КОДОВАЯ ШКАЛА
CODE SCALE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию относительного углового движения в код, позволяющий определять текущее значение измеряемого угла, а именно к построению кодовых шкал преобразователей угла поворота в код в диапазоне углов ±360° в датчиках угла прямого счета (ДУПС),
Одной из актуальных задач, стоящих перед разработчиками ДУПС, является обеспечение минимального шага углового перемещения (т.е. увеличение разрешающей способности) и минимального числа используемых считывающих элементов (СЭ) при определении относительного углового положения подвижного узла прибора системы автоматического управления объектом по сигналам, считываемым при угловом перемещении.
Технический результат рассматриваемого предложения заключается в увеличении разрешающей способности ДУПС (увеличение числа импульсов, считываемых за оборот) при уменьшении числа считывающих элементов, что является более эффективным решением по сравнению с известными аналогами.
Из существующих измерительных средств перспективным в отношении обеспечения разрешающей способности преобразования угла являются измерители, реализующие фотоэлектрический метод считывания информации. Основным элементом фотоэлектрических цифровых преобразователей угла (ФЦПУ), определяющим их наиболее важные характеристики, является кодовая шкала (КШ).
Современные малогабаритные высокоразрядные ФЦПУ содержат подвижный растр (кодовую шкалу с рисунком кодовых дорожек) и систему считывания, состоящую из излучающей (передающей) и приемной частей. Излучающая система содержит источник излучения, а приемная - неподвижный растр и СЭ - фотоприемники (ФП). Растры выполнены из оптически прозрачного материала, расположены соосно и на их обращенных друг к другу поверхностях методом фотолитографии нанесены маски с соответствующим рисунком кодовой шкалы. Код сформирован в виде системы прозрачных и непрозрачных участков кодовой шкалы.
Под КШ будем понимать совокупность кодовых дорожек подвижного растра, под СЭ - прозрачную щель неподвижного растра и ФП, под шагом углового перемещения - элементарный участок кодовых дорожек, содержащий считываемые (соответствующие - 1) и несчитываемые (соответствующие - 0) сигналы, поступающие с выхода ФП.
Для оценки технического результата рассматриваемого решения проведем его сравнение с известными решениями в отношении числа используемых СЭ - n и реализуемой разрешающей способности - δ, взяв за основу разрешающую способность датчика угла гироскопического интегратора линейных ускорений (ГИЛУ) PIGA-16 ракеты "Минитмен-3".
Число импульсов (шагов углового перемещения), выдаваемое за один оборот датчиком угла ГИЛУ PIGA-16 ракеты «Минитмен-3» соответствует 1680 имп. [6], при этом разрешающая способность датчика угла ГИЛУ δ=360°/1680≈0.2143°/имп.
Известны КШ преобразователей угловых перемещений [1, 2], маска которых выполнена в обыкновенном двоичном коде или в коде Грея. В классическом варианте построения таких шкал число кодовых информационных дорожек (ИД) равно разрядности шкалы. Поэтому обеспечение требуемой разрядности шкалы для перспективных ФЦПУ обусловлено необходимостью увеличения числа ИД и СЭ. В данных кодовых шкалах обеспечение разрешающей способности δ=360°/1024≈0.35°/имп. возможно при числе СЭ n=10. По разрешающей способности - δ данные технические решения уступают датчику угла ГИЛУ 16 ракеты «Минитмен-3».
Известны рекурсивные КШ, построенные на основе нелинейных двоичных последовательностей. Так рекурсивная кодовая шкала, представленная в [3], имеет всего одну кодовую информационную дорожку и n СЭ, расположенных вдоль нее с шагом, равным одному кванту шкалы, и позволяющими обеспечить разрешающую способность δ=360°/2n.
Недостаток данного технического решения заключается в размещении вдоль кодовой дорожки шкалы СЭ с шагом в один квант. Поскольку реальные СЭ имеют конечные размеры, то при их размещении с шагом в один квант они вносят ограничения на габариты рекурсивной КШ при заданной разрешающей способности, реализация которой связана с увеличением числа СЭ. Для обеспечения разрешающей способности δ=360°/1680≈0.2143°/имп. (соответствует разрешающей способности датчика угла ГИЛУ ракеты «Минитмен-3») необходимое число СЭ n=840.
