ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА
ANGLE DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может найти применение как в цифровых системах наведения и управления огнем, так и в системах определения углового положения радаров, самолетов и различных системах народно-хозяйственного значения.
Известен цифровой преобразователь угла (ЦПУ) по патенту РФ №2259631, МПК H03M 1/48, опубликованному 27.08.2005 г. Устройство содержит двухфазный индукционный датчик угла, первый и второй функциональные цифроаналоговые преобразователи, первый, второй, третий, четвертый и пятый суммирующие усилители, первый и второй вычитающие усилители, первый, второй и третий коммутаторы, первый и второй блоки цифровых инверторов, первый, второй и третий цифровые инверторы, цифроаналоговый преобразователь, реверсивный счетчик, формирователь управляющих сигналов реверсивного счетчика, корректирующее звено, первый, второй, третий и четвертый демодуляторы, первое, второе и третье интегрирующие звенья, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые аналоговые инверторы, первый и второй усилители-формирователи, перепрограммируемое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, амплитудно-частотный нормализатор. Однако коррекция сигнала углового положения в данном устройстве выполняется в аналоговом виде, что ведет к необходимости введения в схему аналого-цифрового преобразователя, перепрограммируемого запоминающего устройства и цифроаналогового преобразователя и, соответственно, росту аппаратных затрат и энергопотребления.
s
c
Наиболее близким по техническим характеристикам является цифровой преобразователь угла, предложенный в патенте РФ №2365032, МПК H03M 1/00 опубликованном 20.08.2009 г. Преобразователь обеспечивает следящее преобразование углового положения ротора двухфазного индукционного датчика угла в выходной двоичный код для широкого диапазона частот напряжения возбуждения и содержит двухфазный датчик угла типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) с угловым положением ротора α и с выходными напряжениями U и U переменного тока; генератор напряжения возбуждения двухфазного индукционного датчика угла; электронный аналог СКВТ-приемника, фазовый детектор с выходным фильтром низких частот; цепи коррекции, содержащие два аналоговых инвертора, аналоговый сумматор, детектор с фильтром низких частот, три компаратора и два D-триггера; преобразователь напряжения в частоту; двоичный реверсивный счетчик с текущим значением кода N-выходным кодом цифрового преобразователя угла; шину выходного кода N. Но данное устройство в процессе следящего преобразования не учитывает изменение коэффициента трансформации двухфазного индукционного датчика угла при изменении температуры окружающей среды, а также эффекты саморазогрева обмоток датчика в процессе работы.
Задачей изобретения является создание цифрового преобразователя угла (ЦПУ) с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - повышение точности преобразования углового положения ротора двухфазного индукционного датчика угла в цифровой код при значительном расширении рабочего температурного диапазона: от минус 60 до плюс 80°C.
Это достигается тем, что в цифровой преобразователь угла, содержащий генератор напряжения возбуждения, выход которого соединен с обмоткой возбуждения двухфазного индукционного датчика угла типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ); СКВТ-приемник, опорный вход которого соединен с выходом генератора напряжения возбуждения, синусный и косинусный входы соединены соответственно с синусным и косинусным выходами двухфазного индукционного датчика угла, а выход соединен с преобразователем напряжение-частота; реверсивный счетчик, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, а выход с цифровым входом СКВТ-приемника, дополнительно введены первый выпрямитель, вход которого соединен с выходом генератора напряжения возбуждения; второй выпрямитель, вход которого соединен с косинусным выходом двухфазного индукционного датчика угла; сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго выпрямителей, а выход соединен с усилителем; аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого соединен с выходом усилителя, а опорный вход соединен с выходом первого выпрямителя; контроллер, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами реверсивного счетчика и выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен с шиной выходного кода N.
Причем в цифровом преобразователе угла СКВТ-приемник состоит из электронного аналога, первого, второго и третьего компараторов, первого и второго D-триггеров, детектора с выходным фильтром низких частот, первого и второго аналоговых инверторов и аналогового сумматора. При этом выход генератора напряжения возбуждения подключен к первому входу третьего компаратора, а также второму входу третьего компаратора через детектор с выходным фильтром низких частот; синусный выход двухфазного индукционного датчика угла соединен с первым входом электронного аналога, аналоговым входом первого аналогового инвертора и первым входом первого компаратора, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала; косинусный выход двухфазного индукционного датчика угла соединен со вторым входом электронного аналога, аналоговым входом второго аналогового инвертора и вторым входом второго компаратора, первый вход которого подключен к шине нулевого потенциала; выход первого компаратора соединен с информационным входом первого D-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу третьего компаратора, а выход к управляющему входу первого аналогового инвертора; выход второго компаратора соединен с информационным входом второго D-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу третьего компаратора, а выход к управляющему входу второго аналогового инвертора; выходы первого и второго аналогового инвертора через аналоговый сумматор подключены ко второму входу фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом электронного аналога, а выход через преобразователь напряжение-частота соединен с управляющим входом двоичного реверсивного счетчика, поразрядные выходы которого подключены к соответствующим цифровым входам электронного аналога.
