Датчик скорости, направления вращения и углового положения вала

(5) 5 Н 03 САНИ ЗОБ ТЕНИЯл ВТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВУ 6 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(56) Титце УШенк К, Полупроводниковаясхемотехника, М.: Мир, 1982, с.495,рис.26,31,Зинченко Е.К. и др. Измеритель-сигнализатор скорости вращения для газотурбинных агрегатов, в реферативном сборникеАвтоматизация,телемеханизация и связь вгазовой промышленности, М 1975. вып.1,с.14-22, рис,2,Герман-Галкин С.Г. и др, Цифровыеэлектроприводы с транзисторными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат, 1986,с,23, рис,2 - 5,Авторское свидетельство СССРВ 1213417, кл. 6 01 Р 3/489, 1983. цкий, В.А.Косенко, А.Г.Павнов, В,С,Рафф и Ю.С.КублаИзобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам скорости, направления вращения и углового положения вала механизма, в основном предназначенного для быстродействующих систем отработки механического параметра с высокой точностью, например, для электропривода подачи металлорежущего станка. Целью изобретения является повыние точности датчика.(54) ДАТЧИК СКОРОСТИ, НАПРАВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ И УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ВАЛА(57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам скорости, направления вращения и углового положения вала механизма, в основном предназначенного для быстродействующих систем отработки механического параметра с высокой точностью, например, для электропривода подачи металлорежущего станка. С целью повышения точности в датчик, содержащий генератор постоянной частоты, три делителя частоты, фаэорасщепитель, фазовращатель, первый фильтр нижних частот, управляемый генератор, регистр, компаратор, триггер, введены смеситель частот. паласовой фильтр, два дешифратора, фазовый компаратор, два устройства выборки и хранения. второй фильтр нижних частот, блок выбора меньшего напряжения, одновибратор, конденсаторный частотомер, селектор октанта, блок частотной коррекции и резонансный усилитель. Это позволяет существенно улучшить параметры датчика. 1 ил. Цель достигается за счет поддержания на выходе фазовращателя постоянной частоты независимо от скорости и направления вращения его вала, что дает возможность эффективно фильтровать высокочастотные флуктуации на выходе линии связи, возникающие от воздействия помех на нее, а также от несовершенства конструкции фазовращателя и неидеальной синусоидальности напряжений на входе фазовращателя; за счет снижения частот питанияфазовращателя с одновременным увеличением в 8 раз по сравнению с выходной частотой фазовращателя частоты на входе узла автоподстройки частоты; эа счет выбора величин и смещения частот генераторов перестраиваемого и неизменной частот та.чтобы исключить параэитную еэаимосинхрониэацию; за счет синхронизации работы устройства выборки и хранения в аналоговом узле скорости с участками кривой на выходе конденсаторного частотомера, обеспечивающей минимальную величину пульсаций на выходе, особенно на предельно низких скоростях вращения,На чертеже приведена структурная схема датчика скОрости, направления Вращения и углового положения вала.Датчик скорости, няправл 8 ния арящ 8"ния и угловогО полОжения Вяля содержит генераторы постоянной:астоты 1 и управляемый 2, селектор 3 октэнта, фазовый компэратор 4, дешифратор 5, делитель б, 7 частоты, смеситель 8 частот, устройство 9 Выборки и хранения (УХВ) фильтры 10, 11 нижних частот, полосовой фильтр 12, блок 13 частотной коррекции, ЯЗ-триггер 14, блок 15 выбора меньшего напряжения., дешифратор 16, делитель 17 частоты, компаратор 18, регистр 19 О-триггеров 20, фазорасщепитель 21, одновибратоо 22, конденсаторный частотомер 23, фаэовращатель 24 резонансный усилитель 25 и устройство 26 выборки и хранения. Блок 15 выбора меньшео напряжения ов быть Выполнен в виде диодного элемента НЕ - И, на выхОДе которОго буДет только тОт аналоговый входной сигнал, значение котороо е данный момент меньше, при этом второй диод элемента будет заперт.