Преобразователь угла поворота вала в код

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к преобразователям угла поворота вала в код, и может быть использовано в системах обработки данных. Техническим результатом является повышение точностных характеристик преобразователя. Устройство содержит синусно-косинусный трансформаторный датчик, источник напряжения, переключатели, интеграторы, преобразователь код-напряжение, реверсивный счетчик, функциональный преобразователь отношения напряжений в код, блок управления, компаратор, генератор импульсов, элементы И. 1 ил.

 

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к преобразователям угла поворота вала в код, и может быть использовано в системах обработки данных.

Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный трансформаторный датчик, селектор октантов, суммирующие масштабные усилители, линейные множительные устройства, суммирующий блок, масштабные устройства, компаратор, регистр и блок управления (см. а.с. СССР №416717, кл. G 08 C 9/00, 1972 г.).

Недостатком преобразователя является его сложность и невысокая точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь угла поворота вала в код, принятый за прототип и содержащий (см. патент РФ №1826836, кл. Н 03 М 1/48, 1991 г.) синусно-косинусный трансформаторный датчик, первый и второй выходы которого подключены ко второму и третьему входам блока управления и к первым входам первого и второго переключателей соответственно, вторые входы которых объединены и подключены к выходу источника напряжения, а выходы подключены ко входам первого и второго интеграторов соответственно, выход первого из которых подключен к первому входу функционального преобразователя отношения напряжений в код и к одному из входов вычитающего усилителя, а выход второго - к аналоговому входу преобразователя код-напряжение, цифровые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика, а выход подключен ко второму входу функционального преобразователя отношения напряжений в код и к другому входу вычитающего усилителя, выход которого подключен к одному из входов компаратора, другой вход которого подключен к общей шине, а выход подключен к первому входу элемента И, первый вход блока управления соединен с шиной переменного опорного напряжения, первый выход блока управления подключен к управляющим входам первого и второго интеграторов и к управляющему входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, выход которого является выходом преобразователя угла поворота вала в код, второй выход блока управления подключен к управляющим входам первого и второго переключателей, ко входу разрешения установки реверсивного счетчика и ко второму входу элемента И, третий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход подключен к счетному входу реверсивного счетчика, вход выбора режима "сложение/вычитание" которого подключен к шине логического "0" преобразователя, а информационные входы - к шине логической "1".

К недостаткам известного преобразователя следует отнести сложность его реализации, большие аппаратурные затраты и невысокую точность, обусловленные избыточностью электрических связей в цепях следящей системы коррекции интеграторов, а также использованием в его составе аналогового вычитающего усилителя, вносящего дополнительную погрешность в режиме коррекции интеграторов и, как следствие, погрешность преобразования входных параметров в рабочем режиме.

Цель изобретения - упрощение, снижение аппаратурных затрат и повышение точностных характеристик преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный трансформаторный датчик, первый и второй выходы которого подключены ко второму и третьему входам блока управления и к первым входам первого и второго переключателей соответственно, вторые входы которых объединены и подключены к выходу источника напряжения, а выходы подключены ко входам первого и второго интеграторов соответственно, выход первого из которых подключен к первому входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, а выход второго - к аналоговому входу преобразователя код-напряжение, цифровые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика, а выход подключен ко второму входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, выход которого является выходом преобразователя угла поворота вала в код, первый вход блока управления соединен с шиной переменного опорного напряжения, первый выход блока управления подключен к управляющим входам первого и второго интеграторов и к управляющему входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, а второй выход подключен к управляющим входам первого и второго переключателей и к одному из входов первого элемента И, другой вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход подключен к счетному входу реверсивного счетчика, введен второй элемент И, один из входов которого подключен ко второму выходу блока управления, другой вход подключен к выходу компаратора, а выход подключен ко входу выбора режима "сложение/вычитание" реверсивного счетчика, первый и второй входы компаратора подключены к выходам первого интегратора и преобразователя код-напряжение соответственно.

Структурная схема преобразователя угла поворота вала в код приведена на чертеже.

