Датчик скорости вращения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИ Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1i Ц777582

Союз Советских

Сокиалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51) М Кл з б 01Р 3/46 (22) Заявлено 28.08.78 (21) 2658584/18-10 с присоединением заявки № (53) УДК 621.3.089 (088.8) (43) Опубликовано 07.11.80. Бюллетень № 41 (45) Дата опубликования описания 07.11.80 по делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения

О. E. Чеботаев (71) Заявитель (54) ДАТЧИК СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

facyaaPcTBBHMblif комитет (23) 1-1риоритет

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах автоматического управления и дистанционной передачи позиционной информации, Известен датчик скорости вращения, содержащий дифференцирующие звенья, вращающийся трансформатор, фазовые детекторы, фйльтры нижних частот, дискриминаторы и выпрямители (1).

Основным недостатком его является ограниченный диапазон.

Из известных устройств наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик скорости вращения, содержащий сельсин, три фазовых детектора, выходы которых соединены соответственно с входами трех фильтров нижних частот, дифференциатор, выход которого связан через схему выделения модуля с входом выходного фильтра нижних частот, управляющие входы фазовых детекторов подключены к выходу источника опорного напряжения, дешифратор, три компаратора и три ключа, аналоговые входы которых соединены с соответствующими выходами фильтров нижних частот, которые в сочетании из трех по два соединены с соответствующими входами трех компараторов, выходы компараторов соединены с соответствующими входами дешифратора, каждый из трех выходов которого соединен с управляющим входом одного из соответствующих ключей, выходы которых соединены

5 с входом дифференциатора, причем выходные концы трех фазовых обмоток сельсина подключены к входам соответствующих фазовых детекторов в том же сочетании (2).

10 В основу работы датчика положен принцип определения производной линейной части огибающей, в общем случае пропорциональной синусу угла поворота.

Недостатками такого датчика являются

15 ошибка определения скорости вращения вала, обусловленная недостаточной точностью определения границ участков линейнонарастающего и линейно-подающего напряжений, и сравнительная сложность.

20 Целью изобретения является увеличение точности измерения скорости вращения вала за счет уменьшения ошибки определения границ участков линейно-нарастающего и линейно-падающего напряжений при

25 упрощении устройства.

Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее сельсин, подключенный к источнику опорного напряжения, три компаратора, выходы которых соединены с

30 соответствующими входами дешифратора, 777582 выход которого подключен к управляющему входу электронных ключей, фазовый детектор, управляющий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом фильтра нижней частоты, дифференциатор, выход которого связан через схему выделения модуля с входом выходного фильтра нижней частоты, введен блок нагрузки, входы которого подключены к выходам фазных обмоток сельсина, которые подключены также к аналоговым входам электронных ключей и попарно подключены ко входам компараторов, выходы электронных ключей подключены к аналоговым входам 15 фазового детектора, выход фильтра нижней частоты соединен с входом дифференциатора.

Такое построение датчика позволило повысить точность измерения скорости вращения и упростить аппаратурную реализацию, что достигается уменьшением ошибки фиксации границ участков линейно-нарастающего напряжений за счет исключения погрешностей, вносимых процессами демодулирования и фильтрации. Определение границ участков напряжений обеспечивается за счет непосредственного сравнения (в сочетании из трех по два) фазных напряжений сельсина на трех компараторах с последующим дешифрированием результата. С целью уменьшения объема аппаратуры обеспечивается коммутация из трех по два непосредственно фазных напряжений сельсина для последующей демодуляции и фильтрования. Последнее позволяет также

З6

35 устранить погрешность, обусловленную разбросом характеристик фазовых детекторов и фильтров нижней частоты. С целью обеспечения симметрии фазных напряже- 4" ний применен блок нагрузки, позволяющий стабилизировать работу датчика в разнообразных условиях эксплуатации.

На фиг. 1 дана структурная схема датчика; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие 45 его работу.

Датчик скоростей вращения состоит из источника 1 опорного напряжения, сельсина 2, блока 3 нагрузки, трех компараторов

4, 5 и 6, дешифратора 7, электронных клю- 50 чей 8, фазового детектора 9, фильтра 10 нижней частоты, дифференциатора 11, схемы 12 выделения модуля и выходного фильтра 13 нижней частоты.

