Устройство для определения угла

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения углового положения вала или иного элемента исполнительного устройства. Предлагаемое устройство содержит датчик угла с тремя фазовыми выходами, например сельсин, соединенными с входами синхронного демодулятора. Три перемножителя обеспечивают перемножение сигналов на выходе синхронного демодулятора с выходными сигналами трех фазовращателей. Сумма произведений, получаемая на выходе сумматора, интегрируется интегратором и отображается на индикаторе. В цепь обратной связи, включенную между выходом интегратора и входами фазовращателей, введен блок установки нуля устройства. Введение интегратора в цепи обратной связи позволяет повысить точность определения угла. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к устройствам для определения углового положения вала или иного элемента исполнительного механизма.

Известно устройство для определения угла, содержащее датчик угла, демодулятор и индикатор (см. патент США N 546665).

Это устройство обладает, однако, невысокой точностью и необходимостью иметь многофазную систему подачи опорных напряжений.

Наиболее близким к настоящему изобретению, прототипом его, является преобразователь угла поворота вала в напряжение по авт. св. N 1247647 A1 от 30.07.86, G 01 В 7/30, содержащий датчик угла с тремя фазовыми выходами, соединенными с входами синхронного демодулятора.

Недостатком устройства-прототипа является невысокая точность, обусловленная наличием элементов - источников нелинейных искажений.

Задачей изобретения является улучшение метрологических характеристик устройства-прототипа.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности определения угла.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство-прототип введены первый, второй и третий перемножители, первый, второй и третий фазовращатели, сумматор, интегратор, блок установки "нуля" и индикатор, причем входы перемножителей подключены попарно-соответственно к выходам демодулятора и фазовращателей, а выходы - к входам сумматора, выход которого через интегратор подключен к входам индикатора и блока установки "нуля", выход которого подключен к входам фазовращателей. При этом подавление нелинейности сквозной характеристики преобразования угла поворота датчика в показания индикатора осуществляется за счет введения в управляемые фазовращатели определенных функциональных соотношений, зависящих от характеристик датчика и использования схемы пофазного сравнения выходных напряжений демодулятора и фазовращателей на базе перемножителей, интеграл от суммы выходных напряжений которых оказывается пропорциональным углу поворота датчика и не зависящим от напряжения питания и "остаточных" фазовых напряжений этого датчика." Изобретение поясним по представленной на чертеже блок-схеме предложенного устройства для определения угла, где обозначено: 1 - датчик угла с тремя фазовыми выходами, например сельсин; 2 - синхронный демодулятор, входы которого подключены к выходам датчика 1; 3, 4, 5 - первый, второй и третий перемножители; 6, 7, 8 - первый, второй и третий фазовращатели; 9 - сумматор; 10 - интегратор; 11 - блок установки "нуля" показаний индикатора 12; 12 - индикатор угла поворота датчика 1 относительно "нулевого" его положения.

Сеть питания и взаимной синхронизации датчика 1 и демодулятора 2 обозначена как U_п (по действующему в ней напряжению). Первый, второй и третий выходы датчика и демодулятора обозначены буквами а, в, с, напряжения на выходах блоков 1, 2, 3,..., 11 - соответственно как U_1а U_1b, U_1с; U_2а U_2b, U_2с; U₃,..., U₁₁. Входы первого перемножителя (перемножителя 3) подключены к первому выходу демодулятора (к выходу а) и к выходу первого фазовращателя (фазовращателя 6), входы второго перемножителя (перемножителя 4) - к второму выходу демодулятора (к выходу в) и к выходу второго фазовращателя (фазовращателя 7), входы третьего перемножителя (перемножителя 5) - к третьему выходу демодулятора (к выходу с) и к выходу третьего фазовращателя (фазовращателя 8). Выходы перемножителей 3, 4, 5 подключены к входам сумматора 9, выход последнего - к входу интегратора 10, выход последнего - к входам индикатора 12 и блока 11, выход последнего - к входам фазовращателей 6, 7, 8.

