ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА
DIGITAL ANGLE TRANSFORMER

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к элементам систем цифрового управления, представляющим в цифровом виде информацию о текущем угловом положении подвижной части объекта регулирования.
S
B
C
B
B
Известен цифровой преобразователь угла (ЦПУ) следящего типа, выбранный в качестве аналога, в котором используются: 2-фазный датчик угла (ДУ) с выходными напряжениями переменного тока U=к·U·sinθ и U=к·U·cosθ, где U - напряжение возбуждения ДУ, к - конструктивный параметр ДУ, θ - угловое положение ротора ДУ; генератор напряжения возбуждения 2-фазного ДУ; селектор квадранта; реверсивный счетчик с текущим значением кода Ф, представляющим собой выходной код ЦПУ; схемы выделения синуса и косинуса с коэффициентами передачи соответственно |sinΦ| и минус |cosΦ|; 2-входовый суммирующий усилитель; демодулятор с фильтром; интегратор; преобразователь напряжения в частоту; дешифратор и шина выходного цифрового сигнала Φ (Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах. / Пер. с англ. под ред. А.С.Яроменка. М.: Энергоиздат, 1981. - 200 с., ил., стр. 153).
3
5
7
9
3
5
7
9
В таком ЦПУ нарушается условие точного преобразования угла в код (Φ=θ) при работе с реальными 2-фазными ДУ, в огибающих выходных напряжений которых (закономерность изменения амплитудных значений выходных напряжений переменного тока по углу), кроме первой пространственной гармоники sinθ, присутствуют существенные по величине высшие нечетные пространственные гармоники (sin3θ, sin5θ, sin7θ и sin9θ) с весовыми коэффициентами h, h, h и h. Присутствие третьей и пятой гармоник вызывает появление составляющей погрешности преобразования вида (h+h)·sin4θ, а седьмой и девятой - (h+h)·sin8θ.
Известен ЦПУ следящего типа (В.М.Домрачев, Г.Ф.Мончак, А.П.Синицын. Преобразователь угла поворота вала в код. АС SU №1515365, Бюл. №38 от 15.10.89), выбранный в качестве прототипа, наиболее близкий к предлагаемому, который обеспечивает точное преобразование углового положения α ротора ДУ в двоичный код N при работе с 2-фазными ДУ, имеющими третью и пятую пространственные гармоники в огибающих.
P
к
3
5
1
3
5
1
В таком ЦПУ сигнал рассогласования U получает дополнительную составляющую U = минус 4·(h+h)·U·cos(2πN)·cos(2·2πN) и, тем самым, исключает составляющую погрешности преобразования вида (h+h)·sin4α. При этом негативное влияние седьмой и девятой гармоник на точность преобразования не устраняется, а корректировка по третьей и пятой гармоникам может осуществляться благодаря возможности подключения входа третьего ФЦАП к выходу первого ФЦАП с базовым сигналом вида U·cos(2πN), что не всегда реализуется на практике. Такой возможности нет при применении серийных отечественных преобразователей выходных сигналов 2-фазных ДУ (микросборки типа 427ПВ2ТА или 2602ПВ1, НИИЭМП, г. Пенза) и аналогичного назначения зарубежных преобразователей (AD2S82A, ANALOG DEVICES, USA), которые реализуют алгоритм преобразования, соответствующий алгоритму аналога. Однако их применение позволяет многократно снизить массогабаритные характеристики ЦПУ в целом, повысить показатели надежности и уменьшить стоимостные показатели.
7
9
1
ОП
В отличие от прототипа предлагаемый ЦПУ решает задачу точного преобразования угла в код при наличии у ДУ не только третьей и пятой пространственных гармоник, но и седьмой, а также девятой, с весовыми коэффициентами h, h, даже при отсутствии базового сигнала U·cos(2πN). В этом ЦПУ для корректировки в качестве базового сигнала используется выходное напряжение U дополнительной вторичной обмотки 2-фазного ДУ, параллельной его обмотке возбуждения.
