Способ измерения углового перемещения объекта

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 917 21 22 ЕНИЯ К АВ единени лектриче и. М.; Ма ВОГО ПЕ меритель- расширезменения объекта. вязанной повороте ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(46) 30.01.93. Бюл, М 4 (71) Научно-производственное об "Ротор" (72) В. В,Титов (56) Преснухин Л,Н. и др. Фото ские преобразователи информац шиностроение, 1974, с. 211-213.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛЮ РЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к из ной технике. Цель изобретения -ние динамического диапазона скорости углового перемещени На выходе растровой системы 1, с объективом, формируются при Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, например, в фотоэлектрических растровых преобразователях при измерениях угловых перемещений в различных областях приборостроения.Известен способ, заключающийся в том, что формируют двухфазную систему сигналов несущей частоты, формируют четырехфазную систему измерительных сигналов, преобразуют ее в двухфазную систему квадратурных измерительных сигналов, лишенных постоянной составляющей, производят перемножение каждого сигнала несущей частоты с соответствующим квадратурным измерительным сигналом, формируют информационный сигнал объекта три последовательности импульсов, За один оборот объекта число импульсов в первой последовательности равно М, во второй последовательности - М + 1, в третьей последовательности - М(й + 1), Фазовый сдвиг между импульсами первой и второй последовательности преобразуется нуль- органами 2,3, триггером 5 во временной интервал, Временной интервал заполняется импульсами третьей последовательности с помощью нуль-органа 4, схемы 6 совпадения, Результат измерения в виде кода фиксируется счетчиком 8 и периодически переписывается в регистр 9. В регистре 9 фиксируется результат, связанный с позиционным угловым положением объекта, 2 ил,путем вычитания перемноженных сигналов и по фаэовому сдвигу этого сигнала, который пропорционален угловому перемеще нию в пределах шага растра, судят о величине перемещения.Устройство по данному способу содержит фотоэлектрический растровый датчик, который формирует четыре синусоидальных сигнала, последовательно сдвинутых относительно друг друга на тг /2, два дифференциальных усилителя, с помощью которых четырехфазная система сигналов с датчика преобразуется в двухфазную систему измерительных сигналов, генератор импульсов несущей частоты. фазорасщепитель, два перемножителя и вычитатель,1791705 О = Оп соз ( в т - О) 10 40 360оКадке = - 1 ъциакс На выходе этого устройства реализуется сигнал фотоизмерительное устройство определяет фазовый сдвиг выходного сигнала отнрФИТВфйоопорного сигнала с генератора несуще частоты . Временная фаза хадйого сигнала, измеренная с помощью фазЬйзмерительного устройства, численйо равна пространственной фазе муаровой полосы 2 и - подвижного растра в пределаххего шага ЮНедостатком данного способа является низкая точность иэ-эа неопределенности фиксации угла поворота при измерении угловьх перемещений в пределах угла 360 о. При перемещении подвижного растра в пределах угла от 0 до 360 временная фаза2 лО меняется й раз, где й = число штрихов на растрах, т,е. при угловых перемещениях на некоторый угол а, превышающий величину шага растра, наблюдается повторяемость.результатов измерения и преобразования, которая вносит неопределенность при фиксации угла, превышающего величину шага растра,Известен способ измерения угловых перемещений обьекта, заключающийся в том, что формируют в функции угла поворота с помощью растрового преобразователя два инерционных сигнала несущей частоты Юо =2 л 1 о 1 О 1 = Осоз ( оъ т+ М 1 а ), 02 = О соз ( гдо 1+ К 2 а при этом обеспечивая соотношение М 1 - И 2 = 1, где М 1 и п 2 - число штрихов соответствующих растров, с помощью которых формируются эти сигналы.Так как электрические фазы сигналов О 1 и О 2 изменяются на 2 соответственно Й 1 и гч 2 раза при угловом перемещении растра на 360, то очевидно; что разностная фаза этих сигналов будет изменяться также на 360 за один оборот.