Следящий преобразователь угла поворота вала в код

(56) 1, Зверев А.Е. и др. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. Л. "Энергия", 1974, с. 143, рис.67.2. Споффорд. Цифроаналоговые пре.образователи в электронных схемах. - "Злектроника", 1970, т. 43, В 22, с. 30-31 (прототип).(54) (57) СЛЕДЯЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В КОД, содержащий синусно-косинусный вращающийся трансфориатор, выходы которого соединены с первым и вторыи входами определителя октантов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен через фильтр нижних частот с управляемым генератором, выходы которого соединены с соответствующими счетными входами реверсивного счетчика, шину питания, соединенную с синусно-косинусным вращающимся трансформатором и вторым входом фазочувствительного выпрямителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия преобразователя,ув него введены коммутатор, две шины опорного сигнала, три компаратора, генератор, элемент И-ИЛИ, одновибратор, инвертор, регистр последовательных приближений, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, постоянное запоминающее устройство, первый выход коммутатора соединен с вторым входом усилителя, выход которого соединен через первый компаратор с первым входом регистра последовательных приближений, выход фазочув-. ствительного выпрямителя соединен с первыми входами второго и третьего компараторов, вторые входы которыхсоединены соответственно с первой и второй шинами питания опорного сигнала, а выходы - с первьи и вторым входами элемента И-ИЛИ, выход которого соединен через одновибратор с вторым входом регистра последовательных приближений, третий вход которого соединен с выходом генератора, а выходы - с третьим и четвертым входами реверсивного счетчика, один выход регистра последовательных приближений соединен через инвертор с третьим и четвертым входами элемента И-ИЛИ выходы реверсивного счетчика являются выходаии следящего преобразователя угла поворота вала в код и соединены с первой группой входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторая группа входов которого соединена с выходами, определителя октантова выходы соединены через постоянное запоминающее устройство с цифровыми входами цифроаналогового преобразователя, первая шина питания соединена с третьим входом определителя октантов, выход которого соединен с,управляющим входои коммутатора, второй выход,которого соединен с аналоговым входом цифроаналогового преобразователя, выходы синусно-косинусного вращающегося трансформатора соединены с первым и вторым входами коммутатора..Алексеенко Техред И.Асталош Корректо игор ак дпис 4 5 Филиал ППП "Патент", г,ужгород оектная,6932/39 ВНИИПИ по 1130Тираж 568 Государственного ам изобретений и Москва, Ж, Ра омитета СССР открытийушская наб дНедостатками известного преобразователя являются низкая точностьограниченная погрешностью ЦАП, которые должны иметь согласованные ха 55 11164Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, можетбыть использовано в цифровьр.системах автоматического управления, измерительной технике и робототехнике 5для преобразования быстроменяющихсяугловых величин в цифровой код углаи предназначено для работы с датчиками, выходные сигналы которых пропорциональны синусу и косинусу измеряемого угла, например с синусно-косинусными вращающимися трансформаторами (СКВТ),Известен преобразователь угла поворота вала в код, содержащий СКВТ 15выходы которого соединены через опре.делитель октанта с первыми входамиФункциональных делителей напряжения,выходы которых соединены с входамиблока вычитания, выход которого соединен через усилитель и фазочувствительный выпрямитель с соответствующими первыми входами сумматора и блока вычитания, выходы которых соединены с входами реверсивного .