Преобразователь угла, угловой скорости и углового ускорения вала в код

Изобретение относится к области измерительной техники. Преобразователь основан на применении техники цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и микроэлектронной технологии. Используется диск из магнитоодноосного ферромагнетика, на котором наносятся доменопродвигающие структуры, генератор и аннигилятор ЦМД. Создается вращающееся магнитное поле, под действием которого ЦМД перемещаются по доменопродвигающей структуре концентрично валу. С валом жестко связан второй детектор ЦМД, а первый детектор неподвижно установлен в нулевом положении вала. Когда ЦМД проходит возле детекторов, тогда они выдают импульсы тока. Время прохождения ЦМД между детекторами определяет угловое положение вала ϕ. Время t определяется путем заполнения счетчика тактовыми импульсами генератора в период между выходными импульсами детекторов ЦМД. Угловая скорость вала ω определяется путем измерения угла ϕ_пред в период одного оборота ЦМД и измерения угла ϕ_посл в период последующего оборота ЦМД, определения разности этих углов и деления ее на время одного оборота ЦМД - величину постоянную. Постоянную величину 1/Т можно сделать равной единице или 10ⁿ, где n - целое число. Тогда угловую скорость можно определить как разность двух последовательных измерений угла. Операция вычитания осуществляется на реверсивном счетчике. Угловое ускорение вала ε определяется как разность двух последовательных измерений угловой скорости вала, поделенная на время «Т». Первое измерение ω осуществляется первым реверсивным счетчиком, а второе - вторым реверсивным счетчиком. Разность угловых скоростей осуществляется вычитателем, на выходе которого образуется величина углового ускорения. Технический результат - повышение точности, уменьшение габаритов, упрощение процесса обработки сигнала. 1 ил.

 

Преобразователь используется для измерения угловых величин - угла поворота вала, угловой скорости, углового ускорения путем непосредственного преобразования их в коды.

Возможно применение преобразователя в системах управления подвижными объектами, прецизионными станками, в системах АСУ, в измерительной технике и другой аппаратуре высокой точности при малых габаритах.

Известен преобразователь угла, угловой скорости и ускорения (а.с. 994900 СССР), в котором входные величины преобразуются в электрические аналоговые сигналы с помощью вращающегося трансформатора, а затем осуществляется преобразование в дискретные величины.

Недостатком этого преобразователя является преобразование непрерывной величины угла ϕ в другую непрерывную величину - фазу переменного тока с помощью вращающегося трансформатора, что связано с большой погрешностью, большими габаритами самого вращающегося трансформатора и значительным усложнением схемы преобразования. Эти недостатки свойственны и преобразованию угловой скорости ω и ускорения ε, поскольку все эти величины выражаются через аналоговую электрическую величину - выходной сигнал вращающегося трансформатора.

Известен также преобразователь угла, угловой скорости и углового ускорения (а.с. 1101740 СССР). Измерение углового положения вала осуществляется с помощью генератора импульсов, счетчика, формирователя, фазовращателя, нуль-органа и регистра. Недостатком этого устройства является нерациональное преобразование непрерывной величины в другую непрерывную величину с помощью фазовращателя типа СКВТ, что влечет за собой большую погрешность, большие габариты и значительное усложнение схемного решения.

Измерения угловой скорости и углового ускорения имеют те же недостатки, поскольку они начинаются с применения фазовращателя. Невелико также и быстродействие этого преобразователя.

Наиболее близким к предлагаемому преобразователю по техническому решению является измеритель угла, угловой скорости и углового ускорения (В.Г.Домрачеев, В.Р.Матвеевский, Ю.С.Смирнов, Системотехника цифровых преобразователей перемещений, Справочное пособие, М., "Энергоатомиздат", 1987, стр.145). Он состоит из фазовращателя, формирователя опорных напряжений, делителя частоты, генератора импульсов, ПЗУ, ЦАП, нуль-органа, триггера, регистров, сумматора, инверторов, формирователя узких импульсов, счетчика и логического элемента.

