Устройство для преобразования перемещения в код

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Социалистическик

Респу6лик

< >978174 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 210481 (21) 3304392/18-24 с присоединением заявки ¹

Р1ттМ К з

G 08 С 9/04

Государственный комитет

СССР оо делам изобретений н открытий (23) Приоритет (53) УДК 681. 325 (088.8) Опубликовано 3011.82. Бюллетень ¹ 44

Дата опубликования описания 30Л182 (72) Авторы изобретения

Il A, 1

A.Н. Ипатов, Г.В. Лебедев, A.M. Полек и,И."Мурой . .. I,,. (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

B КОД

Устройство для преобразования перемещения в код относится к преобразователям неэлектрических величин в дискретный электрический сигнал и может найти применение в многоканальных системах сбора информации, в устройствах цифровой индикации положения элементов управляемого объекта., в замкнутых системах числового програмного управления (ЧПУ) станками для управления положением подвижных элементов станка.

Известно счетно-решающее устройство, содержащее два цифроаналоговых положительных устройства, на входы которых поступают аналоговые выход-. ные сигналы синусно-косинусного датчика (индуктосин, сельсин, вращающийся трансформатор) и компенсационные сигналы, представленные в двоичном коде и выбираемые из двух постоянных запоминающих устройств.

Разностное устройство вырабатывает сигнал ошибки, который анализируется схемой управления счетчиком, Ilavx уровням амплитуды сигнала ошибки соответствуют два фиксированных значения дискретности, которые обуславливают состояние реверсивного счетчика.

Выход счетчика является. адресом вы— борки компенсационных сигналов, записанных в постоянных запоминающих устройствах. Работа устройства .осуществ-: ляется до обеспечения равенства нулю сигнала ошибки, при этом на выходе счетчика устанавливается элЕктрический эквивалент механического перемещения подвижных частей датчика друг относительно друга, выраженный в двоичном коде (1).

Недостатком устройства является его сравнительно низкое быстродействие, обусловленное тем, что данное устройство является аналого-цифровым преобразователем следящего типа и предполагает невысокие скорости и ускорения измеряемых величин перемещений (2 ).

Известно устройство аналого-цифрового преобразователя тригонометрических функций, содержащее два цифроаналоговых множительных устройства, выходы которых соединены со входами аналого-цифрового интегрирующего устройства, выход которого через преобразователь цифровых сигналов соединен со входами цифроаналоговых множительных устройств (3 ).

Данное устройство имеет кроме выхода по перемещению выход по скоросЭЗВЛ4

4 ти, однако быстродействие устройства ограничено, так как его можно от» нести к аналого-цифровым преобразона- телям с двойным интегрированием Г2).

Кроме того, Преобразования по опре- . делению измеряемой неличйны осуществ- 5 ляются не ренерсинными счетчиками,как н устройстве (1 1, а последовательны,ми регистрами сдвига.

Наиболее близким но техническому решению к предлагаемому является уст-.10 ройство для преобразования перемещений н код, содержащее датчик, виходы которого через блок усилителей соединены с первыми входами цифроанало-,, гоных преобразователей, выходы кото- 5 рых соединены соответственно с первым и вторым входами блоками ныбора знака, распределитель сигналов, первый выход которого через фильтр соединен со входом датчика, второй, выход - с первым входом анализатора рассогласования (компаратора), выход которого соединен со вторым входом блока выбора дискретности, третий выход распределителя сигналов соединен с первым входом блока выбора дискретности, выход которого соединен со входом реверсивного счетчика и первым, входом синусно-косинусного цифрового преобразонателя, четвертый выход распределителя импульсов соединен со вторым входом синусно-косинусного преобразователя, первый и второй входы которого соединены со вторыми входами соответствующих цифроаналоговых преобразователей, а третийз5 выход соединен, с третьим входом блока выбора знака (коммутатора квадрантов ), выход которого соединен с первым входом анализатора рассогласования (4 ). 40

По сравнению с устройствами следящего типа и устройствами, работающи-,. ми по принципу двойного интегрирования, быстродействие известного уст- 45 ройстна выше за счет реализуемой в устройстве динамической программы.

