Быстродействующий многофункциональный преобразователь угла в код для устройств электромеханотроники

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления положения электромеханических объектов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия. Преобразователь содержит датчик угла поворота ротора двигателя, выполненный в виде вращающегося трансформатора, преобразователь переменного напряжения в постоянное, аналоговый коммутатор, генератор импульсов, первый, второй цифровые накапливающие сумматоры, регистры синуса и косинуса, первый и второй цифровые умножители, устройство сравнения, масштабирующий сумматор, первый и второй сумматоры, первый и второй функциональные преобразователи функции cos, первый и второй функциональные преобразователи функции sin, регистр константы юстировки двигателя, регистр константы юстировки координаты объекта управления и формирователь переменного напряжения. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к классу преобразователей "вал-код" (ПВК) и предназначено для использования в системах управления положением электромеханических объектов, в частности в следующих электроприводах с вентильными двигателями.

Аналогом предлагаемого устройства по функциональной схеме является следящий преобразователь угла поворота вала в код амплитудного типа с внешней по отношению к датчику положения ротора (ДПР) петлей обратной связи и компенсацией погрешности неортогональности обмоток синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) (авт. св. N 1417190 от 9.10.86, H 03 M 1/48).

Электронная цифроаналоговая следящая система ПВК в статике поддерживает равенство нулю напряжения U на выходе блока сравнения, формула для расчета которого имеет вид: U = A[sinα·sin(α^*+ϕ^*)-sin(α+ϕ)·sinα^*], где A амплитуда опорного сигнала датчика; α угол поворота ротора датчика; v сдвиг фаз огибающих выходных сигналов датчика; α^* измеренное значение угла поворота ротора датчика; ϕ^* сдвиг фаз сигналов, сформированных в синусных функциональных преобразователях.

Задание сдвига фаз ϕ^* осуществляется в цифровом виде. При настройке ПВК с конкретным датчиком на регистре набирается значение ϕ^* с учетом погрешности изготовления датчика, например, для СКВТ неортогональности обмоток sin и cos. При равенстве ϕ^*= ϕ напряжение U представляется в виде: U = A·sinϕ·sin(α-α^*) или для СКВТ U = A·sin(α-α^*),
что при замыкании следящей системы через интегратор, состоящий из преобразователя напряжения частота (ПНЧ) и реверсивного счетчика (РС) приводит к выполнению условий
U _→ 0, т.е. α^* _→ α.
Известный ПВК вырабатывает оценки в цифровом виде: линейной функции угла α^*, проекции вектора угла поворота sinα^* и cosα^* и в аналоговом виде: частоты вращения dα^*/dt
Рассмотренный аналог имеет недостатки:
необходимость дополнительного АЦП для получения оценки частоты вращения в цифровом виде;
отсутствие юстировочных входов для электрической юстировки датчика относительно вала двигателя и объекта управления;
наличие динамических погрешностей при слежении за координатой α, определяемых первым порядком астатизма следящей системы;
слабая фильтрация оценки производной , определяемая передаточной функцией фильтра первого порядка

где T_[c] постоянная интегрированная следящей системы;
наличие значительного количества аналоговых элементов с присущими им погрешностями, снижающими потенциальную точность ПВК;
разнородность представления информации в различных точках схемы ПВК, что мешает реализовать известные методы повышения точности оценок, в частности компенсацию ошибки.

Наиболее близким из аналогов (прототипом) является функциональный преобразователь угол-амплитуда-код (Метрология, 1983, N 8, с. 20-26, рис. 1),
Содержащий датчик угла поворота ротора двигателя вращающийся трансформатор, синусный и косинусный сигнальные выходы которого подключены к соответствующим сигнальным входам преобразователя переменного напряжения в постоянное, синусный и косинусный выходы которого подключены к первому и второму входам аналогового коммутатора, выход которого соединен с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, а также генератор импульсов, соединенный со входом блока управления, выходом которого является шина синхронизации, первый и второй накапливающие сумматоры.

