УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УГЛА

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в угломерных системах, использующих в качестве датчиков входной угловой величины вращающийся трансформатор, а в качестве кодирующего элемента - преобразователь «угол - код», преобразующий выходные синусно-косинусные сигналы вида Usinα sinωt и Ucosα sinωt, поступающие от ВТ, в цифровой код, пропорциональный углу поворота вала ВТ (далее по тексту ЦПУ - цифровой преобразователь угла).
Известно устройство контроля ЦПУ содержащее вращающийся трансформатор (ВТ), закрепленный на прецизионном угломерном устройстве, как правило, на оптической делительной головке (ОДГ) [1. стр. 267]. Такое устройство является очень громоздким, дорогим и не может быть использовано для автоматического контроля ЦПУ в составе прибора и при серийном заводском производстве. Кроме того, в этой схеме, как ВТ, так и ОДГ являются средствами измерения, подлежащими метрологической поверке и аттестации.
Известно устройство автоматического контроля ЦПУ, содержащее прецизионный эталонный формирователь синусно-косинусных напряжений, на цифровые входы которого от ЭВМ задаются коды пропорциональные sinα и cosα, а на аналоговый вход поступает напряжение возбуждения Usincωt от проверяемого ЦПУ [2 стр. 380]. Эти величины перемножаются в прецизионных множительных цифро-аналоговых преобразователях, в результате чего выходные напряжения эталонного формирователя становятся эквивалентными напряжениям выходных обмоток вращающегося трансформатора, вал которого повернут на угол a (Usinα sinωt и Ucosα sinωt). В этом устройстве эталонный формирователь является средством измерения, для метрологической аттестации которого требуется прецизионное дорогостоящее измерительное оборудование (прецизионный вольтметр переменного тока, фазометр, измеритель коэффициента нелинейных искажений). Кроме того, и к самому эталонному формирователю предъявлены высокие метрологические требования, например, такие как погрешность рассогласования масштабов каналов Usinα и Ucosα, фазовый сдвиг несущей, возникающий в эталонном преобразователе, а также его временная и температурная стабильность, которые также входят в результат преобразования. К характеристикам, существенно влияющим на результат контроля, относятся и такие характеристики как напряжение смещения выходных усилителей эталонного формирователя, нелинейные искажения, пульсации и помехи от источников питания и другие.
Известно устройство контроля цифрового ЦПУ, раскрытое в описании полезной модели [3]. Это устройство содержит первый, второй, третий и четвертый ключи, при этом устройство контроля ЦПУ выполнено с возможностью передачи на электронно-вычислительную машину (ЭВМ) сигналов от проверяемого ЦПУ и получения от ЭВМ сигналов управления ключами. В устройство дополнительно введен вращающийся трансформатор (ВТ), первый, второй, третий и четвертый ключи выполнены двухполюсными, первые входы двухполюсных ключей соединены между собой и являются входами для подключения к выходу напряжения возбуждения проверяемого ЦПУ, вторые входы двухполюсных ключей соединены между собой и являются входами для подключения к нулю напряжения возбуждения проверяемого ЦПУ, выходы первого и второго ключей подключены соответственно к первому и второму выводам первой статорной обмотки ВТ, выходы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к первому и второму выводам второй статорной обмотки ВТ, первый и второй выводы первой роторной обмотки ВТ являются выходами для подключения соответственно к синусному и инверсному синусному входам проверяемого ЦПУ, а первый и второй выводы второй роторной обмотка ВТ являются выходами для подключения соответственно к косинусному и инверсному косинусному входам проверяемого ЦПУ, при этом на управляющие входы ключей подаются сигналы, подключающие на статорные обмотки ВТ в определенных различных комбинациях напряжение возбуждения или нуль напряжения возбуждения и формирующие на роторных обмотках ВТ напряжения, соответствующие заданным углам, дополнительно сдвинутым на угол поворота вала.
Недостатком устройства, раскрытого в описании полезной модели [3] является ограниченное количество точек контроля.