счетчика,25выход которого соединен с вторымивходами функциональных делителей частоты, генератор 1 .Недостатками известного преобразователя с Функциональными делителяминапряжения являются ограниченные точность и быстродействие,Наиболее близким к предлагаемомуявляется следящий преобразовательугла поворота вала в код, содержащий З 5синусно-косинусный вращающийся трансформатор, выходы которого соединеныс первым и вторым входами определителя октантов, первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен спервым входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединенчерез фильтР нижних частот с управляемым генератором, выходы которогосоединены с соответствующими счетными входами реверсивного счетчика, шину питания, соединенную с синусно-, косинусным вращающимся трансформато ром, вторым входом фазочувствительного выпрямителя и третьим входом определителя октантов, блок синуснокосинусного преобразования кода 2 . 4 б грактеристики, и низкое быстродействие из-за большого времени переходного процесса, что ограничивает его применение для преобразования быстро- меняющихся входных воздействий. Цель изобретения - повышение точ - ности преобразователя и его быстродействия в переходных режимах.Поставленная цель достигается тем,что в следящий преобразователь угла йоворота вала в ход, содержащий синусно-косинусный вращающийся трансформатор, выходы которого соединены с первым и вторым входами определителя октантов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого соединен через фильтр нижних частот с управляемым генератором, выходы которого соединены с соответствующими счетными входами реверсивного счетчика, первую шину питания соединенную с синусно-косинусным вращающимся трансформатором, и вторым входом фазочувствительного выпрямителя, введены коммутатор, две шины опорного сигнала,три компаратора, генератор, элемент И-ИЛИ, одновибратор, инвертор, регистр последовательных приближений, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, постоянное запоминающее устройство, первый выход коммутатора соединен с вторым входом усилителя, выход которого соединен через первый компаратор с первым входом регистра последовательных приближений, выход фазочувствительного выпрямителя соединен с первыми входами второго и третьего компараторов, вторые входы которых соединены соответственно с первой и второй шинами питания опорного сигнала, а выходы - с первым и вторым входами элемента И-ИЛИ, .выход которого соединен через одновибратор с вторым входом регистра последовательных приближений, ;третий вход которого соединен с выходом генератора, а выходы - с третьим и четвертым входами реверсивного счетчика, один выход регистра последоватеЛьных приближений соединен через инвертор с третьим и четвертым входами элемента И-ИЛИ, выходы реверсивного счетчика являются выходами следящего преобразователя угла поворота вала в код и соединены с первойгруппой входов элемента ИСКПОЧАЮЕЕИЛИ, вторая группа входов которогосоединена с выходами определителяоктантов, а выходы соединены черезпостоянное запоминающее устройствос цифровыми входами цифроаналоговогопреобразователя, первая шина питаниясоединена с третьим входом определителя октантов, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора,Овторой выход которого соединен с аналоговым входом цифроаналогового преобразователя, выходы синусно-косинусного вращающегося трансформаторасоединены с первым и вторым входамикоммутатора.На фиг. 1 приведена схема следящего преобразователя угла поворота вала в код; на фиг. 2 - схема коммутатора; на фиг. 3 - временные диаграм Омы, поясняющие работу преобразователя угла поворота вала в код; нафиг, 4 - временные диаграммы работыпреобразователя в режиме поразрядного преобразования. 