ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА
DIGITAL ANGLE CONVERTER

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к элементам систем цифрового управления, представляющим в виде двоичного кода точную информацию о текущем угловом положении подвижной части объекта регулирования.
Известен амплитудный цифровой преобразователь угла (ЦПУ) следящего типа, выбранный в качестве аналога, в котором используются: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ); генератор напряжения возбуждения СКВТ (ГВ); аналого-цифровой преобразователь выходных напряжений СКВТ в двоичный код (АЦПВТ) и формирователь опорного напряжения демодулятора АЦПВТ. При этом в состав АЦПВТ входят: электронный аналог СКВТ-приемника, состоящий из двух функциональных цифроаналоговых преобразователей (ФЦАП1, ФЦАП2) и аналогового сумматора (АС) выходных напряжений указанных ФЦАП; демодулятор (Д); интегрирующий операционный усилитель (ИНТ); преобразователь напряжения в частоту следования импульсов (ПНЧ) и двоичный реверсивный счетчик (PC) (В.М.Домрачев, Г.Ф.Мончак, А.П.Синицын и Сигачев И.П. Преобразователь угла поворота вала в код. А.С. SU №1580556, бюл. №27 от 23.07.90). Недостатком такого ЦПУ является то, что значения постоянных времени выходных интегрирующих звеньев ФЧВ формирователя опорного напряжения определяются значением несущей частотой ГВ.
В амплитудном ЦПУ следящего типа (В. М. Домрачев, И.П. Сигачев. Цифровой преобразователь угла. В патенте на изобретение RU №2365032, бюл. №23 от 20.08.2008), выбранном в качестве прототипа, наиболее близком к предлагаемому, указанная зависимость устранена. Однако в аналоге и прототипе для точного преобразования угла в код требуется применение сложно реализуемых ФЦАП с синусно-косинусными или близкими к ним коэффициентами передачи. Здесь и далее принято, что формирователь кодов управления ФЦАП из выходного кода N ЦПУ является составной частью соответствующего ФЦАП.
1
1
1
В зарубежном приборостроении в ЦПУ указанного вида применяются ФЦАП с малогабаритными многоотводными функциональными трансформаторами, обеспечивающие получение синусно-косинусных коэффициентов передачи. В отечественном приборостроении не освоена технология изготовления указанных трансформаторов и ФЦАП базируются на использовании синусно-косинусных постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), которые, к сожалению, имеют ограниченное быстродействие. Также известны структуры высокоточные ЦПУ с ФЦАП, коэффициенты передачи которых описываются сложными для реализации дробно-рациональными функциями второго порядка (см., например, а.с. №708386, бюл. №1, 1980 г.). Наряду с этим для осуществления преобразования угла в код среднего класса точности широко применяются ЦПУ с простейшими ФЦАП, базирующимися на использования дробно -рациональной функции первого порядка вида f(x)=(1+k)x/(1+k/x), где коэффициент функциональности k - постоянная величина равная 0,5551, а х - цифровой аргумент с диапазоном изменения 0 до 1 или от 1 до 0 в зависимости от функционального назначения и номера квадранта. Известно, что при этом максимальная методическая погрешность преобразования имеет величину порядка 2 угл. м. Характер изменения такой погрешности в пределах первого квадранта широко известен (см., например, Зверев А.Е. и др. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. Л., "Энергия", 1974, стр.147). Указанная погрешность (погрешность аппроксимации арктангенсной зависимости по терминологии указанной книги) близка к функции вида sin 8α, где α - угловое положение ротора СКВТ. Однако применение известного приема повышения конечной точности преобразования путем использования в цепи сигнала рассогласования соответствующего корректирующего напряжения (в данном случае вида sin 16πN, где N - выходной код ЦПУ) не приводит к существенному повышению точности преобразования. Объясняется это и тем, что начальная погрешность преобразования при угловых положениях 22,5° и 67,75° (точки перехода через ноль функции sin 8α) имеет существенное отличие от желательных для успешной коррекции нулевых значений.
Цель предлагаемого изобретения заключается в достижении предельно высокой точности преобразования угла в код при использовании простейших ФЦАП, коэффициенты передачи которых соответствуют простейшей дробно-рациональной функции первого порядка. При этом коэффициент функциональности обеспечивает точное преобразование в угловых положениях, кратных 22,5°. Выполнение этого условия позволяет сформировать специальное корректирующее напряжение, использование которого в качестве дополнительной составляющей сигнала цепи рассогласования АЦПВТ обеспечивает снижение максимального значения методической погрешности преобразования со 150 угл.с до величины ≈2 угл.с в пределах полного оборота ротора СКВТ. Отметим, что величина коэффициента функциональности определяется только выбором номинала резистора обратной связи ФЦАП основного канала преобразования.