Известно также устройство автоматического контроля ЦПУ, раскрытое в описании полезной модели [4]. Это устройство является по технической сущности наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.
Устройство-прототип содержит формирователь тестовых сигналов, проверяемый ЦПУ и электронно-вычислительную машину (ЭВМ), вход которой является входом для подключения выходного сигнала проверяемого ЦПУ. Формирователь тестовых сигналов содержит первый, второй, третий и четвертый идентичные резисторы, первые выводы которых соединены между собой и связаны со входом формирователя тестовых сигналов, который является входом для подключения напряжения возбуждения от проверяемого ЦПУ, первый, второй, третий и четвертый однополюсные ключи, первые выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно первого, второго, третьего и четвертого резисторов, соединенными соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами формирователя тестовых сигналов, которые являются выходами формирователя тестовых сигналов для подключения соответственно прямого синусного, инверсного синусного, прямого косинусного и инверсного косинусного входов проверяемого ЦПУ. Вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого однополюсных ключей соединены с шиной нулевого потенциала. Выходы ЭВМ подключены к управляющим входам однополюсных ключей, на которых ЭВМ формирует управляющие сигналы при формировании тестовых сигналов, соответствующих углам 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° и 315°. При этом на управляющем входе первого ключа с соответствующего выхода ЭВМ формируется сигнал включения ключа при формировании тестового сигнала, соответствующего углам 0°, 180°, 225°, 270°, 315° и формируется сигнал отключения ключа при формировании тестового сигнала соответствующего другим углам, на управляющем входе второго ключа с соответствующего выхода ЭВМ формируется сигнал включения ключа при формировании тестового сигнала, соответствующего углам 0°, 45°, 90°, 135° и 180° и формируется сигнал отключения ключа при формировании тестового сигнала соответствующего другим углам, на управляющем входе третьего ключа с соответствующего выхода ЭВМ формируется сигнал включения ключа при формировании тестового сигнала, соответствующего углам 90°, 135°, 180°, 225°, 270° и формируется сигнал отключения ключа при формировании тестового сигнала, соответствующего другим углам, на управляющем входе четвертого ключа с соответствующего выхода ЭВМ формируется сигнал включения ключа при формировании тестового сигнала, соответствующего углам 0°, 45°, 90°, 270°, 315° и формируется сигнал отключения ключа при формировании тестового сигнала соответствующего другим углам. При этом входы ЦПУ подключены к выходам формирователя тестовых сигналов либо через разъемы, либо через релейные элементы.
Недостатком устройства-прототипа является ограниченное количество точек контроля (8), не позволяющее выявить погрешность вида δ=k sin4α, характерную для дифференциальных фазовых ЦПУ, так как в точках кратных 45°, при которых проводится контроль преобразователя, значение этой составляющей погрешности равно нулю (здесь δ - относительная погрешность преобразования, k - коэффициент пропорциональности, α - угловое воздействие).
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание простого устройства с увеличенным количеством проверяемых точек для автоматического контроля ЦПУ без использования метрологического аттестационного оборудования.
Технический результат от использования предлагаемого устройства заключается в повышении точности контроля ЦПУ.
