ЦИФРОВОЙ АНАЛОГ СИНУСНО-КОСИНУСНОГО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Полезная модель относится к области автоматики и может найти применение как в информационно-измерительных и управляющих системах, так и в системах определения угла, представленного в виде аналогового физического сигнала (например, следящих системах).
Аналогом предлагаемого устройства по техническим и функциональным характеристикам является цифровой преобразователь угла, предложенный в патенте РФ №2533305 МПК Н03М 1/64, опубликованном 20.11.2014 г., содержащем генератор напряжения возбуждения, выход которого соединен с обмоткой возбуждения двухфазного датчика угла типа синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ); СКВТ-приемник, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик, первый выпрямитель, второй выпрямитель, сумматор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и контроллер, первый и второй входы которого соединены с выходом реверсивного счетчика и выходом АЦП, а выход соединен с шиной выходного кода.
1
1
1
1
Недостатком данного цифрового преобразователя угла является низкое быстродействие и недостаточно высокая точность преобразования аналоговых параметров в цифровой код, обусловленная накоплением погрешности при вычислении и формировании совокупности гармонических сигналов вида sin(ωt+ϕ) и cos(ωt+ϕ) в нелинейной области.
В отличие от аналога, описанного в патенте РФ №2533305 МПК Н03М 1/64, опубликованном 20.11.2014 г., предлагаемый цифровой СКВТ выполнен в виде трехкаскадной схемы, каждый из которых отвечает за определенную функциональную работу, а именно:
первый каскад обеспечивает согласование управляющего и опорного напряжений между роторными обмотками аналогового СКВТ и входом цифрового СКВТ;
1
1
1
1
второй каскад представляет собой сравнивающее устройство и обеспечивает вычислительный процесс, а также анализ при измерении аналогового углового параметра, а также формирование совокупности гармонических сигналов вида sin(ωt+ϕ) и cos(ωt+ϕ), реализованных в дискретном или цифровом виде;
1
1
1
1
третий каскад обеспечивает согласование совокупности гармонических сигналов вида sin(ωt+ϕ) и cos(ωt+ϕ) между статорными обмотками аналогового СКВТ и выходом цифрового СКВТ по обратной связи, а также гальваническую развязку.
Следует отметить, что данный цифровой СКВТ в отличие от прототипа, предложенного в патенте РФ №2533305 МПК Н03М 1/64, опубликованном 20.11.2014 г., обладает большей надежностью, низкой стоимостью и унификацией, так как алгоритм сравнивающего устройства возможно изменить под любые задачи.
Технический результат, создаваемый полезной моделью - расширение функциональных возможностей, повышение быстродействия и точности определения углового параметра, задаваемого при помощи аналогового датчика поворота ротора, выполненного в виде СКВТ.
Технический результат достигается тем, что в состав структуры цифрового СКВТ, содержащего делитель напряжения, суммирующий усилитель, ограничитель, сравнивающее устройство, первый и второй вычитающие усилители, первый и второй усилители мощности низкой частоты, первый и второй согласующие трансформаторы, алгоритмически введены математический фильтр и форсирующее звено.
Заявитель не выявил источник, содержащий информацию о технических решениях, идентичных настоящей полезной модели, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Реализация отличительных признаков устройства, по мнению заявителя, позволяет обеспечить ускоренную работу следящей системы управления состоящей из аналогового СКВТ и цифрового СКВТ при измерении максимального аналогового углового параметра с высокой точностью.
Полезная модель может быть использована как в информационно-измерительных и управляющих системах, так и в системах определения угла, представленного в виде аналогового физического сигнала.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображена сама полезная модель и процесс ее функционирования с аналоговым СКВТ, а именно:
фиг. 1 - функциональная схема;
фиг. 2 - функциональная схема следящей системы управления, состоящей из цифрового СКВТ, работающего с аналоговым СКВТ;
фиг. 3 - структурная схема следящей системы управления, состоящая из цифрового СКВТ, работающего с аналоговым СКВТ.
зад
on
Начало работы цифрового СКВТ (фиг. 1) происходит после того, как был повернут исполнительный вал ротора аналогового СКВТ (фиг. 2) на угол ϕ - опорное напряжение ~U, подаваемое на цифровой СКВТ с выводов Р1 и Р2 роторных обмоток аналогового СКВТ, необходимо для обеспечения точного определения момента смены знака при работе в диапазоне ±45 градусов (фиг. 2). После того, как был задан необходимый угол при помощи задатчика на аналоговом СКВТ, на обмотках ротора этого СКВТ возникает пульсирующий магнитный поток, который, сцепляясь с обмотками статора С1 и С3, индуцирует в ней магнитный поток, направление которого зависит от направления поворота задатчика угла. Угол рассогласования при этом, определяется по формуле:
изм
зад
ε = ϕ - ϕ,
где ε - угол рассогласования, мин;
изм
ϕ - измеренный угол, мин;
зад
ϕ - заданный угол, мин.
P3
Величина управляющего напряжения ~U, возникшего на обмотках ротора аналогового СКВТ, зависит от величины заданного угла, которое, проходя через первый каскад цифрового СКВТ, ограничится до значения, не превышающего напряжения питания сравнивающего устройства и преобразуется из биполярного в однополярный сигнал, после чего поступит на его АЦП.
P3
см
Вычислительный процесс вторым каскадом цифрового СКВТ выполняется до тех пор, пока величина управляющего напряжения ~U на входе АЦП сравнивающего устройства не будет находиться в заданном диапазоне (близка, либо равна напряжению смещения U), что символизирует то, что система согласована, а полученные углы готовы к передаче. Если величина этого напряжения не попадает в заданный диапазон, то процесс вычисления продолжится до попадания в него (фиг. 2).
