ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА
DIGITAL ANGLE TRANSFORMER

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к элементам систем цифрового управления, представляющим в виде двоичного кода информацию о текущем угловом положении подвижной части объекта регулирования с помощью соответствующего датчика угла (ДУ) и устройства аналого-цифровой обработки его выходных сигналов.
Известен цифровой преобразователь угла (ЦПУ) следящего типа, выбранный в качестве аналога, в котором используются: ДУ типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ); генератор напряжения возбуждения ДУ; два функциональных делителя напряжения с соответствующими дешифраторами и аналоговыми инверторами; аналоговый сумматор; фазовый детектор; преобразователь напряжения в частоту; двоичный реверсивный счетчик с текущим значением кода N, представляющим выходной код ЦПУ, и фазосдвигающий элемент напряжения возбуждения ДУ (Хайнацкий О.А. Преобразователь угла поворота в код. А.С. SU №896654, бюл. №1 от 07.01.82).
P
Под воздействием негативных эксплуатационных факторов фазовые характеристики выходных сигналов СКВТ, определяющие временную фазу сигнала рассогласования U, и выходного сигнала фазосдвигающего элемента в общем случае изменяются независимо, что приводит к соответствующему снижению точности работы ЦПУ.
В ЦПУ (В.М.Домрачев, Г.Ф.Мончак, А.П.Синицын и И.П.Сигачев.  Преобразователь угла поворота вала в код. А.С. SU №1580556, бюл. №27 от 23.07.90), выбранном в качестве прототипа, наиболее близком к предлагаемому, степень влияния негативных эксплуатационных факторов на точность преобразования понижена за счет формирования опорного напряжения фазового детектора непосредственно из выходных напряжений СКВТ.
В материалах данной заявки вместо наименования «Преобразователь угла поворота в код» используется современное наименование «Цифровой преобразователь угла», а функциональные делители напряжения с соответствующими дешифраторами и аналоговыми инверторами, а также аналоговый сумматор с их связями объединены общим наименованием - электронный аналог электромеханического СКВТ-приемника (см. например, Следящие приводы. Т.2 / Под ред. Б.К.Чемоданова / - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - 880 с., ил., стр.42)
Р
Выходной сигнал U электронного аналога электоромеханического СКВТ-приемника (далее - электронный аналог СКВТ-приемника) в виде напряжения переменного тока характеризует величину рассогласования между текущим угловым положением α ротора СКВТ и текущим значением двоичного кода N реверсивного счетчика - выходного кода ЦПУ.
Прототип содержит: ДУ типа СКВТ; генератор напряжения возбуждения СКВТ; электронный аналог СКВТ-приемника; фазовый детектор (фазочувствительный выпрямитель по материалам прототипа) с выходным фильтром низких частот (RC-звено интегрирующего типа); преобразователь напряжения в частоту; двоичный реверсивный счетчик с текущим значением кода N, представляющим собой выходной код ЦПУ, и формирователь опорного напряжения, в состав которого входят усилитель-формирователь, два фазовых детектора с выходными фильтрами низкой частоты, два аналоговых инвертора и суммирующий усилитель.
К недостатку прототипа следует отнести то, что использование фазовых детекторов с выходными фильтрами при формировании опорного напряжения требует предварительного выбора передаточных функций этих фильтров в соответствии с частотой генератора напряжения возбуждения СКВТ.
Предлагаемый ЦПУ обеспечивает синфазность сигналов фазового детектора канала рассогласования без использования фильтров низких частот. При этом возможное синхронное изменение коэффициента передачи СКВТ от возбуждения к двум фазным выходам так же, как и в прототипе, не оказывает влияния на точность преобразования.
Поставленная задача решается следующим образом. В ЦПУ, содержащий: ДУ типа СКВТ с угловым положением ротора α; генератор напряжения возбуждения СКВТ; электронный аналог СКВТ-приемника; фазовый детектор с выходным фильтром нижних частот; преобразователь напряжения в частоту; двоичный реверсивный счетчик с текущим значением кода N, представляющим собой выходной код ЦПУ; первый и второй аналоговые инверторы; аналоговый сумматор (суммирующий усилитель по материалам прототипа), в котором выход генератора напряжения переменного тока подключен к обмотке возбуждения СКВТ, выходы первой и второй фаз которого подключены к входам соответственно первого и второго аналоговых инверторов, а также через электронный аналог СКВТ-приемника, фазовый детектор с фильтром нижних частот и преобразователь напряжения в частоту подключены к управляющему входу двоичного реверсивного счетчика, поразрядные выходы которого подключены к соответствующим цифровым входам электронного СКВТ-приемника, выходы первого и второго аналоговых инверторов через аналоговый сумматор подключены к входу опорного напряжения фазового детектора, в состав преобразователя дополнительно введены: первый, второй и третий компараторы; детектор с выходным низкочастотным фильтром; первый и второй D-триггеры. Первый вход первого компаратора объединен с аналоговым входом первого аналогового инвертора, первый вход второго компаратора объединен с аналоговым входом второго аналогового инвертора, вторые входы первого и второго компараторов подключены к шине нулевого потенциала, выход первого компаратора через информационный вход первого D-триггера подключен к управляющему входу первого аналогового инвертора, выход второго компаратора через информационный вход второго D-триггера подключен к управляющему входу второго аналогового инвертора, стробирующие входы первого и второго D-триггеров объединены между собой и подключены к выходу третьего компаратора, первый вход которого подключен к выходу генератора напряжения возбуждения СКВТ непосредственно, а второй вход - через детектор с выходным фильтром низких частот.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого ЦПУ, которая содержит: генератор напряжения возбуждения (ГВ) 1; СКВТ 2; электронный аналог СКВТ-приемника (ЭА) 3; фазовый детектор (ФД) 4 с фильтром низких частот; двоичный реверсивный счетчик (PC) 5; преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) 6; первый и второй аналоговые инверторы (АИ1 и АИ2) 7 и 15; первый, второй и третий компараторы (К1, К2 и К3) 8, 13 и 11; первый и второй D-триггеры (Тг1 и Тг2) 9 и 14; детектор с фильтром низких частот (Д) 10 и аналоговый сумматор (АС) 12.