Однако это увеличение быстродействия достигается за счет снижения точности измерения из-за увеличения дискретности. Поэтому необходимость изме50 рения с высокой точностью накладывает существенные ограничения на допустимые .скорости и ускорения измеряемых перемещений.

Кроме того, для всех вышеперечисленных устройств, имеющих в канале отработки рассогласования реверсивный счетчик или регистр сдвига, характерна относительно низкая помехозащищенность и, следовательно, низкая надежность, особенно для систем цифровой индикации н цеховых условиях.

Цель изобретения - повышение быстродействия, точности и надежности 65 устройства для преобразования перемещений н код.

Поставленная цель достигается тем, что н устройство для преобразования перемещения н код, содержащее датчик, первый и второй выходы которого соединены с первым И вторым входами блока усилителей соответственно, распределитель, первый выход которого через фильтр соединен с входом датчика, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, введены регистр последовательных приближений, формирователь выходного кода, определитель квадрантов, дешифратор, первый и второй постоянные запоминаюе ие блоки, коммутатор и блок выборки хранения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выходы которого соединены с ерными входами цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с первым и вторым входами компаратора, выход которого соединен с первым входом регистра последовательных приближений, первый выход которого сое.динен с перным входом формирователя выходного кода и с первыми входами постоянных запоминающих блоков, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих цифроаналоговых цреобразователей, нторой выход регистра последовательных приближений соединен с вторым входом формирователя выходного кода и входом распределителя, второй выход которого соединен с первым входом определителя квадрантов и первым входом блока выборки и хранения, первый и второй выход блока усилителей соединен со вторыми и третьими входами блока выборки и хранения и. определителя квадрантов соответственно, выход определителя квадрантов соедийен с третьим входом коммутатора квадрантов и с входом дешифратора, первый выход которого соединен с третьим входом формирователя выходного кода, а второй выход соединен с вторыми входами постоянных запоминающих блоков, третий и четвертый выходы распределителя соединены со вторым и третьим входами регистра последовательных приближений соответственно.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - диаграмма работы распределителя; на фиг. 3 — определитель квадрантов; на фиг. 4 - коммутатор квадрантов; на фиг. 5 — диаграммы, поясняющие принцип адресации постоянных запоминающих устройств.

Предлагаемое устройство содержит распределитель 1, фильтр 2, датчик

3, блок 4 усилителей, блок 5 выборки

978174

Выходы дешнфратора

1 (2

Код определения квадрантов

Фаза сигналов

Квадрант

00 00

01 и хранения, коммутатор б квадрантов, определитель 7 квадрантов,.дешифратор 8, цифроаналоговые преобразовате-. ли (ЦАП} 9 и 10, постоянные запоминающие блоки (ПЗБ) 11 и 12, компаратор 13, регистр 14 последовательных приближений (РПП), формирователь

15 выходного кода.

Выходы даТЧика 3 соединены со входами блока 4 усилителей, первый выход которого соединен с первыми входами блока 5 выборки и хранения и определителя 7 квадрантов, второй выход блока 4 усилителей соединен со, вторыми входами блока 5 выборки и хранения и определителя квадрантов 7, выход которого соединен с третьим входом коммутатора б квадрантов и со входом дешифратора 8. Первый выход дешифратора 8 соединен с третьим входом преобразователя 15 выходного кода, а второй выход соединен со вторыми входами ПЗУ 11 и ПЗУ 12. Первый и второй входы коммутатора б квадрантов соединены,с соответствующими выходами блока 5 выборки хранения, а первый и второй выходы соединены со.ответственно с первыми входами ЦАП 9 и 10, выходы которых соединены с первым и вторым входами компаратора 13.