На чертеже представлена блок-схема цифрового преобразователя угла, содержащего генератор напряжения возбуждения 1, напряжение с выхода которого поступает на обмотку возбуждения двухфазного индукционного датчика угла 2 с угловым положением ротора α и выходными напряжениями переменного тока, с амплитудами, пропорциональными синусу и косинусу углового положения ротора; СКВТ-приемник 3, на опорный вход которого поступает напряжение возбуждения с генератора напряжения возбуждения 1, а на синусный и косинусный входы напряжения с соответственно синусного и косинусного выходов двухфазного индукционного датчика угла 2, формирующий выходное напряжение, пропорциональное разности между угловым положением ротора двухфазного индукционного датчика угла 2 α и текущим кодом углового положения, поступающим с реверсивного счетчика 4 на цифровой вход СКВТ-приемника 3; преобразователь напряжение-частота 5, выполняющий преобразование напряжения с выхода СКВТ-приемника 3 в сигнал управления реверсивным счетчиком 4; первый выпрямитель 6, выполняющий вычисление амплитуды напряжения на выходе генератора напряжения возбуждения 1; второй выпрямитель 7, выполняющий вычисление амплитуды напряжения, на косинусном выходе двухфазного индукционного датчика угла 2; усилитель 8, выполняющий усиление разности амплитуд напряжений на выходах первого 6 и второго 7 выпрямителей, связанных соответственно с первым и вторым входами сумматора 9; аналого-цифровой преобразователь 10, преобразующий поступающий на информационный вход выходной сигнал с усилителя 8 в цифровой код с использованием сигнала с выхода первого выпрямителя 6 в качестве опорного; контроллер 11, выполняющий коррекцию кода углового положения, поступающего на первый вход с реверсивного счетчика 4 на основе значения, поступаемого с аналого-цифрового преобразователя 10 на второй вход, и формирующий выходной код ЦПУ N.
При работе данной схемы в следящем режиме на выходе реверсивного счетчика 4 будет устанавливаться значение кода N, при котором выполняется условие тождественного равенства значений α и N, однако для этого необходимо обеспечивать постоянность амплитуд напряжений на выходах двухфазного индукционного датчика угла 2 при неизменном угловом положении ротора α. При изменении температуры окружающей среды изменяется сопротивление обмоток двухфазного индукционного датчика угла 2, при этом изменяется коэффициент трансформации и изменяются амплитуды напряжений на его выходах, что ведет к ошибке определения углового положения ротора. Указанная проблема решается путем определения текущего коэффициента трансформации двухфазного индукционного датчика угла 2 и последующей компенсации двоичного кода, получаемого с реверсивного счетчика 4.
Коэффициент трансформации Кт двухфазного индукционного датчика угла определяется как отношение амплитуд напряжений на обмотке возбуждения Uв и косинусной обмотке Uc при нулевом положении ротора α:
Кт=Uс/Uв
Определение амплитуд напряжений на обмотках двухфазного индукционного датчика угла происходит с использованием выпрямителей, коэффициенты усиления которых подбираются таким образом, что в нормальных климатических условиях Кт=1.
Для повышения точности определения коэффициента трансформации двухфазного индукционного датчика угла и снижения аппаратных затрат (использование только одного аналого-цифрового преобразователя) выполняется преобразование усиленной разности К*(Uв-Uc) в цифровой код с использованием амплитуды напряжения Uв в качестве опорного.
При выполнении данного преобразования получаемый на выходе аналого-цифрового преобразователя двоичный код вычисляется как
N'=K*(Uв-Uс)/Uв
Полученный двоичный код поступает на вход контроллера, выполняющего вычисление текущего значения коэффициента трансформации двухфазного индукционного датчика угла в соответствии со следующей формулой:
Кт=Uc/Uв=1-N'/K
Поскольку в нормальных климатических условиях коэффициент трансформации двухфазного индукционного датчика угла равен 1, отклонение коэффициента трансформации при изменении температуры окружающей среды определяется как
ΔKт(T)=N'/K
Полученное отклонение коэффициента трансформации от номинального значения в дальнейшем используется контроллером для коррекции получаемого с реверсивного счетчика двоичного кода и формирования выходного кода ЦПУ.
Таким образом, введение первого и второго выпрямителей для получения текущего значения амплитуд напряжений на обмотке возбуждения и косинусной обмотке двухфазного индукционного датчика угла; сумматора, обеспечивающего вычисление разности амплитуд напряжений на обмотке возбуждения и косинусной обмотке двухфазного индукционного датчика угла; аналого-цифрового преобразователя, обеспечивающего вычисление коэффициента трансформации и преобразования его в цифровой код; контроллера, выполняющего коррекцию цифрового кода угла в зависимости от текущего значения коэффициента трансформации, позволило снизить погрешность определения углового положения для двухфазных индукционных датчиков угла на примере СКТ-265П с 10 до 1 угловой минуты при работе в диапазоне температур от минус 60 до плюс 80°C.