Недостатком этого преобразователя является то, что весь процесс преобразования начинается с фазовращателя, то есть с преобразования аналоговых угловых величин в аналоговую электрическую величину - фазу, что связано со значительной погрешностью и большими габаритами самого фазовращателя и сложностью последующих преобразований входных сигналов.

Для обеспечения технического результата преобразователь угла поворота вала, угловой скорости, углового ускорения в код содержит вал, генератор, триггер, счетчик импульсов, регистр, ферромагнитный диск с одним цилиндрическим магнитным доменом (ЦМД), с доменопродвигающими структурами, два детектора ЦМД, второй триггер, пять элементов "И", пять элементов "Задержка", три регистра, два счетчика импульсов, элемент "ИЛИ", вычитатель, блок управления, блок генератора и аннигилятора ЦМД, блок вращающегося магнитного поля, блок защиты, причем вал жестко связан с одним детектором ЦМД, а другой детектор ЦМД неподвижен и расположен в нулевом положении вала; первый детектор нулевого положения ЦМД соединен с первым входом первого триггера, со вторым входом первого счетчика, со счетным входом второго триггера, второй детектор ЦМД соединен со вторым входом первого триггера, со вторыми входами четвертого и пятого элементов "И", со вторым входом первого регистра и с первым элементом "Задержка", выход генератора соединен со вторым входом первого элемента "И", выход первого триггера соединен с первым входом первого элемента "И", первый выход второго триггера соединен с первыми входами второго и пятого элементов "И", а второй его выход соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов "И", выход первого элемента "И" соединен с первым входом первого счетчика и со вторыми входами второго и третьего элементов "И", выход второго элемента "И" соединен с первым входом второго счетчика и со вторым входом третьего счетчика, выход третьего элемента "И" соединен со вторым входом второго счетчика и с первым входом третьего счетчика, выход четвертого элемента "И" соединен со входами второго и третьего элементов "Задержка", а также с первым входом элемента "ИЛИ", выход пятого элемента "И" соединен со входами четвертого и пятого элементов "Задержка", а также со вторым входом элемента "ИЛИ", выход первого счетчика соединен с первым входом первого регистра, выход второго счетчика соединен с первым входом второго регистра, выход третьего счетчика соединен с третьим входом второго регистра, выход первого регистра подается на шину угла "ϕ", выход второго регистра подается на шину угловой скорости "ω" и на первые входы третьего и четвертого регистров, выход третьего регистра соединен с первым входом вычитателя, выход четвертого регистра соединен со вторым входом вычитателя, выход схемы "ИЛИ" соединен со входом сброса второго регистра, выход первого элемента "Задержка" подается на шину "Синхронизация", выход второго элемента "Задержка" соединен с третьим входом второго счетчика, выход третьего элемента "Задержка" соединен со вторыми входами второго и третьего регистров, выход четвертого элемента "Задержка" соединен с третьим входом третьего счетчика, выход пятого элемента "Задержка" соединен с четвертым входом второго регистра и со вторым входом четвертого регистра, выход вычитателя подается на шину углового ускорения "ε", выход блока управления соединен со входами блока защиты, блока вращающегося магнитного поля и блока генератора ЦМД и аннигиляторов.

Предлагаемый преобразователь позволяет значительно увеличить точность преобразования, уменьшить габариты устройства, существенно упростить процесс обработки сигнала при преобразовании угловых величин.

Добиться этого можно путем применения техники цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и микроэлектронной технологии.

Известно, что ЦМД имеют размеры в единицы, доли микрометра и могут перемещаться со скоростью до нескольких км/сек. Перемещая ЦМД по окружности, концентричной валу, можно фиксировать прохождение их возле нулевого и текущего положений вала с помощью детекторов ЦМД.