P3
c1
c3
1
1
1
1
В зависимости от изменения входного управляющего напряжения ~U пропорционально будут изменяться гармонические сигналы ~U и ~U, имеющие вид sin(ωt+ϕ) и cos(ωt+ϕ), поступающие на статорные обмотки аналогового СКВТ (фиг. 2).
P3
см
Вычислительная операция сравнивающего устройства происходит до тех пор, пока напряжения на обмотках статора аналогового СКВТ не будут соответствовать напряжениям, формируемым при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) цифрового СКВТ, а входной управляющий сигнал ~U не войдет в определенный алгоритмом диапазон, равный либо близкий напряжению смещения U. Полученный угол при этом и будет считаться измеренным углом в минутах (фиг. 2).
Для борьбы с шумами квантования, возникающими из-за работы АЦП сравнивающего устройства, в состав второго каскада введено пассивное звено второго порядка, выполняющее роль математического фильтра, передаточная функция которого описана формулой:
где  - коэффициент усиления фильтра;
- постоянные времена фильтра, сек.
Данный математический фильтр является программным, а его статистические параметры определяются характеристиками шума АЦП (фиг. 3).
Для компенсации инерционности апериодического звена, выполняющего роль математического фильтра, и ускорения переходных процессов, обеспечивающих повышенное быстродействие работы следящей системы при определении аналоговых угловых параметров, последовательно с этим звеном включено форсирующее звено с передаточной функцией:
ƒors
где K - коэффициент форсирующего звена;
- постоянные времена форсирующего звена, сек.
Это форсирующее звено является программным, и благодаря нему данный цифровой СКВТ позволяет осуществлять ускоренную работу при измерении максимального углового параметра.
1
1
1
1
Полученный на выходе форсирующего звена угол преобразуется в совокупность гармонических сигналов вида sin(ωt+ϕ) и cos(ωt+ϕ) для дальнейшей их выдачи на ЦАП. Эти сигналы при помощи вычитающих усилителей преобразуются из однополярных сигналов в биполярные, а при помощи УМНЧ усиливаются до необходимых напряжений питания статорных обмоток аналогового СКВТ.
Повышение вычислительных возможностей сравнивающего устройства обеспечивается за счет того, что форсирующее звено реализовано с применением прямых обратных связей, имеющих разные частоты замыкания, при этом одна связь отвечает за параметрическую устойчивость системы, а другая - за интегрирование угловой скорости (фиг. 3).
P3
on
Для обеспечения точного определения момента смены знака управляющего сигнала ~U при работе в диапазоне ±45 градусов реализовано его перемножение с опорным напряжением ~U (фиг. 3).
Защита цифрового СКВТ от перенапряжения осуществляется за счет того, что в первом каскаде реализовано нелинейное звено типа ограничитель напряжения.
P3
on
P3
on
on
Ускоренная синхронизация сигналов ~U и ~U происходит за счет реализации в алгоритме сравнивающего устройства адаптивной синхронизации с частотной коррекцией. Адаптивность достигается за счет точной подстройки синхронизации в течение всего времени работы цифрового СКВТ с изменением частоты и фазы сигнала ~U в случае изменения параметров ~U (фиг. 3). Адаптивная синхронизация позволяет обеспечить ускоренное совпадение по фазе управляющего и эталонного (опорного) сигналов, а также постоянный контроль и равенство частот напряжений в независимости от нестабильности генераторного оборудования, сопровождаемой изменением частоты и фазы эталонного сигнала ~U.
c1
c3
Согласующие трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку при работе с сигналами, возникающими на статорных обмотках аналогового СКВТ (фиг. 2). Компенсация нелинейности (гистерезиса) согласующих трансформаторов происходит путем реализации дополнительных измерительных каналов для сигналов ~U и ~U, которые позволяют точно отследить значение выходного параметра в режиме реального времени. Измерительные каналы реализованы при помощи дополнительных измерительных обмоток трансформаторов, напряжения которых на выходе не превышают трех вольт, т.е. напряжения питания сравнивающего устройства (фиг. 2).
Используемые в цифровом СКВТ АЦП и ЦАП являются интегрированными, т.е. составными частями сравнивающего устройства.
зад
Входом цифрового СКВТ является угол поворота ротора СКВТ ϕ в виде гармонического управляющего сигнала, который соединен с делителем напряжения. Далее этот сигнал поступает на суммирующий усилитель, ограничитель и сравнивающее устройство.
изм
1
1
1
1
Выходом является измеренный угол ϕ, представляющий собой арктангенс совокупности гармонических сигналов вида sin(ωt+ϕ) и cos(ωt+ϕ), поступающих на статорные обмотки аналогового СКВТ.
изм
Измеренный угол ϕ в виде шестнадцатеричного кода передается по линии SPI.
Интегрированные АЦП являются 12-разрядными и преобразовывают входные гармонические управляющий и опорный сигналы в бинарный код, который впоследствии участвует при работе устройства.
В ходе влияния на цифровой СКВТ входного возмущающего воздействия в схему (фиг. 3) алгоритмически введен изменяющийся коэффициент запаздывания, который меняет свое значение в зависимости от амплитуды управляющего сигнала. Этот коэффициент не должен превышать значение равное 5, так как может быть нарушена параметрическая устойчивость следящей системы.
Подобный способ контроля изменения состояния управляющего сигнала позволяет не только влиять на вычислительный процесс в ходе определения аналогового углового параметра, но и в нужный момент замедлять либо ускорять его работу.