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 (ВТ), а в качестве кодирующего элемента - преобразователь «угол - код», преобразующий выходные синусно-косинусные сигналы вида Usinα sinωt и Ucosα sinωt, в цифровой код (далее по тексту ЦПУ - цифровой преобразователь угла).
Известно устройство контроля ЦПУ, содержащее ВТ, закрепленный на прецизионном угломерном устройстве, как правило, на оптической делительной головке (ОДГ) [1, стр. 267]. Такая схема очень громоздка, дорога и не может быть использована 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 электронно-вычислительной машины (ЭВМ) задаются коды, пропорциональные значениям sinα и cosα, где α - угол поворота вала, а на аналоговый вход от проверяемого ЦПУ поступает напряжение возбуждения Usinωt, где ω - угловая частота, а t - время [2, стр. 380]. Эти величины перемножаются в прецизионных множительных цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), в результате чего выходные напряжения эталонного формирователя становятся пропорциональными напряжениям выходных обмоток вращающегося трансформатора, вал которого повернут на угол α (Usinα sinωt и Ucosα sinωt). В этой схеме 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, так как, например, погрешность различия масштабов каналов Usinα и Ucosα либо напрямую представлена в результате преобразования (для дифференциального фазового метода), либо ослабляется в 2 раза (для прямого фазового метода). Фазовый сдвиг несущей, возникающий в эталонном преобразователе, а также его временная и температурная стабильность также входят в результат преобразования (напрямую в прямом фазовом методе и как  в дифференциальном методе, где δ - фазовая ошибка. 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 характеристики.
Известно также устройство для контроля преобразователя угол-код (цифрового преобразователя угла - ЦПУ), раскрытое в описании полезной модели [3]. Это устройство является по технической сущности наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.
Устройство-прототип содержит формирователь тестовых сигналов и выполнено с возможностью передачи на электронно-вычислительную машину (ЭВМ) сигналов от проверяемого ЦПУ и получения от ЭВМ сигналов управления формирователем тестовых сигналов. 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 (нулем напряжения возбуждения). 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 сигналвключения 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
Известное устройство-прототип позволяет контролировать ЦПУ в восьми угловых точках, с шагом 45°. При этом для имитации синусно-косинусных напряжений используется собственное напряжение возбуждения Usinωt и его ноль напряжения питания («0» питания), коммутация которых в разных комбинациях на входы, контролируемого ЦПУ, осуществляется в формирователе тесовых сигналов по командам ЭВМ, обеспечивая формирование необходимых напряжений.
В известном устройстве рассматривается контроль ЦПУ, имеющего дифференциальные входы, то есть в состав этого ЦПУ входят дифференциальные усилители.
Недостатками известного устройства являются недостаточная достоверность контроля и неполнота контроля. Это обусловлено тем, что при контроле ЦПУ и при его штатной работе используются разные коммутирующие элементы, что еще снижает и надежность угломерного тракта. При этом в известном устройстве контролем не охвачен вращающийся трансформатор и линии связи и, фактически, контролируется только часть угломерного тракта, а именно, сам ЦПУ. Кроме того, известное устройство может быть реализовано только с ЦПУ, имеющим дифференциальные входные усилители, что является определенным ограничением.
На практике контроль ЦПУ по большому количеству угловых точек необходим только на этапе лабораторных и конструкторских испытаний головных образцов преобразователей. При серийном производстве ЦПУ при контроле ЦПУ в составе угломерного тракта для оценки работоспособности и точности преобразования достаточен контроль  по ограниченному количеству характерных точек, перекрывающих весь измеряемый диапазон (360°).
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание простого и точного устройства для автоматического контроля всего угломерного тракта, включающего ЦПУ и ВТ, обеспечивающего возможность контроля параметров преобразователя при любом угле поворота вала ВТ при его эксплуатации, без использования метрологически аттестованного оборудования, и для повышения достоверности контроля, используя одни и те же коммутирующие элементы при контроле и в рабочем режиме.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство контроля ЦПУ, содержащее первый, второй, третий и четвертый ключи и выполненное с возможностью передачи на ЭВМ сигналов от проверяемого ЦПУ и получения от ЭВМ сигналов управления ключами, 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.
При этом при неподвижном вале ВТ тестовые сигналы формируются в ВТ путем коммутации его статорных обмоток в последовательности, обеспечивающей получение на роторных обмотках ВТ сигналов, эквивалентных сигналам ВТ в угловых точках, кратных 45°, но дополнительно сдвинутых на угол поворота вала ВТ - α. При обработке полученных при контроле измерений смещение α удаляется из всех точек простым вычитанием в ЭВМ.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображены:
1 - блок коммутации;
2-5 - двухполюсные ключи;
6 - вращающийся трансформатор (ВТ);
7 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ);
8 - проверяемый цифровой преобразователь угла (ЦПУ).