Построенный на этом принципе преобразователь не имеет промежуточного преобразования угловых величин в другие аналоговые величины, связанные с высокой погрешностью и большими габаритами. Весьма малые размеры ЦМД позволяют организовать измерительную шкалу с огромным количеством делений, что существенно увеличивает точность преобразования.

Малые размеры ЦМД и микроэлектронная технология позволяют уменьшить габариты преобразователя на несколько порядков. Исключение нерациональных преобразований и применение магнитной редукции скорости вращения ЦМД позволяют существенно упростить процесс преобразования и увеличить быстродействие устройства.

Авторами разработаны и защищены патентами преобразователи угла в код, отдельно угловой скорости и углового ускорения. Объединение этих преобразователей в один позволяет измерять все три параметра строго в один и тот же момент времени, что значительно повышает качество информации о движении объекта контроля. Помимо этого, исключаются многие операции преобразования за счет использования одной операции во всех трех преобразователях.

На чертеже представлена схема преобразователя угла, угловой скорости и углового ускорения в коды.

Преобразователь содержит вал 1, ферромагнитный диск 2, ЦМД 3, доменопродвигающую структуру 4, детектор нулевого положения ЦМД 5, детектор ЦМД текущего положения вала 6, генератор импульсов 7, триггеры 8 и 9, элементы "И" 10, 11, 12, 13, 14, счетчики импульсов 15, 16, 17, регистры 18, 19, 20, 21, элемент "ИЛИ" 22, элементы "Задержка" 23, 24, 25, 26, 27, вычитатель 28, блок управления 29, блок защиты 30, блок вращающегося магнитного поля 31, блок генератора ЦМД и аннигилятора 32.

Соединение элементов осуществляется следующим образом.

Детектор нулевого положения ЦМД 5 соединен с первым входом триггера 8, со вторым входом счетчика 15, со счетным входом триггера 9. Детектор ЦМД текущего положения вала 6 соединен со вторым входом триггера 8, со вторыми входами элементов "И" 13 и 14, со вторым входом регистра 18 и с элементом "Задержка" 23. Выход генератора 7 соединен со вторым входом элемента "И" 10. Выход триггера 8 соединен с первым входом элемента "И" 10. Первый выход триггера 9 соединен с первыми входами элементов "И" 11 и 14, а второй его выход соединен с первыми входами элементов "И" 12 и 13. Выход элемента "И" 10 соединен с первым входом счетчика 15 и со вторыми входами элементов "И" 11 и 12. Выход элемента "И" 11 соединен с первым входом счетчика 16 и со вторым входом счетчика 17. Выход элемента "И" 12 соединен со вторым входом счетчика 16 и с первым входом счетчика 17. Выход элемента "И" 13 соединен со входами элементов "Задержка" 24 и 25, а также с первым входом элемента "ИЛИ" 22. Выход элемента "И" 14 соединен со входами элементов "Задержка" 26 и 27, а также со вторым входом элемента "ИЛИ" 22. Выход счетчика 15 соединен с первым входом регистра 18. Выход счетчика 16 соединен с первым входом регистра 19. Выход счетчика 17 соединен с третьим входом регистра 19. Выход регистра 18 подается на шину угла "ϕ". Выход регистра 19 подается на шину угловой скорости "ω" и на первые входы регистров 20 и 21. Выход регистра 20 соединен с первым входом вычитателя 28. Выход регистра 21 соединен со вторым входом вычитателя 28. Выход схемы "ИЛИ" 22 соединен со входом сброса регистра 19. Выход элемента "Задержка" 23 подается на шину "Синхронизация". Выход элемента "Задержка" 24 соединен с третьим входом счетчика 16. Выход элемента "Задержка" 25 соединен со вторыми входами регистров 19 и 20. Выход элемента "Задержка" 26 соединен с третьим входом счетчика 17. Выход элемента "Задержка" 27 соединен с четвертым входом регистра 19 и со вторым входом регистра 21. Выход вычитателя 28 подается на шину углового ускорения "ε". Выход блока управления 29 соединен со входами блока защиты 30, блока вращающегося магнитного поля 31 и блока генератора ЦМД и аннигиляторов 32.