Известно построение рекурсивной кодовой шкалы с двумя ИД [4], выполненное в соответствии с символами нелинейной двоичной последовательности, величина кванта которой δ=360°/4ικ, где ι - считывающие элементы первой, а κ - второй кодовой ИД. Реализация требуемой разрешающей способности КШ в данном техническом предложении также связана использованием большого числа СЭ - n. При ι=20 и κ=21n=ι+κ=20+21=42, δ=360°/4ικ=360°/1680≈0.2143°/имп.
m
Наиболее близкой по техническому решению и выбранной авторами за прототип является кодовая шкала для ФЦПУ [5], содержащая m кодовых ИД и n=2m СЭ, все кодовые ИД выполнены в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я ИД (i=1, 2, …m) выполнена в соответствии с символами N=4(i-1) периодов двоичной последовательности. Вдоль каждой из информационных кодовых дорожек размещены по два СЭ с угловым шагом, кратным δi=360°/4i. Разрешающая способность кодовой шкалы δ=360°/4. При числе ИД m=5 число СЭ n=10, а разрешающая способность - δ=360°/1024≈0.35°/имп., т.е. при требуемом числе СЭ по разрешающей способности δ данное техническое решение уступает датчику угла ГИЛУ PIGA-16 ракеты «Минитмен-3».
Недостаток прототипа в количестве требуемых СЭ для обеспечения разрешающей способности перспективных измерителей угла.
В предлагаемом техническом решении кодовая шкала состоит из равных по числу шагов углового перемещения двух кодовых групп информационных меток (КГИМ), размещаемых на шести информационных дорожках и позиционной группы информационных меток (ПГИМ), размещаемой на трех ИД. Кодируемые сигналы с ИД считываются на каждом шаге углового перемещения считывающим элементом данной информационной дорожки и соответствуют 1 - (считывается сигнал) и 0 - (отсутствие считываемого сигнала на выходе СЭ).
Кодовые и позиционная группы информационных меток представляют собой, соответственно, две следующие от начала отсчета углов повторяющиеся последовательности (ПП) кодируемых сигналов и за оборот на информационных дорожках каждой из групп информационных меток последовательно с периодом 120° размещаются кодируемые сигналы ПП всех трех групп информационных меток.
Количество шагов углового перемещения в ПП КГИМ соответствует простому числу - k=19, а в ПП ПГИМ равно размещению R=р⋅(р-1)=30 из р=6 элементов по 2.
В повторяющейся последовательности двух КГИМ два соседних шага углового перемещения имеют отличия в коде считываемых с них сигналов и кодируемые сигналы, соответствующие 1 и 0 на выходе СЭ, размещаются на каждом шаге углового перемещения и независимо от направления движения каждый из интервалов - j изменения угла, равный j=5 шагам углового перемещения, отличается сочетанием кодов последовательно считываемых сигналов, включая участки перехода от предыдущей ПП к последующей и интервалы - j, содержащие последнюю метку ПП одной группы информационных меток и первую метку ПП другой группы информационных меток. С каждой из ИД кодовой шкалы до и после кодируемого сигнала, соответствующего 1, считывается сигнал, соответствующий 0.
Номера интервалов - j ПП КГИМ и ПП ПГИМ, следующие от начала отсчета углов, и отличительные признаки, позволяющие их определение, задаются в вычислителе. Признаком, позволяющим выделить интервал - j ПП ПГИМ и положение ПП ПГИМ и каждой из КГИМ на КШ, является наличие на этом интервале - j сигнала, соответствующего - 0 в трех и более последовательно идущих шагах углового перемещения.
Вариант размещения кодируемых сигналов ПП ПГИМ информационных меток при р=6 и ее представление сигналами на выходе СЭ информационных дорожек кодовой шкалы приведены на Рис. 1.