Выход компаратора соединен с первым входом РПП 14, первый выход которого соединен с первым входом выходного формирователя 15 кода, а также с первыми входами ПЗБ 11 и 12, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами ЦАП 9 и 10. Второй выход РПП 14 соединен со вторым входом формирователя 15 выходного кода и входом распределителя 1, первый выход распределителя через фильтр 2 соединен со входом датчика 3, второй выход распределителя 1 соединен с первым входом определителя 7 квадрантов и первым входом блока 5 выборки и хранения, третий и четвертый выходы распределителя 1 соединены соответственно со вторым и третьим входами РПП 14.

Определитель 7 квадрантов (фиг.3} состоит из двух компараторов 16 и 17.

Коммутатор б квадрантов (фиг. 4) содержит операционные усилители 18, 19 и ключи 20, 21.

Устройство работает следующим об" разом.

Рассмотрим работу устройства на примере работы с датчиком типа "круговой индуктосин" (фиг. 2).

Импульсный сигнал частоты распре- делителя 1 (фиг. 2а) фильтром 2 преобразуется в синусоидальный сигнал (фиг. 26). Этим сигналом эапитывается роторная обмотка датчика 3. Со статорных обмоток датчика снимаются информационные сигналы U Bbi» и Ueg<„y, (фиг. 2в и 2г), промодулированные по амплитуде по законам синуса и косинуса в функции от угла поворота

О ьп От s Inp9 s in(23f t-90 } (1}

Оеьюг Ощ соьр6- вI п(2>

9 — механический угол поворота ротора относительно статора.

B частности,для кругового индуктосина р = 180, и шаг датчика равен 20.

20 пля датчика типа "индуктосин" сигналы статорных обмоток сдвинуты по фазе на 90 относительно сигнала обмотки ротора. Эти сигналы через блок

4 усилителей поступают в блок 5 вы25 борки и хранения и определитель 7 квадрантов. B блоке 5 выборки и хранения, состоящем нэ двух типовых схем выборки и хранения, запоминаются мгновенные значения амплитуд сигна30 лов (1) и (2) в моменты времени

1 — + 2к 3 (к = 0,1,.....) по сигналу Т1 от распределителя 1 (фиг.2д).

Целью преобразования выходных сигналов датчика является опрелеление с(,-электрического эквивалента угла

pI) и представление его в двоичном

-коде. Два старших разряда искомого кода указывают на номер четвертй шага датчика (номер квадранта), в котором расположен измеряемый угол рЕ.

Определитель 7 квадрантов (фиг.3) совместно с дешифратором 3 служит

45 для определения номера квадранта. Определитель 7 квадрантов состоит иэ двух компараторов 1б и 17, стробируемых сигналом распределителя 1, и фактически является анализатором фазы

50 выходных сигналов датчика 08ы» и Uy, <

Первому квадранту соответствует выходной код определителя квадрантов

7 "00", второму — код "01", третьему — код "11" и четвертому — код

55 "10" (в старшем разряде анализируется фаза сигнала С17, в младшемфаза сигнала (2 ) согласно таблицы), 978174

Продолжение таблицы

Квадрант

Выхопы дешифратора

Код определения квадрантов ф «4 юю

10

IV сигналов (3) и (4) (3) Дешифратор 3 преобразует выходной код определителя квадрантов в двоичный код номера квадранта.

Этот код поступает на первый вход

Формирователя 15.

Блоки 6, 8-14 определяют младшие разряды искомого двоичного кода путем анализа мгновенных значений амплитуд сигналов (1 ) и (2). Как видно из дальнейшего рассмотрения работы устройства, анализируемые амплитуды дрлжны быть преобразованы в сигналы положительной полярности независимо от номера квадранта. Очевидно, что информация о сигналах датчика при этом не теряется, так как их фаза уже проанализирована определителем квадрантов 7.

На фиг. 4 изображена схема коммутатора квадрантов 6, состоящего из двух операционных усилителей 18 и 19, включенных s режиме инвертора, и двух ключей 20 и 21, управление которыми осуществляется выходным кодом определителя 7 квадрантов (см. таблицу).