Преобразователь работает следующим образом. Под действием сигнала "Пуск" блок управления 29 воздействует на блок генераторов и аннигиляторов ЦМД 32, которые уничтожают ЦМД на ферромагнитном диске 2 и создают ЦМД 3 в нулевом положении вала 1. Одновременно включается блок вращающегося магнитного поля 31, которое с помощью доменопродвигающих структур 4 перемещают ЦМД по окружности, концентричной валу. В нулевом положении вала установлен детектор ЦМД 5, а с валом связан подвижный детектор ЦМД 6, перемещающийся по доменопродвигающей структуре. ЦМД вращается со скоростью на несколько порядков выше скорости вращения вала.

При прохождении ЦМД возле нулевого положения вала срабатывает детектор ЦМД 5, который включает триггер 8, выходной сигнал которого открывает элемент "И" 10, пропускающую импульсы генератора 7 на первый вход счетчика 15, на второй вход которого предварительно подавался импульс сброса предыдущего числа. При прохождении ЦМД возле детектора 6 последний вырабатывает импульс, переключающий триггер 8 и закрывающий элемент "И" 10, в результате чего счетчик 15 прекращает подсчет импульсов, выдавая в регистр 18 число, соответствующее углу поворота вала, которое подается на шину "ϕ".

При повторном прохождении ЦМД через нулевое положение происходит сброс предыдущего значения угла "ϕ" и начинается повторное измерение угла. Таким образом значение угла поворота вала ϕ определяется по формуле

где ω_д - угловая скорость домена, являющаяся постоянной величиной;

t - время прохождения ЦМД между детекторами ЦМД.

Одновременно с этим процессом идет измерение угловой скорости вала, которая определяется выражением (3). При прохождении ЦМД нулевого положения вала срабатывает детектор 5, его выходной импульс включает триггер 9 в единичное состояние и его первый выход включает элемент "И" 11, пропускающий с выхода элемента "И" 10 импульсы в реверсивный счетчик 16, при этом осуществляется запись "предыдущего" значения угла "ϕ". При следующем цикле измерения угла от детектора 5 триггер 9 переключается и через элемент "И" 12 на второй (вычитающий) вход счетчика 16 подаются импульсы "последующего" значения угла "ϕ". В результате этого в счетчике 16 устанавливается разность углов ϕ_пред и ϕ_посл, которая соответствует угловой скорости вала "ω". По окончании "последующего" измерения угла по сигналу детектора 6 осуществляется сброс в исходное состояние регистра 19, запись в регистр 19 значения угловой скорости и сброс по третьему входу счетчика 16 в нулевое положение. На шине "ω" появляется значение угловой скорости. Таким образом осуществляется первое ("предыдущее") значение угловой скорости. Второе ("последующее") измерение угловой скорости происходит аналогично при следующем цикле измерения угла "ϕ" с помощью счетчика 17, и в регистре 19 появляется второе ("последующее") значение угловой скорости.

Таким образом, значение угловой скорости вала ю определяется по следующей формуле:

где ω - угловая скорость вала;

ϕ_посл - последующее положение вала;

ϕ_пред - предыдущее положение вала;

Т - время одного оборота ЦМД (величина постоянная).

Постоянное выражение 1/Т в формуле (2) можно сделать равным "1" или "10ⁿ", где n - целое число. Тогда угловую скорость можно определить как разность двух последовательных измерений угла по формуле

При каждом измерении углового положения вала с помощью детектора 6 и элемента "Задержка" 29 выдается сигнал "Синхронизация". С помощью детектора 6, элементов "И" 22, 26 и элементов "Задержка" 23, 24, 27, 28, а также элемента "ИЛИ" 25 осуществляется сброс предыдущей информации в счетчиках и регистрах.