Преобразователь угла поворота вала в код содержит синусно-косинусный трансформаторный датчик 1, источник 2 напряжения, первый 3 и второй 4 переключатели, первый 5 и второй 6 интеграторы, преобразователь 7 код-напряжение, реверсивный счетчик 8, функциональный преобразователь 9 отношения напряжений в код, блок 10 управления, компаратор 11, генератор 12 импульсов, первый 13 и второй 14 элементы И.

Первый и второй выходы синусно-косинусного трансформаторного датчика 1 соединены со вторым и третьим входами блока 2 управления и с первыми входами первого 3 и второго 4 переключателей соответственно, вторые входы первого 3 и второго 4 переключателей объединены и соединены с выходом источника 2 напряжения, выходы первого 3 и второго 4 переключателей соединены со входами первого 5 и второго 6 интеграторов соответственно, выход первого 5 интегратора соединен с первым входом функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код и с одним из входов компаратора 11, выход второго 6 интегратора соединен с аналоговым входом преобразователя 7 код-напряжение, выход преобразователя 7 код-напряжение соединен со вторым входом функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код и с другим входом компаратора 11, выход компаратора 11 соединен с одним из входов первого 13 элемента И, выход генератора 12 импульсов соединен с одним из входов второго 14 элемента И, первый вход блока 10 управления соединен с шиной переменного опорного напряжения, первый выход блока 10 управления соединен с управляющими входам первого 5 и второго 6 интеграторов и с управляющим входом функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код, а второй выход блока 2 управления соединен с управляющими входами первого 3 и второго 4 переключателей и с другими входами первого 13 и второго 14 элементов И, выход первого 13 и второго 14 элементов И соединены со входом выбора режима "сложение/вычитание" и со счетным входом реверсивного счетчика 8 соответственно, выходы реверсивного счетчика 8 соединены с цифровыми входами преобразователя 7 код-напряжение, выход функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код является выходом преобразователя угла поворота вала в код.

Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом.

При повороте вала синусно-косинусного трансформаторного датчика 1 на некоторый угол αi напряжения с его выходных обмоток, пропорциональные sinαi и cosαi, поступают на второй и третий входы блока 10 управления непосредственно, на первый вход которого подается переменное опорное напряжение ˜U_оп., а также через нормально замкнутые контакты первого 3 и второго 4 переключателей соответственно подключаются ко входам первого 5 и второго 6 интеграторов, которые интегрируют входные напряжения в течение половины периода сигнальных напряжений, что обеспечивается блоком 10 управления и позволяет исключить ошибку от квадратурной составляющей и высших гармоник, кратных двум.

В результате интегрирования на выходах первого 5 и второго 6 интеграторов получаем:

где: Um - амплитудное значение входных сигнальных напряжений;

αi - угол поворота синусно-косинусного трансформаторного датчика 1;

S₁ - значение крутизны первого 5 (синусного) интегратора;

S₂ - значение крутизны второго 6 (косинусного) интегратора.

Напряжение, пропорциональное sinαi, с выхода первого 5 интегратора поступает на синусный вход функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код и на первый вход компаратора 11, а напряжение, пропорциональное cosαi, с выхода второго 6 интегратора поступает на аналоговый вход преобразователя 7 код-напряжение, выход которого соединен с косинусным входом функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код и со вторым входом компаратора 11.

В соответствии с формулами (1.1) разница между реальными значениями напряжений Usinαi и Ucosαi на выходах первого 5 и второго 6 интеграторов будет определяться следующим выражением:

где: (S₂-S₁)=ΔS - разница между крутизной второго 6 (косинусного) и крутизной первого 5 (синусного) интеграторов.