В
S
C
p
P
ОП
СМ
На чертеже приняты следующие обозначения: U - выходное напряжение ГВ 1; α - угловое положение ротора СКВТ 2; U и U - 2-фазные выходные сигналы СКВТ 2 в виде напряжений переменного тока; N - текущее значение кода PC 5 (выходной код ЦПУ); U и = U - напряжение рассогласования между текущими значениями угла α и кода N в виде напряжений переменного и постоянного тока; U - выходное напряжение переменного тока АС 12 и = U - выходное напряжение фильтра низких частот детектора Д10.
В
С
S
Р
Р
Преобразование угла в двоичный код осуществляется следующим образом. При возбуждении напряжением U переменного тока СКВТ 2 на его 2-фазном выходе индуцируются напряжения переменного тока U и U, которые поступают на соответствующие аналоговые входы ЭА 3. При этом на цифровые (поразрядные) входы ЭА 3 поступают коды с выходов двоичного PC 5. Соотношение текущих значений α углового положения ротора СКВТ 2 и двоичного кода N реверсивного счетчика определяет амплитуду и временную фазу напряжения U на выходе ЭА 3, которое с помощью фазированного детектора ФД 4 с фильтром низких частот преобразуется в соответствующее напряжение = U постоянного тока и через ПНЧ 6 управляет кодом PC 5.
Р
Р
Р
Р
ОП
При таком соединении указанных блоков в следящем режиме будет устанавливаться значение кода N реверсивного двоичного счетчика, при котором выполняется условие U=0. Достижение этого условия при использовании идеализированного СКВТ и идеализированного электронного аналога СКВТ-приемника означает, что выполняется поставленное требование α≡N, но только в случае точного преобразования напряжения переменного тока U в напряжение постоянного тока = U. Для этого необходимо обеспечивать синфазность входного U и опорного U напряжений фазового детектора.
S
С
Указанная синфазность обеспечивается следующим образом. Выходное напряжение U СКВТ 2 поступает на аналоговый вход первого аналогового инвертора АИ1 7 и первый вход первого компаратора К1 8, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход подключен к информационному входу первого D-триггера Тг1 9. Выход D-триггера Тг1 9 через управляющий вход первого аналогового инвертора АИ1 7 определяет коэффициент передачи этого инвертора (плюс 1 или минус 1). Соответственно сигнал U СКВТ 2 поступает на аналоговый вход второго аналогового инвертора АИ2 15 и первый вход второго компаратора К2 13, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход подключен к информационному входу второго D-триггера Тг2 14. Выход второго D-триггера Тг2 14 через управляющий вход второго аналогового инвертора АИ2 15 определяет коэффициент передачи этого инвертора (плюс 1 или минус 1). Объединенные стробирующие входы указанных D-триггеров получают сигнал с выхода третьего компаратора К3 11, первый вход которого объединен с входом детектора Д10 и выходом генератора возбуждения ГВ 1, а второй вход подключен к выходу детектора Д10.
СМ
В
СМ
В
В
СМ
Выходной сигнал низкочастотного фильтра детектора Д 10 в виде напряжения постоянного тока = U определяет временные параметры стробирующего сигнала (см. фиг.2 для случая с относительной величиной амплитудного значения сигнала U, равного 1, и значения сигнала = U, равного 0,95). При этом представлена положительная полуволна напряжения возбуждения U переменного тока и стробирующий импульс соответствующей длительности, строго синхронизированный с фазовой характеристикой напряжения возбуждения независимо от несущей частоты этого напряжения. Следует отметить, что количественное изменение соотношения величин U и = U определяет только длительность стробирующих импульсов и не оказывает негативного влияния на точность работы ЦПУ.
S
C
B
Указанные соединение и управление обеспечивают установку коэффициента передачи плюс 1 первого инвертора АИ1 7 в диапазоне угловых положений ротора 0≤α<180° и минус 1 в диапазоне 180°≤α<360°, a для второго инвертора АИ2 15 - установку коэффициента передачи плюс 1 в диапазонах 0≤α<90°, 270≤α<360° и минус 1 в диапазоне 90°≤α<270°. При таком алгоритме формирования выходных напряжений переменного тока первого и второго инверторов их суммарный сигнал, получаемый на выходе аналогового сумматора АС 12, характеризуется тем, что его временная фаза всегда будет соответствовать временной фазе несущей частоты сигналов U и U. Поэтому синфазность входных сигналов фазового детектора ФД 4 обеспечивается несмотря на возможные изменения фазы выходных напряжений СКВТ 2 относительно напряжения возбуждения U и изменения коэффициентов трансформации СКВТ по тем или иным причинам.
В предлагаемом ЦПУ требуемые значения коэффициентов передачи первого и второго аналоговых инверторов устанавливаются на каждом периоде несущей частоты. Таким образом формируется опорное напряжение фазового детектора канала рассогласования с требуемой временной фазовой характеристикой независимо от выбранной частоты напряжения возбуждения СКВТ, от коэффициентов трансформации СКВТ и от его текущих фазовых характеристик.
Предлагаемый ЦПУ за счет исключения частотно зависимых переметров элементов в цепи формирования опорного напряжения позволяет сохранить точность преобразования угла в код при использовании СКВТ с различными рабочими частотами напряжения возбуждения.