Гибридный способ измерения углового положения
HYBRID METHOD OF MEASURING ANGULAR POSITION

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, и может быть использовано при создании высокоточных аналого-цифровых преобразователей и систем контроля параметров изделий электронной техники. Техническим результатом является то, что гибридные датчики позволяет значительно уменьшить погрешность измерения углового положения даже при использовании в своем составе относительно грубых цифровых и аналоговых датчиков. Это также позволяет применять датчики меньших габаритных размеров и цифровые преобразователи угла меньшей разрядности.
В системах автоматики аналоговые датчики в чистом виде применяются относительно редко, чаще они применяются в комплексе с аналого-цифровым преобразователем выходного сигнала. Такое комплексирование позволяет значительно упростить обработку выходного сигнала в современных цифровых вычислительных системах. При этом основным недостатком аналоговых датчиков остается относительно высокая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий: температуры, влажности, давления и т.д.
В изобретении предлагается гибридный способ измерения углового положения, использующий и аналоговый и цифровой датчики, связанные определенным образом как конструктивно, так и алгоритмически с целью получения единого выходного сигнала.
Известны способы преобразования угла поворота вала в код по А.С. 1181135 (СССР) и по А.С. 1786662 (СССР), основанные на том, что вал датчика поворачивают на равномерно расположенные углы в диапазоне преобразования, преобразуют угол поворота вала в сигналы, определяют амплитуды и фазы пространственных гармоник погрешности преобразования, формируют поправки и затем формируют выходной код угла. Способы отличаются тем, что имеют недостаточно высокие характеристики по точности.
Известно устройство для измерения угловых перемещений RU 2313764 С1, 27.12.2007, МПК: G01B 7/30, содержащее формирователь синусоиды, трансформаторный датчик угла, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, регистр данных, блок управления и синхронизации и генератор.
Недостатком этого устройства является погрешность, обусловленная напряжением смещения измеряемого напряжения.
Известен преобразователь угла поворота вала в код, патент РФ 2310984, МПК H03M 1/64, опубликован 20.11.2007 г. содержащий три синусно-косинусных трансформаторных датчика, коммутатор, интеграторы, функциональный преобразователь отношения напряжений в код, пороговые элементы, элементы И-НЕ, формирователь времени интегрирования, счетчик, триггер и формирователь сигнала исходного состояния, причем формирователь времени интегрирования содержит элемент НЕ, генератор импульсов, счетчик-распределитель и триггер.
Недостатком известного преобразователя является низкое быстродействие, обусловленное тем, что на преобразование (интегрирование, кодирование и подготовку (обнуление) интеграторов к следующему циклу интегрирования) каждого из входных параметров затрачивается время, равное периоду входных сигнальных напряжений.
Известен способ измерения угла поворота вала (Авторское свидетельство СССР №746656, Кл. Н03М 1/64, 1977 г.), основанный на преобразовании угла α поворота вала в два сигнала переменного тока, сдвинутых по фазе пропорционально углам α и -α относительно опорного сигнала, преобразовании сдвинутых по фазе сигналов в периодические последовательности ST и SP импульсов, формировании текущих значений угла путем измерения длительности временных интервалов между ST и SP импульсами.
Недостатком известного способа является динамическая погрешность, вызванная смещением импульса начала временного интервала к моменту его окончания, т.е. к моменту окончания формирования значения угла α. Величина динамической погрешности зависит от длительности временных интервалов между ST и SP импульсами и скорости вращения вала. Неопределенность момента окончания формирования значения угла α по отношению к опорному сигналу усложняет процесс обмена информацией с вычислительным устройством и может вносить дополнительную погрешность запаздывания приема информации вычислительным устройством. Кроме того, диапазон работы в известном устройстве ограничен половиной полюсного деления фазовращателя.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является патент РФ №2235422 Способ преобразования угла поворота вала в код. Опубликован: 27.08.2004. Бюл. №24. Известный способ основан на том, что вал первого и второго датчиков поворачивают на равномерно расположенные углы в диапазоне преобразования, преобразуют угол поворота вала в сигналы первого и второго датчиков с различными спектрами пространственной погрешности, определяют амплитуды и фазы пространственных гармоник погрешности преобразования, формируют поправки и затем формируют выходной код угла.