Описываемый датчик работает следующим образом.При неподвижном вале фазовращателя24, механически сочлененного с валом контролируемого механизма (не показан), частоты напряжений на входе и выходе фазовращателя 24 имеют одно и то же значение, а разность фаз соответствует данному угловому положению вала. Количество напряжений на входе и выходе фэзовращателя определяется типом электрической машины. У сельсина, например, входные обмотки образуют трехфазную систему, а выходное напряжение однофазно, У одного из типов вращающегося трансформатора входные обмотки ортогональные.Наилучшие результаты по точности датчика относятся к фазовращателю 24 с трехортогоняльными выходными обмотками, На выходе фазорасщепителя 21 форма напря 5 10 15 20 25 30 35 40 ф) 50 жений или чисто синусоидальная, или квазисинусоидальная с большим числом ступеней и высоким порядком остаточных гармонических составляющих, Выходные обмотки фазовращателя 24 совместно с резонансным усилителем 25, в качестве которых могут быть использованы, например, конденсаторы, образуют резонансную систему связанных контуров, настроенных на частоту первой гармоники выходных напряжений, В этом случае эффективно подавляются; гармоники из-за неидеальности синусоиды с выхода фазорасщепителя 21, высокочастотные флуктуации, возникающие от Воздействия помех на линии связи с фазовращателем 24, и флуктуации, возникающие из-за несовершенства конструкции фазовращателя, Причем динамика привода с датчиком не ухудшается благодаря соответствующему выбору величины добротности системы и значения частоты,С выхода фязовращателя 24 ортогональные синусоидальные напряжения поступают на вход селектора 3 октанта, с выхода которого восемь (за один период его входного напряжения) участков синусоидыК Ке пределах от - до+ - поступают на вход8 8устройства 9 выборки и хранения, На управляющие входы селектора октанта и на управляющий вход первого устройства выборки и хранения 9 соответствующие импул ьс ы поступают с выходов дешиф ратора 5 так, что импульс управления устройством Выборки и хранения соответствует моментам перехода через нулевые значения каждого из восьми участков синусоид.В датчиках, на выходе фазовращателя которых имеется только одно напряжениенапряжение, ортогональное выходному на- . йряжению фазовращателя, получают с выхода фазосдвигающей цепи в селекторе 3 октанта.С выхода устройства 9 выборки и хранения через блок 13 частотной коррекции напряжение поступает на вход управляемого генератора 2 (частоты), отклонение частоты на выходе которого соответствует величине и знаку напряжения на его входе.Генератор 1 вырабатывает напряжение неизменной частоты, которое делится делителем 7 частоты, в свою очередь с выхода которого напряжение пониженной частоты поступает на вход делителя б частоты и одновременно на один из входов фазового компаратора 4, На другой его вход поступает напряжение через полосовый фильтр 12 с выхода смесителя 8, я на входы смесителя поступают напряжения с выходов обоих генераторов, 1654972Таким образом, при неподвижном вале фаэавращателя частоты на входе фазового кампаратара 4 равны между собой, сдвигфаз между ними неизменный, выход ЙЯ-триггера 14 находится в состоянии, соответствуюцем нулевому сигналу на одном из егавходов, кампаратор 18 - также в одном из состояний, принятом за нулевой.Построение схемы устраняет вазможность взаимной синхронизации генераторов через неустранимые паразитныеемкостные связи между цепями генераторов,Требуемые динамические характеристики контура автоподстрбйки частоты, в состав кагарага входят элементы 1 - 3, 5 - 9, 12, 13, 17, 21, 24, 25, задают блоком 13 частотной коррекции, вь,палненным, например, в виде регулятора,При вращении вала фазоврашателя в 10 15 20 одну или дру-.у 1 а сторону значение частотынэ его выходе остается неизменным благодаря рабате контура автападстройки частоты и резонансная система на выходефазаврагателя так же, как и ранее, подавляет отклонения формы кривой на выходе отсинусаидальнай. Значение входной частотыфазовращателя 24 или увеличивается, илиуменьшается в зависимости ат направления .