Способ преобразования угла поворота вала в код
METHOD FOR CONVERTING SHAFT ROTATION ANGLE INTO CODE

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для связи источников информации об угловом положении вала с ЭВМ в управляющих и информационных системах.
Известны способы преобразования угла поворота вала в код (авторские свидетельства №1181135, №1381711, №1786662, патент РФ №2235422), основанные на том, что вал датчиков угла (далее - датчиков) поворачивают в диапазоне преобразования, преобразуют угол поворота вала в сигналы, определяют амплитуды и фазы пространственных гармоник погрешности преобразования, формируют поправки и затем формируют выходной код угла. Недостатком этих способов является необходимость разворота вала на полный оборот, при ограничении угла поворота вала меньшим углом перечисленные способы не могут быть использованы.
1
2
1
2
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ преобразования угла поворота вала в код по патенту РФ №2266614. Известный способ основан на том, что вал первого и второго датчиков поворачивают в пределах диапазона, не меньшего 360°(1/p+1/p), где p и p - числа периодов погрешности соответственно первого и второго датчика на обороте вала; преобразуют угол поворота вала в сигналы первого и второго датчиков с различными спектрами пространственной погрешности; выходные сигналы первого и второго датчиков преобразуют в первый и второй коды угла; определяют амплитуды и фазы пространственных гармоник погрешности первого и второго датчиков; формируют первую поправку как сумму пространственных гармоник погрешности первого датчика для угла, соответствующего первому коду угла; формируют выходной код, прибавляя первую поправку к первому коду угла, формируют вторую поправку как сумму пространственных гармоник погрешности второго датчика для угла, соответствующего второму коду угла; формируют второй выходной код, прибавляя вторую поправку к второму коду угла; формируют разность выходного и второго выходного кодов, по которой контролируют точность преобразования.
1
2
1
2
В известном способе определение амплитуд и фаз пространственных гармоник погрешности осуществляется при повороте вала датчиков в пределах диапазона, не меньшего 360°(1/p+1/p). Условием для реализации способа является преобразование сигналов датчиков в код в угловых положениях, равномерно распределенных в диапазоне угла поворота с заданным шагом, равным 360°/(p⋅p). Условие выполняется при использовании внешнего эталона угла, например, на углоизмерительном стенде. В технических системах возможность использования внешнего эталона часто ограничивается конструкцией системы, что не позволяет использовать известный способ для аттестации и компенсации погрешности преобразования.
Предлагаемое изобретение решает задачу совершенствования способов преобразования угла в код при ограниченном угле поворота.
Техническим результатом является повышение точности преобразования угла в код без использования внешнего эталона.
1
2
1
2
Для решения поставленной задачи в способе преобразования угла поворота вала в код, основанном на том, что вал первого и второго датчиков поворачивают в пределах диапазона, не меньшего 360°(1/p+1/p), где p и p - числа периодов погрешности соответственно первого и второго датчика на обороте вала, преобразуют угол поворота вала в сигналы первого и второго датчиков с различными спектрами пространственной погрешности, выходные сигналы первого и второго датчиков преобразуют в первый и второй коды угла, определяют амплитуды и фазы пространственных гармоник погрешности первого и второго датчиков, формируют первую поправку как сумму пространственных гармоник погрешности первого датчика для угла, соответствующего первому коду угла, формируют выходной код, прибавляя первую поправку к первому коду угла, формируют вторую поправку как сумму пространственных гармоник погрешности второго датчика для угла, соответствующего второму коду угла, формируют второй выходной код, прибавляя вторую поправку к второму коду угла, формируют разность выходного и второго выходного кодов, по которой контролируют точность преобразования. При этом согласно предлагаемому изобретению:
1
2
2
- вал датчиков устанавливают с шагом 360°/(p⋅p) в расчетные положения по значениям второго кода угла, далее в этих положениях фиксируют значения первого кода угла, находят приращения первого кода угла при повороте на p шагов;
2
- определяют амплитуды  и фазы  i-x пространственных гармоник погрешности первого датчика, умножая амплитуды спектральных составляющих приращений первого кода угла при повороте на p шагов на  и сдвигая их фазу на угол ;
1
1
- находят приращения первого кода угла при повороте вала на p шагов, а амплитуды  и фазы  j-x пространственных гармоник погрешности второго датчика определяют, умножая амплитуды спектральных составляющих приращений первого кода угла при повороте на p шагов на  и сдвигая их фазы на угол , где i и j - номера пространственных гармоник погрешности первого и второго датчиков угла.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ преобразования угла поворота вала в код, приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1, 2 - датчики с различными спектрами пространственных погрешностей (далее - датчики),
3, 4 - преобразователи сигналов датчиков в код угла (далее - преобразователи),
5 - блок формирования массива (значений) кодов,
6, 12, 18 - блоки вычитания кодов,
7, 13 - блоки сдвига кодов,
8, 14 - анализаторы спектра,
9, 15 - блоки коррекции,
10, 16 - блоки синтеза поправки,
11, 17 - сумматоры,
19 - компаратор.