На фиг, 2 U A, U â, U ñ — огибающие 55 тпех фазных напряжений; UA, UB и Ус, сельсина 2 (показаны условно пунктиром); а — угол поворота вала (ротора сельсина 2). (П1}, (П }, (Пз} — области существова- 60 ния последовательностей Пь П и Пз импульсов на выходе компараторов 4, 5 и 6 соответственно (заштрихован вправо-вверх и вправо-вниз) при сравнении мгновенных значений напряжений UA, UB и Ус попар- 65 но между собой. Направление штриховки показывает факт совпадения (вправовврех) и несовпадения (вправо-вниз) по фазе с напряжением У„источника 1 опорного напряжения. S — плоскость сечения (развертка по времени) в окрестностях угла а=45, для которой показаны (условно под углом 45 фазные напряжения UA, Ua и Uc, соответствующие углу а=45, т.е.

U A, U"B, U ñ соответственно.

Двойное развертывание по оси 1 и а принято в целях уменьшения загромождения чертежа, при этом а = а (t) — закон изменения угла во времени.

1 — коды с выхода дешифратора, управляющие коммутацией электронных ключей

8 по входу 14 (в частности, в диапазонах и = 0 —:30 — код 000; а = 30 —:90 — код

100 и т: д.).

II — напряжения фазового детектора 9:

УА — (УВ+ Ус )> представлены соответственными отрицательными суммами фазных напряжений

UA> Ua и »с;

UC = — (UA+ UB) по выходу 15;

У — (Ус + УА ) в диапазонах а = 0 —:30 — U*A, а= 30 —:

90о U и т. д.

I I I — огибающие линейно-нарастающих и линейно-падающих напряжений II (напряжения не показаны непосредственно, только для сечения S — U, пунктиром изображены огибающие);

Уф — линейно-нарастающие и линейнопадающие напряжения на выходе фазового детектора 9; U „@ — напряжение, пропорциональное скорости вращения на выходе дифференциатора 11; UM — напряжение на выходе схемы 12 выделения модуля; U напряжение на выходе выходного фильтра 13 нижней частоты.

Датчик скорости вращения работает следующим образом.

Напряжения, снимаемые с фазных обмоток сельсина 2, в зависимости от угла поворота а изменяются по косинусоидальному закону. Данные напряжения являются переменными с частотой напряжения источника 1 опорного напряжения, модулированные по амплитуде по косинусоидальному (или синусоидальному, в зависимости от выбора начала отсчета) закону угла поворота вала (вращающегося объекта). Изза. пространственного сдвига обмоток синхронизации сельсина 2 (120 ) соответственно и закон модуляции в каждой фазе имеет один и тот же характер, но со сдвигом в 120 градусов:

УА — Ул $1п ..;

Ув — КУ„з1п (a — 120 );

Ус — — КУ„з1п (а + 120 );

777582 где U — напряжение истоочника 1, U„= U sinoit ; о> — частота напряжения У„;

К вЂ” коэффициент передачи.

Фазовые напряжения поступают в соответствующих сочетаниях на входы компараторов 4, 5 и 6, блок 3 нагрузки и аналоговые входы электронных ключей 8. В компараторах 4, 5 и 6 напряжения U>, U> и

Uc сравниваются попарно между собой.

Сравнение пар осуществляется параллельно во времени. Попарно между собой сравпиваются мгновенные значения напряжений фаз А, ВиС,,т. е. одновременно сравниваются три пары напряжений:

УА с Uc, асс в иУв с Уд.

Формирование импульсных последовательностей Пь IT> и П рассмотрено на примере сравнения напряжений фаз В и С ца компараторе 5. Мгновенные значения напряжения фаз B и С равны:

Uc — KU sin o>t sin (a + 120 );

Ua — КУ,„sin o)t sin (х — 120 ).

Значения Uc и U зависят от t и а .

Uc —— (, );

Ua — I" (t, )

При этом n= f (t) — закон движения во времени вращающегося вала.

В конечном итоге

Uc = Ф (t f (t)) и Ув = Ф, (t, (/)J — функциональные зависимости от времени.

Отсюда следует,, что Uc u Ув относительно У„могут совпадать по фазе или быть противоположнътмп и только на уг- 45 лах а — — 90 и а =270, U =U>, и разность

Ь = Uc — UB=0.

При изменении угла а от 90 до 270 им- 50 пульсная последовательность (П ) не меняет свою фазу на противоположную, только в момент прохождения угла а=

=270 амплитуда их убывает до нучя и фаза меняется на противоположную (за 55 счет ограничения снизу отрицательные импульсы подавляются). При изменении угла а от 270 до 360 (а также в интервале

0 —:90 ) фаза импульсной последовательности П противоположна U„. Таким обра- 60 зом, по смене фазы импульсной последовательности П, точно можно определить границы интервала 90 —;270, формирование импульсных последовательностей на компараторах 4 и 6 (П и Пз) происходит ана- 65 логично. Взаимные сочетания Пь П и Пз представлены на фиг. 2.