Возможный вариант разположения кодируемых сигналов повторяющейся последовательности двух кодовых групп информационных меток при k=19 и представление этой ПП КГИМ сигналами на выходе СЭ информационных дорожек приведены на Рис. 2.
На Рис. 1 и Рис. 2 знаки / и \ - обозначают считываемый сигнал, соответствующий - 1, а горизонтальные отрезки - несчитываемый сигнал, соответствующий - 0 на выходе считывающего элемента информационной дорожки, а знак : - определяет границы ПП ПГИМ.
Определение измеряемого углового положения в отсутствие сбоев в работе электроники при известном направлении движения ведется от начального углового положения и осуществляется в вычислителе путем суммирования считываемых на каждом шаге углового перемещения кодовых сигналов с ИД с учетом изменения направления движения, определяемого при сравнении кодов сигналов, соответствующих последовательно идущим шагам углового перемещения. При неизвестном начальном угловом положении и направлении движения определение текущего углового положения производится так же, как и в случае сбоев в работе электроники.
При наличии сбоев в работе электроники определение текущего углового положения осуществляется в вычислителе по окончании сбоев и восстановлении работоспособности электроники на основе идентификации номера интервала - j повторяющейся последовательности двух кодовых групп информационных меток и ПП ПГИМ по отличительным признакам кодированных сигналов последовательно считанных на этом интервале. Контроль направления углового перемещения осуществляется при анализе отличительных признаков последовательно считываемых кодированных сигналов ПП КГИМ на интервале - j и номера этого интервала.
Порядок нумерации интервалов - j ПП ПГИМ и ПП КГИМ идет от начала отсчета углов и для одного из трех вариантов размещения КГИМ и ПГИМ на кодовой шкале при k=19 и R=30 имеет следующий вид:
Приведенная нумерация интервалов - j кодовой шкалы иллюстрирует получение данных, представленных в Таблице 1: ряд - I представляет номера повторяющихся последовательностей КГИМ, а ряд II - номера интервалов - j ПП ПГИМ, соответствующие -  номеру интервала - j ПП КГИМ.
Для вычисления измеряемого углового положения эти данные Таблицы 1, наряду с признаками, соответствующими номерам интервалов - j ПП КГИМ и ПГИМ, вносятся в память вычислителя.
Если обозначить, найденные по отличительным признакам считанных сигналов на интервале - j, номера интервалов ПП КГИМ - b, а ПП ПГИМ - d, то с учетом вышеизложенного измеряемый угол - U определится из соотношения U=19 I+b, где I соответствует II (см. Таблицу 1), а II=d-b при d>b и II=d+30-b при d<b.
В представленных вариантах построения ПП КГИМ и ПП ПГИМ число шагов углового перемещения, считываемых при повороте на угол равный 360°, соответствует S=3kR=3⋅19⋅30=1710 имп.
Представленный вариант построения кодовой шкалы по разрешающей способности δ=360°/1710≈0,2105°/имп., и числу используемых считывающих устройств n=9 имеет преимущества, в сравнении с приведенными выше аналогами.
Источники информации
1. Преснухин Л.Н., Майоров С.А., Меськин И.В., Шаньгин В.Ф. Под ред. Л.Н. Преснухина. Фотоэлектрические преобразователи информации. - М.: Машиностроение, 1974. - 375 с.
2. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984, - 328 с.
3. Азов А.К, Ожиганов, А.А., Тарасюк М.В. Рекурсивные кодовые шкалы. Изд-во Машиностроение. Информационные технологии, 1998, №6, с. 39-43.
4. Кодовая шкала. Патент RU 2434323, МПК Н03М 1/24, авторы: Шубарев В.А., Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Павлов В.В.
5. Кодовая шкала. Патент RU 2490790, МПК Н03М 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Павлов В.В., Шубарев В.А. - прототип.
6. Волков Л.И., Прокудин А.И., Гаврилов B.C. Под ред. Л.И. Волкова. Точность межконтинентальных баллистических ракет. - М.: Машиностроение, 1996, - 304 с.