ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА С САМОКОНТРОЛЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в угломерных системах, использующих в качестве датчиков входной угловой величины, вращающийся трансформатор (ВТ), а в качестве кодирующего элемента - преобразователь «угол - код», преобразующий выходные синусно-косинусные сигналы вида Usinθ sinωt и Ucosθ sinωt, поступающие от ВТ, в цифровой код пропорциональный углу поворота вала ВТ (далее по тексту ЦПУ - цифровой преобразователь угла).
Известно устройство контроля ЦПУ содержащее ВТ, закрепленный на прецизионном угломерном устройстве, как правило, на оптической делительной головке (ОДГ) [1, стр. 267]. Такая схема очень громоздка, дорога и не может быть использована для автоматического контроля ЦПУ в составе прибора и при серийном заводском производстве. Кроме того, в этой схеме, как ВТ, так и ОДГ являются средствами измерения, подлежащими метрологической поверке и аттестации.
Известно устройство автоматического контроля ЦПУ, содержащее прецизионный эталонный формирователь синусно-косинусных напряжений, на цифровые входы которого от электронно-вычислительной машины (ЭВМ) задаются коды, пропорциональные значениям sinα и cosα, где α - угол поворота вала, а на аналоговый вход от проверяемого ЦПУ поступает напряжение возбуждения Usinωt, где ω - угловая частота, a t - время [2, стр. 380]. Эти величины перемножаются в прецизионных множительных цифро-аналоговых преобразователях, в результате чего выходные напряжения эталонного формирователя становятся пропорциональными напряжениям выходных обмоток вращающегося трансформатора, вал которого повернут на угол α (Usinα sinωt и Ucosα sinωt). В этой схеме эталонный формирователь является средством измерения, для метрологической аттестации которого требуется прецизионное дорогостоящее измерительное оборудование (прецизионный вольтметр переменного тока, фазометр, измеритель коэффициента нелинейных искажений). Кроме того, и к самому эталонному формирователю предъявлены высокие метрологические требования, так как, например, погрешность различия масштабов каналов Usinα и Ucosα либо напрямую представлена в результате преобразования (для дифференциального фазового метода), либо ослабляется в 2 раза (для прямого фазового метода). Фазовый сдвиг несущей, возникающий в эталонном преобразователе, а также его временная и температурная стабильность также входят в результат преобразования (напрямую в прямом фазовом методе и как sin4α в дифференциальном методе, где δ - фазовая ошибка. К характеристикам, существенно влияющим на результат контроля, относятся и такие характеристики как напряжение смещения выходных усилителей эталонного формирователя, нелинейные искажения, пульсации и помехи от источников питания и другие характеристики.
Известно устройство контроля ЦПУ [3], содержащее первый, второй, третий и четвертый ключи и выполненное с возможностью передачи на ЭВМ сигналов от проверяемого ЦПУ и получения от ЭВМ сигналов управления ключами. В устройство дополнительно введен ВТ, первый, второй, третий и четвертый ключи выполнены двухполюсными, первые входы двухполюсных ключей соединены между собой и являются входами для подключения к выходу напряжения возбуждения проверяемого ЦПУ, вторые входы двухполюсных ключей соединены между собой и являются входами для подключения к нулю напряжения возбуждения проверяемого ЦПУ, выходы первого и второго ключей подключены соответственно к первому и второму выводам первой статорной обмотки ВТ, выходы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к первому и второму выводам второй статорной обмотки ВТ, первый и второй выводы первой роторной обмотки ВТ являются выходами для подключения соответственно к синусному и инверсному синусному входам проверяемого ЦПУ, а первый и второй выводы второй роторной обмотка ВТ являются выходами для подключения соответственно к косинусному и инверсному косинусному входам проверяемого ЦПУ, при этом на управляющие входы ключей подаются сигналы, подключающие на статорные обмотки ВТ в определенных различных комбинациях напряжение возбуждения или нуль напряжения возбуждения и формирующие на роторных обмотках ВТ напряжения, соответствующие заданным углам, дополнительно сдвинутым на угол поворота вала.
В известном устройстве [3] рассматривается контроль ЦПУ, имеющего дифференциальные входы, то есть в состав этого ЦПУ входят дифференциальные усилители, что является определенным ограничением использования схемы контроля ЦПУ, которые в настоящее время преимущественно выполнены с обычными усилителями на входе. Кроме этого в устройстве [3] коммутация сигналов на входных обмотках ВТ может привести к выбросам напряжения и повреждению ЦПУ.
Известно также устройство ЦПУ, раскрытое в описании полезной модели [4] и принятое за прототип.