Таким образом, в известном способе измеряемое значение фазы между сигналами 01 и О 2 соответствует вполне определенному углу впределах одного оборота. Т,е. данное техническое решение характеризуется помехозащищенностью от разного рода сбоев, т,к. информация об угловом положении восстанавливается с частотой 15 20 25 30 35 ао = 2 и 1 о в каждом последующем цикле измерения.Первым недостатком известного способа является сложность в его реализации, Связано это с тем, что для формирования двух информационных сигналов О 1 и Ог необходимо использовать генератор квадратурных синусоидальных сигналов несущей частоты аЪ, обеспечить попарное перемножение этих сигналов с соответствующими квадратурными сигналами зи Й 1 а соз й 1 а и з 1 п й 2, а соз й 2 а, формируемыми растровым датчиком, обеспечить попарное суммирование и вычитаниеперемноженных сигналов,Для последующего преобразования фазового сдвига между информационными иопорными сигналами в цифровой и-разрядный код необходимо дополнительно формировать тактовые импульсы частотой 1 = 1 о2, которым заполняют временные интервалы, Из рассмотренного видно, что аппаратурные затраты на реализацию известногоспособа достаточно велики.Другим недостатком известного способа является ограниченная динамика угловых измерений,Эти ограничения для известного спосо-ба принципиально существуют и определяются соотношением частоты опорногосигнала 1 о и требованиями к дискретности(разрешающей способности) измеряемогоугла.Максимальная угловая скоростьЙмако измерения в рассматриваемом случае определяется соотношением; Ймэкс= , , (ос ) .360 1 360а Н ЩМ1 пр где 1 о -- опорная частота (частота преоб 1Ьрраэования);ьр - время преобразования;гп = 2" - коэффициент интерполяции периода информационного сигнала О 1;и - число двоичных разрядов;й - коэффициент электрической редукции информационного сигнала Оь равный числу штрихов на растре,При максимально допустимой угловой скорости Ймакс еще реализуется максимальное число циклов преобразования Кмако = п 1 й) эа оборот, т,е. обеспечивается формирование требуемого числа дискрет- ных уровней квантования за один оборот;(7),50 это смещение будет равно шагуЮ/2(т.к. Л =й = Юг ), в котором число 2 УУ 2 шагов И/з уложится М раз (т.к. М), При 1 = й/2 пространственное смещение будет равно половине шага ууг, т,к, 2 д й й .Югмм+т 2 7 й+т- г и, следовательно, в этом интервале уложится число шагов Юз только й/2 раз, и т.д,При вращении подвижного растра датчика будет происходить модуляция проходящего через растровое сопряжение светового потока, которая преобразуется фотоприемниками, расположенными в зоне каждой штриховой дорожки, в электрические сигналы вида (фиг.2): 01 а = 0 Ап М а = О Я п Т а 0 16 = О эп ( й + 1) а = О 31 п Тг а (5) О.=О эп й(И+1) а= ОВпТз а (6) С учетом вышерассмотренного не трудно видеть, что сигналы 01 а и 016.на выходе фотоприемников, расположенных в зонах сопряжения растровых решеток с шагом Х 1 и Ю 2, по мере разворота растров будут смещаться в пространстве относительно друг друга в соответствии с полученным ранее выражением (3).При этом, как видно иэ фиг.2, только в одном случае фазы сигналов 01 и 016 совпадают и это положение принимается за нулевое, т.е, за начало отсчета,При взаимном развороте растров относительно нулевого отсчета на углы, равные шагу штрихов дорожки М; происходит последовательное смещение по фазе сигналов 01 э и 016 нэ величину Ьр, равную В общем случае при смещении на шагов дорожки М пространственный сдвиг между этими сигналами составит что соответствует периодам Тз сигнала 01,которые раэместятся в интервале, равномэтому пространственному сдвигу,Таким образом пространственное угловоесмещение измеряется путем подсчета целого числа периодов сигнала 01, размещающихся во временном интервале, равном пространственному сдвигу между сигналами 016 и 01 аСигналы 01 и 016 подаются на входы нуль-органов 2,3, в которых формируются импульсы Ог, Оз в момент перехода сигнала через нуль в положительном направлении (см. фиг,2). Импульсы Оз, 02 управляют триггером 5, на прямом выходе которого формируется прямоугольный сигнал Оэ, длительность которого пропорциональна пространственному сдвигу между сигналами 01 а и 01 а на инверсном выходе формируется импульс 06-2.