вращения, вала. 30Контур автопадстройки часто; ы работате следующим образом,Частота выходных сигналов делителянеизменна, тогда сигнал на выходе делителя 6 частоты соответствует выходной частоте фазовращателя 24 в установившемсярежиме, Сигналы управления с выхода дешифратара 5 формируются в момент перехода выходного сигнала фазовращателячерез ноль в установившемся режиме (или 40одного из двух квадратурных сигналов),При изменении углового положения вала фазовращателя 24 изменяется фаза (частота) его выходных сигналов,Сигналы управления фиксируют в апределенные блоками 6 и 4 моменты амплитудное значение сигнала фазовращателя 24,приведенное селектором 3 актанта к первому октанту, в УХВ 9. Это значение, скорректированное блоком 13, управляет выходной 50частотой сигналов генератора 2 так, что через смеситель 8 и фильтр 12 частота выходных сигналов делителя 17 частотыизменилась для компенсации изменения частоты выходных сигналов фазовращателя 5524, Выходные сигналы разрядов делителя17 с помощью дешифратора 16 позволяетсформировать дискретные сигналы, соответствующие требуемым угловым положениям вала, на О-триггерах 20 регистра 19,количество которых соответствует требуемому количеству сигналов, в том числе и "0-метка". На С-входы триггеров 20 регистра 19 поступает сигнал с выхода делителя 17 частоты с постоянной частотой и фазой, соответствующей фазе сигнала и выхода фазавращателя. На О-вхады поступают сигналы с выхода дешифратора 16, подключенного к делителю частоты 17, входящему в канал формирования входных напряжений фазовращателя. Частота и фаза сигналов с дешифратора 16 переменны.; О-триггеры 20 выполняют функции фазовых компараторов, Сигналы на их выходах однозначно привязаны к заданным угловым положениям вала.На входе фазового компаратора 4 раэностная частота выходного сигнала фильтра 12 также увеличивается или уменьшается по отношению к неизменной частоте с выхода делителя частоты 7, в связи с чем на соответствующем выходе фазового компаратора 4 разностная частота биений фильтруется соответствующим фильтром 10 или 11 нижних частот и через блок 15 выбора меньшего напряжения поступает на вход компаратора 18, на выходе которого формируется частотный сигнал скорости вращения. Необходимость введения блока 15 выбора наименьшего из двух значений напряжений определяется тем, что при низких скоростях вращения вала (в диапазоне 1:10000 и более) и при реализации предельно высокой разрешающей способности датчика (10000 "меток" на 1 оборот вала и более) за счет флуктуаций фазы на обоих выходах фильтров 10, 11 нижних частот даже при использовании одного из самых совершенных фазовых детекторов, аналогичных известному, при медленном повороте вала в любую сторону возможно одновременное появление медленно меняющегося напряжения. Выбор меньшего значения из двух напряжений более достоверно определяет истинное угловое положение вала, Полученное значение частоты кратно значению частоты генератора 1, на не равно частоте генератора 2, т.е. значение этой частоты не равно и не кратно ни одной из укаэанных частот, что определяется выбором частот обоих генераторов, емкостью делителя 7 и дополнительным введением смесителя 8 и полосового фильтра 12, выделяющих разностную частоту генераторов.Выходной сигнал ВЗ-триггера 14 однозначно определяет направление вращения вала.Для получения аналогового сигнала скорости вращения вала, в большинстве случаОбрабатываемой детали и упростить схему. 45привода за счет наличия всех требующихся ев существ 8 нно упрогцаюц 8 ГО систему управления объекта в целом, в котором используетсл датчик, применень последовательно соединенные конденсаторныЙ часготомер 23 и устройство 26 выборки и хоаения,онденсаторныЙ частотом 8 р 23 содержитне показано) в своем составе(лючи, переключающи 8 ся с измеряемой частОтой, подключающие дозируощие конденсаторы сначала на разряд От стабилизированного :дсточрка ндпряжения а заем на разряд на вход фильгра нижних частот. Сснов.