Преобразователь угла поворота вала в код

)5 Н 1/48, 1/64 ТВЕННЫЙ КОМИТЕТРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯ СССР ПО И ПРИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Вульвет Джсистемах. - М.:с.152. юл. В 9дов, И,В.ГЛогинов,А.Пречисск ченков и цифровыхт, 1981,атчики ергоиз ССР1987.ВОРОТ 1 детельств 03 М 1/ТЕЛЬ УГ рское свЫ, кл.ЕОБРАЗОВКО бл. вала в ти про ния вал код пут порцион снижения погре ной скорости в ния немонотонн ла при равномер также повышение я кода угловой нос аще сти ке и вычислительно хинке, а имен угла поворота о к преобразователала в код,а, исклюия кодаи вала,дрмирова измен иочо вращен Цель изобретен ти преобразова вышение точугла поворот ти. У 14518 Н 48,(57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к преобразователям угла поворотавала в код. Целью изобретения является повышение точности преобразователяугла поворота вала в код за счет снижения скоростной составляющей погрешности. Цель достигается тем, что впреобразователь, содержащий синуснокосинусный датчик угла, постоянноезапоминающее устройство (ПЗУ) дваперемно;.;ающих цифроаналоговых преобразователя ( ЦАП аналоговый сумматор,етение относится к автоматиреверсивный счетчик, четыре ключа,два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, устрой"ство выборки и хранения, инвертор,интегратор, преобразователь напряжение - код, два регистра, блок вычитания, блок суммирования, преобразователь код-частота, блок синхронизациии компаратор, введены второе устройство выборки и хранения, второй преобразователь напря.;ение-код, третийи четвертый регистры, второй и третийблоки суммирования. Введенные в преобразователь блоки образуют канал измерения угловой скорости, причем вотличие от устройства-прототипа формирование кода скорости осуществляется одновременно с формированием кодаугла и при неизменном коде на входахПЗУ. Это позволяет снизить скоростную составляющую погрешности за счетисключения погрешностей ПЗУ и ЦАП и,кроме того, уменьшить коэффициент коррекции скоростной погрешности первого блока суммирования и, таким образом, исключить возможную немонотонность изменения выходного кода углапри равномерном вращении вала. 3 ил., 163349250 На Фиг.1 приведена структурная схема преобразователя угла поворота валав код; на фиг.2 - структурная схемаблока синхронизации; на Фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работупреобразователя.Преобразователь угла поворота вала в код содержит синусно-косинусныйдатчик 1 угла (СКДУ), постоянное запо минающее устройство 2 (ПЗУ), перемножающие цифроаналоговые преобразователи 3 и 4 (ЦАП), аналоговый сумматор 5, реверсивный счетчик 6, ключи 7 и 8, элемент ИСКЛК)ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9,устройство 10 выборки и хранения(УВХ), ключи 11 и 12, иннертор 13,интегратор 14, преобразователь 15напряжение-код (ПНК), регистры 16 и 17блок 18 суммирования, блок 19 суммирования, преобразователь 20 кодчастота (ПКЧ), блок 21 синхронизациикомпаратор 22, элемент ИСКЛРЧАРЩЕЕИЛИ 23, устройство 24 выборки и хранения, преобразователь 25 напряжение 25код, регистры 26 и 27, блок 28 вычитания, блок 29 суммирования.Блок 21 синхронизации содержитусилитель-ограничитель 30, делитель 31 частоты, одновибратор 32,двоичный счетчик 33, генератор 34импульсов, постоянное запоминающееустройство 35 (ПЗУ).На диаграммах фиг,3 обозначенывходной сигнал 36 блока 21 синхрони 35зации, выходной сигнал 37 аналогового сумматора 5 и сигналы а-м на соответствующих выходах блока 21 синхронизации,Блок 21 синхронизации вырабатывает сигналы, управляющие работой преобразователя. Напряжение управленияна выходах а-м блока 2 синхронизации Формирует ПЗУ 35, данные состояний которого приведены в таблице. Входы ПЗУ 35 подключены к выходам пятистарших разрядов двоичного счетчика 33, подсчитывающего импульсы генератора 34 импульсов, частота следования которыхо (1)где 1 - число разрядов двоичногосчетчика 33;Г - частота опорного напряжения.оСинхронизация блока 21 синхронизации с опорным напряжением, произ 55водится цепью: усилитель-ограничитель 30, делитель 31 частоты с коэффициентом деления четыре и одновибратор 32, формирующий импульс установки с-етчика 33 в исходное (нулевое) состояние. Таким образом, обнуление двоичного счетчика 33 происходит через каждые четыре периода опорного напряжения, За это же время, в соответствии с зависимостью (1), счетчик 33 возвращается в исходное состояние под действием счетных импульсов, т.