преобразователь 20 кодов с первой группой входов цифрового мультиплексора 24, через последовательно включенный преобразователь 21 кодов с цифровым входом ЦАП 6 и второй группой входов цифрового мультиплексора 24. Первая и вторая группы выходов мультиплексора соединены соответственно с цифровыми входами ЦАП 13 и 14, а управляющий вход соединен с выходом компаратора 3, объединенными первыми управляющими входами коммутаторов 9, 10 и входом инвертора 4, соединенного выходом с объединенными вторыми управляющими входами коммутаторов 9, 10, первые объединенные выходы которых соединены с входом опорного напряжения ЦАП 13, а вторые объединенные выходы с входом опорного напряжения ЦАП 14. Выход ЦАП 14 соединен с вторым входом сумматора 16, соединенного первым входом с выходом ЦАП 13, а выходом - с вторым входом фазочувствительного выпрямителя 18, выход которого соединен с входом преобразователя 19 напряжения в частоту, соединенного положительным и отрицательным выходами соответственно с входами сложения и вычитания реверсивного счетчика 22. Выходы счетчика 22 соединены с второй группой входов сумматора 23, соединенного выходами через последовательно включенный преобразователь 2 кодов с цифровым входом ЦАП 7.

Преобразователь перемещения в код работает следующим образом.

При включении источника питания (на чертеже не показан) на выходах реверсивного счетчика 17 устанавливается произвольное значение кода Ψ_i, которое преобразуется преобразователями 20 и 21 в коды cos Ψ_iи sin Ψ_i соответственно. На выходе реверсивного счетчика 22 устанавливается произвольное значение кода Θ_i, а на выходе сумматора 23 значение кода равно Ψ_i + Θ_i. Это значение кода преобразуется преобразователем 2 в код cos(Ψ_i + Θ_i). Генератор 1 формирует синусоидальное напряжение U_msin ω t, поступающее на входы компаратора 3, интегратора 5, первый вход фазочувствительного выпрямителя 18 и входы опорного напряжения ЦАП 6 и 7. На выходах ЦАП 6 и 7 формируются пропорциональные значениям входных кодов токи I_m1 sin ω t ^. sinΨ_i и I_m2 sin ω t ^. cos(Ψ_i + Θ_i), возбуждающие индукционный синусно-косинусный датчик 8 перемещений.

В результате дифференцирования токов возбуждения значение напряжения на выходе усилителя 11 равно U₁ = K₃ ^. cos ωt[U_m1 K₁ ^.sin Ψ_i cosp α + + U_m2 ^.K₂ ^. cos( Ψ_i+ Θ_i) ^. sinpα ] , (1) где К₁ и К₂ - коэффициенты трансформаци датчика 8 соответственно от второй и первой обмоток; К₃ - коэффициент усиления усилителя 11; р - число пар полюсов датчика 8; α - угол поворота ротора датчика 8.

Напряжение U₁ поступает на первый вход фазочувствительного выпрямителя 12, на второй вход которого поступает напряжение с выхода интегратора 5, сдвигающего на 90^о синусоидальное напряжение генератора 1. На выходе фазочувствительного выпрямителя 12 формируется напряжение U₂ = K₄ ^. [U_m1 K₁ ^. sin Ψ_i ^. cosp α + + U_m2 K₂ ^. cos( Ψ_i + Θ_i) ^.sinp α] , (2) где К₄ - произведение коэффициента усиления усилителя 11 и коэффициента передачи фазочувствительного выпрямителя.

Импульсы с положительного или отрицательного выхода преобразователя 15 напряжения в частоту в зависимости от знака напряжения U₂ поступают на вход сложения или вычитания реверсивного счетчика 17, изменяя значение кода Ψ_i на его выходах. При этом значение напряжения U₂ уменьшается до нуля, т. е.

U_m1 ^. K₁ ^. sin Ψ_α ^. cosp α + + U_m2 ^. K₂ cos( Ψ_α + Θ_α)sinpα = 0, (3) где Ψ_α - установившееся значение кода на выходе реверсивного счетчика 17; Θ_α - установившееся значение кода на выходе реверсивного счетчика 22.

На выходе компаратора 3 формируется напряжение прямоугольной формы, соответствующее значению логической "1" в течение первой половины напряжения U_m ^. sin ωt и значению логического "0" в течение второй половины периода синусоидального напряжения. Напряжение с выхода компаратора 3 инвертируется инвертором 4.

В течение первого полупериода напряжения U_msin ωt и указанных управляющих сигналов на управляющих входах коммутаторов 9 и 10 на входах опорных напряжений ЦАП 13 и 14 формируются сигналы U_m1 sin ωt sin Ψ₁ и U_m2 sin ωt cos(Ψ_i+Θ_i ) соответственно. При наличии на выходе компаратора 3 сигнала логической "1", поступающей на вход управления цифрового мультиплексора 24, на цифровые входы ЦАП 13 и 14 с выходов цифрового мультиплексора 24 поступают коды cos Ψ_i и sin Ψ_iсоответственно. При этом на выходе сумматора 16 формируется напряжение
U₃ = sin ωt [K₅ ^. U_m1 sinΨ_i cosΨ_i -
- K₆U_m2 cos( Ψ_i+Θ_i ) sin Ψ_i ] , (4) где К₅ и К₆ - произведения коэффициентов передачи ЦАП 13 и 14 и коэффициентов передачи сумматора 16 по первому и второму входам соответственно.