Способ преобразования угла поворота вала состоит из следующих действий:
- преобразуют угол поворота вала в сигналы первого и второго датчиков с различными спектрами пространственной погрешности;
- выходные сигналы первого и второго датчиков преобразуют в первый и второй коды угла;
1
2
- перед началом преобразования вал первого и второго датчиков поворачивают в диапазоне, не меньшем 360°(1/p+1/p));
1
2
- вал датчиков устанавливают с шагом 360°/(p⋅p) в расчетные положения по значениям второго кода угла, в этих положениях фиксируют значения первого кода угла;
2
- находят приращения первого кода угла при повороте вала на p шагов;
2
1
2
- проводят спектральный анализ совокупности приращений первого кода угла при повороте вала на p шагов, полученной в диапазоне, не меньшем 360°(1/p+1/p);
2
- определяют амплитуды  и фазы  i-x пространственных гармоник погрешности первого датчика, умножая амплитуды спектральных составляющих приращений первого кода угла при повороте вала на р шагов на  и сдвигая их фазу на угол ;
- в процессе преобразования угла поворота вала в код формируют первую поправку как сумму пространственных гармоник погрешности первого датчика для угла, соответствующего первому коду угла, и формируют выходной код, прибавляя первую поправку к первому коду угла.
Для контроля точности преобразования угла в код дополнительно выполняют следующие действия:
1
- находят приращения первого кода угла при повороте вала на p шагов;
1
1
2
- проводят спектральный анализ совокупности приращений первого кода угла при повороте вала на p шагов, полученной в диапазоне, не меньшем 360°(1/p+1/p);
1
- определяют амплитуды  и фазы  j-x пространственных гармоник погрешности второго датчика, умножая амплитуды спектральных составляющих приращений первого кода угла при повороте вала на p шагов на  и сдвигая их фазы на угол ;
- в процессе преобразования угла поворота вала в код формируют вторую поправку как сумму пространственных гармоник погрешности второго датчика для угла, соответствующего второму коду угла, формируют второй выходной код, прибавляя вторую поправку к второму коду угла;
- формируют разность выходного и второго выходных кодов, по которой контролируют точность преобразования.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
Датчики 1 и 2 преобразуют угол α поворота вала в электрические сигналы, а преобразователи 3 и 4 преобразуют эти сигналы в первый N и второй N коды угла соответственно. Коды угла N и N формируются с некоторыми погрешностями Δ и Δ соответственно:
;
.
1
2
В устройстве комплексируются датчики 1 и 2 с различными спектрами пространственных погрешностей так, чтобы при всех i=1,2,…,а и j=1,2,…,b выполнялось неравенство i⋅p≠j⋅p.
1
2
1
2
2
1
Перед началом преобразования поворачивают вал в пределах диапазона, не меньшего 360°(1/p+1/p), устанавливая с шагом 360°/(p⋅p) в расчетные положения по значениям второго кода угла N, в этих положениях фиксируют значения первого кода угла N.
