Устройство для преобразования перемещения в код

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскнкСоциалистическикРеспублик(31) М. Кп. С 08 С 9/04 Государственный комитет СССР оо делам изобретений н открытийОпубликовано 3011.82, Бюллетень Мо 44Дата опубликования описания ЗОЛ 182(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОДУстройство для преобразования пе. ремещения в код относится к преобразователям неэлектрических величин в дискретный электрический сигнал и может найти применение в многоканальных системах сбора информации, в устройствах цифровой индикации положения элементов управляемого объекта., в замкнутых системах числового програмного управления (ЧПУ) станками для управления положением подвижных элементов станка.Известно счетно-решающее устройство, содержащее два цифроаналоговых положительных устройства, на входы которых поступают аналоговые выход-. ные сигналы синусно-косинусного датчика (индуктосин, сельсин, вращающийся трансформатор) и компенсационные сигналы, представленные в двоичном коде и выбираемые из двух постоянных запоминающих устройств.Разностное устройство вырабатывает сигнал ошибки, который анализируется схемой управления счетчиком, Пэвм уровням амплитуды сигнала ошибки соответствуютдва фиксированных значения дискретности, которые обуславливают состояние реверсивного счетчика. Выход счетчика является. адресом вы -борки компенсационных сигналов, записанных в постоянных запоминающих устройствах. Работа устройства осуществ-: ляется до обеспечения равенства нулю сигнала ошибки, при этом на выходе счетчика устанавливается элЕктрический эквивалент механического перемещения подвижных частей датчика друг относительно друга, выраженный в двоичном коде 1),Недостатком устройства является его сравнительно низкое быстродействие, обусловленное тем, что данное устройство является аналого-цифровым преобразователем следящего типа и предполагает невысокие скорости и ускорения измеряемых величин перемещений 2 ).Известно устройство аналого-цифрового преобразователя тригонометрических функций, содержащее два цифроаналоговых множительных устройства, выходы которых соединены со входами аналого-цифрового интегрирующего устройства, выход которого через преобразователь цифровых сигналов соединен со входами цифроаналоговых множительных устройств 3 .Данное устройство имеет кроме выхода по перемещению выход по скорос 4ти, однако быстродействие устройства ограничено, так как его можно отнести к аналого-цифровым преобразона- телям с двойным интегрированием 23. Кроме того, Преобразования по опре- . делению измеряемой неличйны осуществ ляются не ренерсинными счетчиками,как н устройстве 1 1, а последовательны,ми регистрами сдвига.Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является уст-,10 ройство для преобразования перемещений н код, содержащее датчик, виходы которого через блок усилителей соединены с первыми входами цифроанало- гоных преобразователей, выходы кото рых соединены соответственно с первым и вторым входами блоками ныбора знака, распределитель сигналов, первый выход которого через фильтр соединен со входом датчика, второй, выход - с первым входом анализатора рассогласования (компаратора), выход которого соединен со вторым входом блока выбора дискретности, третий выход распределителя сигналов соединен спервым входом блока выбора дискретности, выход которого соединен со входом реверсивного счетчика и первым, входом синусно-косинусного цифрового преобразонателя, четвертый выход распределителя импульсов соединен со вторым входом синусно-косинус- ного преобразователя, первый и второй входы которого соединены со вторыми входами соответствующих цифроаналоговых преобразователей, а третийз 5 выход соединен, с третьим входом блока выбора знака (коммутатора квадрантов ), выход которого соединен с первым входом анализатора рассогласования (4 3. 40 По сравнению с устройствами следящего типа и устройствами, работающи-,. ми по принципу двойного интегрирования, быстродействие известного устройства нцше за счет реализуемой в устройстве динамическойпрограммы.