Это амплитудный преобразователь на основе гармонического осциллятора (Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах, М. Энергоиздат, 1981, с. 164-169), в котором в процессе преобразования осуществляется поворот вектора, начальные координаты которого определяются выходными сигналами СКВТ, причем задание начальных условий и вращение вектора производится в цифровой форме.

Начальные условия вводят в виде кода тангенса угла, приведенного в первый октант. Получение этого кода и трех старших разрядов кода угла осуществляется преобразователем кода тангенса (ПКТ). На входы аналогового коммутатора (АК) и выявителя октантов (ВО) поступают два сигнала постоянного тока, пропорциональные функциям sin и cos входного угла α. Преобразование сигналов СКВТ в сигналы постоянного тока осуществляется демодуляторами, либо пиковыми детекторами "выборка-память".

По номеру октанта определяются три старших разряда кода, а также сигналы, пропорциональные функции sin и cos угла a, приведенного в 1-й октант (sinβ,cosβ); с помощью линейного АЦП находится код отношения этих сигналов, пропорционального функции tgβ.

Замкнутые в кольцо, два цифровых интегратора, (накапливающие сумматоры НС1 и НС2) представляют собой цифровой осциллятор, описываемый системой разностных уравнений
Y_[n]=Y_[n-1]-X_[n-1]·K;
X_[n]=X_[n-1]+Y_[n-1]·K,
где Y_[n] решетчатая функция, соответствующая выходному коду HC1; X_[n] решетчатая функция, соответствующая выходному коду HC2; K=2^-m число, равное отношению цен разрядов между входами A и B сумматоров HC1 и HC2; m смещение разрядной сетки между входами A и B НС1 и НС2; n число импульсов, поданных на тактовые входы НС1 и НС2.

Полученный в преобразователе кода тангенсов (ПКТ) код тангенса угла b используется для задания начальных условий Y_[0] , X_[0] 1 М.Е. при решении системы разностных уравнений. Решением системы являются решетчатые функции в виде

В результате преобразования формируется число импульсный код, вес которого является функцией числа К.

Пользуясь видом решения, можно определить число импульсов n, поданных на тактовые входы НС1 и НС2 с момента начала вращения вектора до момента равенства нулю выходного кода НС1, т.е. Y_[n]=0:

Тактовые импульсы продолжают поступать до тех пор, пока исходный вектор не повернется на угол π/4-β в 1, 4, 5-м и 8-м октантах или на угол b во 2, 3, 6-м и 7-м октантах.

При этом на выходах НС1 и НС2 формируются коды модулей синуса и косинуса угла поворота a.

Знаковый разряд кода синуса совпадает со старшим разрядом кода октанта, а знаковый разряд кода косинуса получается суммированием но модулю 2 двух старших разрядов кода октантов.

Амплитудный ПВК на основе цифрового осциллятора формирует цифровые оценки линейную для угла и проекций вектора и
Известное устройство (прототип) имеет следующие недостатки
отсутствует возможность получения оценки частоты вращения и введения юстировочных поправок;
низкое быстродействие из-за большого времени решения разностных уравнений, что приводит к увеличению динамических погрешностей с ростом частоты вращения.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчик угла-СКВТ, преобразователь переменного напряжения в постоянное, аналоговый коммутатор, АЦП, генератор импульсов, блок управления с шиной синхронизации, первый и второй цифровые накапливающие сумматоры дополнительно введены: регистры синуса и косинуса, первый и второй цифровые умножители, устройство сравнения, масштабирующий сумматор, первый и второй сумматоры, первый и второй функциональные преобразователи функции cos', первый и второй функциональные преобразователи функции sin, регистр константы юстировки двигателя, регистр константы юстировки координаты объекта управления (нагрузки), формирователь переменного напряжения. К имеющимся в устройстве связям, когда синусный и косинусный сигнальные выходы СКВТ подключены к соответствующим сигнальным входам преобразователя переменного напряжения в постоянное, синусный и косинусный выходы которого подключены к первому и второму сигнальным входам аналогового коммутатора, выход которого соединен с сигнальным входом АЦП, выход генератора импульсов соединен со входом блока управления, выходом которого является шина синхронизации, добавлены новые связи.