Устройство работает следующим образом.

Зависимость напряжений на фазовых выходах а, в, с датчика 1 от углового положения α этого датчика и несущей частоты ω питающего его напряжения U_п имеет вид U_1a= K₁U_пSinωtSinα, U_1b= K₁U_пSinωtSin(α+120°), U_1c= K₁U_пSinωtSin(α-120°), где K₁ - коэффициент пропорциональности, t - время.

Напряжения на выходах а, в, с демодулятора 2 имеют вид U_2a= U_дSinα, U_2b= U_дSin(α+120°), U_2c= U_дSin(α-120°), где U_д - амплитудное значение напряжений U_2а, U_2b, U_2c.

Напряжение U₁₀ на выходе интегратора 10 отображается индикатором 12 в размерности угла β, равного, как это будет показано ниже, разности (α-α₀), где α₀ - значение угла α, принимаемое за начало отсчета и задаваемое в блоке 11 установки "нуля" показаний индикатора 12.

Пусть β = K₂U₁₀, U₁₁= K^*₂(β+α₀), где K₂, K₂^* - коэффициенты пропорциональности. Схема фазовращателей 6, 7, 8 такова, что при изменении управляющего напряжения U₁₁ на выходах их имеем U₆= U_фCos(β+α₀),
U₇= U_фCos((β+α₀)+120°),
U₈= U_фCos((β+α₀)-120°),
где U_ф - амплитудное значение напряжений U₆, U₇, U₈.

В результате попарного перемножения напряжений на входах блоков 3, 4, 5 и суммирования полученных произведений в блоке 9 на выходе последнего имеем

где K₃, K₃^* = 3/2 K₃ - коэффициенты пропорциональности.

Напряжение U₉ в блоке 10 интегрируется так, что на выходе блока 10 имеем

где K₄ - коэффициент пропорциональности, τ - переменная интегрирования (время). При этом блоки 6, 7, 8 и 11 по отношению к блокам 3, 4, 5 и 9, 10 образуют цепь отрицательной обратной связи, автоматически обеспечивающей устойчивое равновесие (баланс состояний) при выполнении условия U₉ = 0, откуда следует (α-β-α₀) = 0 или β = α-α₀.
Любое изменение углового положения датчика 1, т.е. величины (α-α₀), приводит к нарушению равенства U₉ = 0 и, следовательно, к такому дальнейшему изменению напряжения U₁₀ на выходе интегратора 10, что фазовый сдвиг угла β = K₂U₁₀ и соответствующие ему значения напряжений U₆, U₇, U₈ на выходах фазовращателей приводят к восстановлению равновесия, т.е. равенства U₉ = 0, при новом значении напряжения U₁₀; одновременно восстанавливается и равенство β = α-α₀. Таким образом, напряжение U₁₀ на выходе интегратора 10 и показания β индикатора 12 являются эквивалентами угла поворота датчика 1 относительно его начального ("нулевого") положения α₀.
Подчеркнем, что связь U₁₀ с интегралом от U₉ отражает лишь динамику изменения этого напряжения во времени. Что касается статики, то она характеризуется условием равновесия: U₉ = 0, что возможно только при соблюдении равенства β = α-α₀ или U₁₀= (α-α₀)/K₂ и не зависит от параметров K₃, K₄, U_д, U_ф, t. Повышенная точность определения углового положения датчика в предложенной схеме обусловлена именно этим обстоятельством.

Формула изобретения

Устройство для определения угла, содержащее датчик угла с тремя фазовыми выходами, соединенными с входами синхронного демодулятора, отличающееся тем, что введены первый, второй и третий перемножители, первый, второй и третий фазовращатели, сумматор, интегратор, блок установки нуля и индикатор, причем входы перемножителей подключены попарно соответственно к выходам демодулятора и фазовращателей, а выходы - к входам сумматора, выход которого через интегратор и подключен к входам индикатора и блока установки нуля, выход которого подключен к входам фазовращателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1