Однако это увеличение быстродействия достигается за счет снижения точности измерения из-за увеличения дискретности. Поэтому необходимость изме 50 рения с высокой точностью накладывает существенные ограничения на допустимые .скорости и ускорения измеряемых перемещений.Кроме того, для всех вышеперечисленных устройств, имеющих в канале отработки рассогласования реверсивный счетчик или регистр сдвига, характерна относительно низкая помехозащищенность и, следовательно, низкая надежность, особенно для систем циЯовой индикации н цеховых условиях.Цель изобретения - повышение быстродействия, точности и надежности 65 устройства для преобразования перемещений н код.Поставленная цель достигается тем,что н устройство для преобразованияперемещения н код, содержащее датчик, первый и второй выходы которогосоединены с первым И вторым входамиблока усилителей соответственно, распределитель, первый выход которогочерез Фильтр соединен с входом датчика, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, выходы которыхсоединены соответственно с первыми вторым входами компаратора, введены регистр последовательных приближений, формирователь выходного кода,определитель квадрантов, дешифратор,первый и второй постоянные запоминаюие блоки, коммутатор и блок выборкихранения, первый и второй выходыкоторого соединены соответственно спервым и вторым входами коммутатора,выходы которого соединены с первымивходами цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены спервым и вторым входами компаратора,выход которого соединен с первымвходом регистра последовательных приближений, первый выход которого сое.динен с перным входом Формирователявыходного кода и с первыми входамипостоянных запоминающих блоков, выходы которых соединены с вторымивходами соответствующих цифроаналоговых цреобразователей, нторой выход регистра последовательных приближенийсоединен с вторым входом формирователявыходного кода и входом распределителя,второй выход которого соединен с первым входом определителя квадрантов ипервым входом блока выборки и хранения, первый и второй выход блока усилителей соединен со вторыми и третьими входами блока выборки и храненияи.определителя квадрантов соответственно, выход определителя квадрантовсоедийен с третьим входом коммутатора квадрантов и с входом дешифратора, первый выход которого соединенс третьим входом Формирователя выходного кода, а второй выход соединенс вторыми входами постоянных запоминающих блоков, третий и четвертыйвыходы распределителя соединены совторым и третьим входами регистра последовательных приближений соответственно.На Фиг, 1 изображена структурнаясхема устройства; на фиг. 2 - диаграмма работы распределителя; нафиг, 3 - определитель квадрантов; нафиг, 4 - коммутатор квадрантов; наФиг. 5 - диаграммы, поясняющие принцип адресации постоянных запоминающих устройств,Предлагаемое устройство содержитраспределитель 1, фильтр 2, датчик3, блок 4 усилителей, блок 5 выборки978174 Выходы дешнфратора 12 Код определения квадрантов Фаза сигналов Квадрант 00 00 01 01 и хранения, коммутатор б квадрантов,определитель 7 квадрантов,.дешифратор 8, цифроаналоговые преобразовате-,ли (ЦАП) 9 и 10, постоянные запоминающие блоки (ПЗБ) 11 и 12, компаратор 13, регистр 14 последовательныхприближений (РПП), формирователь15 выходного кода.Выходы даТчика 3 соединены со входами блока 4 усилителей, первый выход которого соединен с первыми входами блока 5 выборки и хранения и определителя 7 квадрантов, второй выход блока 4 усилителей соединен со,вторыми входами блока 5 выборки ихранения и определителя квадрантов 7,выход которого соединен с третьимвходом коммутатора б квадрантов и совходом дешифратора 8. Первый выходдешифратора 8 соединен с третьимвходом преобразователя 15 выходногокода, а второй выход соединен со вторыми входами ПЗУ 11 и ПЗУ 12. Первыйи второй входы коммутатора б квадрантов соединены,с соответствующими выходами блока 5 выборки хранения, апервый и второй выходы соединены со.