Выход АЦП соединен с информационными входами регистров синуса и косинуса, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго умножителей соответственно. Выходы умножителей соединены со входами устройства сравнения, а его выход соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора и первым информационным входом масштабирующего сумматора, второй информационный вход которого соединен с выходом первого накапливающего сумматора, а выход с информационным входом второго накапливающего сумматора. Выход второго накапливающего сумматора соединен с первым входом первого сумматора и входами первых функциональных преобразователей функций cos и sin, выходы которых соединены со вторыми входами первого и второго умножителей соответственно. Второй вход первого сумматора соединен с выходом регистра константы юстировки двигателя, а его выход с первым входом второго сумматора и входами вторых функциональных преобразователей функций sin и cos. Второй вход второго сумматора соединен с выходом регистра константы юстировки координаты нагрузки. Входы синхронизации преобразователя переменного напряжения в постоянное, аналогового коммутатора, АЦП, регистров синуса и косинуса, масштабирующего и накапливающих сумматоров соединены с шиной синхронизации блока управления. Вход формирователя переменного напряжения соединен с шиной синхронизации, а выход с обмоткой возбуждения СКВТ.

Входом устройства является угол поворота ротора СКВТ, а выходами
выход первого накапливающего сумматора код тахометрического сигнала;
выходы первого и второго сумматора коды координат двигателя и нагрузки привода с поправками на юстировку;
выходы вторых функциональных преобразователей функций cos и sin коды проекций вектора, угла поворота ротора двигателя с поправкой на юстировку.

На фиг. 1 дана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2
структурная схема системы непрерывного аналога цифровой следящей системы.

Предлагаемое устройство содержит (фиг.1) датчик положения ротора двигателя ДПР (СКВТ) 1, вход устройства (угол поворота ротора СКВТ ϕ_ДПР), преобразователь переменного напряжения в постоянное 2, аналоговый коммутатор 3, АЦП 4, генератор импульсов 5, блок управления 6, регистры синуса и косинуса 7 и 8, первый и второй умножители 9 и 10, устройство сравнения 11, первый и второй накапливающие сумматоры 12 и 14, масштабирующий сумматор 13, первые функциональные преобразователи функций cos и sin 15 и 16, первый и второй сумматоры 17, 19, регистры констант юстировки двигателя и координаты объекта управления (нагрузки) 18, 20, вторые функциональные преобразователи функций cos и sin 21 и 22, формирователь переменного напряжения 23. ПВК работает следующим образом.

Генератор импульсов 5 формирует на входе блока управления 6 импульсную последовательность с периодом Δt. Блок управления 6 из входной последовательности формирует на шине синхронизации требуемой емкости бит циклическую временную диаграмму импульсов с периодом Δt для тактировки блоков схемы. Синхронно с этим набором импульсов блок управления 6 формирует набор импульсных последовательностей с частотой f₀= 2πω_o где Δt·f₀ M целое число, для преобразования в формирователе 23 в переменное напряжение возбуждения ДПР (СКВТ) 1.

Таким образом, за период работы ПВК (Δt) формируются М периодов напряжения возбуждения U_B ДПР 1 частотой f₀ и амплитудой U₀:
U_в= U_o·sinω_ot;.

На выходах синусной и косинусной обмоток СКВТ образуются напряжения переменного тока

где m коэффициент трансформации СКВТ;
Θ сдвиг фазы несущей частоты;
v электрический угол поворота ротора СКВТ.

Значение угла v связано с углом поворота вала ДПР v_ДПР соотношение ϕ = ϕ_ДПР·i_BT, где i_BT коэффициент электрической редукции ВТ.

