Преобразователь угла поворота вала в код

(21) 4 (22) 1 (46) 1 чики ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСИОМУ СВИДЕП:ЛЬС 209426/24-242,03.875,01,89. Бюл, У 2(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА(57) Изобретение относится к автома;тике и вычислительной техникеИзобретение позволяет повысить точностьпреобразования угла поворота вала в,код. В преобразователь угла поворотав код, содержащий синусно-косинусныйдатчик угла (СКДУ), источник опорного напряжения, два ключа, ПЗУ, дваперемножающих ЦАП, аналоговый сумматор, реверсивный счетчик, введеныблок синхронизации, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, блок вычитания, блоксуммирования, два регистра, компаратор, преобразоватепь код-частота,преобразователь напряжение - код, н вертор, два ключа, интегратор и устройство выборки и хранения (УВХ). Выходной код преобразователя разбивается на две группы разрядов. Рассогласование в и старших разрядах обрабатывается в контуре, образованномПЗУ, перемножающими ЦАП, аналоговымсумматором, ключами, интегратором,УВХ, инвертором. Рассогласование вш младших разрядах с учетом и старших разрядов обрабатывается в конту"ре, образованном реверсивным счетчиком, преобразователем код - частота,регистрами, блоком суммирования иблоком вычитания. Блок суммированияобеспечивает коррекцию выходного кода в зависимости от скорости вращения вала СКДУ, первый регистр обеспечивает независимость частоты обновления выходной информации преобразователя от времени установления напряжения на выходе ЦАП, устройствовыборки - хранения исключает влияниена точность преобразования изменений коэффициента трансформации СКДУ,а первый и второй ключи обеспечивают еньшение погрешности преобразова я от разности коэффициентов пере чи ЦАП. 1 з.п. ф-лы, 3 ил 1 таб1451861 д А.Маковск аказ 7091/55 Тираж 879 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 КНТ СССР оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составител Техред М.Х М.Сидороваанич Корректор Г.РешетникИзобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к преобразователям угла поворотавала в код,Цель изобретения - повышение точности преобразователя угла поворотавала в код - достигается путем исключения динамической погрешности,пропорциональной скорости вращениявала СКДУ и снижения погрешности,вызванной разностью коэффициентов передачи аналоговых блоков, посколькуработает данный преобразователь сцифровыми сигналами. 15На фиг,1 приведена структурнаясхема преобразователя угла поворотавала в код; на фиг.2 - структурнаясхема варианта реализации блока синхронизации; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.Преобразователь угла поворота валав код содержит синусно-конусный датчик 1 угла (СКДУ), постоянное запоминающее устройство 2 (ПЗУ), цифроаналоговые преобразователи 3, 4 (ЦАП),аналоговый сумматор 5, реверсивныйсчетчик 6, ключи 7, 8, элемент 9 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, устройство 10 выборкии хранения (УВХ), ключи 11, 12, инвертор 13, интегратор 14, преобразователь 15 Напряжение - код (ПНК),блок 16 вычитания, регистры 17, 18,блок 19 суммирования, преобразователь20 код - частота (ПКЧ), блок 21 син 35хронизации, компаратор 22 и элемент23 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,Блок 21 синхронизации содержитусилитель-ограничитель 24, делитель 4025 частоты, одновибратор 26, дваичный счетчик 27, генератор 28 импульсов, постоянное запоминающее устройство 29 (ПЗУ), одновибраторы 30 - 32.На диаграммах фиг.З позициями 33, 4534 обозначены входной сигнал блока21 синхронизации и выходной сигналаналогового сумматора 5, а позициями а - ) - сигналы на соответствующихвыходах блока 21 синхронизации.Алгоритм работы преобразователяэквивалентен алгоритму работы преобразователя-прототипа. Выходнойкод преобразователя разбивается надве группы - и старших разрядов об 55разуют контур грубой обработки рассогласования (блоки 2-5,7-15), кодкоторого сравнивается блоком 16 вычитания с ш младшими разрядами выходного кодаЗатем осуществляется обработка рассогласования в ш младших разрядах контуром точной обработки рассогласования с учетом п старших разрядов (блоки 6, 18 - 20, 23). В результате на выходах блока 19 суммирования формируется выходной код К = и + ш. Отработка рассогласования выходного кода и угла поворота СКДУ 1 осуществляется по управляющим сигналам блока 2) синхронизации.