Предлагаемое устройства контроля ЦПУ позволяет точно формировать (имитировать) синусно-косинусные напряжения для проверки ЦПУ в 16-ти точках.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство контроля цифрового преобразователя угла (ЦПУ), содержащее формирователь тестовых сигналов, электронно-вычислительную машину (ЭВМ), вход которой при проведении контроля подключен к цифровому выходу проверяемого ЦПУ, дополнительно введены делитель опорного напряжения, первый и второй однополюсные ключи, буферный усилитель и разделительный конденсатор, при этом в предлагаемом устройстве формирователь тестовых сигналов содержащит четыре одинаковых управляемых делителя напряжения, каждый из которых содержит первый и второй двухполюсные ключи, выходы которых соединены между собой через одинаковые первый и второй резисторы и являются выходом управляемых делителей напряжения для подключения прямого синусного входа проверяемого ЦПУ к выходу первого управляемого делителя напряжения, инверсного синусного входа проверяемого ЦПУ к выходу второго управляемого делителя напряжения, прямого косинусного входа проверяемого ЦПУ к выходу третьего управляемого делителя напряжения и инверсного косинусного входа проверяемого ЦПУ к выходу четвертого управляемого делителя напряжения, первые входы первого и второго двухполюсных ключей управляемых делителей напряжения соединены между собой и через разделительный конденсатор, подключены к выходу буферного усилителя, вход которого соединен с выходом делителя опорного напряжения, вторые входы первого и второго двухполюсных ключей управляемых делителей напряжения соединены с шиной нулевого потенциала, управляющие выходы ЭВМ подключены к управляющим входам всех управляемых делителей напряжения, которые являются управляющими входами первого и второго двухполюсных ключей, на которых ЭВМ формирует управляющие сигналы, делитель опорного напряжения содержит первый, второй и третий резисторы, при этом первый вывод первого резистора делителя опорного напряжения соединен с выходом опорного напряжения проверяемого ЦПУ, второй вывод первого резистора делителя опорного напряжения соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов делителя опорного напряжения и является выходом делителя опорного напряжения, второй вывод второго резистора делителя опорного напряжения соединен через первый однополюсный ключ с шиной нулевого потенциала, а второй вывод третьего резистора делителя опорного напряжения соединен с шиной нулевого потенциала через второй однополюсный ключ, управляющие входы первого и второго однополюсных ключей подключены к управляющим выходам ЭВМ.
В предлагаемом устройстве тестовые сигналы формируются путем подключения к входам проверяемого ЦПУ в определенном порядке сигналов, эквивалентных сигналам в угловых точках, кратных 45° и в угловых точках, в которых tgα=±0,5 (26° 33' 54'', 153° 26' 06'', 206° 33' 54'' и 333° 26' 06'') и tgα=±2 (63° 26' 06'', 116° 33' 54'', 243° 26' 06'' и 296° 33' 54''). При обработке полученных измерений в ЭВМ для всех точек определяется погрешность.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором обозначены:
1 - формирователь тестовых сигналов;
2, 3, 4, 5 - первый, второй, третий и четвертый управляемые делители напряжения Д1, Д2, Д3 и Д4, соответственно, составляющие формирователь тестовых сигналов;
6 и 7 - соответственно первый К1 и второй К2 двухполюсные ключи управляемых делителей 2, 3, 4, 5 напряжения;
8 и 9 -первый R1 и второй R2 резисторы управляемых делителей 2, 3, 4, 5 напряжения, соответственно;
10 - разделительный конденсатор;
11 - контролируемый ЦПУ;
12 - буферный усилитель;
13 - делитель опорного напряжения Д5;
14, 16 и 17 - первый R3, второй R4 и третий R5 резисторы делителя 13 опорного напряжения, соответственно;
15 - ЭВМ;
18, 19 - соответственно первый К3 и второй К4 однополюсные ключи.
Предлагаемое устройство контроля ЦПУ содержит формирователь тестовых сигналов 1, состоящий из управляемых делителей напряжения 2, 3, 4 и 5, и ЭВМ 15, вход которой при проведении контроля подключен к цифровому выходу проверяемого ЦПУ 11.
Формирователь тестовых сигналов 1 содержит четыре одинаковых управляемых делителя 2, 3, 4 и 5 напряжения, каждый из которых содержит первый и второй двухполюсные ключи 6 и 7, выходы которых соединены между собой через одинаковые резисторы 8 и 9, точка соединения которых является выходом делителей 2, 3, 4 и 5.
Управляющая ЭВМ 15 выполнена в виде микроЭВМ, расположенной на одной плате с другими элементами предлагаемого устройства.
Выход первого управляемого делителя 2 напряжения является выходом для подключения прямого синусного входа проверяемого ЦПУ 11 : входа Usinα. Выход второго управляемого делителя 3 напряжения является выходом для подключения инверсного синусного входа проверяемого ЦПУ 11 : входа -Usinα. Выход управляемого делителя 4 напряжения является выходом для подключения прямого косинусного входа проверяемого ЦПУ 11 : входа Ucosα. Выход управляемого делителя 5 напряжения является выходом для подключения инверсного косинусного входа проверяемого ЦПУ 11 : входа -Ucosα.