С учетом времени срабатывания коммутатора 6 квадрантов распределитель

1 выдает сигнал 12 "Разрешить преобразование" в РПП 14 (фиг. 2а). С

Этого момента начинается работа РПП

14 от тактовых импульсов ТЗ распределителя 1 с частотой F (фиг, 2ж).

РПП 14 работает по динамической программе 2 и выдает и-разрядный испытательный двоичный код, где n - раз» рядность ЦКП 9 и 10. Этот код совместно с кодом квадранта позволяет однозначно представить любой угол внутри шага датчика (фиг, 5a). В

ПЗБ 11 и 12 хранятся соответственно

cos oI u s In oL в пределах 1 и II квадрантов, представленные в двоичном коде NcosoL и Мз о с шагом квантования

2 "(фиг. 5б), Значения N bosch и 8sinoI. одинаковые соответственно для I u III и 11 u IV квадрантов. Поэтому дешифратор 8 обеспечивает эквивалентность адресации ячеек ПЗБ в этих квадран тах. При этом I и 111 квадранту ставится в соответствие код "0", à II ,и IV - код "1" (см. таблицу), и адрес выборки ячеек ПЗБ является (n +1)разрядным словом.

На выходах ЦАП 9 и 10 формируются напряжения

U»,s< U+ sin р oLcos*

11 11 0

Оеых и О cos р ф s In d. (4)

Компаратор 13 анализирует разность

6=0®sIn р9созо6- U®oosp9slng с Оп sin(p8-oL) О) В зависимости от знака е (плюс, :мийус) и соответствующего значения ,компаратора Д ("8" .или "1") РПП 14 фиксирует "0" или "1" в разряде, ко торый анализируется в данном такте динамической программы, По окончании динамической программы регистра последовательных приближений на его выходе устанавливается двоичный эквивалент абсолютного значения угла внутри квадранта с точностью до единицы младшего разря-ЗО да входного кода ЦАП и обеспечивается условие р9 - oI. (6)

По сигналу "Конец преобразования", поступающему на третий вход формирователя 15, в последнем фиксируется код квадранта, посту.".ающий с выхода дешифратора 8, и значение угла внутри квадранта. В результате в выход40 ном регистре хранится двоичный эквивалент абсолютного значения измеряемого угла внутри шага датчика. По сигналу "Конец преобразования" в РПП

14 также осуществляется возврат к

45 началу цикла, а распределитель 1 прекращает выдачу тактовых импульсов ТЗ на вход.РПП 14 (Фиг. 2ж).

Из анализа уравнения (4) следует, что для выполнения этого условия во всех четырех квадрантах необходимо, чтобы оба входных напряжения на компараторе были положительной полярности. Для этого достаточно управлять ключами коммутатора 6 квадрантов указанным выше способом.

В качестве РПП 14 можно взять типовую микросхему. Пусть ротор датчика 3 переместился относительно статора на такую величину, что соотношение фаз сигналов на статорных обмотках соответствует III квадранту, По сигналу распределителя 1 Т1 в блоке 5 выборки и хранения запоминаются ,мгновенные значения 0 в прэ и О, созр9 отрицательной полярности. на компа<> раторах 16 и 17 (фиг. 3) устанавли978174

10 вается код "11" управления коммутатором 6 квадрантов, подключающий входы

ЦАП 9 и 10 к выходам операционных усилителей 18 и 19. Дешифратор 8 осуществляет преобразование кода "11" в "0" (номер III квадранта) и устанавливает его на первом входе выходного регистра 15, а также осуществляет преобразование кода "10" в "0" для формирования двух старших разрядов адреса выборки ПЗБ 11 и 12.Этот код остается постоянным на протяжении всего цикла измерения. По сигна-. лу Т2 "Разрешить преобразование" РПП

14 вырабатывает в первом такте работы и-разрядный испытательный код

011...1, при этом адрес выборки ПЗБ

11 и 12 0011...1. По этому адресу иэ ПЗБ 11 и 12 выбираются с точностью до единицы младшего разряда значения

cos 45О и sin 45О. B следующем такте

РПП 14 вырабатывает код Д01...1, адрес выборки ПЗБ 11 и 12 - ОД01...1.