Принцип действия ПЗУ 29 блока 21 синхронизации поясняется его таблицей соответствия,Частота следования импульсов на выходе генератора 28 импульсов блока 21 синхронизации связана с частотой Еопорного напряжения соотношением(1)где 1 - количество разрядов двоичного счетчика 27, причем 1 ) 5 дляобозначения точности синхронизацииначальных фаз опорного напряжения исигнала на выходе третьего разрядадвоичного счетчика 27, считая старший разряд первым.Коэффициент делителя 25 частотыблока 21 синхронизации равен четырем. Таким образом, установка исходного состояния счетчика 27 происходиткаждые четыре периода опорного напряжения, а изменение состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизациипроисходить восемь раз за периодопорного напряжения,Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом,В начале очередного цикла преобразования исходное установившеесясостояние блоков следующее: в регистр17 записан код угла поворота валаСКДУ 1 (о), представленный на первойгруппе выходов блока 19 суммирования,в регистр 18 - код с выходов блока16 вычитания, на выходе УВХ 10 действует напряжение, записанное с выхода аналогового сумматора 5. Исходноесостояние двоичного счетчика 27 нулевое, а состояние выходов реверсивного счетчика 6 соответствует кодуугла поворота оС,Цикл преобразования начинается вмомент. перехода из области отрицательных в область положительных значений опорного напряжения (фиг.З),В этот момент состояние блоков - исходное, согласно таблице на первом а,з14 четвертом г и седьмом к выходах блока 21 синхронизации (фиг.2) действует потенциал логической единицы, а на остальных выходах блока 21 синхронизации - потенциал логического, нуля. На выходе синусной обмотки СКДУ 1 действует напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорциональна синусу угла поворота вала СКДУ 1 Ц - П, К 81 позхпы й, (2) где Бэ - сигнал на выходе синуснойобмотки СКДУ;П - амплитуда опорного напряжения;К - коэффициент трансформацииСКДУ 1;Я - круговая частота опорногонапряжения,а на выходе косинусной обмотки действует напряжение 1) соя (р И), (4)2 Фвторой группе выходовс числом Н соотноше 1. = (2 ( а число Ь наПЗУ 2 связанонием Е, 2 У) м (г" "+") (5)Во время действия потенциала логического нуля на седьмом выходе К блока 21 синхронизации число Ь определяется соотношением е . 2(2 -1) сов (2"- Ы). (7) а число Б .=П, К совы. зпд , (3) По потенциалу логической единицы на управляющих входах ключей 7, 8 выход синусной обмотки СКДУ 1 подключается к аналоговому входу первого перемножающего ЦАП 3, а выход косинусной - к аналоговому входу второго перемножающего ЦАП 4.Во время действия потенциала логической единицы на седьмом выходеж блока 21 синхронизации число Ьпредставленное 1-разрядным кодом, на первой группе выходов ПЗУ 2 связано с числом И, представленным п-разрядным кодом на входах ПЗУ 2, следующим соотношением 51861В исходном состоянии двоичногосчетчика 27 блока 21 синхронизациина выходе первого перемножающего ЦАП3 действует сигнал5 е(2 о 1)(8)на выходе второго перемножающего ЦАП4 - сигналБ =П, - - зж ( - 1+), (9)а на выходе сумматора 5 - сигнал(2 -1Б =П +О =Б, К5 Е4 акоп ТРзп(оС М) здпИ 1 (10)Для упрощения выражений (8), (9)и (1 О) коэффициенты передачи перего множающих ЦАП 3 и 4 приняты равными,Таким образом, на выходе аналогового сумматора 5 формируется напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорциональна величина рассо"гласования между углом Ы и кодом пстарших разрядов выходного кода первого регистра 17,Ключ 12 разомкнут во время дейстЗО вия потенциала логического нуля напятом выходеблока 2 синхрониза"ции, а ключ 11 замкнут на время действия потенциала логической единицына четвертом 2 выходе блока 21 синхронизации, выходной сигнал сумматора 5 поступает на вход интегратора 14,После четвертого изменения состоя"ния входов ПЗУ 29 блока 21 синхро 4 О низации на пятомвыходе блока 21синхронизации появляется потенциаллогической единицы, а на четвертом 3 -логического нуля (см.таблицу). В этотмомент ключ 12 замыкается, ключ 1145 размыкается, выходной сигнал сумматора 5 через инвертор 3 поступаетна вход интегратора 14,После восьмого изменения состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации на восьмомвыходе блока 21синхронизации появляется потенциаллогической единицы, на втором Д) иседьмом (Ж) - потенциал логическогонуля, а на первом (а) по-прежнемудействует потенциал логической единицы (см.