Первые входы двухполюсных ключей 6 и 7 управляемых делителей 2, 3, 4 и 5 напряжения соединены между собой и через разделительный конденсатор 10, исключающий прохождение на входы управляемых делителей напряжения 2, 3, 4 и 5 постоянного напряжения, подключены к выходу буферного усилителя 12, вход которого соединен с выходом делителя опорного напряжения 13.
Емкость конденсатора 10 выбирают таким образом, чтобы его реактивное сопротивление не влияло на фазовые характеристики опорного напряжения при прохождении его через конденсатор.
REF
Вторые входы двухполюсных ключей 6 и 7 управляемых делителей напряжения 2, 3, 4 и 5 соединены с шиной нулевого потенциала «0». Выходы ЭВМ 15 подключены к входам управляемых делителей напряжения 2, 3, 4 и 5, которые являются управляющими входами двухполюсных ключей 6 и 7, на которые поступают сигналы управления от ЭВМ 15 при формировании всех проверяемых точек.
REF
REF
REF
Делитель 13 опорного напряжения содержит первый резистор 14 (R3), второй резистор 16 (R4) и третий резистор 17 (R5), при этом первый вывод первого резистора 14 соединен с выходом опорного напряжения U проверяемого ЦПУ 11, второй вывод первого резистора 14 соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов 16 и 17 и является выходом делителя опорного напряжения 13, второй вывод второго резистора 16 соединен через первый однополюсный ключ 18 с шиной нулевого потенциала «0», а второй вывод третьего резистора 17 соединен с шиной нулевого потенциала «0» через второй однополюсный ключ 19, управляющие входы однополюсных ключей 18 и 19 подключены к управляющим выходам ЭВМ 15, подключающей, в зависимости от выбранной точки, ко входу формирователя тестового сигнала 1 необходимый уровень опорного напряжения.
REF
Сопротивления резисторов 8 и 9 управляемых делителей 2, 3, 4 и 5 напряжения, имеют одинаковую величину и выбираются на один-два десятичных порядка меньше входного сопротивления проверяемого ЦПУ 11. Сопротивления резисторов 16, 17 и 18 управляемых делителя 13 опорного напряжения выбирают таким образом, чтобы не нагружать выход U. ЦПУ 11. Обычно величина сопротивлений резисторов 8, 9, 16, 17 и 18 выбирают в пределах от единиц до десятков килоом.
Предлагаемое устройство для контроля ЦПУ работает следующим образом.
REF
REF
REF
REF
Формирование синусно-косинусных напряжений в углах 0°, 90°, 180° и 270° осуществляется подключением резисторов 8 и 9 одного из управляемых делителей 2, 3, 4 или 5 напряжения в соответствии со значениями функций Usinα и Ucosα в выбранной угловой точке к шине напряжения возбуждения через буферный усилитель 12 и конденсатор 10. При этом резисторы 8 и 9 остальных управляемых делителей напряжения подключены к шине нулевого потенциала «0». При имитации угловых точек 45°, 135°, 225° и 315° в зависимости от знака функций Usinα и Ucosα в соответствующих квадрантах напряжения возбуждения через буферный усилитель 12 и конденсатор 10 подключена одна пара резисторов 8 и 9 из управляемых делителей напряжения 2 или 3 и одна пара резисторов 8 и 9 из управляемых делителей напряжения 4 или 5. Остальные резисторы 8 и 9 управляемых делителей напряжения при этом подключены к шине нулевого потенциала «0». Таким образом, в углах 0°, 90°, 180° и 270° на один из четырех дифференциальных входов проверяемого ЦПУ 11 через параллельно включенную пару резисторов 8 и 9 поступает усиленное напряжение возбуждения, три других входа проверяемого ЦПУ 11 через параллельно включенные пары резисторов 8 и 9 подключены к шине нулевого потенциала «0». В угловых точках 45°, 135°, 225° и 315° на синусный и косинусный входы ЦПУ 11 одновременно через параллельно включенные пары резисторов 8 и 9 выбранных управляемых делителей напряжения поступает усиленное напряжение возбуждения, а два других разноименных входа ЦПУ 11 через параллельные пары резисторов 8 и 9 управляемых делителей напряжения подключены к шине нулевого потенциала «0». Благодаря тому, что усиленное напряжение возбуждения поступает на входы проверяемого ЦПУ 11 через одинаковые резисторы, при условии равенства входных сопротивлений дифференциальных входов ЦПУ 11 или при их достаточно большой величине по отношению к величине R/2, на входах проверяемого ЦПУ 11 напряжения Usinα и Ucosα будут равны. Здесь величина R/2 равна параллельному соединению резисторов 8 и 9 величины сопротивления любого управляемого делителя 2, 3, 4 и 5. Равенство указанных напряжений обеспечивает точную имитацию входных напряжений в угловых точках 45°, 135°, 225° и 315°.