Это устройство содержит ЦПУ, преобразующий выходные синусно-косинусные сигналы, поступающие от ВТ (на чертеже ВТ не показан, но упомянут в описании полезной модели), и ЭВМ, вход которой является входом для подключения выходного сигнала ЦПУ. В полезной модели [4] имеется формирователь тестовых сигналов, который содержит первый, второй, третий и четвертый идентичные резисторы, первые выводы которых соединены между собой и связаны с входом формирователя тестовых сигналов, который является входом для подключения напряжения возбуждения от проверяемого ЦПУ, первый, второй, третий и четвертый однополюсные ключи, первые выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно первого, второго, третьего и четвертого резисторов, соединенными соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами формирователя тестовых сигналов, которые являются выходами формирователя тестовых сигналов для подключения соответственно прямого синусного, инверсного синусного, прямого косинусного и инверсного косинусного входов проверяемого ЦПУ. Вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого однополюсных ключей соединены с шиной нулевого потенциала (нулем напряжения возбуждения). Выходы ЭВМ подключены к управляющим входам однополюсных ключей, на которых ЭВМ формирует управляющие сигналы при формировании тестовых сигналов. При этом входы ЦПУ подключены к выходам формирователя тестовых сигналов либо через разъемы, либо через релейные элементы.
В полезной модели [4] для имитации синусно-косинусных напряжений используется собственное напряжение возбуждения Usinωt и его ноль напряжения питания («0» питания).
Недостатками известного устройства-прототипа являются недостаточная достоверность и неполнота контроля. Это обусловлено тем, что при контроле ЦПУ и при его штатной работе используются разные коммутирующие элементы, что еще снижает надежность и точность контроля угломерного тракта. При этом в устройстве-прототипе контролем не охвачены вращающийся трансформатор и линии связи, и фактически контролируется только часть угломерного тракта, а именно, сам ЦПУ, что снижает точность контроля угломерного тракта в целом. Кроме того, в устройстве-прототипе рассматривается контроль ЦПУ, имеющего дифференциальные входы, то есть в состав этого ЦПУ входят дифференциальные усилители, что является определенным ограничением использования схемы контроля ЦПУ.
На практике контроль ЦПУ по большому количеству угловых точек необходим только на этапе лабораторных и конструкторских испытаний головных образцов преобразователей. При серийном производстве ЦПУ при контроле ЦПУ в составе угломерного тракта для оценки работоспособности и точности преобразования достаточен контроль по ограниченному количеству характерных точек, перекрывающих весь измеряемый диапазон (360°).
Задачей, решаемой полезной моделью является расширение арсенала ЦПУ путем создания ЦПУ с самоконтролем, позволяющего проводить тестовый контроль всего угломерного тракта независимо от положения вала ВТ, используя одни и те же коммутирующие элементы при контроле и в рабочем режиме. Узлы и элементы, отвечающие за функции контроля, должны быть простыми и дешевыми, что должно позволять встраивать их в состав самого ЦПУ (в том числе и при интегральном исполнении последнего).
вых
Для решения поставленной задачи в устройство ЦПУ с самоконтролем, содержащее контролируемый ЦПУ, преобразующий выходные синусно-косинусные сигналы, поступающие от ВТ, и управляющую ЭВМ, на входы которой подключены цифровые выходы ЦПУ (N обмотка возбуждения ВТ подключена к выходу напряжения возбуждения ЦПУ (Usinωt), а в устройство дополнительно введены, первый и второй переключатели, работающие синхронно, управляющие входы которых соединены вместе и подключены к управляющему выходу ЭВМ, и первый и второй буферные усилители, при этом первый вход первого переключателя соединен со вторым входом второго переключателя и с первым выводом синусной обмотки ВТ (Usinθ sinωt), второй вход первого переключателя соединен с первым входом второго переключателя и с первым выводом косинусной обмотки ВТ (Ucosθ sinωt), выход первого переключателя подключен к входу первого буферного усилителя, выход которого (синусный выход) подключен к синусному входу ЦПУ, выход второго переключателя подключен к входу второго буферного усилителя, выход которого (косинусный выход) подключен к косинусному входу ЦПУ, а вторые выводы обмоток (-Usinθ sinωt и -Ucosθ sinωt) подключены к нулю напряжения возбуждения. При любом неподвижном положении вала, когда переключатели находятся в первом положении, ЦПУ определяет величину равную арктангенсу угла положения входного вала (первый угол), а когда переключатели находятся во втором положении, ЦПУ определяет величину равную арккотангенсу того же угла (второй угол), ЭВМ суммирует определенные арктангенс и арккотангенс, вычитает из найденной суммы  (для суммы меньшей 360°) или  (для суммы большей 360°), определяет разность равную удвоенной погрешности преобразования угломерного тракта и сравнивает ее с заданным допуском, равным допустимой удвоенной погрешности преобразования и, в зависимости от результата сравнения, вырабатывает сигнал исправности или неисправности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображены:
1 - вращающийся трансформатор (ВТ);
2 - первый переключатель;
3 - второй переключатель;
4 - первый буферный усилитель (БУ1);
5 - второй буферный усилитель (БУ1);
6 - цифровой преобразователь угла (ЦПУ);
7 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ).