таблицу). В этот моментстарший 1,знаковый) разряд кода, поступающего на цифровые входы первого5 14 элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, и число,представленное соотношением (6) на цифровых входах первого перемножающего ЦАП 3, принимает вид Т., = (2 -1) з 1 п ( вИ), (11)Е . 2 выходной сигнал первого перемножающего ЦАП 3 - вид:С 4 "оп Ч 22 цсоз (оС м И) з 1 пя, (14)После десятого изменения состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации на третьем выходе ПЗУ 29 блока21 синхронизации появляется потенциал логической единицы (см.таблицу),по фронту которого на выходе одновибратора 31 появляется короткий импульснапряжения, и в УВХ О записываетсяамплитуда выходного сумматора 5.Длительность импульса напряженияна выходе одновибратора 31 равнаапертурному времени УВХ 10,Так как число И представлено истаршими разрядами кода угла поворотавала СКДУ 1 (согласно условиям исходного состояния блоков), то 2 ГИ Ы2"и напряжение на выходе УВХ 10 по окончании действия импульса напряженияна входе управления УВХ 10 принийаетвидеПосле одиннадцатого изменения состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации на всех выходах блока 21 синхронизации устанавливается потенциаллогического нуля (см,таблицу), и ключи 7, 8 обеспечивают подключение вы"ходов синусной и косинусной обмотокканалоговым входам перемножающихЦАП 4 и 3 соответственно,Входной код первого перемножающего ЦАП 3 принимает вид выражения(6), второго перемножающего ЦАП 4 -вид выражения (7), выходной сигналосумматора 5 - вид выражения (10),5186 6После двенадцатого изменения состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации (см.таблицу) на пятомвы 5ходе блока 21 синхронизации появляется потенциал логической единицы, ключ2 замыкается и выходной сигнал сумматора 5 через инвертор 13 поступаетна вход интегратора 14.После шестнадцатого изменения состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации на пятомвыходе блока 21синхронизации появляется потенциаллогического нуля, а на четвертом (2) -15 логической единицы, размыкается ключ12, замыкается ключ 11 и выходнойсигнал сумматора 5 поступает на входинтегратора 14.После двадцатого изменения состоя 20 ния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации на четвертом (3) выходе блока21 синхронизации устанавливается потенциал логического нуля (см,таблицу) и ключ 11 размыкается,25 Таким образом, после двадцатогоизменения состояния входов ПЗУ 29блока 21 синхронизации на выходе интегратора 14 сформирован сигнал видата тзоц,== и И-= и д 1 ( 1тт о ВТ 11 Т 21 1Б сг. + - Б с сЪтР8(16)где- постоянная времени интегратора 14, а пределы интегрирования определены с учетом выражения (1) и.таблицы.ПНК 15 за время от двадцатого додвадцать пятого изменения состояниявходов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации преобразует этот сигнал в -разрядный код, используя в качествеопорного выходной сигнал УВХ 10Число 1, контура грубой обработки рассогласования, представленноекодом на выходах ПНК 15, имеет вид50нт(19) причем число 1 с, представленное 1 сразрядным кодом на первой группе выходов блока 19, числои число 1 с представленное 1 с-разрядным кодом на З 0 выходе реверсивного счетчика 6, связаны соотношением1 с = 1 с + 1, (20) а число 1 с, представленное 1 с-раз- З 5 рядным кодом на выходах второй группы блока 19, и числа 1 с и 1 - соотношением1 с =1 с+А 1 (2 ) где А - постоянный коэффициент,40Так как числа М и Н представлены младшими и старшими соответственно разрядами числа 1 с , торИ+ - М = - .1 с2 2 к 2 к(22) 45 Подставив в выражение (19) соотношение (18), получим 2 й 2 к 1 =зп (К- в " К) -- М (23) а 2 к 2Так как ос- Ы (по условиям исходного состояния блоков), то выражение (23) преобразуется к виду 2 л 1 =еС- - М -- М 2 к2 и 2 к ф14518После двадцать пятого изменения состояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации на втором выходе (3) ПЗУ 29 блока 21 синхронизации появляется потенциал логической единицы (таб.5 лица), по фронту которого на выходе одновибратора 30 появляется короткий импульс напряжения, синхронизирующий запись в регистр 18 кода с выходов блока 16.