ответственно с первыми входами ЦАП 9и 10, выходы которых соединены с первым и вторым входами компаратора 13.Выход компаратора соединен с первымвходом РПП 14, первый выход которогосоединен с первым входом выходногоформирователя 15 кода, а также с первыми входами ПЗБ 11 и 12, выходы которых соединены соответственно совторыми входами ЦАП 9 и 10. Второйвыход РПП 14 соединен со вторым входом формирователя 15 выходного кодаи входом распределителя 1, первыйвыход распределителя через фильтр 2соединен со входом датчика 3, второйвыход распределителя 1 соединен спервым входом определителя 7 квадрантов и первым входом блока 5 выборкии хранения, третий и четвертый выходы распределителя 1 соединены соответственно со вторым и третьим входами РПП 14,Определитель 7 квадрантов (фиг,3)состоит из двух компараторов 16 и 17,Коммутатор б квадрантов (фиг. 4) содержит операционные усилители 18, 19и ключи 20, 21,Устройство работает следующим образом.Рассмотрим работу устройства напримере работы с датчиком типа "круговой индуктосин" (фиг. 2). Импульсный сигнал частоты распре-делителя 1 (фиг. 2 а) фильтром 2 преобразуется в синусоидальный сигнал(фиг. 26). Этим сигналом эапитывается роторная обмотка датчика 3. Состаторных обмоток датчика снимаютсяинформационные сигналы О еь и Оеь,(фиг. 2 в и 2 г), промодулированныепо амплитуде по законам синуса и косинуса в функции от угла поворота 1 ООаым Оа ьор 9 зп(2 УЮС)Оэыч 2Ощ софре ви (2) Г с" 90 ), (2) где р - число пар полюсов обмоткиротора или коэффициент электрической редукции9 - механический угол поворотаротора относительно статора.В частности,для кругового индукто 80 и шаг датчика равен 20 Для датчика типа финдуктосин" сигналы статорных обмоток сдвинуты пофазе на 90 относительно сигнала обмотки ротора. Эти сигналы через блок4 усилителей поступают в блок 5 вы борки и хранения и определитель 7квадрантов. В блоке 5 выборки и хранения, состоящем иэ двух типовых схемвыборки и хранения, запоминаютсямгновенные значения амплитуд сигна лов (1) и (2) в моменты времени1- + 2 к 3 (к = 0,1,.) по сигналу Т 1 от распределителя 1 (фиг,2 д). Целью преобразования выходных сигналов датчика является опрелеление с(,-электрического эквивалента угла р 8 и представление его в двоичном коде. Два старших разряда искомого кода указывают на номер четвертй шага датчика (номер квадранта), в котором расположен измеряемый угол рф. Определитель 7 квадрантов (фиг.З)совместно с дешифратором 3 служит 45 для определения номера квадранта.Определитель 7 квадрантов состоит иэдвух компараторов 1 б и 17, стробируемых сигналом распределителя 1, и фактически является анализатором фазы 50 выходных сигналов датчика 08 ь,.и ОеьПервому квадранту соответствует выходной код определителя квадрантов7 "00", второму - код ф 01", третьему - код "11" и четвертому - код 55 ф 10" (в старшем разряде анализируется фаза сигнала 11,. в младшемфаза сигнала 2согласно таблицы),978174 Продолжение таблицы Квадрант Выходы дешифратора Код определенияквадрантов абсигналов (3) и (4)(3) ДешиФратор 3 преобразует выходной код определителя квадрантов в двоичный код номера квадранта.Этот код поступает на первый вход Формирователя 15.Блоки 6, 8-14 определяют младшие разряды искомого двоичного кода путем анализа мгновенных значений амплитуд сигналов (1 ) и (2). Как видно из дальнейшего рассмотрения работы устройства, анализируемые амплитуды должны быть преобразованы в сигналы положительной полярности независимо от номера квадранта. Очевидно, что информация о сигналах датчика при этом не теряется, так как их фаза уже проанализирована определителем квадрантов 7.На фиг. 4 изображена схема коммутатора квадрантов 6, состоящего из двух операционных усилителей 18 и 19, включенных в режиме инвертора, и двух ключей 20 и 21, управление которыми осуществляется выходным кодом опре" делителя 7 квадрантов (см. таблицу).