Напряжения U_S и U_C с выхода СКВТ 1 поступают на первый и второй сигнальные входы преобразователя переменного напряжения в постоянное 2. На выходах преобразователя 2 образуются напряжения постоянного тока с амплитудными значениями

Влияние сдвига фазы СКВТ Θ устраняется за счет синхронизации тактирующего входа "С" преобразователя 2 по времени с вершиной смещенной синусоиды несущей частоты на выходе СКВТ.

Сигналы с выходов преобразователя 2 поступают на 1-й и 2-й сигнальные входы аналогового коммутатора 3, на тактирующий вход "С" которого поступают синхроимпульсы с шины синхронизации. Аналоговый коммутатор 3 обеспечивает поочередную коммутацию двух входных напряжений на один выход, являющийся входом АЦП 4 и запоминание выходного напряжения в аналоговом запоминающем устройстве выборки хранения на время преобразования АЦП 4. Сигнал на выходе коммутатора 3 соответствует амплитудному значению .

АЦП 4 преобразует напряжения, соответствующие сигналам , в цифровые эквиваленты, представленные параллельным двоичным кодом, соответственно

где К_АЦП коэффициент передачи АЦП, в единицах младшего разряда кода на один вольт входного напряжения. Счетная частота и синхроимпульсы для работы АЦП поступают на его тактирующий вход "С" с шины синхронизации.

Информация о двоичном коде, соответствующая значениям , после окончания цикла преобразования АЦП 4 записывается в регистры синуса 7 и косинуса 8 соответственно. Синхроимпульсы записи поступают с шины синхронизации на тактирующие входы "С" регистров 7 и 8. В регистрах информация запоминается на период Δt.

Из регистра синуса информация в параллельном коде поступает на первый вход 1-го умножителя 9, а из регистра косинуса на первый вход 2-го умножителя 10. На вторые входы умножителей (УМН) 9 и 10 также в параллельном двоичном коде поступает информация с выходов первых функциональных преобразователей (ФП) функций cos 15 и sin 16, соответствующая кодам величин , где двоичный код цифрового эквивалента угла ϕ_ДПР/i_BT, поступающий на входы ФП 15 и 16.

С выходов умножителей 9 и 10, после умножения входных кодов и сокращения формата произведения, информация в виде поступает на входы устройства сравнения 11, на выходе которого формируется код сигнала рассогласования цифровой следящей системы в виде разности

Сигнал рассогласования поступает на вход прямой цепи цифровой следящей системы (ЦСС), которая состоит из цифровых интеграторов первого 12 и второго 14 накапливающих сумматоров (НС) и масштабирующего сумматора 13 За счет замыкания ЦСС по цепи обратной связи, с выхода 2-го НС 14 через первые ФП функций cos 15 и sin 16 на вторые входы УМН 9 и 10, при работе ЦСС автоматически выполняется условие сведения к нулю сигнала рассогласования . Условие , как и в аналоге, приводит к обеспечению функционального преобразования выполнению целевой функции ПВК в виде

Таким образом, на выходу 2-го НС 14 вырабатывается код оценки входного угла поворота ϕ в виде линейной функции в диапазоне от 0 до 2π радиан в соответствующем масштабе представления (единиц младшего разряда кода на радиан).

Устойчивость ЦСС обеспечивается за счет того, что сигнал , кроме поступления на вход 1-го НС 12, поступает на первый В вход масштабирующего сумматора (МС) 13, на второй вход А которого поступает сигнал с выхода первого НС 12. Сигнал с выхода МС 13 поступает на вход 2-го НС 14, выходом которого и является код оценки . Поскольку выходом прямой цепи является код угла , то входом последнего интегратора 2-го НС 14 является код несглаженной оценки частоты вращения ДПР , а на выходе первого интегратора ЦСС 1-го НС 12 образуется код сглаженной оценки частоты вращения .