По спаду этого импульса на выходе одновибратора 32 появляется короткий импульс напряжения, синхронизирующий запись в регистр 17 кода с первой группы выходов блока 19 суммирования и осуществляющий сброс интегратора 14.Число 1 , представленное 1-разрядным кодом точного контура обработки рассогласования на выходах блока 16, и числа М и 1 представленные ш-. разрядным и 1-разрядным кодами на входах первой и второй групп блока 16 соответственно, связаны соотношением. 25 61 8 и с учетом выражения (22)2 л1 = ьс- - 1 с2 к 2 2 к 2(25)Таким образом, число 1 представляет собой величину, пропорциональную рассогласованию между углом Ос ичислом 1 с . Так как число 1 с представлено кодом угла ос (по условиямисходного состояния блоков), то 1 = О,импульсы напряжения на выходе ПКЧ 20отсутствуют, реверсивный счетчик 6не меняет своего состояния и согласно выражениям (20) и (21) 1 с= 1 с =1 с .Однако число 1 в соответствии с выражением (18), а следовательно, ичисло 1,могут принять нулевое значе 2 Тние и при 2- ЖЫ и, В этом случаенапряжение на выходе УВХ 10 приметвид(2 -1)ц щ щ ед Е ф ЦУьх 2 о Ри на выходе компаратора 22 появитсяпотенциал логической единицы.По потенциалу логической единицына втором входе второго элемента ИСКЛЮЧАЮЦЕЕ ИЛИ 23 сигнал с выходастаршего разряда второй группы выходов блока 19 инвертируется, и выходной код преобразователя изменяетсятак, что2 л,= Ы.2 кЦикл преобразования заканчивается после тридцать первого изменениясостояния входов ПЗУ 29 блока 21 синхронизации.В конце четвертого периода опорного напряжения при переходе последнимнулевого значения из области отрицательных в область положительных значений иа выходе делителя 25 частотыпоявляется потенциал логической единицы, по фронту которого на выходеодновибратора 26 появляется короткийимпульс напряжения, осуществляющийустановку двоичного счетчика 21 висходное состояние. Длительность импульса напряжения на выходе одновибратора 26 установлена меньшей периода следования импульсов на выходегенератора 28 импульсовПри появлении рассогласования между углом Ы, и кодом, записанным в регистр 17, согласно выражению (25),число 1 принимает значение, отличное от нулевого.е11 14и 4 сохраняется неизменным в течениевсего цикла преобразования за счетвведения регистра 17. Частота же обновления выходного кода определяется лишь максимальной выходной частотой ПКЧ 20 и не связана с Т,Таким образом, преобразовательобладает принципиально большим быстродействием, а следовательно, меньшей динамической погрешностью,Кроме указанных преимуществ, предлагаемое устройство обладает болеевысокой по сравнению с прототипомстатической точностью за счет снижения погрешности, вызванной разностью коэффициентов передачи перемножающих ЦАП 3 и 4. Это преимущество достигнуто введением ключей 7 и 8.формула изобретенияПреобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно"конусный датчик угла, вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выходы соединены с информационными входами первого и второго ключей, постоянное запоминающее устройство, первая группа выходов которого, кроме выхода старшего разряда, соединена с цифровыми входами первого перемножающего цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу первого ключа, а выход соединен с первым входом аналогового сумматора, вход которого подключен к выходу второго перемножающего цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу второго ключа, реверсивный счетчик, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены блок синхронизации, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, блок вычитания, блок суммирования, два регистра, компаратор, преобразователь код - частота, преобразователь напряжения - код, инвертор, третий и четвертый ключи, интегратор и устройство выборки и хранения, вход которого подключен к выходу аналогового сумматора, а выход соединен с,одним входом компаратора и входом опорного напряжения преобразователя напряжение - код, выход аналогового сумматора соединен с информационными входами третьего ключа непосредственно 5186112и четвертого ключа через инвертор,выходы третьего и четвертого ключейсоединены с информационным входом интегратора, выход которого соединен синформационным входом преобразователя напряжение - код, выходы которого соединены с первой группой входов блока