е. сигнал обнуления осуществляет синхронизацию импульсной последовательности, формируемой на выходах счетчика 33, с начальной фазой опорного напряжения, Число разрядов 1 двоичного счетчика 33 выбирают из условия обеспечения требуемой точности синхронизации (15).Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом.Цикл преобразования начинается в момент перехода опорного напряжения Ц о через нулевое значение в область положительных значений, В этот момент двоичный счетчик 33 устанавливается в нулевое состояние и в соответствии с таблицей состояний ПЗУ 35 на управляющие входы ключей 7 и 8 поступает единичный потенциал с первого выхода а блока 21 синхронизации. Ключи 7 и 8 замыкаются, подключая к входу ЦАП 3 напряжение Ц с выхода си 5нусной обмотки СКДУ 1, а к входу ЦАП 4 - напряжение Ц с выхода косинусной обмотки. Единичный потенциал подается также на управляющий вход ПЗУ 2. При этом на цифровые входы ЦАП 3 поступает 1-разрядный код числаВ 2 ФЕ = (2 - 1) сов ( М)( 2 К ф а на цифровые входы ЦАП 4 - 1-разрядный код числа,К , 2 н1. = (2 - 1)зп( М+ и )2 2 к фо где 4 - код цепи обрагной связи разрядностью Е, хранящийся в регистре 17 беэ изменения в течение всего цикла преобразования, что позволяет исключить зависимость максимальной частоты обновления выходного кода угла ИО от времени Тц установления ЦАП 3 и 4. В данном устройстве Тц не должно превышать интервал времени от момента записи кода Е в регистр 17 (по Фронту единичного потенциала на девятом выходе М ПЗУ 35) до момента начала очередного цикла преобразования (момент с на Фиг.3). Для временных диаграмм, гриведенных на фиг.3, Тц 61/4 Ео и мо/2 в гв 1 п ( 11+ к ) жет превышать минимальный периодления выходного кода угла 1Напряжения на выходах ЦАП 3 иописываются соотношениями 1633492обновС момента времени й (восьмая комбинация входных сигналов ПЗУ 35) ЦАП 4 ключ 12 размыкается, а на управляющийвход 2 поступает сигнал логическогонуля. При этом коды, поступающие наЦАП 3 и 4, меняются между собой. (2) Р . 2 нЬ = (2 - 1)в 1.п(2 к 1(+ и )1 (5)Подставив в формулы (2) и (3) выражения для выходных сигналов СКДУ 1ЧщоКт в 1 пО( втпО 11(с ЧщоКтр сов фв 1 п Ыогде Ч(о К т - максимальная амплитудавыходных сигналовСКДУ 1;П- амплитуда опорного напряжения;К - коэффициент трансформатции СКДУ 1;Я - круговая частота опорного напряжения, после преобразования получаем зависимость для выходного напряжения аналогового сумматора 52 - 1х в 1 п( ф -- ( - И) в 1 п Яо г, (4) С целью упрощения полученной зависимости коэЬЬициенты передачи перемножающих 1 АП 3 и 4 в соотношениях (2) и (3) приняты равными. В начале цикла преобразования, всоответствии с таблицей, ключ 11 замкнут и напряжение 11 поступает наФвход интегратора 14. В момент времени ,( (фиг.3), соответствующий установлению четвертой комбинации сигналов на входах ПЗУ 35, ключ 11 размыкается, а ключ 12 замыкается и выходное напряжение аналогового сумматора 5 Е поступает на вход интегратора 14 через инвертор 13. Таким образом осуществляются синхронное двухполупериодное выпрямление сигнала 11 и интегрирование выпрямленного сигнала в течение периода питающего напряжения, При этом полностью подавляются квадратурные и четные гармонические составляющие сигнала 0 ., а остальные высокочастотные составляющие ослабляются. Одновременно в моментс пятоговыхода я блока 21 синхронйзации подается сигнал логической единицы науправляющий вход элемента ИСКР 1 ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, и значение старшего разряда кода 1.( инвертируется, т.е. выражение (5) принимает вид20 1, = (2 - 1) в.п (М)(7)Используя зависимости (6) и (7),получаем следующее выражение для выходного сигнала аналогового суммато ра 5:2О = Ч К --- сов(Ь. - -И) ;,о ЙО тт 2 2 2х в 1 пЯС,В установившемся состоянии электронной следящей системы (ЭСС) Х2=и амплитуда выходного сигнала аналогового сумматора 5 соответствует 35максимальной амплитуде выходных сигналов СКДУ 1. В течение действия девятой комбинации сигналов на входахПЗУ 35 с шестого выхода 1 ПЗУ 35 поступает сигнал логической единицы науправляющий вход УВХ 10 и выходное напряжение УВХ 10 начинает повторитьего входной сигнал. Максимальное значение 11 выходного сигнала аналогово - Фго сумматора 5 фиксируется на выхо де УВХ 10 в момент времени с, соответствующий установлению десятой комбинации сигналов на входах ПЗУ 35. Сиг"нал на выходе УВХ 10 служит опорнымнапряжением дли ПНК 15 и ПНК 25. Таким образом устраняется влияние наточность преобразования температурнойи временной нестабильности амплитудыопорного напряжения (. и коэффициентаоптрансформации СКДУ 1.