С учетом времени срабатывания коммутатора 6 квадрантов распределитель 1 выдает сигнал 12 фРазрешить преобразованием в РПП 14 (фиг, 2 а), С Этого момента начинается работа РПП 14 от тактовых импульсов ТЗ распределителя 1 с частотой Г (фиг, 2 ж). РПП 14 работает по динамической программе 2 и выдает и-разрядный испытательный двоичный код, где и - раз рядность ЦАП 9 и 10. Этот код совместно с кодом квадранта позволяет однозначно представить любой угол внутри шага датчика фиг, 5 а). В ПЗБ 11 и 12 хранятся соответственно соус и ьи с в пределах 1 и 11 квадрантов, представленные в двоичном кодеМсоъй и Извос шагом квантования 2 "(Фиг. 5 б), Значения йсозс 1, и йзьс 1, одинаковые соответственно для 1 и 11 ии 1 Ч квадрантов. Поэтому дешифратор 8 обеспечивает эквивалентность адресации ячеек ПЗБ в этих квадран тах. При этомиквадранту ставится в соответствие код "0", а 1 )и 1 У - код "1" (см. таблицу), и адрес выборки ячеек ПЗБ является (л +1)- разрядным словом.На выходах ЦАП 9 и 10 формируются напряжения ОзО, з в р с соя 11 11 0 Ое, О сов ре а ой (4)Компаратор 13 анализирует разность б: О,з 1 п р 9 сов о 6- Оооз р 9 з 1 е с ,а О,з 1 п (р 9- а)В зависимости от знака 8(плюс,мийус) и соответствующего значения,компаратора Д (")ф .или "1 ф) РПП 14фиксирует "0" или "1" в разряде, который анализируется в данном тактединамической программы,По окончании динамической программы регистра последовательных приближений на его выходе устанавливается двоичный эквивалент абсолютногозначения угла внутри квадранта сточностью до единицы младшего разря 30 да входного кода ЦАП и обеспечивается условие р 9 =, (6)По сигналу Конец преобразования", поступающему на третий вход формирователя 15, в последнем Фиксируетсякод квадранта, посту.".ающий с выхода дешифратора 8, и значение угла внутри квадранта. В результате в выход ном регистре хранится двоичный эквивалент абсолютного значения измеряемого угла внутри шага датчика. Посигналу "Конец преобразования" в РПП14 также осуществляется возврат к 45 началу цикла, а распределитель 1 прекращает выдачу тактовых импульсов ТЗна вход.РПП 14 (Фиг. 2 ж).Из анализа уравнения (4) следует,что для выполнения этого условия вовсех четырех квадрантах необходимо,чтобы оба входных напряжения на компараторе были положительной полярности. Для этого достаточно управлятьключами коммутатора 6 квадрантов указанным выше способом.В качестве РПП 14 можно взять типовую микросхему. Пусть ротор датчика 3 переместился относительно статора на такую величину, что соотношение фаз сигналов на статорных обмотках соответствует 111 квадранту,По сигналу распределителя 1 Т 1 в блоке 5 выборки и хранения запоминаются, мгновенные значения О елрэ и Осозр 9отрицательной полярности. на компаоэ раторах 16 и 17 (Фиг. 3) устанавли 978174вается код "11" управления коммутатором 6 квадрантов, подключающий входы ЦАП 9 и 10 к выходам операционных усилителей 18 и 19, Дешифратор 8 осуществляет преобразование кода "11" в "0" (номер 11 квадранта) и устанавливает его на первом входе выходного регистра 15, а также осуществляет преобразование кода "10" в "0" для формирования двух старших разрядов адреса выборки ПЗБ 11 и 12.Этот код остается постоянным на протяжении всего цикла измерения. По сигна-. лу Т 2 "Разрешить преобразование" РПП 14 вырабатывает в первом такте работы и-разрядный испытательный код 0111, при этом адрес выборки ПЗБ 11 и 12 00111. По этому адресуиэ ПЗБ 11 и 12 выбираются с точностьюдо единицы младшего разряда значения сов 45 О и з 1 п 45 . В следующем такте РПП 14 вырабатывает код Д 011, адрес выборки ПЗБ 11 и 12 - ОД 011.На (и+1-ом) такте работы РПП 14 выполняется условие (5) и по сигналу "КонеМ преобразования" искомый код фиксируется в формирователе 15.Анализ структурной схемы и работыфункциональных частей устройства подтверждает, что введение блока выборки и хранения, регистра последовательных приближений, выходного регистра, двух постоянных эапоминающих устройств, дешифратора, определителя квадрантов и новых связей позволяет достичь поставленную цель..