1
2
При имитации угловых точек, в которых tgα=±0,5 (26° 33' 54'', 153° 26' 06'', 206° 33' 54'' и 333° 26' 06'') или tgα=±2 (63° 26' 06'', 116° 33' 54'', 243° 26' 06'' и 296° 33' 54'') устройство формирует на одном из входов ЦПУ 11, например, на синусном входе, напряжение, пропорциональное половине напряжения возбуждения, а на другом входе ЦПУ 11, например, на косинусном входе, напряжение, пропорциональное напряжению возбуждения. При этом при положительном значении функции Usinα напряжение формируется на прямом синусном входе ЦПУ 11, а при отрицательном значении функции Usinα напряжение формируется на инверсном синусном входе ЦПУ 11, аналогично напряжения формируется и на косинусных входах преобразователя. Для исключения погрешности, вносимой резисторами управляемого делителя напряжения 8 (R1) и 9 (R2), формирующими напряжение, пропорциональное половине напряжения возбуждения, измерение в указанных точках проводится за две проверки. В первой проверке к выходу буферного усилителя 12 подключен один из резисторов 8 или 9 управляемого делителя 13 напряжения, а второй резистор подключен к шине нулевого потенциала, при этом преобразователь 11 измеряет значение угла α. Во второй проверке резисторы управляемого делителя 13 напряжения меняются местами: второй резистор 8 или 9 подключен к выходу буферного усилителя 12 напряжения возбуждения, а первый резистор к шине нулевого потенциала, и преобразователь 11 измеряет значение угла α. За результат измерения угла принимается полусумма двух измерений, полученных в первой и во второй проверках, то есть
Таким образом, подключая на один из входов проверяемого ЦПУ 11 sinα (cosα) сигнал, пропорциональный напряжению возбуждения, а на другой вход ЦПУ 11 cosα (sinα) сигнал, пропорциональный половине напряжения возбуждения, устройство позволяет дополнительно точно имитировать 8 угловых точек, в которых tgα=±0,5 или tgα=±2, практически без внесения в результат измерения погрешностей рассматриваемого устройства.
-8
-4
Расчеты показывают, что погрешность преобразования Δ, обусловленная погрешностями резисторов R1 и R2 крайне мала, так, например, при использовании в делителях резисторов с допуском 0,1%, Δ=4×10 радиана или 0,008'' (угловой секунды), а при использовании в делителях резисторов с допуском 10%, величина Δ=4×10 радиана или 1,2' (угловой минуты). То есть, при разумном выборе допуска резисторов (0,05%-0,1%) величиной Δ можно просто пренебречь.
Полный объем проверок ЦПУ 11 с помощью предлагаемого устройства приведен в таблице 2.