Определение ускорения вала осуществляется путем вычитания двух последовательных измерений угловой скорости за время одного оборота ЦМД (величины постоянной). Эта операция осуществляется с помощью регистров 30, 31 и вычитателя 32, на выходной шине которого появляется код ускорения ε. Угловое ускорение ε определяется по формуле

где ε - угловое ускорение вала;

ω_посл - второе (последующее) измерение угловой скорости;

ω_пред - первое (предыдущее) измерение угловой скорости;

Т - время одного оборота ЦМД (величина постоянная).

Постоянное выражение 1/Т в формуле (4) можно сделать равным "1" или "10ⁿ", где n - целое число, и тогда формулу можно упростить, как это показано в выражении (5):

Защита от ложного срабатывания измерителя угловой скорости при переходе вала через нулевое положение, при котором происходит резкий скачок угловой скорости осуществляется блоком защиты 30.

Преобразователь угла, угловой скорости и углового ускорения в код, содержащий вал, генератор, триггер, счетчик импульсов, регистр, отличающийся тем, что вводятся ферромагнитный диск с одним цилиндрическим магнитным доменом (ЦМД), с доменопродвигающими структурами, два детектора ЦМД, второй триггер, пять элементов «И», пять элементов «Задержка», три регистра, два счетчика импульсов, элемент «ИЛИ», вычитатель, блок управления, блок генератора и аннигилятора ЦМД, блок вращающегося магнитного поля, блок защиты, причем вал жестко связан с одним детектором ЦМД, а другой детектор ЦМД неподвижен и расположен в нулевом положении вала, первый детектор нулевого положения ЦМД соединен с первым входом первого триггера, со вторым входом первого счетчика, со счетным входом второго триггера, второй детектор ЦМД соединен со вторым входом первого триггера, со вторыми входами четвертого и пятого элементов «И», со вторым входом первого регистра и с первым элементом «Задержка», выход генератора соединен со вторым входом первого элемента «И», выход первого триггера соединен с первым входом первого элемента «И», первый выход второго триггера соединен с первыми входами второго и пятого элементов «И», а второй его выход соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов «И», выход первого элемента «И» соединен с первым входом первого счетчика и со вторыми входами второго и третьего элементов «И», выход второго элемента «И» соединен с первым входом второго счетчика и со вторым входом третьего счетчика, выход третьего элемента «И» соединен со вторым входом второго счетчика и с первым входом третьего счетчика, выход четвертого элемента «И» соединен со входами второго и третьего элементов «Задержка», а также с первым входом элемента «ИЛИ», выход пятого элемента «И» соединен со входами четвертого и пятого элементов «Задержка», а также со вторым входом элемента «ИЛИ», выход первого счетчика соединен с первым входом первого регистра, выход счетчика соединен с первым входом второго регистра, выход третьего счетчика соединен с третьим входом второго регистра, выход первого регистра подается на шину угла «ϕ», выход второго регистра подается на шину угловой скорости «ω» и на первые входы третьего и четвертого регистров, выход третьего регистра соединен с первым входом вычитателя, выход четвертого регистра соединен со вторым входом вычитателя, выход схемы «ИЛИ» соединен со входом сброса второго регистра, выход первого элемента «Задержка» подается на шину «Синхронизация», выход второго элемента «Задержка» соединен с третьим входом второго счетчика, выход третьего элемента «Задержка» соединен со вторыми входами второго и третьего регистров, выход четвертого элемента «Задержка» соединен с третьим входом третьего счетчика, выход пятого элемента «Задержка» соединен с четвертым входом второго регистра и со вторым входом четвертого регистра, выход вычитателя подается на шину углового ускорения «ε», выход блока управления соединен со входами блока защиты, блока вращающегося магнитного поля и блока генератора ЦМД и аннигиляторов.