Датчик углового положения, скорости и ускорения вращения вала

(19) (11) 3 489 3 (59 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ(71) Дальневосточный ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. В.В.Куйбышева(56) 1, Авторское-свидетельство СССРУ 532116, кл. С 01 Р 11/00, 1978,2, Авторское свидетельство СССРпо заявке У 3342111/18-10,кл. С 01 Р 3/489, 1981 (прототип).(54)(57) ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ,СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА,содержащий последовательносоединенные генератор импульсов, первый счетчик, формирователь опорных сигналов,фазовращатель, первый нуль-орган ипервый регистр, информационные входыкоторого подключены к соответствующим выходам первого счетчика, выходгенератора импульсов через ключсоединен со счетным входом второгосчетчика, выходы которого подключенык информационным входам второго регистра, вход разрешения записи которого соединен с первым выходом формирователя задержанных импульсов,второй выход которого подключен квходу предустановки второго счетчика, третий выход - через дополнительный триггер к второму входу ключа, а вход - к второму входу дополнительного триггера и к последовательно соединенным фазовому детектору, интегратору, суммирующему элементу и управляемому генераторупри этом второй вход фазового детектора соединен с выходом управляемого генератора, а вход фильтра нижнихчастот подключен к входу интегратораи к второму входу суммирующего элемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью увеличения точности измерения в диапазоне низких скоростейи ускорений, в него введены умножитель частоты и последовательно соединенные схема запрета, делитель частоты, блок вычитания частот и второйнуль-орган, причем выход генератораимпульсов подключен к первому входусхемы запрета, управляющий входкоторой соединен с выходом триггера1-го разряда первого счетчика, выходфазовращателя через умножитель частоты подключен к второму входу блока вычитания частот, а выход второго нуль-органа соединен с входомформирователя задержанных импульсов.1 1101Изобретение относится к измери=тельной технике и может быть использовано в качестве датчикауглового положения, мгновенной скорости и ускорения вращения вала 5в точных цифровых системах автоматического управления.Известен индуктивный датчикугловых ускорений, который содержитимпульсный датчик угловой скорости, 10расположенный на валу и соединенныйсо входами схем И, к другим входамкоторых подключены выходы генератора, выходы схем И соединены сб входами реверсивного счетчика, инверсные выходы которого через схемы инкреманта и первую группу вентипейсоединены с первыми входами отсчетного устройства, прямые выходы счет- .чика соединены со входами дешифратора и через вторую группу вентилей -со второй группой входов отсчетногоустройства, прямой и инверсный выходы дешифратора соединены соответственно с управляющими входами первой и второй групп вентилей и ,Недостатком такого устройства является запаздывание измерения из-задвойного интервала времени междусигналами импульсного датчика угло- ЗОвой скорости.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является датчик углового положения, скорости иускорения вращения вала, которыйсодержит последовательно соединенныегенератор импульсов, первый счетчик,формирователь опорных сигналов, фазовращатель, первый нуль-орган и1,первый регистр, информационные входы 4 Окоторого подключены к соответствующим выходам первого счетчика, выходгенератора импульсов через ключсоединен со счетным входом второгосчетчика, выходы которого подключены 45к информационным входам второго регистра, вход разрешения записи которого соединен с первым выходом формирователя задержанных импульсов,второй выход которого подключен к 50входу предустановки второго счетчика,третий выход - через дополнительныйтриггер к второму входу ключа, авход - к второму входу дополнительного триггера и к последовательно 55,соединенным фазовому детектору, интегратору, суммирующему элементу и.управляемому генератору, при этом 740 2второй вход фазового детектора соединен с выходом управляющего генератора, а вход фильтра нижних частот подключен к входу интегратора и к второму входу суммирующего элемента 121.