С выхода ЦСС выхода 2-го НС 14 код оценки поступает на первый вход 1-го сумматора 17. В сумматоре он складывается с кодом поправки Δ_Д поступающим из регистра константы юстировки двигателя 18. Выходом 1-го сумматора является код оценки координаты угла поворота ротора двигателя с поправкой на юстировку, в пределах электрического шага обмотки,

После образование кода оценки угла он с выхода 1-го сумматора 17 поступает также на первый вход второго сумматора 19, на второй вход которого из регистра 20 поступает константа код юстировки Δ_Н координаты нормали объекта управления (нагрузки привода). На выходе второго сумматора 19 образуется код оценки положения нормали объекта с поправкой на юстировку

Рассмотрим более подробно работу ЦСС, поскольку ее структура и параметры определяют основные метрологические характеристики предлагаемого ПВК - статическую и динамическую точность выработки выходных цифровых оценок фазовых координат привода.

В ЦСС на каждом такте с номером N работы с периодом повторения Δt производится вычисления, которые реализуют методом Эйлера с постоянным шагом интегрирование системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику следящей системы непрерывного аналога ЦСС. Последнее допустимо, при малых Δt.

Структурная схема системы непрерывного аналога ЦСС приведена на фиг. 2, где обозначено: УВХ устройство выборки хранения.

Ей соответствует передаточная функция

и уравнение ошибки

где K_a= α[C^-2] добротность по ускорению;
T = β/α·[C] постоянная времени;
масштабные коэффициенты преобразователей сигналов на входе и выходе устройства.

При замыкании системы выполняется условие , что позволяет при масштабировании пользоваться зависимостью

Отсюда следует, что масштабирование должно обеспечивать равенство крутизны преобразования линейного кода угла и его функции sin в нуле на выходе устройства сравнения. Если принять период величины равным машинной единице в системе счета с фиксированной слева запятой, т.е. 1 [M.E. 2π, то максимальное значение кодов функций sin и cos, приведенное к выходу устройства сравнения, будет

Соответствующие машинные числа, в зависимости от разрядности машинной единицы, представлены в таблице.

Разрядность АЦП должна быть такой, чтобы значение е.м.р. не превосходило максимум информационной емкости АЦП, с целью избежать дальнейшего перемасштабирования и потери потенциальной точности.

Так при 12-разрядном АЦП его емкость составит 2¹²-1 4095 бит, т.е. при работе с 2-х полярным сигналом СКВТ от -2047 до +2047 [е.м.р. В этом случае без искажений воспроизводится значение [е.м.р. при n 13, и крутизна преобразования АЦП определяется согласно табл. 2 как

При таком масштабировании дискретность оцифровки выходной координаты D_ϕ в безредукторном приводе составит

При переходе к дискретному времени с номером такта N передаточная функция W_(P) реализуется организацией работы цифровых интеграторов с масштабированием в виде следующей процедуры

Поскольку величины α,β,Δt константы, то соответствующих операций умножения можно не производить, ограничившись при определенных ограничениях на выбор коэффициентов α и β изменением масштаба представления машинных чисел и их сдвигом.

Так дискретность выходного кода a_ДПР-D_ϕ по отношению к входному будет определяться константой двукратного интегрирования α×Δt² (при условии α×Δt∠β). Это безразмерное число и его можно выбрать кратным двойке, т.е.

α×Δt²= 2^r
где r целое число, равное числу разрядов сдвига выходного кода относительно кода ошибки. При малых Δt получаем r<0, т.е. код угла должен располагаться в расширенной вправо разрядной сетке.

Значение величины α[c^-2] получим как

От выбора коэффициента α зависит диапазон работы первого интегратора и дискретность кода сглаженной оценки частоты вращения , определяемая как

При выборе коэффициента b и масштабировании операции суммирования

используются следующие соображения:
1) Выравнивание масштабов на входе масштабирующего сумматора проводится по кратности двойке, т.е.

α×Δt = 2^-q×β
где q целое, равное числу разрядов левого сдвига когда при суммировании.