Так как частота Г тактовых импульсов РПП может значительно превышать частоту 1 питающего напряжения датчика, то отработка любого рассогласования в пределах одного шага датчиказавершается эа один период частотычто значительно повышает быстродействие устройства по сравнению спрототипом,В конце каждого цикла измерения,равного в ", в исходном регистре 15Е фхранится в двоичном коде абсолютноезначение угла внутри шага датчика,причем код квадранта формируется определителем 7 квадрантов и дешифратором 8. Важной характеристикой измерительных систем является время установления при скачкообразном изменении измеряемой величины.Выберем в качестве примера датчиктипа "круговой индуктосин".Типовая частота Г 10 кГц, шаг датчика Я = щ 2 ф.Пусть минимальное значение дискретности равно 3,6. Рассмотрим время установления при скачке рассогласованйя, равном 1/4 шага датчика(6 .= 0,50 = 10000). Построив для этого рассогласования график, аналогичный приведенному в прототипе, можно сделать вывод, что динамическая программа, реализуемая в устройстве 4 3,обеспечивает время установления эа86 периодов частоты 1, т,е. эа8,6 мс,Динамическая программа, реализуемая в предлагаемом устройстве,.обеспечивает время установления за100 мкс,При движении а постоянной скоростью точность измерения в предлага 10 емом устройстве значительно выше,чемв прототипе, так как дискретность измерения остается минимальной в товремя, как в прототипе она изменяется в зависимости от величины скорос 5 ти.При движении с постоянным ускорением точность в предлагаемом устройстве также значительно выше, чем в прототипе. При ускоренном движении уст 20 ройство 4 вынуждено в каждом .циклеизмерения определять все большую величину перемещения. При этом блоквыбора дискретности к моменту окончания очередного цикла измерения увели 25 чивает компенсационную величину на д,Эта величина не равна значению перемещения в предыдущем цикле измерения. Поэтому в момент измерения появляется дополнительная динамическаяЗО погрешность, обусловленная отставанием компенсационной величины от измеряемой.В предлагаемом устройстве эта погрешность минимальна.Повышенная помехозащищенность предлагаемого устройства по сравнениюс прототипом обусловлена тем, что вкаждом цикле измерения определяетсяне приращение перемещения, а абсолютное значение положения внутри шага,4 О что исключает потерю информации привоздействии дестабилизирующих факторов (изменение зазора в датчикахтипа "индуктосин" при вибрациях,пульсации питающего напряжения и45 т,д,), повышенная помехозащищенностьпредлагаемого устройства обеспечивает его более высокую надежность посравнению с прототипом,Предлагаемое устройство обеспечивает возможность вывода информациив последовательном коде, беэ дополнительных аппаратурных, затрат, таккак РПП 14 позволяет по окончаниикаждого такта динамической программыпередавать по каналу связи с внешними устройствами последовательныйкод, начиная со старшего разряда.Приэтом время передачи по каналу связиостается таким же, как и при передаче параллельного кода, но значительно уменьшается количество линий связи. Вывод информации в последовательном коде особенно целесообразен вмногоканальных системах сбора и об работки информации, в которых информация с каждого датчика обрабатывается своим устройством, а затем выходы этих устройств объединяются в общую шину. Именно в этом случае получается наибольший экономический эффект.Одним из наиболее перспективных применений предлагаемого устройства является создание на его основе многоканальной системы сбора и обработки информации, в которой одно предлагаемое устройство последовательно обрабатывает сигналы с нескольких датчиков,При переключении на следующий канал величина рассогласования может достигать значения шага датчика. Приэтом быстродействие подобной системы,построенной на базе устройства, выбранных в качестве аналогов и прототипа, не удовлетворяет большому классузадач, встречающихся, например, приуправлении станками, Это приводитк необхоцимости усложнения многоканальной системы за счет аналоговойили цифровой памяти (хранение информации от 1-датчика в (-1)-ом циклеизмерения) либо к необходимости проектирования только одно-, в крайнемслучае, двухкоординатных измерительных систем.