Недостатком известного устройства является значительная погрешность измерения низких скоростей и ускорений, обусловленная малой величиной относительного изменения частоты выходных сигналов фазовращателя, которая равна алгебраической сумме опорной частоты фазовращателя Р и частоты вращения вала ГЗ . Погрешность измерения низких скоростей и ускорений может быть уменьшена путем непосредственного использования в каналах измерения скорости и ускорения сигналов дополнительного фазовращателя с большим коэффициентом электрической редукции Е; у которого выходная частота Р выражается следующим соотношением:о 1 ерОднако использование в составедатчика двух фазовращателей существенно усложнит его конструкцию иувеличит стоимость.Цель изобретения - увеличениеточности измерения в диапазоне низких скоростей и ускорений,Укаэанная цель достигается тем,что датчик углового положения, скорости и ускорения вращения вала, со. -держащий последовательно соединенные генератор импульсов, первый счетчик, формирователь опорных сигналов,фазовращатель, первый нуль-органи первый регистр, информационныевходы которого подключены к соответствующим выходам первого счетчика,вьйод генератора импульсов черезключ соединен со счетным входомвторого счетчика, выходы которогоподключены к информационным входамвторого регистра, вход разрешениязаписи которого соединен с первымвыходом формирователя задержанныхимпульсов, второй выход которогоподключен к входу предустановки второго счетчика, третий выход черездополнительный триггер - к второмувходу ключа, а вход - к второмувходу дополнительного триггера и кпоследовательно соединенным фазовому детектору, интегратору, суммирую40 4 3 11017 щему элементу и управляемому генератору, при этом второй вход фазового детектора соединен с выходом управляемого генератора, а вход фильтра нижних частот подключен к входу интегратора и к второму входу суммирующего элемента, введены умножитель частоты и последовательно соединенные схема запрета, делитель частоты, блок вычитания частот и второй 1 О нуль-орган, причем выход генератора импульсов подключен к первому входу схемы запрета, управляющий вход которой соединен с выходом триггера 1 -го разряда первого счетчика,ф выход фазовращателя через умножитель частоты подключен к второму входу блока вычитания частот, а выход второго нуль-органа соединен с входом формирователя задержанных импульсов.На фиг. 1,изображена структурная схема датчика углового положения, скорости и ускорения вращения, нафиг. 2 - осциллограммы, иллюстрирую- д 5щие работу датчика.Датчик содержит герератор 1 импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого, счетчика 2,выполненного на триггерах. Выход старшего разряда счетчика 2 через формирователь 3 опорных сигналовсоединен со входом фазовращателя 4, подключенного своим выходом ко входу первого нуль-органа 5.35 Выход первого нуль-органа 5 соединен со входом разрешения записи первого регистра 6,информационные входы которого подключены к выходам соответ- , ствующих триггеров счетчика 2. Выход 4 О генератора 1 импульсов соединен так-, же с первым входом схемы запрета 7, управляющий вход которой подключен к выходу триггера 1 -го разряда первого счетчика 2. Выход схемызапрета через делитель 8 частоты соединен с первым входом блока 9 юычитания частот, второй вход которого подключен к выходу умножителя 1,0 частоты, соединенного своим входом с выходом 50 4 азовращателя 4, Выход блока 9 вычитания частот соединен со входом второго нуль-органа 11. Выход генератора 1 импульсов соединен также со счетным входом второго счетчика 55 12 через ключ 13, управляющий вход которого соединен с выходом дополнительного триггера 14. Вход сброса триггера 14 соединен с выходом второго нуль-органа 11. Выход этогонуль-органа 11 соединен также совходом формирователя 15 задержанныхимпульсов, первый выход которогоподключен ко входу разрешения записи второго регистра 16. Информационные входы регистра 16 соединены ссоответствующими выходами триггероввторого счетчика 12, вход предустановки которого подключен ко второмувыходу формирователя 15 задержанныхимпульсов. Третий выход формирователя 15 соединен со входом установкив епиничное состояние дополнительного триггера 14. Выход второгонуль-органа 11 соединен также с первым входом фазового детектора 17;выход которого подключен ко входуфильтра 18 нижних частот и входу интегратора 19Выход интегратора 19подключен ко входу суммирующего элемента 20, другой вход которого подключен к выходу фазового детектора17. Выход суммирующего элемента 20соединен со входом управляемого генератора 21, вход которого подключенко второму входу фазового детектора,Датчик углового положения, скорости и ускорения вращения вала работает следующим образом,Первичный счетчик 2 выполняетфункцию делителя частоты Г генератора1 на коэффициент 2 , так, что наивыходе старшего п-го разряда счетчика 2 образуются прямоугольные импульсы с частотой РоГ/2 . ФормироваМтель 3 вырабатывает из выходных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напряжения фазовращателя 4. Первый нуль-орган 5 формируетиз выходных синусоидальных сигналовфазовращателя 4 прямоугольные перно"дические сигналы, по переднему фронту которых осуществляется запись кода первого счетчика 2 в первый регистр 6. В первом регистре 6 фиксируется код текущего углового положения вала.