Предлагаемое устройство автоматического контроля ЦПУ содержит первый, второй, третий и четвертый двухполюсные ключи 2-5, образующие блок 1 коммутации, и ВТ 6. Устройство выполнено с возможностью передачи на ЭВМ 7 сигналов от проверяемого ЦПУ 8 и получения от ЭВМ 7 сигналов управления ключами 2-5, образующими блок коммутации 1. Первые входы ключей 2-5 соединены между собой, являются входами для подключения к выходу напряжения возбуждения Usinωt ЦПУ 8 и подключены к этому выходу при контроле ЦПУ 8. Вторые входы 2-5 соединены между собой и являются входами для подключения к нулю напряжения возбуждения ЦПУ 8 («0» пит) и подключены к нулю напряжения возбуждения при контроле ЦПУ 8. Выходы первого ключа 2 и второго ключа 3, подключены к соответственно к первому выводу (С1) и второму выводу (С2) первой статорной обмотки ВТ 6. Выходы третьего ключа 4 и четвертого ключа 5 подключены соответственно к первому выводу (С3) и второму выводу (С4) статорной обмотки ВТ 6. Первый вывод (Р1) и второй вывод (Р2) первой роторной обмотки ВТ 6 являются выходами для подключения соответственно к синусному входу (Usinα) и инверсному синусному входу  проверяемого ЦПУ 8 и подключены к этим входам при контроле ЦПУ 8. Первый вывод (Р3) и второй вывод (Р4) второй роторной обмотка ВТ 6 являются выходами для подключения соответственно к косинусному входу (Ucosα) и инверсному косинусному входу  контролируемого ЦПУ 6 подключены к этим входам при контроле ЦПУ 8. При этом на управляющие входы ключей 2-5 при контроле ЦПУ 8 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 α.
При контроле ЦПУ 8 управляющие входы блока 1 коммутации подключены к управляющим выходам ЭВМ 7, по которым блоком 1 коммутации и вращающимся трансформатором 6, вал которого повернут на угол α, формируются тестовые сигналы, соответствующие углам (0+α)°, (45+α)°, (90+α)°, (135+α)°, (180+α)°, (225+α)°, (270+α)° и (315+α)°, для контролируемого ЦПУ 8 согласно следующей таблице 1.
Где K1, К2, К3 и К4 - ключи 2, 3, 4 и 5, соответственно,
0 - нижнее положение двухполюсного ключа (подключение нуля питания),
1 - верхнее положение двухполюсного ключа (подключение напряжения Usinωt)
α - случайный угол, в котором зафиксирован вал ВТ 6.
Предлагаемое устройство автоматического контроля ЦПУ 8 работает следующим образом.
При работе угломерного тракта по прямому назначению ключи 2-5 блока коммутации 1 установлены в соответствии с проверкой 1 таблицы 1.
При этом на первую статорную обмотку ВТ 6 ключами 1 и 2 подается напряжение возбуждения (Usinωt), а вторая статорная обмотка ВТ 6 закорочена ключами 4 и 5. Такое включение ВТ 6 соответствует традиционному включению вращающихся трансформаторов с пульсирующем полем и результат преобразования пропорционален углу поворота вала α. При контроле ЦПУ 8 при неподвижном вале выполняются проверки 0-7 таблицы 1. В результате чего результаты преобразования угла будут соответствовать углам 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° и 315°, сдвинутым на угол поворота вала α, то есть углам (0+α)°, (45+α)°, (90+α)°, (135+α)°, (180+α)°, (225+α)°, (270+α) и (315+α)°, соответственно. Принимая во внимание, что при неподвижном вале ВТ 6 угол α одинаков для всех проверок, можно рассчитать погрешности угломерного тракта для всех проверок таблицы, вычтя из значения углов, полученных в проверках 1-7, значение угла α, полученного в проверке 0, и сравнив результаты вычитания с расчетными значениями контролируемых углов. ЭВМ 7 определяет абсолютную ошибку и при необходимости рассчитывает все метрологические характеристики - дисперсию, среднеквадратическое отклонение и так далее.
К рассматриваемому устройству практически не предъявляются никакие дополнительные метрологические требования, так как на статорные обмотки ВТ 6 в разных комбинациях подключается одно и то же напряжение и точность устройства целиком определяется точностью, используемого в угломерном тракте вращающегося трансформатора 6.
Важно отметить, что при проведении контроля в рассматриваемом устройстве проверкой охвачены все элементы, участвующие в штатной работе угломерного тракта.
Еще одним достоинством предлагаемого устройства является то, что коммутируемые напряжения и токи в устройстве достаточно велики (единицы вольт и миллиампер), в то время как в известных устройствах, коммутирующих входные сигналы ЦПУ, в отдельных точках коммутируемые напряжения и токи, принципиально могут быть равны нулю или близки к нему. Это обстоятельство значительно облегчает выбор коммутирующих элементов (в том числе и релейных).
Таким образом, техническим результатом использования предлагаемой полезной модели является повышение точности контроля ЦПУ и всего угломерного тракта.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемое устройство может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей и использовано для автоматического контроля функционирования и проверки точности ЦПУ (преобразователя угол-код) и всего угломерного тракта, в котором используется проверяемый ЦПУ.
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. Свид. РФ №22992 на ПМ, МПК G01B 21/22, опубл. 10.05.2002 г. (прототип).