Кроме того, аналоговая памятьприводит к снижению точности измерения, а цифровая память - к снижению быстродействия,Возможность измерения любого рассогласования в пределах одного шагадатчика за один период частоты 1 позволяет создать на основе предлагаемого устройства быстродействующуюмногоканальную систему сбора и обработки информации без цифровой илианалоговой памяти. Обработка сигналов с нескольких датчиков одним уст,ройством даст значительный экономический эффект,Оценим экономическую эффективностьпредлагаемого устройства для конкретной области применения - в замкнутыхсистемах ЧПУ положением подвижныхэлементов станков с датчиками типа"индуктивности".,Длябольшинства приводов, применяемых в станках с ЧПУ, частота изменения сигналов управления не более1 кГц.Таким образом, при быстродействиипредлагаемого устройства преобразования перемещений в код, равном100 мкс, возможно реализовать многоканальную систему, последовательнообрабатывающую информацию с преобразователей перемещений. Среднее числокоординат в станках с устройствамиЧПУ равно четырем. При стоимостипредлагаемого устройства 1,5 тыс.руб.экономический эффект от примененияодного устройства преобразования перемещений в код вместо четырех в устройстве ЧПУ составит порядка600 руб.. Экономический эффект от повышения надежности обеспечиваетвя за счет повышения помехозащищенности предлагаемого устройства, например, в системах цифровой индикации в цехонях условиях, что снижает вероятность выпуска бракованной продукции. 510 Формула изобратения квадрантов и с входом дешифратора,первый выход которого соединен стретьим входом формирователя выходного кода, а второй выход соединен с б 5 15 Устройство для преобразования перемещения в код, содержащее датчик,первый и. второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока усилителей соответственно, рас пределитель, первый выход которогочерез фильтр соединен .с входом датчика, первый и второй цифроаналоговыепреобразователи, выходй которыхсоединены соответственйо с первым и 25 вторым входами компаратора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения быстродействия, точностии надежности устройства, в него введены регистр последовательных приЗ 0 ближений, формирователь выходногокода, определитель квадрантов, дешифратор, первый и второй постоянныезапоминающие блоки, коммутатор и блоквыборки и хранения, первый и второйвыходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выходы которого соединеныс первыми входами цифроаналоговыхпреобразователей, выходы которых 4 соединены с первым и вторым входами компаратора, выход которого соединен с первым входом регистра последо.вательных приближений, первый выходкоторого соединен с первы 1 к входомформирователя выходного кода и с первыми входами постоянных запоминающих блоков, выходы которых соединены с вторыми входами соответствую-,щих цифроаналоговых преобразователей,второй выход регистра последовательных приближений соединен с вторымвходом формирователя выходного кодаи входом распределителя, второй выход которого соединен с первым входом определителя квадрантов и первым 55 входом блока выборки и хранения,первый и второй выходы блока усилителейсоединены с вторыми и третьими входами блока выборки и хранения .и определителя квадрантов соответственно, 60 выход определителя квадрантов соединен с третьим входом коммутаторавторыми входами постоянных запоминающих блоков, третий и четвертый выходы распределителя соединены с вторым и третьим входами регистра последовательных приближений соответственно.5 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США В 3641565,кл. Н 03 К 13/02, опублик. 1972, 2. Бахтнаров Г.Ди др. Аналогоцифровые преобразователи. М., фСоветское радио", 1980, с. 158, 167,143, 174.3. Патент США 9 3896299,кл, 6 06 6 7/22, Н 03 К 13/02,опублик.1975.4, Авторское свидетельство СССР742999, кл. 6 08 С 9/04, 1980 (про;отип).978174 ПИ лиал ППП "Патентф, г,Ужгород, ул.Проектная,4 РигЗ Ьг Указ 9223/66 Тираж 642 Подпис