2Преобразователь угла поворота валав коц содержит СКВТ 1, определитель2 октантов, ЦАП 3, коммутатор 4, усилитель 5, реверсивный счетчик 6, фазочувствительный выпрямитель 7,фильтр 8 нижних частот, управляемыйгенератор 9, блок 10 переключения режимов, состоящий из регистра 11 последовательных приближений, компараторов 12, 13 и 14, генератора 1535импульсов, одновибратора 16, инвертора 17, элемента И-ИЛИ 18 формирователь 19 кода тангенса-котангенса,состоящий из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 20 и элементаИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21. Коммутатор 4 содержит усилители 22 и 23, резисторы24 - 27, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ28-30, инверторы 3 1-34, переключатели 35-38.Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом.Коммутатор 4 (фиг. 2) обеспечивает приведение выходных напряжений СКВТ 115 и 0 в первый октант При этом на синусный вход преобразователя (первый вход дифференциального усилителя 5) подается напряжение, амплитуда которого изменяется от О до 0,7 Ц в нечетных октантах и от - 0,7 Б до Я в четных октантах. На косинусный вход преобразователя (первый вход ЦАП 3) подается напряже.;:е амплитуда которогои."вгот Г до 0,7 П в нечетных ск-.анте,;ц от . до 0 7 Н В четцых октавтах, ри этом напряжение сгцттаетсяцоложительньгм, если оно совпадает по фазе с опорным 0 з 1 пи С, в противном случае напряжение отрицательцо. На первый вход переключателя 35 подается напряжение О" с выхода СКВТ 1 на второй вход - инвертированное на-. пряжение О", с выхода усилителя 22, Соответственно, на первый вход переключателя 36 подается напряжение ., на второй вход - инвертированное напряжение О с выхода усилителя 23, Переключатели 35 и 36 управляются пзрафазными сигналами с выходов элене .- тов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 28 и 29, при этом переключатели 35 и 36 замкнуты при сигнале управления "1" и разомкнуты при сигнале управленияО".Формирователь 19 кода тангенса-котангенса использует ПЗУ 20, на апреецые входы которого подаются разряды с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮБГЕ ИЛ 2", ПЗУ 20 имеет прошивку, соответствующую значениям кода тангенса угла вределах 0 - (/4. При этом в нечетных октантах, когда третий разряд кода октанта равен "О", ца адресные входы ПЗУ 20 подается код с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, равный коду реверсивного счетчика бс , изсч меняющемуся от 0 до Л /4, В четных октантах, когда третий разряд кода октанта равен "1", на адресные входы ПЗУ 20 подается код, равный коду дополнительного угла П.=Л/4 - ЫсцРабота коммутатора 4, определителя 2 октантов, формирогателя 19 кода тангенса-котангенса поясняется таблицей.Все напряжения в таблице выражены через полные углы, при этом полные углы выражаются следующим образом:30=8 + (ьвйр фгде п=1,2,38 номер октанта;бпр - приведенный угол поворотаротора СКВТЫ =Ы. приведенный выходной угол,равный коду на выходе реверсивного счетчика 6.Полный угол на выходе преобразователя формируется кодом определителя2 октантов и кодом реверсивного счетчика 6, равным углу осч .Напряжение рассогласования Оз вычисляется относительно приведенных напряжений с учетом приведения их. значений в первый октантЦАП 3 производит умножение выходного кода формирователя 19 кода тан-генса-котангенса на напряжение, получаемое на выходе коммутатора 40.,а усилитель 5 определяет разностьмежду напряжением,на выходе коммутатора 4 О" и полученным произведением,формируя тем самым напряжение рассогласования . Напряжение рассогласования 135 равно 40 О =0 - О 85 4.где Б - выходной код формировате 19ля 19.