ОЙ ьедостаток известного частотомера - увели 1 сд УРОВЧЯ ПУЛЬСЯЦИЙ С ПОНИжЕНИЕЦ ИЗ- мерлемой частоты - устраняется установкой нг выходе устройства 26 выборки и хране- НИЯ.,.днако при изм 8 рснии сверх.изких по Отношению к макслмальноЙ) часто" Где по.тоянная времени фильтра часто гом 8 ра 23 Ризмерима с измеряемьм 18 ородом ввиду конечого времени выборки ус, ройства 26 "чборки и хранения пульсации выходного сл гнала имеют все же значительную величи- у. ДлЯ уменьшения пульсаций стрОб-импульс на устройство выборки и хранения формируют непосредственно перед иереключ 8 нием ключей частотомерат.е. спользуот наиболее пологий участок экспоненты на выходе фильтра нижних частот частота,"еоа 23 указанный импул с формиру 1 отовлбратором 22, задним фрОнтом котрог пеоеключзот елОл частотомея, Гри э Гом урОвень пульсацийа выхОД 8 устройства 2 О вьборкл и хранения, являю 48 госл аналоГО" вым выходом скорости датчлка, имеет бо 88 рзкое нацеие на сверни ких скорос чх вращ 8 ния,Использование изобретения в приводах, например, металлорежущего станка, в состав которых входи рашща постояного тока или переменного - вентильная или асинхронная, позволяет повысить точность для привода дискретных и аналоговых сигналОв ысООЙ очноси. Соимост приода с предлагаемым датчиком также снижается.Формула изобретения Датчик скорости, направления вращения и углового положения вала, содержаьций генератор постоянной частоты, первый делитель частоты, выход которого соединен с фазорасщепителем, выход которого соединен с входом фазовращателя, второй и третий делители частоты, первый фильтр нижних частот, управляемый генератор, регистр, компаратор и триггер, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения точности датчика, в него введены последовательно соединенные смеситель частот и полосовой фильтр, первый и второй дешифраторы, фазовый компарэтор, первое и второе устройство выборки и хранения, второй фильтр нижних частот, блок выбора меньшего напряжения, одновибратор, конденсаторный частотомер, селектор октанта, блок частотной коррекции и резонансный усилитель, вход которого подключен к выходу фазовращателя, а выход соединен с информационным входом селектора октанта, управляющие входы которого подключены к группе выходов первого дешифраторэ, а выходсоединен с информационным входом перВОГО устроЙства выборки и хранения, управляющий вход которого подклочен к выходу первого дешифратора, а выход через блок частотной коррекции соединен с входом управляемого генератора, выход которого соединен с одним входом смесителя частот, другой вход которого подключен к выходу генератора постоянной частоты и через второй делитель частоты - к одному входу фазового компаратора и входу третьего делителя частоты, группа выходов которого соединена с входами первого дешифратора, а выход соединен с входом синхронизации регистра, информационные входы которого подключены к выходам второго дешифратора, а выходы являются выходами угловых положений вала датика, выход полосового фильтра соединен с другим входом фазового компаратора и входом первого делителя частоты, группа выходов которого соединена с входами второго дешифратора, первый и.второй выходы фазового компаратора через соответствующие фильтры нижних частот соединены с соответствующими входами триггера и соответствующими входами блока выбора меньшего напряжения, выход которого соединен с входом компаратрра, выход которого является частотным выходом скорости вращения вала датика и соединен с входом одновибратора, один выход которого через конденсаторный частотомер соединен с информационным входом второго устройства выборки и хранения, управляющий вход которого подключен к другому выходу одновибратора, а выход является выходом аналогового сигнала скорости вращения вала датчика, выход триггера является выходом сигнала направления вращения вала датчика,1654972 Составитель М, СидороваТехред М,Моргентал Корректор М.Мксимишинец Редактор Л.Волкова Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10Заказ 2291 Тираж 477 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5