2) На выбор β по п. 1 накладываются ограничения по амплитудно-- и фазо-частотной характеристикам (АЧХ и ФЧХ) ЦСС в существенном диапазоне частот, определяемом требованиями к системе управления моментальным двигателем, в соответствии с формулами связи параметров

где w_c [C^-1] частота среза АЧХ разомкнутой следящей системы - непрерывного аналога ЦСС,
ζ коэффициент затухания колебательного звена, образованного замкнутой системой.

Для максимально гладкой АЧХ замкнутой системы с передаточными функциями по углу

и по частоте вращения со сглаживанием

в литературе (Активные RC-фильтры на операционных усилителях: Пер. с англ. /Под ред. Г.Н. Алексакова. М. Энергия, 1974) рекомендовано значение ζ 0,884. При этом для коэффициента b получим опорное значение b_o

вокруг которого будут варьироваться дискретные значения β, соответствующие условиям п. 1.

Таким образом значения величин Dt, D_ϕ (n) r, q полностью определяют точностные и динамические параметры следящей системы.

Быстродействие устройства обеспечивается быстродействием входного АЦП и аппаратной реализацией схемы цифровой обработки, а многофункциональность - структурой ЦСС, схемой юстировки и функциональными преобразователями тригонометрических функций. Метрологические показатели определяются разрядностью АЦП, величиной тактового интервала Dt и параметрами α и β ЦСС, как было показано выше.

Предлагаемое изобретение может быть выполнено на стандартных элементах, выпускаемых промышленностью.

Формула изобретения

Быстродействующий многофункциональный преобразователь угла в код для устройств электромеханотроники, содержащий аналоговый коммутатор, блок управления, преобразователь переменного напряжения в постоянное, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй накапливающие сумматоры и датчик угла поворота ротора двигателя, выполненный в виде вращающегося трансформатора, синусный и косинусный сигнальные выходы которого подключены к соответствующим сигнальным входам преобразователя переменного напряжения в постоянное, синусный и косинусный выходы которого подключены к первому и второму сигнальным входам аналогового коммутатора, выход которого соединен с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, выход генератора импульсов соединен с входом блока управления, выход которого является шиной синхронизации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены регистры sin и cos, первый и второй цифровые умножители, устройство сравнения, масштабирующий сумматор, первый и второй сумматоры, первый и второй функциональные преобразователи функции cos, первый и второй функциональные преобразователи функции sin, регистр константы юстировки двигателя, регистр константы юстировки координаты объекта управления и формирователь переменного напряжения, причем угол поворота ротора вращающегося трансформатора является входом преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационными входами регистров sin и cos, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго умножителей соответственно, выходы которых соединены с входами устройства сравнения, выход которого подключен к информационному входу первого накапливающего сумматора и к первому информационному входу масштабирующего сумматора, второй информационный вход которого соединен с выходом первого накапливающего сумматора, а выход подключен к информационному входу второго накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора и с входами первых функциональных преобразователей функций cos и sin, выходы которых соединены с вторыми входами первого и второго умножителей соответственно, второй вход первого сумматора соединен с выходом регистра константы юстировки двигателя, выход первого сумматора подключен к входам вторых функциональных преобразователей функций sin и cos и к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом регистра константы юстировки координаты объекта управления, шина синхронизации блока управления соединена с входами синхронизации преобразователя переменного напряжения в постоянное, аналогового коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, регистров cos и sin, масштабирующего и накапливающих сумматоров и с входом формирователя переменного напряжения, выход которого подключен к обмотке возбуждения вращающегося трансформатора, выход первого накапливающего сумматора является выходом кода тахометрического сигнала преобразователя, выходами кода координаты двигателя и нагрузки с поправками на юстировку которого являются выходы соответственно первого и второго сумматоров, выходы вторых функциональных преобразователей функции cos и sin являются в преобразователе соответственно выходами кодов ортогональных составляющих вектора угла поворота ротора двигателя с поправкой на юстировку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3