Напряжение U₃ поступает на второй вход фазочувствительного выпрямителя 18, на выходе которого формируется сигнал
U₄ = K₅U_m1 sin Ψ_i cos Ψ_i-
- K₆U_m2 cos( Ψ_i+Θ_i )sin Ψ_i . (5)
В течение второго полупериода напряжения U_msin ωt сигналы на управляющих входах коммутаторов 9, 10 и цифрового мультиплексора 24 изменяются на обратные. При этом на входах опорных напряжений ЦАП 13 и 14 формируются сигналы Um2 sin ωt cos( Ψ_i+Θ_i ) и U_m1 sin ωt sin Ψ_i , а на цифровые входы с выходов цифрового мультиплексора 24 поступают коды sinΨ_i и cos Ψ_i соответственно. На выходе фазочувствительного выпрямителя 18 формируется напряжение
U₅ = K₅U_m2 cos( Ψ_i+Θ_i )sinΨ_i -
- K₆U_m1 sinΨ_i cos Ψ_i . (6)
Напряжения U₄ и U₅ поступают на вход преобразователя 19 напряжения в частоту, который формирует на положительном или отрицательном выходе в зависимости от знаков напряжений U₄ и U₅импульсы, поступающие соответственно на вход сложения или вход вычитания реверсивного счетчика 23, изменяя значение кода Θ_i на его выходах. При этом значения напряжений U₄ и U₅ уменьшаются до тех пор, пока суммарное значение напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя 18 не станет равным нулю. Это условие может быть записано следующим образом:
U_m1 sin Ψ_α cos Ψ_α (K₅ - K₆) +
+ U_m2 ^. cos(Ψ_α+Θ_α) ^.
. sin Ψ_α(K₅ - K₆) = 0, (7)
Из уравнения (7) может быть определено значение
cos( Ψ_α+Θ_α) = -cos Ψ_α ^. U_m1/U_m2.

Подставив значение cos(Ψ_α+Θ_α) в уравнение (3), определяют значение угла
α = 1/p arctg(K₁/K₂ ^. tg Ψ_α).

Таким образом, погрешность преобразования углового перемещения в цифровой код не зависит от несоответствия амплитуд сигналов питания датчика требуемым значениям.

Введение инвертора 4, ЦАП 13, 14, сумматоров 16, 23, фазочувствительного выпрямителя 18, преобразователя 19 напряжения в частоту, реверсивного счетчика 22, цифрового мультиплексора 24 и преобразователя 2 кодов позволяет компенсировать погрешность преобразования углового перемещения в двоичный код, обусловленную отклонением амплитуд сигналов питания датчика 8 от требуемых значений, повысив тем самым точность преобразователя перемещения в код.

Положительный эффект предлагаемого преобразователя заключается в повышении точности преобразования за счет компенсации его погрешности, вызванной несоответствием амплитуд сигналов питания датчика требуемым значениям.

В результате экспериментальных исследований макетного образца преобразователя перемещения в код с датчиком-индуктосином с числом пар полюсов р = 128, амплитудными значениями токов питания 200 мА и частотой токов питания 10 кГц получены следующие результаты. При отклонении значений токов питания датчика от расчетных значений на 8% погрешность преобразователя-прототипа достигала 32 угл. с, а погрешность предлагаемого преобразователя, работающего в тех же условиях, не превышала 2,15 угл. с.

Таким образом, экспериментальные исследования макетного образца преобразователя подтвердили эффективность введения новых блоков и связей. (56) 1. Патент США N 3789393, кл. 340-347, опублик. 1974.
2. Авторское свидетельство СССР N 746651, кл. Н 03 М 1/64, 1980.

3. Патент США N 3537102, кл. 340-347, опублик. 1970.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД, содержащий генератор, выход которого соединен с входом интегратора и с опорными входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с входами датчика, выход которого через усилитель соединен с первым входом первого фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход соединен с входом первого преобразователя напряжения в частоту, положительный и отрицательный выходы которого соединены соответственно с входами сложения и вычитания первого реверсивного счетчика, выходы которого являются выходами преобразователя и соединены с входами первого и второго преобразователей кодов, выходы последнего из которых соединены с цифровыми входами первого цифроаналогового преобразователя, первый и второй коммутаторы и компаратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены инвертор, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, первый и второй сумматоры, второй фазочувствительный выпрямитель, второй преобразователь напряжения в частоту, второй реверсивный счетчик, цифровой мультиплексор и третий преобразователь кодов, выходы которого соединены с цифровыми входами второго цифроаналогового преобразователя, выход которого и выход первого цифроаналогового преобразователя соединены с информационными входами соответственно первого и второго коммутаторов, выход генератора соединен с первым входом второго фазочувствительного выпрямителя, с входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом цифрового мультиплексора, с входом инвертора и первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов, вторые управляющие входы которых подключены к выходу инвертора, первые выходы соединены с входами опорного напряжения соответственно третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей, а вторые выходы - с входами опорного напряжения соответственно четвертого и третьего цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжения в частоту, положительный и отрицательный выходы которого соединены с входами соответственно сложения и вычитания второго реверсивного счетчика, выходы которого соединены с первой группой входов второго сумматора, вторая группа входов которого подключена к выходам первого реверсивного счетчика, а выходы соединены с входами третьего преобразователя кодов, выходы первого и второго преобразователей кодов соединены соответственно с первой и второй группами информационных входов цифрового мультиплексора, первая и вторая группы выходов цифрового мультиплексора соединены с цифровыми входами соответственно третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей.

РИСУНКИ

Рисунок 1