ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА
DIGITAL ANGLE CONVERTER

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для управления угловым положением подвижных частей объекта регулирования.
Известен преобразователь угла поворота в код, содержащий синусно-косинусный трансформаторный датчик, источник напряжения, первый и второй переключатели, первый и второй интеграторы, преобразователь код-напряжение, реверсивный счетчик, функциональный преобразователь отношения напряжений в код, блок управления, компаратор, генератор импульсов, первый и второй элементы И (см. патент №2282938, 15.02.2005). Недостатком преобразователя является невысокое быстродействие и большое время установления, характерное для следящих систем, а также большая погрешность измерения при переходных процессах (скачкообразном изменении угла поворота).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является цифровой преобразователь угла (ЦПУ), принятый за прототип и содержащий (см. патент №2435296, 25.10.2010) датчик угла, генератор напряжения возбуждения ДУ, формирователь опорного напряжения, первый и второй аналоговые сумматоры, первый и второй функциональный цифроаналоговые преобразователи, электронный аналог СКВТ-приемника, реверсивный двоичный счетчик, демодулятор с интегрирующим звеном и преобразователь напряжения в частоту. Недостатком преобразователя также является невысокое быстродействие, большое время установления, характерное для следящих систем, и большая погрешность измерения при переходных процессах.
Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия и точности преобразования угла поворота вала в код.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается за счет применения многоразрядных АЦП, ЦАП и полностью цифровой обработки сигналов. При этом интервал времени измерения угла составляет один период синусоидального напряжения возбуждения синусно-косинусного вращающегося трансформатора, а частота выдачи данных угла равняется частоте сигнала возбуждения.
В предлагаемом варианте цифрового преобразователя угла, содержащем синусно-косинусный вращающийся трансформатор и один цифроаналоговый преобразователь, в отличие от известного прототипа отсутствует второй цифроаналоговый преобразователь, при этом дополнительно введены усилитель, первый, второй и третий фильтр нижних частот, первый и второй аналого-цифровой преобразователь, первый, второй, третий и четвертый цифровые умножители, первое и второе постоянные запоминающие устройства, первый, второй, третий и четвертый накапливающие сумматоры, вычислитель арктангенса отношения, счетчик, первый, второй, третий и четвертый регистр, синхронизатор, генератор меандра, первый и второй вычислители квадратного корня из суммы квадратов, вычислитель коррекции угла, причем первый и второй выходы синусно-косинусного вращающегося трансформатора соединены соответственно с входами первого и второго фильтра нижних частот, выходы первого и второго фильтра нижних частот соединены соответственно с входом первого и второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого умножителя и с первым входом второго умножителя, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом третьего умножителя и с первым входом четвертого умножителя, выход первого постоянного запоминающего устройства соединен с объединенным входом цифроаналогового преобразователя вторым входом первого умножителя и вторым входом третьего умножителя, выход второго постоянного запоминающего устройства соединен с объединенным вторым входом второго умножителя и вторым входом четвертого умножителя, выход первого умножителя соединен с входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра, выход второго умножителя соединен с входом второго накапливающего сумматора, выход которого соединен с входом второго регистра, выход третьего умножителя соединен с входом третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с входом третьего регистра, выход четвертого умножителя соединен с входом четвертого накапливающего сумматора, выход которого соединен с входом четвертого регистра, выход первого регистра соединен с объединенным первым входом первого вычислителя квадратного корня из суммы квадратов и вторым входом вычислителя коррекции угла, выход второго регистра соединен со вторым входом первого вычислителя квадратного корня из суммы квадратов, выход третьего регистра соединен с объединенным первым входом второго вычислителя квадратного корня из суммы квадратов и первым входом вычислителя коррекции угла, выход четвертого регистра соединен со вторым входом второго вычислителя квадратного корня из суммы квадратов, выход первого и выход второго вычислителя квадратного корня из суммы квадратов соединены соответственно с первым и вторым входом вычислителя арктангенса отношения, выход которого соединен с третьим входом вычислителя коррекции угла, выход которого является выходом цифрового преобразователя угла, выход генератора меандра соединен со счетным входом счетчика, с входом синхронизатора, а также с входами запуска первого и второго аналого-цифрового преобразователя, первый выход синхронизатора соединен с объединенными входами сброса счетчика, а также с входами сброса первого, второго, третьего и четвертого накапливающего сумматора, второй выход синхронизатора соединен с объединенными тактовыми входами первого, второго, третьего и четвертого регистра, выход счетчика соединен с объединенными адресными входами первого и второго постоянного запоминающего устройства, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с усилителем, выход усилителя соединен с входом возбуждения синусно-косинусного вращающегося трансформатора.
Функциональная схема предлагаемого решения ЦПУ представлена на фигуре 1.
ЦПУ содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ) 1, усилитель 2, первый 3, второй 4 и третий 5 фильтры нижних частот (ФНЧ), первый 6 и второй 7 АЦП, цифроаналоговый преобразователь 8 (ЦАП), первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 цифровые умножители, первое 13 ПЗУ и второе 14 ПЗУ, первый 15, второй 16, третий 17 и четвертый 18 накапливающие сумматоры, вычислитель арктангенса отношения 19, счетчик 20, первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 регистры, синхронизатор 25, генератор меандра 26, первый 27 и второй 28 вычислитель квадратного корня из суммы квадратов, вычислитель коррекции угла 29.