В момент времени 4 (установлениеодиннадцатой комбинации сигналов навходах ПЗУ 35) на всех выходах блока 21 синхронизации устанавливаетсянулевой потенциал, ключи 7 и 8 возвра 1633492выходное напряжение УВХ 10.Из выражения (8) видно, что выходной код ПНК 15 не зависит от амплитуды опорного напряжения и коэффициента трансформации СКДУ 1,Число 1 заносится в регистр 16 в момент ТВсоответствующий установлению двадцать второй комбинации вход 50 55 щаются В исходное состояние, подключая сигнал 1 к входу ЦАП 4, а сигнал И - к входу ЦАП 3, На цифровыевходы ЦАП 3 и 4 до момента установ 5пения двадцать третьей комбинациисигналов на входах ПЗУ 35 поступаюткоды чисел 1. и 1., определяемые выражениями (5) и (6). При этом с учетом равенства коэффициентов передачиЦАП 3 и 4 зависимость для выходногонапряжения Ц аналогового сумматора 5 совпадает с соотношением (4).На интерВалах 5-С б и 1 бВнОВьпроизводится интегрирование соответственно инвертированного и неинвертированного напряжения Ц, В результатепереключения ключей 7 и 8 и коммутации входных кодов умножающихЦАП 3,4 составляющие погрешности,содержащиеся в сигнале П,-на интервалах времени СО-Ст и С 5-7 и Обусловленные неравенствомкоэФФициентовпередачи ЦАП 3 и ЦАП 4, взаимно компенсируются при суммировании на интеграторе 14 напряжений, накопленныхза эти интервалы времени. Выражечиедля напряжения на выходе интегратора 14 к моменту времени с имеет вид712т 30Б с 1 с --11 дсИРь1й т 2 т 12Ц 1 +Ц с 118 Ч, Кг -1)а Р 2 тгнВаап(0( -11)2 к35Лгде ь - постоянная времени интегратора 14,Для преобразования выходного сигнала интегратора 14 в код использует 40ся интервал времени сВ , в течениекоторого ПНК 15 Формирует д-разрядный код числаПир 2 2 71 д 2 К= -л- е 1 п(фф- Н)111, глц452 О (8)где К = - л, - коэффициент пре 16 2образования ПНК 15; ных сигналов ПЗУ 35. В момент, соответствующий установлению двадцать третьей комбинации сигналов на входах ПЗУ 35, на восьмом выходе л ПЗУ 35 формируется потенциал логической единицы, по которому производится сброс (обнуление) интегратора 14.В момент времени С когда завершается первый этап интегрирования выходного напряжения аналогового сумматора 5, по спаду единичного потенциала на девятом выходе ж ПЗУ 35 выходное напряжение интегратора 14 формируется УВХ 24. Код 1 этого напряжения, сформированный на выходах ПНК 25, по фронту единичного потенциала на одиннадцатом выходе з ПЗУ 35 записывается в регистр 26. На интервале времени й -С вновь производится интегрирование выходного напряжения аналогового сумматора 5. Результат интегрирования фиксируется УВХ 24 в моментКод 1 выходного напряжения УВХ 24 поступает на первую группу входов блока 28 вычитания, на выходе которого формируется код числаЭ (2Мгде К - масштабный коэффициент.Для временных диаграмм, приведенных на фиг.3, Кц = 4/3. Код числа 1 у записывается в регистр 27 по положительному перепаду напряжения на двенадцатом выходе и ПЗУ 35 в момент установления тридцатой комбинации сигналов на его входах.При 0 = сопе код на выходах реверсивного счетчика 6 изменяется до тех пор, пока на выходах ПНК 15 не установится код 1 О = О, что соответствует равенству27Б =02"оДля обеспечения устойчивости элект. ронной следящей системы (ЭСС), отрабатывающей рассогласование между углом р и выходным кодом Ю код Ю цепи обратной связи ЭСС Формируется на выходе двоичного блока 18 суммирования как сумма входного 1 о и выходного Н и кодов цифрового интегратора, состоящего из ПКЧ 20 и реверсивного счетчика 61 й + 1 оВо время переходного процесса установления выходного кода Н (при 04 = сопеС и выборе коэффициента преобразования ПНК 25 К= 4 К) 1=- 11а Г =- О, т.е. выходной код И, канала формирования кода скорости, хранящийся в регистре 27, не оказывает влияния на устойчивость ЭСС.С целью устранения ложного согласования ЗСС (1 о = О) которое,как следует иэ зависимости (8) возникает при2 и, л1 = Ос + и (9)10в схему преобразователя введены компаратор 22 и элемент ИСКЛЮЧЛЮЩЕЕИЛИ 23. В случае выполнения соотношения (9) напряжение на вьходе УВХ 1 Остановится отрицательным, на выходекомпаратора 22 устанавливается потенциал логической единицы и элементИСКЛЮЧАЮ 11 ЕЕ ИЛИ 23 инвертирует значение старшего разряде вых диого кода Хп блока 19 суммирования.