Предлагаемый амплитудный ЦПУ следящего типа, содержащий: синусно-косинусный вращающийся трансформатор с угловым положением ротора α; генератор напряжения возбуждения синусно-косинусного вращающегося трансформатора; первый и второй функциональные цифроаналоговые преобразователи; первый и второй аналоговые сумматоры; демодулятор; интегрирующий операционный усилитель; преобразователь напряжения в частоту следования импульсов; двоичный реверсивный счетчик с текущим значением кода N, представляющим собой выходной код ЦПУ; формирователь модульных значений выходных напряжений первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора, в котором выход генератора напряжения возбуждения подключен к обмотке возбуждения синусно-косинусного вращающегося трансформатора; выходы первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора подключены к аналоговым входам соответственно первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей, объединенные цифровые входы которых подключены к выходу двоичного реверсивного счетчика; выходы первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей подключены к первому и второму входам первого аналогового сумматора; выход первого аналогового сумматора через демодулятор подключен к входу интегрирующего операционного усилителя, выход которого непосредственно подключен к входу управления направлением счета двоичного реверсивного счетчика, а через преобразователь напряжения в частоту следования импульсов подключен к счетному входу двоичного реверсивного счетчика; выход генератора возбуждения и выходы первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора подключены к формирователю модульных значений выходных напряжений синусно-косинусного вращающегося трансформатора, в состав цифрового преобразователя угла дополнительно введены: переключатель; формирователь сигнала управления
переключателем; третий, четвертый и пятый функциональные цифроаналоговые преобразователи; первый, второй и третий цифровые потенциометры и третий аналоговый сумматор. Первый выход формирователя модульных значений выходных напряжений первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора подключен к первому входу формирователя сигнала управления переключателем и первому входу переключателя; второй выход формирователя модульных значений выходных напряжений первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора подключен к второму входу формирователя сигнала управления переключателем и второму входу переключателя; выход формирователя сигнала управления переключателем подключен к управляющему входу переключателя; первый выход переключателя подключен к первому входу второго аналогового сумматора; второй выход переключателя подключен к второму входу второго аналогового сумматора, выход второго аналогового сумматора подключен к входу опорного напряжения демодулятора и к объединенным аналоговым входам третьего, четвертого и пятого функциональных цифроаналоговых преобразователей; объединенные цифровые входы третьего, четвертого, пятого функциональных цифроаналоговых преобразователей и первого, второго, третьего цифровых потенциометров подключены к выходу двоичного реверсивного счетчика; выходы третьего, четвертого и пятого функциональных цифроаналоговых преобразователей подключены соответственно к входам аналогового напряжения первого, второго и третьего цифровых потенциометров, выходы этих потенциометров подключены к соответствующим входам третьего аналогового сумматора, выход которого подключен к третьему входу первого аналогового сумматора.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого цифрового преобразователя угла, которая содержит: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ) 1 с генератором напряжения возбуждения (ГВ) 2; первый, второй, третий, четвертый и пятый функциональные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП1, ФЦАП2, ФЦАПЗ, ФЦАП4 и ФЦАП5) 3, 4, 14, 16 и 18; интегрирующий операционный усилитель (ИНТ) 5; демодулятор (Д) 6; первый, второй и третий аналоговые сумматоры (AC1, AC2 и AC3) 7, 13 и 20; двоичный реверсивный счетчик (PC) 8; преобразователь напряжения в частоту следования импульсов (ПНЧ) 9; формирователь модульных значений (ФМЗ) 10; формирователь сигнала управления переключением (ФУП) 11; переключатель (SW) 12, а также первый, второй и третий цифровые потенциометры (ЦП1, ЦП2 и ЦП3) 15, 17 и 19.
B
S
C
P
P
S
C
MIN
MAX
Б
ОП
K
На чертеже приняты следующие обозначения: α - угловое положение ротора СКВТ 1; U - выходное напряжение ГВ 2; U и U - 2-фазные выходные сигналы СКВТ 1; N - выходной двоичный код PC 8; U и =U - сигналы рассогласования в виде напряжений переменного и постоянного токов; |U| и |U| - выходные сигналы ФМЗ 10; U и U - выходные сигналы SW 12; U (U) - выходной сигнал АС2 13; U - выходной сигнал АС3 20.
Аналого-цифровой преобразователь выходных сигналов СКВТ (АЦПВТ) включает в себя: ФЦАП1 3, ФЦАП2 4, ИНТ 5, Д 6, АС1 7, PC 8 и ПНЧ 9. При этом ФЦАП1, ФЦАП2 и АС1 (по терминологии прототипа) представляют собой электронный аналог СКВТ-приемника (ЭА). Формирователь базового напряжения (ФБН) включает в себя: ФМЗ 10, ФУП 11, SW 12 и АС2 13, а формирователь корректирующего напряжения (ФКН) - ФЦАП3 14, ФЦАП4 16, ФЦАП5 18, ЦП1 15, ЦП2 17, ЦПЗ 19 и АС3 20.
B
ОП.