Работа коммутатора 4, реверсивного счетчика 6, формирователя 19 поясняются временными диаграммами нафиг, 3. На них показаны выходныенапряжения СКВТ 1 О" и 0, коммутатора 4 О и О выходной код ревер 4Усивного счетчика 6 и формирователя19 кода тангенса-.котангенса. Все напряжения условно показаны в виде огибающих, причем огибающая напряженияпеременного тока считается положительной, если напряжение совпадаетпо фазе с опорным напряжениемП зпШС, в противном случае онасчитается отрицательной, Изменение35кода на выходе реверсивного счетчика 6 и формирователя 19 показано ввиде непрерывных величин, численно,равных значению соответствующегокода.Блок 10 переключения режимов предназначен для перевода преобразователя из следящего режима в режим поразрядного взвешивания, если сигнал рас 45согласования превышает некоторыйуровень, заданный опорными напряжениями О, О на входах компараторов13 и 14,В зависимости от уровня сигналаО, реверсивный счетчик 6 работаетв различных режимах. При разрешающемсигнале разряды реверсивного счетчика 6 повторяют соответствующие разряды регистра 11, а при запрещающемизменяютея по сигналам управляемогогенератора 9. Это позволяет изменятьрежим работы преобразователя при выходе напряжения рассогласования О из области., задаваемой опорными напряжениями 0 и ЦРассмотрим работу преобразователя при.небольших изменениях угла 6 поворота ротора СКВТ 1. Пусть ротор СКВТ 1 повернут на малый угол д , с выходных обмоток СКВТ 1 на определитель 2 октантов и коммутатор 4 постуают напряжения У =У здпызп В -П з 1 пий созй, С выхода коммутато - 1ра 4 напряжение 04 поступает на первый вход усилителя 5, О поступает на аналоговый вход ЦАП 1, на цифровой вход которого идет код с формирователя 19, С выхода ЦАП 3 напряжение3 Ф 19поступает на второй вход усилителя 5, где напряжения О, и О вычитаются и находится напряжение рассогласования О , равноеО-О -О О з 1 псочПодставляя соответствующие значения напряжений и кода из таблицы с учетом приведения полных углов к пер-. вому.рктантуВ-Опр (,и-), 0 = О Ф(п- получаем напряжение рассогласования305, равноез 1 п(п - с и0 =091 пш 1созспрдля нечетных октантов и О=Озгпм 1з 1 по + -Лпр /для четных октантов.,С выхода усилителя 5 напряжение рассогласования П 5 поступает на вход фазочувствительного выпрямителя 7, где -перемножается, с опорным напряжением, На выходе фаэочувствительного выпрямителя 7 получается напряжение Ц , полярность которого определяется отставанием или опережением цифрового значения кода од относительно угла О поворота ротора СКВТ 1. Фильтр 8 .нижних час-, тот выделяет постоянную составляющую напряжения О , одновременно подавляя гармоники опорного напряжения и формируя необходимую частотную характеристику преобразователя, как замкнутой следящей системы, С выхода фильтра. 8 напряжение 0 поступает на вход управляемого генератора 9. Частота управляемого генератора 9 определяется: величиной напряжений рас111644согласования О и соответственно величиной напряжения Оз, полярность которого определяет на вход суммирования нли вычитания реверсивного счет- чика 6 должны поступать импульсы с управляемого генератора 9, Выходной код с( реверсивного счетчика 6 идетсЧна вход формирователя 19 кода тангенса-котангенса и изменяется таким образом, чтобы напряжение рассогласо О вания стремилось к нулю. Когда 1.15 становится равным нулю, колебания управляемого генератора 9 прекращаются и на выходе реверсивного счетчика 6 фиксируется код, цифровое значение 15 которого равно углу 6 поворота ротора СКВТ 1.