Предлагаемое устройство ЦПУ с самоконтролем содержит вращающийся трансформатор ВТ 1, обмотка возбуждения которого подключена к выходу напряжения возбуждения ЦПУ 6, синусная обмотка ВТ 1 одним выводом подключена к первому входу первого переключателя 2 и ко второму входу второго переключателя 3, а косинусная обмотка ВТ 1 одним выводом подключена к первому входу второго переключателя 3 и ко второму входу первого переключателя 2, при этом вторые выводы синусной и косинусной обмоток подключены к нулю напряжения возбуждения. Выход первого переключателя 2 подключен к входу первого буферного усилителя 4, выход которого (синусный выход) подключен к синусному входу ЦПУ 6, выход второго переключателя 3 подключен к входу второго буферного усилителя 5, выход которого (косинусный выход) подключен к косинусному входу ЦПУ 6. Устройство также содержит ЭВМ 7, управляющий выход которой подключен к соединенным вместе управляющим входам первого и второго переключателей 2 и 3. Цифровые выходы ЦПУ 6 подключены к входам ЭВМ 7 для подключения выходного сигнала ЦПУ 6.
Буферные усилители 4 и 5 выполнены по известным схемам и должны обеспечить входное сопротивление более нескольких мегаом и выходное сопротивление, на 2-3 порядка меньше входного сопротивления синусного и косинусного входов ЦПУ 6.
Предлагаемое устройство представляет собой конструктивно и функционально законченное устройство.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
При проведении контроля ЦПУ 6, когда первый 2 и второй 3 переключатели находятся в положении 1 (конфигурация устройства соответствует традиционному угломерному тракту), напряжение с синусной обмотки ВТ 1 (Usinθ sinωt) через первый переключатель 2 и первый буферный усилитель 4 поступает на синусный вход ЦПУ 6 (Usinθ), а напряжение с косинусной обмотки ВТ 1 (Ucosθ sinωt) через второй переключатель 3 и второй буферный усилитель 5 поступает на косинусный вход ЦПУ 6 (Ucosθ). При неподвижном вале ВТ 1 цифровым преобразователем угла 6 производится измерение текущего углового положения вала θ, фиксируемое ЭВМ 7:
2
Затем сигналом от ЭВМ 7 первый и второй переключатели 2 и 3 переключаются в положение 2, при котором напряжение с синусной обмотки ВТ 1 через второй переключатель 3 и второй буферный усилитель 5 поступает на косинусный вход ЦПУ 6, а напряжение с косинусной обмотки ВТ 1 через первый переключатель 2 и первый буферный усилитель 4 поступает на синусный вход ЦПУ 6. При неподвижном вале ВТ 1 цифровым преобразователем угла 6 производится измерение текущего углового положения вала θ, фиксируемое ЭВМ 7:
ИЗМ
ЭВМ 7 производит вычисление суммарной величины двух измерений θ:
и вычисление значения величины Δ,
для  для
ИЗМ
ИЗМ
ИЗМ
Так как θ в идеальном случае (когда в угломерном тракте нет инструментальных погрешностей) должно быть равно , (для θ<360°) или  (для θ>360°), (из математики известно, что ), то величину Δ можно считать равной величине удвоенной погрешности угломерного тракта.
ЭВМ 7 сравнивает полученное значение Δ с заданной для конкретного угломерного тракта значением предельной погрешности и при превышении величиной Δ значения предельной погрешности выдает сигнал неисправности системы.
Так как такой контроль можно проводить при любом угловом положении вала ВТ 1, то для повышения достоверности контроля угломерного тракта его целесообразно проводить в нескольких угловых точках, обеспечивая в каждой точке, при проведении контроля, неподвижность вала.
Таким образом, в результате создания предлагаемой полезной модели решается задача, состоящая в расширении арсенала ЦПУ, обеспечивающих простой и надежный самоконтроль всего угломерного тракта независимо от углового положения вала ВТ.
Технический результат состоит в реализации этого назначения.
Кроме этого технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в упрощении устройства и повышении точности контроля.
На предприятии-заявителе был изготовлен макет предлагаемого устройства. Испытания макета подтвердили возможность реализации назначения устройства, упрощение и повышении точности контроля.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что устройство цифрового преобразования угла с самоконтролем может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей при использовании известных материалов и технологического оборудования, применяемого в современном производстве радиоэлектронных устройств различного назначения, и использовано в различных измерительных угловых системах.
Источники информации
1. А.А. Ахметжанов, А.В. Кочемасов. Следящие системы и регуляторы. Москва, Энергоатомиздат, 1986 г.
2. В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Москва, Энергоатомиздат, 1987 г.
3. Патент РФ №179243 на ПМ, МПК G01B 21/22, опубл. 07.05.2018 г.
4. Свидет. РФ №22992 на ПМ, МПК G01B 21/22, опубл. 10.05.2002 г. (прототип).