Преобразование угла в точный двоичный код осуществляется с несколько измененным алгоритмом преобразования аналога и прототипа. Первое отличие, как уже отмечалось, заключается в том, что коэффициенты передачи первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей обеспечивают нулевую погрешность преобразования в угловых положениях, кратных 22,5 электр. град., без использования какого-либо корректирующего напряжения, но при этом максимальное значение методической погрешности преобразования (без коррекции) увеличивается до значения 150 угл.с (см. фиг.2). Второе отличие - введение в состав ЦПУ формирователя корректирующего напряжения (ФКН), использование выходного напряжения которого в качестве дополнительной составляющей сигнала цепи рассогласования АЦПВТ обеспечивает 75-кратное снижение конечной методической погрешности преобразования. При этом базовое (входное) напряжение переменного тока ФКН с амплитудными значениями, стабилизированными на уровне 4%, поступает с выхода формирователя базового напряжения U (ФБН). Это же напряжение, с учетом технической целесообразности, используется в качестве опорного напряжения демодулятора U
Б
ОП
Ы
С
MIN
MAX
Б
ОП
Формирование базового (опорного) напряжения U (U) осуществляется следующим образом. Формирователь модульных значений выходных напряжений первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора ФМЗ 10 выполняется в соответствии с техническими решениями прототипа и вырабатывает на своих выходах сигналы |U| и |U|, которые поступают на соответствующие входы переключателя SW 12 и на входы формирователя сигналов управления положением SW 12 (ФСУ 11). Выходной 2-уровневый сигнал указанного формирователя (сигнал упр. SW) обеспечивает трансляцию на первый выход переключателя напряжения U, меньшего из текущих выходных напряжений ФМЗ 10, а на второй - большего (U). Второй аналоговый сумматор АС2 13 выполняет операцию суммирования указанных сигналов с определенными масштабными коэффициентами. Реализация такого алгоритма формирует напряжение переменного тока U (U), синфазного с выходными напряжениями СКВТ 1, амплитудные значения которого стабилизированы на уровне 4%. Как уже отмечалось, это напряжение поступает на аналоговый вход формирователя корректирующего напряжения (ФКН) и на вход опорного напряжения демодулятора Д 6.
4
5
6
1
2
3
4
5
Корректирующее напряжение требуемого вида формируется на выходе ФКН следующим образом. Цепь, объединяющая аналоговые входы ФЦАП3 14, ФЦАП4 16 и ФЦАП5 18, представляет собой аналоговый вход ФКН, который подключается к выходу ФБН. Цифровой вход ФКН образуется цепью объединенных цифровых входов указанных ФЦАП и цифровых входов цифровых потенциометров ЦП1 15, ЦП2 17 и ЦП3 19. Цифровой вход ФКН подключается поразрядно к выходам двоичного реверсивного счетчика PC 8. При построении ФКН используются ФЦАП3 14, ФЦАП4 16 и ФЦАП5 18. Они также базируются на использовании простейшей дробно-рациональной функции первого порядка, но со своим коэффициентом функциональности и своими цифровыми аргументами x, х и х (см. фиг.3), образованными с опорой на код N. Указанные величины обеспечивают формирование выходных сигналов с зависимостями, близкими к зависимостям вида sin16πN, sin32πN и sin64πN соответственно. На фиг.3 также в графическом виде показано изменение по углу (по коду): амплитудных значений выходных напряжений переменного тока первой и второй фаз синусно-косинусного вращающегося трансформатора; выходного кода N и соответствующих аргументов функциональных цифроаналоговых преобразователей ФЦАП1, ФЦАП2, ФЦАП3, ФЦАП4 и ФЦАП5 (х, х, х, х и х).
Сформированные таким образом сигналы с выходов ФЦАП3, ФЦАП4 и ФЦАП5 поступают через соответствующие цифровые потенциометры (ЦП1, ЦП2 и ЦП3) на входы третьего аналогового сумматора АС3 20. Для осуществления преобразования повышенной точности выходное напряжение ФКН (выход третьего аналогового сумматора АС3 20) поступает через третий вход первого аналогового сумматора АС1 7 в цепь рассогласования АЦПВТ и тем самым компенсирует начальную погрешность преобразования до требуемого уровня. При этом в зависимости от текущего значения кода N цифровые потенциометры дискретно изменяют свои коэффициенты передачи. Выбор определенных значений указанных коэффициентов передач и границ их переключений обеспечивает преобразование угла в код с точностью порядка 1/650000 (в угловой мере ≈2 угл.с).
На фиг.4 показан характер изменения амплитудных значений выходных напряжений синусно-косинусного вращающегося трансформатора в пределах полного оборота его ротора и соответствующие значения конечной погрешности преобразования в пределах полного оборота ротора, вычисленные путем использования соответствующей математической модели предлагаемого цифрового преобразователя угла.
Отсюда следует вывод, что цифровой преобразователь угла такого вида построения, с учетом его высоких метрологических возможностей, может заменить ряд более дорогих и габаритных 2-отсчетных цифровых преобразователей угла, используемых в современных системах цифрового управления по положению.