2
1
2
1
При установке вала датчиков в k-е расчетное положение, в котором второй код угла N равен k⋅360°/(p⋅p), истинное угловое положение вала датчиков отличается от расчетного на угол, соответствующий погрешности второго датчика угла, при этом и значение первого кода угла также смещается на величину погрешности второго датчика угла. В результате значения первого кода угла N, фиксируемые в задаваемых положениях, содержат погрешности как первого, так и второго датчиков угла.
1
В блоке 5 из этих значений формируется массив значений MN.
1
1
2
1
2
Массив значений MN подается в блок 6 вычитания кодов непосредственно и через блок 7 сдвига кодов, где массив значений MN сдвигается на p позиций. В блоке 6 в результате вычитания поступающих кодов формируется массив первых приращений первого кода угла N при повороте вала на p шагов.
2
1
2
Массив приращений первого кода угла при повороте вала на р шагов поступает в анализатор 8 спектра, который производит спектральный анализ массива и определяет амплитуды и фазы его спектральных составляющих. В блоке 9 коррекции определяют амплитуды  и фазы  i-x пространственных гармоник погрешности первого датчика, умножая амплитуды спектральных составляющих приращений первого кода угла N при повороте вала на p шагов на   и сдвигая их фазу на угол .
1
Амплитуды и фазы гармоник с номерами i⋅p при всех i=1,2,…,а запоминаются в памяти блока 10.
1
1
В процессе преобразования первый код угла N из преобразователя 3 поступает в блок 10, в котором формируется поправка Q:
.
1
1
out1
В сумматоре 11 поправка Q добавляется к первому коду угла N, поступающему из преобразователя 3, и на выходе формируется выходной код угла N:
.
1
При малых значениях погрешности Δ, таких, что обеспечивается условие , поправка  и выходной код угла равен , т.е. погрешность в выходном коде скомпенсирована с точностью до величины  второго порядка малости, обусловленной вычислительными погрешностями и точностью выполнения условия .
1
1
1
1
1
1
Для обеспечения контроля точности преобразования массив значений MN, первого кода угла N подается также в блок 12 вычитания кодов непосредственно и через блок 13 сдвига кодов, где массив значений MN сдвигается на p позиций. В блоке 12 в результате вычитания поступающих кодов формируется массив приращений первого кода угла N при повороте вала на p шагов.
1
2
Массив вторых приращений поступает в анализатор 14 спектра, который производит спектральный анализ массива и определяет амплитуды и фазы его спектральных составляющих. В блоке 15 коррекции определяют амплитуды  и фазы  j-x пространственных гармоник погрешности второго датчика, умножая амплитуды спектральных составляющих приращений первого кода угла при повороте вала на p шагов на  и сдвигая их фазы на угол . Из блока 15 амплитуды и фазы гармоник с номерами j⋅p при всех j=1,2,…,b перед началом преобразования записываются в память блока 16.
2
2
В процессе преобразования второй код угла N из преобразователя 4 поступает в блок 16, в котором формируется поправка Q:
.
2
2
out2
В сумматоре 17 поправка Q добавляется к второму коду угла N, поступающему из преобразователя 4, и на выходе формируется второй выходной код угла N:
.
2
out2
При малых значениях погрешности Δ, таких, что обеспечивается условие , поправка  и второй выходной код равен , т.е. погрешность во втором выходном коде N также скомпенсирована с точностью до величины  второго порядка малости, обусловленной вычислительными погрешностями и точностью выполнения условия .
out1
out2
В блоке 18 вычисляется разность  выходных кодов N и N
,
которая также представляет собой величину второго порядка малости по сравнению с . Величина  в компараторе 19 сравнивается по модулю с установленным допуском ε, и на выходе компаратора при  вырабатывается признак S достоверности выходного кода. Если по каким-либо причинам (изменение условий эксплуатации, старение элементов и материалов и т.п.) погрешности датчиков изменяются и величина  становится больше чем допуск ε, признак S перестает вырабатываться, что сигнализирует о необходимости повторения калибровки преобразователя, проведенной перед началом преобразования.
Предлагаемое техническое решение в настоящее время уже используется при калибровке цифровых преобразователей угла, изготавливаемых предприятием. Таким образом, заявленный технический результат достигнут.