На (n+1-ом) такте работы РПП 14 выполняется условие (5) н по сигналу

"КонеЦ преобразования" искомый код фиксируется в формирователе 15.

Анализ структурной схемы и работы функциональных частей устройства подтверждает, что введение блока выборки и хранения, регистра последовательных приближений, выходного регистра, двух постоянных эапоминающих устройств, дешифратора, определителя квадрантов и новых связей позволяет достичь поставленную цель. .Так как частота F тактовых импульсов РПП может значительно превышать частоту f питающего напряжения датчика, то отработка любого рассогласования в пределах одного шага датчика завершается эа один период частоты что значительно повышает быстродействие устройства по сравнению с прототипом.

В конце каждого цикла измерения, равного вЂ, в исходном регистре 15 I

Е хранится в двоичном коде абсолютное значение угла внутри шага датчика, причем код квадранта формируется onределителем 7 квадрантов и дешифратором 8.

Важной характеристикой измерительных систем является время установления при скачкообразном изменении измеряемой величины.

Выберем в качестве примера датчик типа "круговой индуктосин".Типовая частота f 10 кГц, шаг датчика Q =

2 .

Пусть минимальное значение дискретности равно 3,6. Рассмотрим время установления при скачке рассогласования, равном 1/4 шага датчика (6 =- 0,5О = 10000). Построив для этого рассогласования график, аналогичный приведенному в прототипе, можно сделать вывод, что динамическая программа, реализуемая в устройстве f4 3, обеспечивает время установления эа

86 периодов частоты f, т.е. эа

8,6 мс.

Динамическая программа, реализуемая в предлагаемом устройстве,.обеспечивает время установления за

100 мкс.

При движении а постоянной скоростью точность измерения в предлага10 емом устройстве значительно выше,чем в прототипе, так как дискретность измерения остается минимальной в то время, как в прототипе она изменяется в зависимости от величины скорос-!

5 ти.

При движении с постоянным ускорением точность в предлагаемом устройстве также значительно выше, чем в прототипе. При ускоренном движении устройство 4 вынуждено в каждом .цикле измерения определять все большую величину перемещения. При этом блок выбора дискретности к моменту окончания очередного цикла измерения увели25 чивает компенсационную величину на 4.

Эта величина не равна значению перемещения в предыдущем цикле измерения. Поэтому в момент измерения появляется дополнительная динамическая

З,1 погрешность, обусловленная отставанием компенсационной величины от измеряемой.

В предлагаемом устройстве эта погрешность минимальна.

Повышенная помехозащищенность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обусловлена тем, что в каждом цикле измерения определяется не приращение перемещения, а абсолютное значение положения внутри шага, что исключает потерю информации при воздействии дестабилизирующих фак торов (изменение зазора в датчиках типа "индуктосин" при вибрациях, пульсации питающего напряжения и

45 т.д.>. Повышенная помехозащищенность предлагаемого устройства обеспечива ет его более высокую надежность по сравнению с прототипом.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность вывода информации в последовательном коде, беэ дополнительных аппаратурных, затрат, так как РПП 14 позволяет по окончании каждого такта динамической пРограммы передавать по каналу связи с внешними устройствами последовательный код, начиная со старшего разряда.При этом время передачи по каналу связи остается таким же, как и при передаче .параллельного кода, но значительно уменьшается количество линий связи. Вывод информации в последовательном коде особенно целесообразен в многоканальных системах сбора и об65 работки информации, в которых инфор.

978174

12 мация с каждого датчика обрабатывается своим устройством, а затем выходы этих устройств объединяются в общую шину. Именно в этом случае по-. лучается наибольший экономический эффект.

Одним из наиболее перспективных применений предлагаемого устройства является создание на его основе многоканальной системы сбора и обработки информации, в которой одно предлагаемое устройство последовательно обрабатывает сигналы с нескольких датчикоВ.