ОП
1
2
ФЦАП1
ФЦАП2
ФЦАП3
3
5
1
2
ФЦАП4
7
9
Предлагаемый ЦПУ содержит: 2-фазный ДУ с дополнительной обмоткой опорного U напряжения, с угловым положением ротора α и с выходными напряжениями U и U; генератор напряжения возбуждения 2-фазного ДУ; селектор квадранта; первый дешифратор; реверсивный n-разрядный двоичный счетчик с текущим значением кода N, представляющим собой выходной код ЦПУ; первый и второй ФЦАП с входящими в их состав дешифраторами и с коэффициентами передачи К=|cos2πN| и К= минус |sin2πN| соответственно; третий ФЦАП со вторым дешифратором и с коэффициентом передачи К= минус (h+h)·sin(4·2πN); первый аналоговый сумматор; демодулятор с фильтром; интегратор; преобразователь напряжения в частоту и шину выходного кода N, в котором выход генератора напряжения возбуждения подключен к обмотке возбуждения 2-фазного ДУ, фазные выходы с напряжениями U и U последнего подключены к аналоговым входам селектора квадранта, первый и второй выходы которого подключены соответственно к аналоговым входам первого и второго ФЦАП, их выходы подключены к первому и второму входам первого аналогового сумматора соответственно, выход демодулятора с фильтром через интегратор и преобразователь напряжения в частоту подключен к управляющим входам реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выходы двух старших разрядов которого через первый дешифратор подключены к цифровым входами селектора квадранта, выходы (n-2) младших разрядов подключены к цифровым входам первого, второго ФЦАП и через второй дешифратор - к цифровым входам третьего ФЦАП, выходы реверсивного n-разрядного двоичного счетчика подключены к шине выходного кода ЦПУ. В состав ЦПУ дополнительно введены: второй аналоговый сумматор, третий дешифратор и четвертый ФЦАП с коэффициентом передачи К= минус (h+h)·sin8·(2πN). При этом аналоговый выход первого аналогового сумматора подключен к первому входу второго аналогового сумматора, выход которого подключен к входу выпрямляемого напряжения демодулятора, вход опорного напряжения демодулятора объединен с аналоговыми входами третьего и четвертого ФЦАП и с выходом дополнительной обмотки опорного напряжения 2-фазного ДУ, выходы третьего и четвертого ФЦАП подключены ко второму и третьему входам второго аналогового сумматора, а цифровой вход четвертого ФЦАП подключен через третий дешифратор к (n-3) младшим разрядам реверсивного n-разрядного двоичного счетчика.
ОП
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого ЦПУ следящего типа, которая содержит: 2-фазный датчик угла (ДУ) 1 с дополнительной обмоткой опорного U напряжения, селектор квадранта (СК) 2, первый дешифратор (ДШ1) 3, первый и второй функциональные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП1 и ФЦАП2) 4 и 5 с входящими в их состав дешифраторами, реверсивный n-разрядный двоичный счетчик (PC) 6, преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) 7, интегратор (ИНТ) 8, демодулятор с фильтром (Д) 9, первый и второй аналоговые сумматоры (АС1 и АС2) 10 и 15, второй и третий дешифраторы (ДШ2 и ДШ3) 11 и 12, третий и четвертый функциональные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП3 и ФЦАП4) 13 и 14, генератор напряжения возбуждения (ГВ) 16 2-фазного ДУ и шину 17 выходного кода N.