На чертеже приняты следующие обозначения:
α - угол поворота СКВТ;
- Uв - напряжение возбуждения СКВТ;
- Us - напряжение синусной обмотки СКВТ;
- Uc - напряжение косинусной обмотки СКВТ;
- Usn - отсчеты АЦП 6;
- Ucn - отсчеты АЦП 7;
- Fs - частота дискретизации;
- x1 - выходной код регистра 22;
- y1 - выходной код регистра 21;
- x2 - выходной код регистра 24;
- y2 - выходной код регистра 23;
- U1 - выходной код вычислителя 27;
- U2 - выходной код вычислителя 28;
- β - выходной код угла вычислителя 19;
-  - измеренное значение кода угла ЦПУ.
Принцип действия ЦПУ заключается в следующем.
Тактовой частотой устройства является частота дискретизации Fs, которую формирует генератор меандра 26. Частота Fs подается на счетчик 20, синхронизатор 25 и входы запуска АЦП 6 и 7. Счетчик 20 формирует линейно возрастающий код от 0 до (N-1), который поступает на адресный вход ПЗУ 13 и 14. В ПЗУ 13 запрограммирована таблица синуса, а в ПЗУ 14 - таблица косинуса. Выходной код синуса ПЗУ 13 поступает в ЦАП 8 и преобразуется в аналоговый синусоидальный сигнал. Выходной сигнал ЦАП подается на ФНЧ 5. Этот фильтр пропускает синусоидальный сигнал и подавляет частоту дискретизации Fs и ее гармоники. Выходной сигнал ФНЧ подается на усилитель 2, усиливающий сигнал до требуемого напряжения возбуждения Uв для СКВТ.
При повороте вала СКВТ на угол α напряжения с его выходных обмоток, пропорциональные Sin α, Cos α, подаются на ФНЧ 3 и ФНЧ 4, которые имеют частоту среза выше частоты полезного сигнала, но ниже чем Fs/2. С выходов ФНЧ 3, 4 сигналы поступают на АЦП 6 и 7. Частота преобразования АЦП равна частоте Fs. Выходной код АЦП 6 подается на первый вход умножителя 9 и первый вход умножителя 10. На второй вход умножителя 9 поступает код синуса с ПЗУ 13, а на второй вход умножителя 10 поступает код косинуса с ПЗУ 14. Выходной код АЦП 7 подается на первый вход умножителя 11 и первый вход умножителя 12. На второй вход умножителя 11 поступает код синуса с ПЗУ 13, а на второй вход умножителя 12 поступает код косинуса с ПЗУ 14. Выходной код умножителя 9 подается на вход накапливающего сумматора 15, код умножителя 10 на вход накапливающего сумматора 16, код умножителя 11 на вход накапливающего сумматора 17, код умножителя 12 на вход накапливающего сумматора 18.
Работой ЦПУ управляет синхронизатор 25. Процесс измерения осуществляется циклически. В начале периода измерения выдается короткий импульс сброса с выхода синхронизатора 25 на вход сброса счетчика 20, а также на входы сброса накапливающих сумматоров 15, 16, 17 и 18. Далее в течение N периодов Fs осуществляется накопление кодов накапливающих сумматоров. Число N является емкостью счетчика и кратно степени 2. Период накопления должен быть кратен емкости счетчика 20, иными словами кратен количеству отсчетов в периоде синусоидального сигнала возбуждения Uв. Минимальная длительность времени накопления равна одному периоду сигнала возбуждения, этим достигается высокое быстродействие ЦПУ. После окончания накопления синхронизатор 25 выдает тактовый сигнал записи в регистры 21, 22, 23 и 24, выходной код накапливающих сумматоров 15, 16, 17 и 18 запоминается в регистрах.
Математически процесс обработки сигналов с накоплением выглядит следующим образом.
В приведенных формулах
- y1, x1, y2, x2 - выходные коды регистров 21, 22, 23, 24;
0
1
N-1
- Usn (Us, Us, …, Us) коды отсчетов АЦП 6;
0
1
N-1
- Ucn (Uc, Uc, …, Uc) - коды отсчетов АЦП 7;
- K·Sin(2π·n/N) - коды синуса ПЗУ 13;
- K·Cos(2π·n/N) - коды синуса ПЗУ 13;
- K - коэффициент, учитывающий разрядность данных ПЗУ.
Выход регистра 21 подключен к первому входу, а выход регистра 22 ко второму входу вычислителя квадратного корня из суммы квадратов 27. Выход регистра 23 подключен к первому входу, а выход регистра 24 ко второму входу вычислителя квадратного корня из суммы квадратов 28.
Выраженные математически выходные коды вычислителей 27 и 28 имеют следующий вид:
Выходные коды вычислителей 27 и 28 подаются на вычислитель арктангенса отношения 19. Выходной код угла вычислителя 19 равен:
β=arctg(U1/U2)
Выходной код вычислителя 19 поступает на первый вход вычислителя коррекции угла 20. На второй вход вычислителя 20 подается выходной код регистра 21, а на третий вход поступает выходной код регистра 23.
Коррекция угла производится по следующему алгоритму.
Если y1≥0 и y2≥0, то это первый квадрант угла и угол корректируется по формуле:
Если y1≥0 и y2<0, то это второй квадрант угла, и угол корректируется по формуле:
Если y1<0 и y2<0, то это 3-й квадрант угла, и угол корректируется по формуле:
Если y1<0 и y2≥0, то это 4-й квадрант угла, и угол корректируется по формуле:
Из приведенного описания видно, что ЦПУ измеряет, угол в диапазоне от 0 до 2π.
Цифровая часть ЦПУ может быть реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) либо на микроконтроллере.
Эффективность использования предлагаемого ЦПУ проверена испытаниями математических моделей и опытных образцов ЦПУ.