Из приведенного выше краткого описания известного способа видно, что обработка информации, заложенной в сигналах датчиков, с целью выявления параметров погрешности, а также формирование поправки и компенсация погрешности осуществляются аналоговыми методами с использованием импульсных сигналов. Известно, что операции формирования импульсов, сравнения их длительности, сложения длительности импульсов сопряжены с погрешностями, обусловленными асинхронностью импульсов, конечной длительностью их фронтов и т.п. Указанные погрешности снижают точность определения параметров гармоник погрешности, формирования поправки и, в целом, ограничивают возможности повышения точности преобразования угла поворота вала в код известным способом. Кроме того, реализация известного способа требует значительных аппаратных затрат, поскольку осуществляется элементами аналоговой техники, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик и увеличению энергопотребления устройств, реализующих известный способ.
Цель изобретения - уменьшение погрешности измерения углового положения поворота вала при использовании в своем составе относительно грубых цифровых и аналоговых датчиков и уменьшение массогабаритных характеристик датчика.
a
цi
Для достижения указанной цели предлагаемый Гибридный способ измерения углового положения, включающий в себя измерение угла поворота двумя датчиками, с различными характерами погрешностей, обработку полученных сигналов, внесение коррекции расчетными величинами погрешностей, формирование выходного значения угла, дополнительно использует размещение на одном валу аналоговый и цифровой датчики различного принципа измерения, с совмещенными диапазонами измерений. В процессе работы цифровой датчик выдает номер текущего кванта i, контроллер вычисляет значение измеренного угла γ по текущим значениям сигналов аналогового датчика β и цифрового датчика β по формуле:
1i
i
11
21
11
21
где b, k - коэффициенты получены в процессе предварительной калибровки: вращая вал гибридного датчика во всем диапазоне измерения фиксируют значения аналогового датчика (b, b) на границах кванта цифрового датчика, вычисляют коэффициенты угла наклона хорды [b, b] выходной характеристики аналогового датчика для текущего кванта цифрового датчика согласно выражения:
где  - угловая величина кванта цифрового датчика, N - число квантов цифрового датчика.
1i
i
1i
i
Массив значений поправочных коэффициентов (b, k, ) заносят в память контроллера, при помощи параметра b приводят начало участка выходной характеристики аналогового датчика в диапазоне i-кванта к значению цифрового датчика в данном кванте, при помощи коэффициента k, учитывают поправку требуемого наклона хорды выходной характеристики аналогового датчика, для приведения к углу наклона равному единице, что соответствует углу наклона идеального датчика.
Сущность изобретения поясняется 4 рисунками, при помощи которых поясняется принцип работы заявляемого способа. На Фиг. 1. представлен - вариант конструктивной синхронизации ЦД и АД, базирующихся на различных принципах измерения, на Фиг. 2 -представлены выходные характеристики ЦД и АД, на Фиг. 3 - приведены параметры калибровки первого кванта ЦД, на Фиг. 4 - представлены результаты математического моделирования.
Описание принципа работы Гибридного способа измерения углового положения приведем ниже.
Основная идея гибридного способа измерения углового положения заключается в использовании аналогового и цифрового датчиков, базирующихся на различных принципах измерения. В качестве примера можно рассмотреть конструкцию гибрида, в которой кодовый диск цифрового датчика и аналоговый датчик размещены на одном валу и их диапазоны измерения «жестко» совмещены (Фиг. 1).
Датчики, входящие в состав гибридного способа, имеют различные подходы к измерению углового положения, поэтому моделирование и анализ выходных характеристик датчиков удобно производить в прямоугольной декартовой системе координат «заданное угловое положение - выходное угловое положение». Это позволяет уйти от рассмотрения физических явлений происходящих в датчиках и параметров их описывающих.
К датчикам, которые входят в состав гибрида, предъявляются определенные требования:
- выходная характеристика АД должна быть монотонно возрастающей пропорционально угловому положению;
- выходная характеристика АД не должна иметь разрывов в пределах диапазона определения углового положения;
- выходная характеристика АД может иметь разрыв на границах измерения, например, в точке 0°-360°.
- максимальная точность ЦД в точках изменения кода.
ц
а
Для примера рассмотрим гибридный способ измерения углового положения, имеющий в своем составе цифровой и аналоговый датчики с выходными характеристиками соответственно β(α) и β(α) (Фиг. 2). Выходные характеристики совмещены в диапазоне измерения (0-2π).