В контрольном интервале времени проводится режим коррекции значения крутизны второго 6 интегратора до значения крутизны первого 5 интегратора, а именно по сигналу со второго выхода блока 10 управления на входы первого 5 и второго 6 интеграторов соответственно поступает равнозначное напряжение от источника 2, что однозначно соответствует эталонному углу αэт.=45°, в результате интегрирования которых на выходах первого 5 и второго 6 интеграторов получаем:

В соответствии с формулами (1.2) разница между реальными значениями напряжений Usinαi и Ucosαi на выходах первого 5 и второго 6 интеграторов будет определяться следующим выражением:

Напряжение с выхода первого 5 интегратора, пропорциональное sin(αi=45°), поступает на первый вход компаратора 11, а напряжение с выхода второго 6 интегратора, пропорциональное cos(αi=45°), поступает через следящую систему, состоящую из преобразователя 7 код-напряжение, реверсивного счетчика 8, генератора 12 импульсов и первого 13 и второго 14 элементов И, на второй вход компаратора 11, причем напряжение на выходе преобразователя 7 код-напряжение будет определяться следующим выражением:

где: Ucos (αi=45°) - значение напряжения на выходе второго 6 (косинусного) интегратора в контрольном интервале времени;

К_д - управляемый коэффициент деления преобразователя 7 код-напряжение.

Задавая первоначальное условие, что S₂>S₁ (значение крутизны второго 6 (косинусного) интегратора больше значения крутизны первого 5 (синусного) интегратора, что определяется номиналами пассивных элементов: резисторов и конденсаторов, стоящих в цепях вышеуказанных интеграторов), в контрольном интервале времени по сигналу со второго выхода блока 10 управления компаратор 11 управляет режимом "сложение/вычитание" реверсивного счетчика 8, в котором также частота с выхода генератора 12 импульсов поступает на счетный вход реверсивного счетчика 8.

Если в контрольном интервале времени величина напряжения, пропорционального cos(αi=45°), с выхода преобразователя 7 код-напряжение больше (меньше) величины напряжения, пропорционального sin(αi=45°), с выхода первого 5 интегратора реверсивный счетчик 8 работает в режиме вычитания (сложения), его код уменьшается (увеличивается), что в свою очередь приводит к уменьшению (увеличению) коэффициента деления преобразователя 7 код-напряжение до тех пор, пока напряжения на входах компаратора 11 не сравняются, т.е. U'cos(αi=45°)=Usin(αi=45°), и тогда выражение (3.1) можно представить в следующем виде:

Согласно выражению (3.2) управляемый коэффициент деления преобразователя 7 код-напряжение будет определяться:

Выражая значение крутизны второго 6 (косинусного) интегратора через значение крутизны первого 5 (синусного) интегратора, а именно, что:

формула (5) принимает следующий вид:

Полученный в контрольном интервале времени коэффициент деления преобразователя 7 код-напряжение остается неизменным на все оставшееся время преобразования входных параметров до следующего контрольного интервала времени, и тогда реальное значение величины напряжения на выходе преобразователя 7 код-напряжение и соответственно на косинусном входе функционального преобразователя 9 отношения напряжений в код в рабочих циклах в соответствии с формулами (5) и (6) будет определяться:

Таким образом, введение в преобразователь угла поворота вала в код второго элемента И при одновременном исключении из его состава аналогового вычитающего усилителя и изменении электрических связей в цепях следящей системы коррекции интеграторов позволяет упростить преобразователь, снизить его аппаратурные затраты и повысить точностные характеристики преобразователя в целом.

Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный трансформаторный датчик, первый и второй выходы которого подключены ко второму и третьему входам блока управления и к первым входам первого и второго переключателей соответственно, вторые входы которых объединены и подключены к выходу источника напряжения, а выходы - подключены ко входам первого и второго интеграторов соответственно, выход первого из которых подключен к первому входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, а выход второго - к аналоговому входу преобразователя код-напряжение, цифровые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика, а выход - подключен ко второму входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, выход которого является выходом преобразователя угла поворота вала в код, первый вход блока управления соединен с шиной переменного опорного напряжения, первый выход блока управления подключен к управляющим входам первого и второго интеграторов и к управляющему входу функционального преобразователя отношения напряжений в код, а второй выход подключен к управляющим входам первого и второго переключателей и к одному из входов первого элемента И, другой вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход - подключен к счетному входу реверсивного счетчика, отличающийся тем, что в него введен второй элемент И, один из входов которого подключен ко второму выходу блока управления, другой вход подключен к выходу компаратора, а выход - подключен ко входу выбора режима "сложение/вычитание" реверсивного счетчика, первый и второй входы компаратора подключены к выходам первого интегратора и преобразователя код-напряжение соответственно.