Способ преобразования перемещения в код и устройство для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством. Изобретение позволяет повысить точность способа преобразования перемещения в код и устройства для его осуществления. Это достигается тем, что по способу, основанному на преобразовании перемещения с помощью фазовращателя в сдвиг фазы пары квадратных напряжений, привязке к ней по фазе опорной пары квадратных напряжений на основе фазовой следящей системы по двум сигналам рассогласования, сформированным перемножением двух пар квадратных напряжений, преобразование производится поочередно для двух значений следования фаз напряжения возбуждения фазовращателя, при этом одновременно либо изменяют направление следования фаз одной из пар перемножаемых напряжений, либо изменением знака алгебраического суммирования сигналов рассогласования. В устройство для осуществления способа, содержащее источник возбуждения, фазовращатель, два перемножителя, сумматор, преобразователь напряжение-частота, первый преобразователь код-фаза, генератор, введены второй преобразователь код-фаза, блок управления, коммутатор следования фаз, три переключателя. В другом устройстве, содержащем источник возбуждения, фазовращатель, два перемножителя, преобразователь напряжение-частота, преобразователь код-фаза, генератор, введены блок управления, коммутатор следования фаз, управляемый сумматор-вычислитель. 3 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для связи аналоговых источников информации с цифровым вычислительным устройством.

Известен способ преобразования перемещения в код (Буянов А.С. и др. Высокоточный цифровой преобразователь угла следящего уравновешивания. - Приборы и системы управления, 1978, N 11), основанный на преобразовании перемещения в сдвиг фаз двух сигналов, формировании опорного напряжения при помощи преобразователя код-фаза (ПКФ) и выработке кодового эквивалента преобразуемого перемещения на основе фазового следящего уравновешивания.

Недостатком такого способа преобразования является наличие погрешности типа дрейфа нуля.

Известен также способ преобразования перемещения в код (авт.св. СССР N 317090, кл. Н 03 М 1/64, публ. 1971), основанный на двойном преобразовании угла в фазу и далее в код при противоположных направлениях вращения поля фазовращателя (ФВ) и вычислении перемещения в виде полуразности измеренных результатов.

Недостатком такого способа преобразования и устройств на его основе является наличие погрешности от неквадратурности как источника возбуждения (ИВ), так и ФВ.

Известен способ преобразования перемещения в код, осуществленный в устройстве (патент США N 3667031, кл. Н 03 D 1/00, публ.1972). Способ преобразования основан на формировании исходной пары квадратных напряжений, преобразовании ее в пару сигнальных квадратурных напряжений, фаза которой пропорциональна перемещению, формировании опорной пары квадратурных напряжений той же частоты, формировании двух сигналов постоянного тока, их суммировании и уменьшении просуммированного сигнала до нулевого уровня изменением фазы опорной пары квадратурных напряжений. В устройстве для осуществления этого способа изменение фазы сигнальных квадратурных напряжений осуществляется с помощью ФВ, выполненного на основе синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), формирование двух сигналов постоянного тока обеспечивается фазочувствительными детекторами, формирование опорной пары квадратурных напряжений и изменение ее фазы обеспечивается генератором, управляемым напряжением.

Недостатком такого способа преобразования и устройства на его основе является наличие погрешности типа дрейфа нуля.

Наиболее близким к заявленным объектам является преобразователь перемещения в код (авт.св. СССР N 1022203, кл. Н 03 М 1/48, публ. 1983), реализующий способ преобразования перемещения в код, основанный на формировании исходной пары квадратурных напряжений, преобразовании ее в пару сигнальных квадратурных напряжений, фаза которой относительно исходной пропорциональна перемещению, формировании опорной пары квадратурных напряжений той же частоты, фаза которой пропорциональна коду, формировании двух сигналов постоянного тока путем попарного перемещения пары сигнальных квадратурных напряжений и опорной пары квадратурных напряжений, алгебраическом суммировании двух сигналов постоянного тока, уменьшении просуммированного сигнала до нулевого уровня изменением фазы опорной пары квадратурных напряжений путем изменения кода и запоминания этого значения кода. При этом преобразователь содержит источник возбуждения, фазовращатель, подключенные к его выходам два перемножителя, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение частота, и преобразователь код-фаза, синхронизированный с источником возбуждения с помощью генератора.

Недостатком этого способа и реализованного на его основе преобразователя является наличие погрешности типа дрейфа нуля и погрешности, определяемой неквадратурностью отдельных элементов преобразователя.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в снижении этой погрешности.