B
ОП
1
2
1
2
P1
P2
K1
ОП
3
5
K2
На схеме приняты следующие обозначения: α - угловое положение ротора 2-фазного ДУ 1; U - выходное напряжение генератора возбуждения 16 (напряжение возбуждения 2-фазного ДУ 1); U - напряжение переменного тока дополнительной опорной обмотки 2-фазного ДУ; U и U - выходные напряжения переменного тока 2-фазного ДУ; N - текущее значение кода реверсивного счетчика 6; N - текущее значение (n-2) младших разрядов кода реверсивного счетчика 6; N - текущее значение (n-3) младших разрядов кода реверсивного счетчика 6; U - напряжение рассогласования ЦПУ без коррекции; U - напряжение рассогласования ЦПУ с коррекцией; U= минус U·(h+h)·sin(4·2πN) - выходное напряжение переменного тока третьего ФЦАП 13 (первое корректирующее напряжение) и U= минус
ОП
7
9
U·(h+h)·sin(8·2πN) - выходное напряжение переменного тока четвертого ФЦАП 14 (второе корректирующее напряжение).
ФЦАП3
ФЦАП4
Характер изменения кодов и коэффициентов передач К и К по аргументу α≡2πN показан на фиг.2.
B
1
2
1
2
P1
1
2
ОП
1
2
ФЦАП3
ФЦАП4
K1
K2
P2
P1
K1
K2
Точное преобразование достигается следующим образом. При возбуждении 2-фазного ДУ 1 напряжением U от генератора напряжения возбуждения 16 его выходные напряжения U и U поступают через селектор квадранта 2 на аналоговые входы первого и второго ФЦАП 4 и 5. Выходной сигнал U·cos2πN первого ФЦАП1 4 поступает (внутренняя цепь ЦПУ) на первый вход первого аналогового сумматора АС1 10, а на его второй вход поступает выходной сигнал минус U·sin2πN второго ФЦАП2 5. Выходной сигнал аналогового сумматора U=U·cos2πN-U·sin2πN поступает на первый вход второго аналогового сумматора АС2 15. На объединенные аналоговые входы третьего, четвертого ФЦАП 13, 14 и вход опорного напряжения демодулятора Д 9 поступает сигнал U с выхода дополнительной обмотки опорного напряжения 2-фазного ДУ 1. Третий ФЦАП3 13 с дешифратором ДШ2 11 и четвертый ФЦАП4 14 с дешифратором ДШ2 12 с учетом текущих значений кодов N, N и свойственных им коэффициентов передач К и К формируют первое U и второе U корректирующие напряжения соответственно, которые поступают на второй и третий входы второго аналогового сумматора 15. Таким образом, на выходе второго аналогового сумматора формируется напряжение рассогласования вида U=U-U-U, которое поступает на вход выпрямляемого напряжения демодулятора 9 и обеспечивает значение кода реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, точно соответствующее текущему значению угла α, несмотря на наличие указанных ранее нечетных гармоник у 2-фазного ДУ. Для этого сигнал с выхода демодулятора 9 с фильтром (уже в виде напряжения постоянного тока) через интегратор 8 и преобразователь напряжения в частоту 7 управляет текущим значением кода реверсивного n-разрядного двоичного счетчика 6. Управление осуществляется таким образом, чтобы при текущем угловом положении ротора 2-фазного ДУ сигнал на выходе второго аналогового сумматора стремился к нулевому значению.
Описанный алгоритм точного преобразования реализуется при условии введения второго аналогового сумматора в цепь «выход первого аналогового сумматора - вход выпрямляемого напряжения демодулятора». Такое построение возможно и при использовании указанных ранее серийных преобразователей выходных сигналов 2-фазных ДУ.
3
5
7
9
Требуемые масштабные коэффициенты передачи (h+h) и (h+h) соответственно третьего и четвертого ФЦАП 13 и 14 устанавливаются в процессе проведения простейших регулировочных операций, что обеспечивает повышенную точность преобразования угла в код.
1
Таким образом, предлагаемый ЦПУ при использовании 2-фазных ДУ с широким спектром нечетных пространственных гармоник и имеющих дополнительную обмотку опорного напряжения и при применении выпускаемых промышленностью малогабаритных высоконадежных гибридных аналого-цифровых микросборок, не имеющих внешнего вывода с базовым сигналом вида U·cos2πN, обеспечивает точное преобразование угла в код.