Выходные сигналы генератора 1поступают также на первый вход схемы7 запрета, на управляющий вход которой,поступают сигналы с частотой2/2с -го разряда первого счетчика 2, которые запрещают прохождениечерез схему 7 каждого импульса сномером 2. Среднее значение частотыимпульсов на выходе схемы 7 запретаравно Г (2- 1)/2 . Делитель 8 частоты имеет коэффициент деления, равный 2 , где 2 " - коэффициент умножения . умножителя 10 частоты, так, что выходная частота Р делителя 8 равнаРо2 (2- 1) /2Умножитель 10 частоты умножает ,в 2" раз выходную частоту фазовращателя 4, равную сумме Р + Р, так, что выходная частота умножителя 10 будет равна: 10 Р (Ро + Р,р)На выходе блока 9 вычитания частот образуется частота Рр, равная 15 разности частот умножителя 10 и делителя 8:К 1юрПри х = Е выходная частота блока 20юК 9 вычитания будет равна Рр= Ро+ 2 Рр,Выходной сигнал блока 9 вычитания частот аналогичен выходному сигналу фазовращателя, имеющего коэффициент электрической редукции, равный 2 . Второй нуль-орган 11 формирует из выходных синусоидальных сигналов блока 9 вычитания частот прямоугольные импульсы которые поЭ30 ступают в блок вычисления частоты вращения и блок вычисления ускорения.Второй счетчик 12, имеющий разрядность, равную разрядности первого счетчика, плюс дополнительный знаковый разряд, вместе с ключом 13, дополнительным триггером 14, формирователем 15 задержанных импульсов и регистром 16 образуют блок вычисления частоты вращения, причем вычисление кода скорости заменено вы 40 числением кода приращения ЬТ периода Т выходного сигнала блока 9 вычитания частоты по отношению к периоду То опорного сигнала фазовращателя 4.По переднему фронту выходного сиг 45 нала второго нуль-органа 11 переходит в нулевое состояние дополнительный триггер 14 и одновременно запускается формирователь 15 задержанных импульсов. Сигнал с выхода триггера 14,0 воздействуя на управляющий вход, ключа 13, прекращает поступление импульсов генератора 1 на счетный вход второго счетчика 12. Через время, достаточное для переноса в счет чике 12, вырабатывается первый импульс формирователя 15, который поступает на вход разрешения записи второго регистра 16, и осуществляется запись кода ЬТ из счетчика 12 во второй регистр 16. Второй импульс формирователя 15, воздействуя на входы предустановки второго счетчика 12, осуществляет запись в счетчик 12 кода, соответствующего промежутку времени между появлением первого и третьего выходных импульсов формирователя 15. Импульс с третьего выхода формирователя 15 переводит в единичное состояние триггер 14, в результате чего открывается ключ 13 и сигналы генератора 1 вновь поступают на вход счетчика 12. Поскольку коэффициенты пересчета первого счетчика 2 и второго счетчика 12 равны, то в конце каждого периода выходного сигнала нуль-органа 11 в регистре 16 будет зафиксирован либо прямой код ЬТ, если Т 7 То, либо дополнительный код ЬТ, если Т ( То.Фазовый детектор 17, фильтр 18, интегратор 19, суммирующий элемент 20 и управляемый генератор 21 образуют блок вычисления ускорения. Вы.ходное напряжение 11 фазового детектора 17 пропорционально разности фаз сигналов на его входах, или иначе 01 пропорционально интегралу от разности между выходной частотой Р второго нуль-органа 11 и часто- Ртой управляемого генератора 21. В операторной форме выходное напряжение фазового детектора равно:где Т - постоянный коэффициент,.Р - оператор Лапласа.Выходной сигнал фазового детектора непосредственно подан на первый вход суммирующего элемента и через интегратор с передаточной функцией 1/Т 2 Р - на второй вход суммирующего элемента 20. Следовательно, напряжение на выходе суммирующего элемента равно:Частота генератора Р пропорцио 2нальна с коэффициентом К 2 входномууправляющему напряжению У2 27СледовательноТ р 2,; р+К)ц (р)Т,Р(р). 1101740Предлагаемое устройство обладаетвозможностью измерения значительно более низких скоростей и ускоренийвращения.1101740 Составитель М,ХаустовРедактор Н.Данкулич Техред Л. Бабинец 1(орректор С,Шекма Заказ 4757/29ВНИИПИ Гос ир одписное по делам 13035, МоскваФилиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная арст зобр