Рассмотрим работу преобразователя при скачке угла с поворота ротора СКВТ 1. В этом случае напряжение У 2 О на выходе дифференциального усилителя 5 имеет значительную величину, соответственно и напряжение 111 на выхо-де фазочувствительного выпрямителя 7 также велико, а полярность его оп ределяется отставанием или опережением цифрового значения кода с относительно угла б . Работу преобрадрзователя в этом случае определяет блок 10 переключения режимов, на пер-ЗО вые входы компараторов 13 и 14 которого поступает напряжение О с выхода фазочувствительного выпрямителя 7. На вторые входы компараторов 13 11 14 поДаютсЯ напРЯжениЯ П и ПС, ко-З 5 торые задают порог срабатывания компараторов 13 и 14, При этом Ов=01, а величина этих напряжений выбирается в зависимости от требуемого време" ни установления преобразователя в следящем режиме и величины допустимых изменений угла 8 поворота ротора СКВТ 1 при включениях, сбоях и резких изменениях. При превышении напряжением 0 порога срабатывания ПВ(0) компаратора 13 (14),он срабатйвает и выходное напряжение 015(Ц,1) поступает на вход элемента И-ИЛИ 18. С выхода элемента И-ИЛИ 18 сигнал поступает на вход одновибратора 16, который формирует импульс запуска регистра 11 последовательных прибли-.жений.Работа блока О переключения режимов поясняется временными диаграммами на фиг, 3В момент времени С напряжение рассогласования превышает порог сра 6 8батывания Ц. компаратора 13, на его выходе появляется напряжение ц =1, которое поступает на первый вход элемента И-ИЛИ 18, на второй вход которого идет инвертированный сигнал завершения преобразования. В результате, на выходе элемента И-ИЛИ 18 появляется напряжение Б =1, которое запускает одновибратор 16, С выхода одновибратора 16 на вход запуска регистра 11 последовательных приближений поступает импульс длительностьюкоторый запускает регистр 11 последовательных приближений. В момент времени С на втором выходе регистра 11 последовательных приближений появляется напряжение 0,=1, которое по 2ступает на вход загрузки, кода реверсивного счетчика 6 и останавливает его. Инвертированное значение напряжения Ог блокирует прохождение напряжений О и О 1 на выход элемента И-ИЛИ 18 до завершения полного цикла преобразования. С момента времени регистр 11 последовательных приближений начинает работать с тактовой частотой генератора 15, последовательно, начиная со старшего разряда, подключая к информационным входам реверсивного счетчика 6 соответствующие разряды, состояние которых опре деляется компаратором 12, выход которого подключен к информационному входу регистра 11 последовательных приближений, первый вход подключен к выходу усилителя 5, на второй вход подано опорноенапряжение ПфО.В момент времени йг регистр 11 последовательных приближений включает свой первый старший разряд, который поступает на информационный вход реверсивногр счетчика 6 и проходит на его выход, так как на входе загрузки присутствует разрешающий сиггнал 01=1. С выхода феверивного счет чика 6 этот разряд поступает на вход формирователя 19 кода тангенса-котангенса и с его выхода на цифровой вход ЦАП 3, на выходе которого появляется напряжение О, величина которого оп-. ределяется кодом на цифровом входе ЦАП 3. Напряжение П поступает на второй вход усилителя 5, где вычитается из напряжения П , в результатетформируется напряжение рассогласования Ц , оярнос которого определяет состояние выхода компаратора 12. В момент времени С регистр 11 по с 11.:довя тгех 1 ьных приближений Гттлдключя ..-тсдтуЮЬШтяй раэряд К ИР 1111 ОрМЯцИОННО"гкоя" рР гЕзсягттОГО СЧЕТЧИКя 6 И гт г: гттзгта г1 т РВЫИ С 1 Э 1 ттт 1 т 1 г 1 Р Я ЗРЯД т:,."к 1 ттат. выходе камг 1 атрятора 12 "О МОМЕНТЯ ;, СОХРЯКЯСТтСЯ ЦИЭКОЕ ЗЦЯЧЕг 1 т.;Е цанряжЕ 1 П 1 я 11., СООТВЕТСТВЕцтгс И ЗМЕЕЯЕ 1 СЯ С ОСМОЯНИЕ КОДЯ И ЦЯ ЗЬ 1 ХО де реверсивного счетчика 6, так каем т 1 Я ВХОДЕ ЗЯГРУЗКИ ПРИСУтСтзУЕТ РЯЗРЕ .2:шактший сигнал Г, =, С гыходя ревер 11сизного счетчи 11 а б новое значение кода поступает на вход формирователя 19 кода и с его выхода ца щ 1 ровой вход ЦАП 3, На выходе ЦП 3 появляет- т 5г гЦОглОЕ ЗНаЧЕНИЕ Ца 1 тРЯжЕНИЯ 1 г, т КО;,се вычитается из напр.