Прямой и инверсный сигналы с триггера 5 подаются на первые входы схем 6 и 7, на вторые входы которых подаются импульсы 04, сформированные нуль-органом 4 по нуль-переходам сигнала 01 с растровой решетки с шагом Юз. Таким образом, со схемы совпадения 6 в счетчик 8 будут поступать импульсы Об, количество которых в каждом цикле измерения будет равно числу целых шагов растровой решетки с числом штрихов М, на которые произведен разворот. Цикл измерения, равный периоду сигнала Оа, каждый раз завершается в момент появления импульсного сигнала 02 с нуль-органа, 2, который одновременно дает разрешение на стирание в регистре 9 информации об угле, произведенной в предыдущем цикле измерения, и дает разрешение на перезапись в обнуленный регистр 9 текущей информации об угле из счетчика 8, Счетчик 8 обнуляется первым импульсом 07 со схемы совпадения 7, и тем самым он подготавли 40 вается для приема информации об угле в следующем цикле измерения, Информация же об измеренном угле хранится в регистре 9 до момента завершения разворота на последующий полный шаг И/1 растровой реИз рассмотренного видно, что предлагаемое устройство обеспечивает позиционное преобразование информации об угле поворота в диапазоне 0-360 угл, градусов. При этом информация выдается относительно единственного нулевого положения, которым является момент совпадения фазсигналов 01, и 016,При потере информации от себя в цепях питания она полностью восстанавливается в следующем цикле (т.е, при повороте на угол Ю 1), поскольку фазовый сдвиг между сигналами 01 а и 016 в каждом цикле измерения несет полную информацию об угле разворота относительно нулевого положение, окотором судят по числу периодов сигналаОь. размещающихся во временном интервале, пропорциональном фазовому сдвигумежду сигналами Оь и О 16, Таким образом,предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую эксплуатационную помехозащищенность, которая достигаетсяболее простыми средствами в сравнении спрототипом, в котором для реализации тогоже эффекта требуется выполнитьряд промежуточных преобразований сигналов с фотодатчика, для чего необходимо использоватьквадратурный генератор синусоидальныхсигналов опорной частоты и генератор импульсов высокой частоты для формирования 15кода угла.Поскольку фазовые соотношения междусигналами Оь, Ов и 01 в жестко завязанысопрягаемыми системами растровых решеток, то проделанные выше рассуждения 20справедливы для весьма широкого динамического диапазона угловых скоростей вращения лимбов,При этом несушая прототипу динамическая погрешность в предлагаемом устройстве принципиально отсутствует, так как рользаполняющей частоты в нем выполняет сигнал О, который при изменении угловыхскоростей вращения лимбов автоматическисинхронизируется с частотами сигналов Оз 30и О 1 ь, в связи с чем динамический диапазон . предлагаемого устройства будет значительно шире, чем в прототипе. и будет определяться лишь частотными характеристиками применяемых элементов.Формула изобретенияСпособ измерения углового перемещения объекта, заключающийся в том, что формируют с помощью растровой системы, связанной с объектом, две последовательности импульсов, число импульсов в каждой последовательности равно Й и Й + 1 при повороте объекта на 360, формируют временныеинтервалы, отл ича ющи йся тем, что, с целью расширения динамического диапазона изменения скоростиуглового перемещения объекта, формируют с помощью растровой системы третью последовательность импульсов, число которых равно й ( й + 1) при повороте объекта на 360, длительность времен н ы х и нте рвал о в формируют пропорциональной накапливающейся разности фаз между импульсами первой и второй последовательностями, заполняют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов, заполнивших каждый из временных интервалов, судят от угловом перемещении объекта,.Керецм роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж Гагарина, 10 аз 147 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5