Код Т будет нулевпм лишь приО( = сопят, Если же угол ф изменяется с постоянной скоростью то код 1 зпропорционален скорости изменения О.и используется для комгенсации скоростной погрешности преобразователя,а также поступает на выход преобразователя (И) = 1 З) и можетиспольэоваться для целей коррекции цифровой системы автоматического регулирования, 30включающей преобразователь угл; поворота вала в код. Формированис кода 1производится при неизменномзначении кода 11 на входах П 3 У 2,т.е, погрешности ПЗУ 2-4 не оказыва 35ют влияния на величину 1 . Таким образом повьшается точность формирования кода 1 пропорционального скорости вращения вала СКДУ 1, и, следовательно, повышается точность компен.сации скоростной погрешности преоор,зователя, т.е. повышается точностьпреобразования угла поворота вала вкод,В установившемся режиме код 1 о 45 поступающий на один из входов (на первую группу входов блока 29 суммирования) цифрового интегратора, состоящего иэ ПКЧ 20 и реверсивногосчетчика 6, будет нулевым при фиксированном положении вала (Ос = сопяС) и при вращении вала с постоянной скоростью, В последнем случае скоростная погрешность, присущая ЭСС с астатиэмом первого порядка (с одним интегратором в контуре регулирования) ком 55 пенсируется введением в контур регулирования кода 1, пропоци нального скорости вращения вала, Мгновенное значение кола угла Нпри этомтстэет от текущего углового положениявала на время, равное части длительности одного цикла преобразования. В то же время у известного устройства запаздывание выходного кода прсевьппает длительность цикла преобразования. Таким образом, у предлагаемого устройства удается уменьшить значение ко ффиииента коррекции скоростной погрешности блс ха 19 суммирования, вырабатывающего выходной код угла11 1 я+К ТЗ (10)где К . - коз,1 фициент коррекции скорсетной погрешности, зависящий, т задержки выходной информапии (кода 1 п) относительно начала цикла преобразования. для временных диаграмм, приведенных на Фиг.3 Ке = 0,375. При таком значении К исключается немоностонность изменения выходного кода 11 которая может возникнуть в известном устройстве при равномерном вращении вала СКДУПусть, напримср вал СКДУ 1 вращается со скоростью, соответствующей промежуточному значеп;ю между единицей первого и второго младших разрядов регистра 27. В .том случае под воздействием помех происходит случайное переключение кода 13 от значения 0001 к значению 0010 и обратно в различных циклах преобразования. В известном устройстве, имеющем коэффициент коррекции в выражении (10) Ке = 1,65, такие переключения кода 1 з вызывают переключение кода корректирующей добавки 1 К соответственно в единицу (целая часть от 1 х 1,65) и три единицы (целая часть от 2 х 165) младшего разряда, т,е. выходной код угла ИП случайно изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь на две единицы младшего разряда. Такое переключение выходного кода 1Х при равномерном изменении угла ос, может вызвать сбои в работе цифровой системы автоматического регулирсвания, включающей преобразователь угла поворота вала в код, и требует специальных мер для обеспечения устойчивости этой системы.В предлагаемом устройстве укаэанные выше естественные переключения младшего разряда кода 1 ие вызывают переключения выходного кода угла 11так как приращение кода 1 Ге , соответствующее приращению кола скорости1на единицу младшего разряда, будет менее единицы (1 хО 375) и при постоянной скорости вращения вала выходной код Ю изменяется монотонно, Частота обновления кода угла Хпри этом опре деляется частотой следования импульса ПКЧ 20пк оэи в течение цикла преобразования остаО ется постоянной, Причем, как отмечалось, ЙП,ГЧ может превышать предельную частоту преобразования умножающих ЦАП 3 и 4.15формула изобретения Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий синусно-косинусный датчик угла, вход которого подключен 20 к источнику опорного напряжения, а выходы соединены с информационными входами первого и второго ключей, первая группа выходов постоянного запоминающего устройства, кроме выхода 25 старшего разряда, соединена с цифровыми