При переключении на следующий канал величина рассогласования может достигать значения шага датчика. При этом быстродействие подобной системы, построенной на базе устройства, выбранных в качестве аналогов и прототипа, не удовлетворяет большому классу задач, встречающихся, например, при управлении станками, Это приводит к необхоцимости усложнения многоканальной системы за счет аналоговой или цифровой памяти (хранение информации от 1-датчика в (i-1)-ом цикле измерения) либо к необходимости проектирования только одно-, в крайнем случае, двухкоординатных измерительных систем.

Кроме того, аналоговая память приводит к снижению точности измерения, а цифровая память — к снижению быстродействия, Возможность измерения любого рассогласования в пределах одного шага датчика за один период частоты f позволяет создать на основе предлагаемого устройства быстродействующую многоканальную -систему сбора и обработки информации без цифровой или аналоговой памяти. Обработка сигналов с нескольких датчиков одним уст,ройством даст значительный экономический эффект, Оценим экономическую эффективность предлагаемого устройства для конкретной области применения — в замкнутых системах ЧПУ положением подвижных элементов станков с датчиками типа

"индуктивности"..

Для большинства приводов, применяемых в станках с ЧПУ, частота изменения сигналов управления не более

1 кГц.

Таким образом, при быстродействии предлагаемого устройства преобразования перемещений в код, равном

100 мкс, возможно реализовать многоканальную систему, последовательно обрабатывающую информацию с преобразователей перемещений. Среднее число координат. в станках с устройствами

ЧПУ равно четырем. При стоимости предлагаемого устройства 1,5 тыс.руб. экономический эффект от применения одного устройства преобразования перемещений в код вместо четырех в уст ройстве ЧПУ составит порядка

3600 руб. . Экономический эффект от повышения надежности обеспечиваетея за счет по вышения помехозащищенности предлагаемого устройства, например, в системах цифровой индикации в цехонах условиях, что снижает вероятность выпуска бракованной продукции.

10

Формула из обрат ения квадрантов и с входом дешифратора, первый выход которого соединен с третьим входом формирователя выходного кода, а второй выход соединен с

15 Устройство для преобразования перемещения в код, содержащее датчик, первый и. второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока усилителей соответственно, распределитель, первый выход которого через фильтр соединен с входом датчика, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, выходй которых соединены соответственйо с первым и вторым входами компаратора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, точности и надежности устройства, в него вве.дены регистр последовательных при30 ближений, формирователь выходного кода, определитель квадрантов, дешифратор, первый и второй постоянные запоминающие блоки, коммутатор и блок выборки и хранения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выходы которого соединены с первыми входами цифроаналоговых преобразователей, выходы которых

4 соединены с первым и вторым входами компаратора, выход которого соединен с первым входом регистра последо. вательных приближений, первый выход которого соединен с первы1к входом формирователя выходного кода и с первыми входами постоянных запоминающих блоков, выходы которых соединены с вторыми входами соответствую- . щих цифроаналоговых преобразователей, второй выход регистра последовательных приближений соединен с вторым входом формирователя выходного кода и входом распределителя, второй выход которого соединен с первым входом определителя квадрантов и первым входом блока выборки и хранения,первый и второй выходы блока усилителей соединены с вторыми и третьими входами блока выборки и хранения .и определителя квадрантов соответственно, 60 выход определителя квадрантов соединен с третьим входом коммутатора

13

978174

14 вторыми входами постоянных запоминающих блоков, третий и четвертый выходы распределителя соединены с вторым и третьим входами регистра последовательных приближений соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3641565, кл. Н 03 К 13/02, опублик. 1972.

2. Бахтиаров Г.Д. и др. Аналогоцифровые преобразователи. М., "Советское радио", 1980, с. 158, 167, 143, 174.

3. Патент CtQA 9 3896299, кл. G 06 G 7/22, Н 03 К 13/02,опублик.

1975.

4. Авторское свидетельство СССР .

742999, кл. G 08 С 9/04, 1980 (про;отип).