Дешифратор 7 управляет коммутацией напряжений U, Бв и Uc электронными ключами 8.

В частности, в интервалах 0 —:30 —;150 —: —:210 и 330 —:360 обеспечивается коммутация фаз В и С, что дает U*> — — U — . Uc.

Данное управление легко реализуется дешифратором 7 в зависимости от сочетания фаз последовательностей Пь Пг и Пз по следующей логике:

U" — фазы П,, П и П совпадают (по отношению к У„равны на углах 150 —:210 и противоположны на угчах 0 —:30 и 330 —: —:360 );

U*c — фазы П и Пз равны и противоположны П,;

U" в — фазы П1 и П равны и противоположны П>.

Блок 3 нагрузки обеспечивает симметрию фаз А, В и С с целью исключения различных искажений и влияния помех.

Фазовый детектор 9 преобразует участки линейно-нарастающего и линейно-падающего напряжений фаз в пилообразное напряжение (см. U,t, на фпг. 2). Активный фильтр 10 нижней частоты осугцествляет сглаживание напряжения. Напряжение, пропорциональное скорости изменения угла поворота вала (o>) вырабатывается дифФеренциатором 11 (см. UoÄ,1, на фиг. 2) .

Схема 12 выделения модуля используется для преобразования биполярного напряжения, поступающего с дифференпиатора 11 в постоянное напряжение одной полярности (см. UÄ па фиг. 2). Схема 12 выделения модуля может быть реализована как двухполупериодный выппямитель.

Выходной фильтр 13 нижней частоты устраняет пульсации схемы 12 выделения модуля, Таким образом, пичообразное напряжение (Функция синуса практически с точностью 2% линейна в интеовале aprvмента 0 —:30 ) после дифФеренцпаторя 11 представ.чяет собой относительно прямоугольные импульсы напря>кения по,чо>кительной и отрипательной полярностей (см.

U;4, на фпг. 2), соответствующие наклону пилообразного напряжения, что эквивалентно скорости изменения угла. Ппямоугольное напряжение, завал вептпиньт котопого определяется приведенной ванне нелинейностью, с выхода дифференциатора

11 поступает на схему 12 выделения модуля, на выходе которой образуется постоянное напряжение, модуль которого ппопорпионален изменению угла поворота вала.

Зятем это наппя>кение пост пает на выхочной ф1ьчьтп 13 нижней частоты. на выходе которого Ьормио ется постоянный уповень наппяжепця, свободный от пульсации выхода схемы 12 выделения модуля (см.

Usga, на фиг, 2). Дл формирования пилообразного напряжения на управляющие

777582 входы фазового детектора 9 одновременно с фазными напряжениями по входам 17 поступает опорное напряжение У„, Таким образом, использование датчика позволяет с высокой точностью при простом аппаратурном исполнении реализовать линейное преобразование скорости поворота вала в напряжение в широком диапазоне скоростей вращения.

Формула изобретения

Датчик скорости вращения, содержащий сельсин, подключенный к источнику опорного напряжения, три компаратора, выходы которых соединены с соответствующими входами дешифратора, выход которого подключен к управляющему входу электронных ключей, фазовый детектор, управляющий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом фильтра нижней частоты, дифференциатор, выход которого связан через схему выделения модуля с входом выходного фильтра нижней частоты, отл и ч а югцн и ся тем, что, с целью увеличения точности при упрощении уст5 ройства, в него введен блок нагрузки, входы которого подключены к выходам фазных обмоток сельсина, которые подключены также к аналоговым входам электронных ключей и попарно подключены ковхоI0 дам компараторов и выходы электронных ключей подключены к аналоговым входам фазового детектора, выход фильтра нижней частоты соединен с входом дифференциатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Агейкин Д. И. и др. Датчики контроля и регулирования. М., Машиностроение, 2о 1965, с. 468.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 481835, кл. G OIP 3/46, 1975 (прототип) .

777582

g $ Х

Uc /4 fJB

I ПОО Оп ПО m оп ор ИО

Редактор Т. Клюкина

Заказ 2408/15 Изд. № 557 Тираж 1033 Подписное

НПО «Поиск> Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва„Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 пД

И (и,) я г/с ы Ъ" г с в

Составитель А. Трегубов

Техред В. Серикова Корректор А. Овчинникова