а
Как видно из Фиг. 2, выходная характеристика β(α) аналогового датчика удовлетворяет ранее предъявленным требованиям. При этом заметим, что характеристика имеет ухудшающие моменты:
- разная степень кривизны на различных участках характеристики;
- имеются разрывы (смещение характеристики) при α=0 и α=2π;
- смещения характеристики при α=0 и α=2π не равны между собой.
p
Цифровой датчик - двоичный, имеет минимально требуемую разрядность n=2 и следовательно имеет число угловых положений (квантов) N равное
(2,2)
В качестве прототипа использовалась математическая модель однодорожечного двоичного цифрового датчика на основе Т-последовательности T={0011} [1]. Информация о кодах датчика представлена в Таблице 1.
Рассмотрим фрагмент алгоритма предварительно калибровки на примере первого кванта цифрового датчика (Фиг. 3).
а
11
21
В процессе вращения вала гибридного датчика, при появления сигнала о смене кода цифрового датчика, контроллер фиксирует значение угла β аналогового датчика, т.е. фиксируются значения аналогового датчика (b, b) на границах квантов ЦД.
11
21
11
21
По известным значениям b, b контроллер вычисляет коэффициент угла наклона хорды [b, b] выходной характеристики аналогового датчика для текущего кванта цифрового датчика
где  - угловая величина кванта цифрового датчика.
1i
i
Выполняя вращение вала гибридного датчика во всем диапазоне измерения α∈[0, 2π], получаем массив значений поправочных коэффициентов (b, k) для каждого i-го кванта (). Полученный массив заносится в память контроллера. Процесс калибровки завершен.
Роль поправочных коэффициентов, полученных в процессе калибровки, заключается в следующем.
1i
Параметр b позволяет привести начало участка выходной характеристики аналогового датчика в диапазоне i-кванта к значению цифрового датчика в данном кванте (смещение участка выходной характеристики).
i
Коэффициент k учитывает поправку требуемого наклона хорды выходной характеристики аналогового датчика для приведения к углу наклона равному единице, что соответствует углу наклона идеального датчика (Фиг. 3).
1i
i
Следовательно, поправочные коэффициенты b, k позволяют скорректировать показания аналогового датчика по показанию цифрового датчика в опорных точках (точки смены кода ЦД).
ц
а
1i
i
Таким образом, в процессе работы гибридный датчик, используя значения сигналов β, β цифрового и аналогового датчиков соответственно, с учетом поправочных коэффициентов b, k, контроллер вычисляет значение текущего углового положения вала γ по формуле
Для исходных данных (Фиг. 3) полученные поправочные коэффициенты приведены в Таблице 2, результаты математического моделирования работы гибридного датчика углового положения представлены на Фиг. 4.
В процессе моделирования вычислялась абсолютная погрешность для выходной характеристики аналогового датчика до выполнения калибровки, а также абсолютная погрешность для выходной характеристики, полученной гибридным способом. Погрешность вычислялась относительно характеристики идеального датчика.
Анализ результатов моделирования, показывает, что, если выходная характеристика аналогового способа удовлетворяет описанным ранее требованиям, то независимо от ее кривизны и формы выходная характеристика гибридного способа имеет значительно меньшую абсолютную погрешность.
Таким образом, гибридный способ позволяет значительно уменьшить погрешность измерения углового положения даже при использовании в своем составе относительно грубых цифровых и аналоговых датчиков. Это позволяет уменьшить размеры гибридного датчика, применяя аналоговые и цифровые датчики меньших габаритных размеров.
При гибридном способе процесс калибровки датчика не требует сложного стендового оборудования, необходимо выполнить только синхронизацию диапазонов измерения цифрового и аналогового датчиков. Отпадает необходимость использования внешнего эталонного датчика углового положения, т.к. роль опорного калибрующего устройства выполняет цифровой датчик. Дополнительным преимуществом является возможность снижения разрядности цифрового датчика для обеспечения требуемой точности считывания угла.
Способ может быть использован при решении инженерно-технических задач, связанных с необходимостью измерения углов отклонения ручек и рычагов управления и рулевых органов изменения аэродинамики летательных аппаратов.
Литература
1. Цацин А.А. Метод формирования Т-последовательностей для однокоординатных цифровых датчиков перемещений // Материалы IV научно-практической конференции памяти О.В. Успенского [Тескт] / Сборник докладов, - М.: Издательский дом Академии Н.Е. Жуковского, 2017. С.54-60.