входами первого перемножающего цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу первого ключа, а выход соединен 30 с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго перемножающего цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу второго ключа, а цифровые входы соединены с второй группой выходов постоянного запоминающего устройства, выход старшего разряда первой группы выходов которого соединен с первым 40 входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с входом старшего разряда первого перемножающего цифроаналогового преобразователя, вход первого устройства выбор ки и хранения подключен к выходу аналогового сумматора, а выход соединен с входом опорного напряжения первого преобразователя напряжение - код ц одним входом компаратора, второй вход 50 которого подключен к общей шине, а выход соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход аналогового сумматора соединен также с информационными входами третьего ключа непосредственно и четвертого ключа через инвертор, выходы третье-, го и четвертого ключей соединены с информационным входом интегратора, выхоц которого соединен с ццформгцгиоцным входом первого преобразователянапряжение - код,выходы первого регистра соединены с первой группой входов первого блока суммирования, выходы которого через второй регистр подключены к входам постоянного запоминающего устройства, блок преобразования код-частота, выход которого соединен со счетным входом реверсивцо.го счетчика, выходы которого соединены с второй группой входов первого блока суммирования, выход второго элемента ИСКЛЮЧАЮК 1;1. ИЛИ является одним выходом кода у.ла поворота преобразователя, вход блока синхронизации подключен к источнику опорного напряжения, а внгходы соединены: первый с управляющими входами первого и второго ключей, второй - с управляющим входом цсстояцного запоминающего устройства, третий - с управляющим входом третьего ключа, четвертый с управляющим входом четвертого клн- ча, пятый - с вторым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, шестой с управляющим входом первого устройства выборки ц хранения, седьмой - с упранляншгим входом первого регистра, восьмой - с входом Сброс" интегратора, девятый - с управляющим входом второго регистра, блок вычитания, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены второе устройство выборки и хранения, второй преобразователь напряжение - код,третий и четвертый регистры, второй и третий блоки суммирования, а блок синхронизации снабжен дополнительными выходами с десятого по двенадцатый, выходы первого преобразователя напряжение - код соедицень: с инвормационными входами первого регистра, выходы которого соединены с одной группой входов второго блока суммирования, выходыкоторого, кроме выхода старшего разряда, который соединен с входом направления счета реверсивного счетчика, соединены с входами преобразователя код - частота, выходы, реверсивного счетчика соединены с одной группой входов третьего блока суммирования, выход старшего разряда которого соединен с вторым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а остальные являются другими выходами кода угла поворота греобраэователя выход интег14 3 1633492 ратора соединен с информационным входом второго устройства выборки и хранения, выход которого соединен с информационным входом второго преоб5 раэователя напряжение -код,вход опорного напряжения которого подключен к выходу первого устройства выборки и хранения, а выход соединен непосредственно и через третий регистр с дру- и гой группой входов блока вычитания, выходы которого соединены с информационными входами четвертого регистра.выхрды которого соединеными с другимигруппами входов второго и третьегоблоков суммирования и являются выходами кода угловой скорости преобразователя, десятый выход блока синхронизации соединен с управляющим входомвторого устройства выборки и хранения,одиннадцатый и двенадцатый соединеныс управляющими входами третьего ичетвертого регистров соответственно. Состояние выходов ПЗУ 35 и соответствующих выходов блока 21 синхронизации СостояниевходовПЗУ 351633492 оставитель М. Сидороваехред Л.Олийнык Корректор С.Иевкун Н.Лазаренк дакт каэ 622 НИИПИ Госуда дательский комбинат "Патент", г Производствен Гагари ород, у Тираж 475 Подписноевенного комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5