Для устранения влияния изменения абсолютного значения входного напряжения в различных проверяемых угловых точках на точность ЦПУ 11 на делители 2, 3, 4 и 5 усиленное напряжение возбуждения поступает через делитель 13, состоящий из резисторов 14, 16, и 17 (R3, R4 и R5) и двух однополюсных ключей 18 (К3) и 19 (К4). В проверяемых точках 0°, 90°, 180° и 270° выходное напряжение делителя 13 должно быть равно номинальному входному напряжению проверяемого ЦПУ 11. В точках 45°, 135°, 225° и 315°, при замкнутом ключе 18 (К3), выходное напряжение делителя 13 должно быть примерно равно 0,707 от номинального значения, а в остальных точках примерно 0,9 от номинального значения входного напряжения ЦПУ 11. Данные о нагрузке делителя 13 приведены в таблице 1.
Примечание.
Где R - сопротивление первого и второго резисторов 8 и 9 управляемых делителей 2, 3, 4 и 5 напряжения,
Rвх - входное сопротивление проверяемого ЦПУ 11,
Uн - номинальное входное напряжение проверяемого ЦПУ 11.
Необходимо отметить, что к точности формирования выходного напряжения делителя 13 предъявляются низкие требования, так как на точность формирования отношения выходных напряжений управляемых делителей 2, 3, 4 и 5 последняя не оказывает никакого влияния. Выходное сопротивление управляемых делителей напряжения 2, 3, 4 и 5 от выхода делителя 13 во всех угловых комбинациях одинаково и равно R/2. А буферный операционный усилитель 12, включенный между выходом делителя 13 и входами делителей 2, 3, 4 и 5 обеспечивает независимость от выходного сопротивления делителя 13.
Примечание к таблице 2.
1. В таблице 2 обозначено:
для ключей К1 и К2
«1» - подключение ключа к шине опорного напряжения,
«0» - подключение ключа к шине нулевого потенциала;
для ключей К3 и К4
«1» - замкнутое положение ключа,
«0» - разомкнутое положение ключа.
К рассматриваемому устройству практически не предъявляется никаких метрологических требований, так как в точках 0°, 90°, 180° и 270° одно из напряжений, (например, Usinα=0 в точках 0° и 180°) равно нулю, а абсолютная величина другого (Ucosα) может изменяться в достаточно широких пределах (десятки процентов), в точках 45°, 135°, 225° и 315° важно только равенство напряжений Usinα и Ucosα, а не их абсолютная величина. Равенство последних обеспечивается подключения на соответствующие входы ЦПУ 11 одного и того же опорного напряжения через одинаковые резисторы управляемых делителей 2, 3, 4 и 5 напряжения. В точках, в которых tgα=±0,5 или tgα=±2, точность формирования угловых эквивалентов обеспечивается проведением в каждой точке двух измерений, в которых резисторы 8 и 9 в плечах используемых управляемых делителей 2, 3, 4 и 5 напряжения меняются местами, а в качестве результата преобразования используется среднее арифметическое из двух измерений.
Таким образом, технический результат от использования предлагаемого устройства заключается в повышении точности контроля ЦПУ. Сочетая в себе относительную простоту, высокую точность контроля, и не являясь средством измерения, устройство позволяет осуществлять прецизионный контроль ЦПУ.
Достоинствами предлагаемого устройства являются:
- увеличение полноты контроля ЦПУ,
- отсутствие узлов, требующих для проверки прецизионного и дорогостоящего метрологического аттестационного оборудования,
- простота реализации.
Предлагаемое устройство для контроля ЦПУ выполнено в виде конструктивно и функционально законченного устройства, может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей и использовано для автоматического контроля функционирования и проверки точности цифрового преобразователя угла, что и подтверждает промышленную применимость заявляемой полезной модели.
Источники информации
1. А.А. Ахметжанов, А.В. Кочемасов. Следящие системы и регуляторы. Москва, Энергоатомиздат, 1986 г.
2. В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Москва, Энергоатомиздат, 1987 г.
3. Патент РФ №179243 на ПМ, МПК G01B 21/22, опубл. 07.05.2018 г.
4. Свид. РФ №22992 на ПМ, МПК G01B 21/22, опубл. 10.05.2002 г. (прототип).