гженця 1,я выходе усилителя 5 и - .зляется ь т гтое значение напряжения ряс со гля-. , няция О , полярность которо 1 о опрс 1 еляет состояние выхода компарятора 12. При этом напряжение ряссогля, Оьация Б уменьшается по абсолютнойттИЧР 1 цЕ. В МОМЕНг ЗрЕМЕцирЕГИС.1 рпоследовательных приближений под.;Нючает следующий разряд, не изменяя СОСТОЯНИЯ ПРЕДЬ 1 ЦУЩЕГОт ТЯК КаК ЦЯ :тттгтдте компаратора т 2 сохряг.цилосьцгР 1 р Ц = ), Пргт Э", гту;, ;.111 ря гтгЕ 111, Е12е гэ г 1 г. ят с гз в я ци я е 1 г 1,с бт О.ц с т ъ; л е ц гтщя е тец, 8 последуввре мотьтец-,ы ;ремениГ 1 ИГТ 1 Э 1 1 гтг"- гт :г егт цтрПгэцбЛИжсций ИЗМЕця Ет З ц ЯЧЕ гтИЕ КОдаЗ СООТЗЕТСТВР 1 И С ЗЬ ХОДБЫМ НгЗПРЯЖЕ 1 Б -ем компаратора 12 таким образом, что-,бы напряжение рассогласования Ь стреМИЛОСЬ К НУЛЮ. НЯ ттЗИГЧ УСЛОВНО ПО 1 т стэслно т ЧТО регистр 11 последовательных приближений имеет восемь разрядов и соответственно восемь рабочих тактов г. -1 По окончании последнего такта в момент времени 1 сигнал О завершения11преобразования становится разным нулю, разрешая работу реверсивногот 15 счетчика 6 в счетном режиме, а преобразователя - в следящем режиме. При переходе в следящий режим на выходе реверсивного счетчика 6 фиксируется код с 1, цифровое значение которого разно углу 8 поворота ротора СКВТ 1,пР2 ИНВЕРСНОЕ ЗНаЧЕНИЕ НанряжЕНИя т.1 ПО 11 ступает ца второй и четвертый входы элемента И-ИтЯ 18, разрешая прохождение напряжений О и ттня его выход при последующих скачках угла поворота ротора СКВТ 1. Время установления преобразователя определяется как чис 2 т 6 10лом разрядов регистра 11 последовательных приближений, которое равно числу разрядов реверсивного счетчика б, так и длительностью одного такта преобразования, которая ограничивается временем установления напряжения на выходе ЦАП 3, Максимальное время установления преобразователя с точностью до величины младшего разряда равноЛМ2 тАз 1 ь1-1где то - частота опорного напряжения;время, Определяющее длителт -ность импульса запуска пре -образователя;- время одного такта преобразования;и - число разрядов регистра 11последовательных приближений,При частоте опорного напряжениял 400 Гц о 1=2513 1/с), числе разрядоврегистра 11 последовательных приближений пг, времени одного такта;-,.ЕМя уСТяцОЗЛЕНИя разНО 7 2 т 5 -10 11 С,г 1.ГО Ца ЦЕСКОЛЪКО ПОРЯДКОВ МЕНЬШЕ ВРЕлени, необходимого для преобразователя, работающего только в следящемрежиме, Проведенные испытания показали достаточное совпадение расчетовс экспериментом.Преимущества предложенного преобразователя по сравнению с известными заключаются в том, что точность преобразования увеличивается в 2 раза), Получение времени установления выходной величины на уровне 1 мс, подтвержденное экспериментально, более чем з 500 ряз меньше, чем у прототипа.Зто расширяет возможности применения устройства и позволяет его использовать. как в одноканальных преобразователях углов, изменяющихся с высокой скоростью и ускорением, так и в многоканальных устройствах с мультиплексированием. В последнем случаеэто приводит к существенному сокращению аппаратных затрат при сохранении динамической погрешности преобразования ня прежнем уровне. Показатели преобразователя улучшаются за счет введения новых элементов и изменения связей, Наряду с существенным улучшением основных показателей преобра(О )О зователя улучшаются и его эксплуатационные характеристики, что еше вбольшей степени оказывает положительное влияние на характеристики оборудования и повышает его проиэводительность. ц+ Код ок- формироваг 2танта тель цздп 6 Цсоз 9 ООО ц з 3 пО ц соз 6 О 1 1 Ц созВ -Ц ззп 9 1 1 О ц зи 6 -Ц соз 6 1 1 1