вычитания, выходы которого соединены с информационными входами первого регистра, выходы которого соединены с одной группой входовблока суммирования и кроме выходастаршего разряда - с входами блокапреобразовйния код - частота, выходкоторого соединен со счетным входомреверсивного счетчика, вход направления счета которого подключен к выходу старшего разряда первого регистра, а выходы соединены с другойгруппой входов блока суммирования,выход которого соединен с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,другой вход компаратдра подключен к 25 общей шине, а выход соединен с вторымвходом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ, одна группа выходов блока суммирования соединена с информационными входами второго регистра, первая ЗО группа выходов которого соединена свторой группой входов блока вычитания, а вторая группа выходов - сгруппой входов постоянного запоминающего устройства, выход старшего 35разряда первой группы выходов которого соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходкоторого соединен с входом старшегоразряда первого перемножающего циф роаналогового преобразователя, вторая группа выходов постоянного запоминающего устройства соединена с цифровыми входами второго перемножающего цифроаналогового преобразователя, 45 вход блока синхронизации подключенк источнику опорного напряжения, аего выходы с первого по восьмой соединены: первый - с управляющими входами первого и второго ключей, вто- БО рой - с управляющим входом первогорегистра, третий - с управляющим входом устройства выборки и хранения,четвертый - с управляющим входомтретьего ключа, пятый - с управляющим входом четвертого ключа, шестойс управляющим входом второго регистра и входом "Сброс" интегратора,седьмой - с управляющим входом постоянного запоминающего устройства,Состояние выходов ПЗУ 29 и сбответствующих выходов блока 21синхронизации Состояниевходов ПЗУ29 (выходов счетчика 27) НомерсостояниявходовПЗУ 29 1 8 Ь г Э ж 0 00000 1 0 0 1 . 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1. 0 0 1 0 1 0 1 0 О 1 0 1 0 1 О 0 0 10 00001 00010 00011 4 00100 5 00101 б 00110 1 О 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 О 0 0 0 0 1 1 0 О 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 О 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 00111 8 01000 9 01001 10 01010 11 01011 12 01100 13 01101 14 01110 15 01111 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 13 1451861 14восьмой - с вторым входом второго, теля является входом блока, выходы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы дру" двоичного счетчика соединены с вхогой группы выходов блока суммирова- дами постоянного запоминающего устния и первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ройства, первый выход которого явля 5ИЛИ являются выходами преобразова- ется первым выходом блока, второй теля. выход .через второй одновибратор, вы 2, Преобразователь по п.1, о т - ход которого является вторым выходом л и ч а ю щ и й с я тем, что блок блока, соединен с входом третьего синхронизации содержит двоичный счет- О одновибратора, выход которого являетчик, постоянное запоминающее уст- ся шестым выходом блока, третий выройство, четыре одновибратора, пос- ход постоянного запоминающего уст- ледовательно соединенные усилитель-" ройства соединен с входом четвертоограничитель и делитель частоты, вы- го одновибратора, выход которого явход которого через первый одновиб" 1 б ляется третьим выходом блока, выходы ратор соединен с установочным входом постоянного запоминающего устройства двоичного счетчика, счетный вход ко- с четвертого по седьмой являются сотового подключен к выходу генератора ответственно четвертым, пятым, седьимпульсов, вход усилителя-ограничи-мым и восьмым выходами блока.16 1451861 Продолжение таблицы Состояние выходов ПЗУ 29 и сответствующнх выходов блока 21синхронизации Состояние входов ПЗ 29 (выходов счетчика 22) Номерсостояния,входовМЭУ 29 1 16 0000 0 О 0 3 0 0 0 17 000 0 0 0 3 О О, 0 0 0 0 1 О О 0 0 0 0 1 0 . О 0 10010 10013 39 20 10100 О. 0 0 О 0 О 0 1010 0 0 0 0 О О 0 0 0 0 0 0 0 0 0 О 0 О О О 0 0 0 0 О О 0 О 0 3 0 0 О 0 0 0 0 0 0 О О 0 0 0 0 0 О О 0 0 0 0 О 0 О 0 21 22 10310 23 10311 24 11000 25 1100 26 11010 27 11011 28 1300 13103 0 0 О 0 0 0 О 30 11130 0 0 0 О О О О 0 0 0 О 0 О 0 31 11111