Этот результат достигается тем, что в способе преобразования перемещения в код, основанном на формировании исходной пары квадратурных напряжений, преобразовании ее в пару сигнальных квадратурных напряжений, фаза которой относительно исходной пропорциональна перемещению, формировании опорной пары квадратурных напряжений той же частоты, фаза которой пропорциональна коду, формировании двух сигналов постоянного тока путем попарного перемножения пары сигнальных квадратурных напряжений и опорной пары квадратурных напряжений, алгебраическом суммировании двух сигналов постоянного тока, уменьшении просуммированного сигнала до нулевого уровня изменением фазы опорной пары квадратурных напряжений путем изменения кода и запоминании этого значения кода, запоминание кода производят поочередно для двух значений следования фаз исходной пары квадратурных напряжений, при этом одновременно либо изменяют направление следование фаз одной из пар перемножаемых квадратурных напряжений, либо изменяют знак алгебраического суммирования, а величину перемещения определяют как полуразность двух значений кодов.

При этом в преобразователь перемещения в код, содержащий источник возбуждения, фазовращатель, два выхода которого соединены с первыми входами первого и второго перемножителей, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу преобразователя напряжение-частота, первый преобразователь код-фаза, синхронизированный с источником возбуждения с помощью генератора, введены второй преобразователь код-фаза, блок управления, коммутатор следования фаз, три переключателя, управляющие входы коммутатора следования фаз и трех переключателей подключены к блоку управления, коммутатор следования фаз подключен между выходами источника возбуждения и входами фазовращателя, вторые входы первого и второго перемножителей подсоединены соответственно к выходам первого и второго переключателей, первые входы которых подсоединены соответственно к синусному и косинусному выходам первого преобразователя код-фаза, а вторые входы к косинусному и синусному выходам второго преобразователя код-фаза, счетные входы первого и второго преобразователей код-фаза соединены с выходом преобразователя напряжение-частота через третий переключатель, синхронизирующий вход второго преобразователя код-фаза подключен к генератору.

В другом варианте в преобразователь перемещения в код, содержащий источник возбуждения, фазовращатель, два выхода которого подключены к первым входам первого и второго перемножителей, к вторым входам которых подключены синусный и косинусный выходы преобразователя код-фаза, к счетному входу которого подключен выход преобразователя напряжение-частота, и генератор, синхронизирующий источник возбуждения с преобразователем код-фаза, введены блок управления, коммутатор следования фаз и управляемый сумматор-вычитатель, управляющие входы которых подключены к блоку управления, коммутатор следования фаз подключен между выходами источника возбуждения и входами фазовращателя, выходы перемножителей подключены к входам управляемого сумматора-вычитателя, выход которого подключен к входу преобразователя напряжение-частота.

На фиг. 1 и 2 представлены структурные схемы преобразователей перемещения в код, реализующие способ преобразования перемещения в код.

Преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 возбуждения (ИВ), коммутатор 2 следования фаз, фазовращатель (ФВ) 3, первый 4 и второй 5 перемножители, блок 6 управления, генератор 7, сумматор 8, преобразователь 9 напряжение-частота, первый 10, второй 11 и третий 12 переключатели, первый 13 и второй 14 преобразователи код-фаза.

Преобразователь работает следующим образом.

При возбуждении ФА 3 в квадратурным напряжением частотой ω от ИВ 1 на его выходах вырабатываются два сигнальных квадратурных напряжения U₁ и U₂, поступающие на первые входы перемножителей (ПМ) 4 и 5, которые представлены в виде u_1-1=-U₁cos(ωt+α+Δα), u_2-1= U₂sin(ωt+α+Δα) при первом положении коммутатора следования фаз (КСФ) 2 и u_1-2= U₁cos(ωt-α+Δα), u_2-2= U₂sin(ωt-α+Δα), при втором положении КСФ 2, изменяющем следование фаз, например, путем сдвига фазы одного из выходов ИВ 1 на 180^o, где α фазовый сдвиг, пропорциональный углу поворота ротора ФВ 3, Da фазовый дрейф ИВ 1 и ФВ 3, приводящий к погрешности.

При первом положении переключателей (ПК) 10, 11, 12 (фиг. 1) преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) 9 подключен к счетному входу первого ПКФ 13 и на вторые входы ПМ 4 и 5, подсоединенных к синусному и косинусному выходам первого ПКФ 13, поступают сигналы u_3-1= U₃sin(ωt+K₁), u_4-1= U₄cos(ωt+K₁), где К₁ текущее значение фазы ПКФ 13, пропорциональное коду, вырабатываемому на выходе параллельного кода ПКФ 13.

При втором положении переключателей 10 12 ПК 12 подключает выход ПНЧ 9 к счетному входу второго ПКФ 14, ПК 10 и 11 обеспечивают коммутацию следования фаз и на вторые входы ПМ 4 и 5 с ПКФ 14 поступают сигналы
u_3-2= U₃cos(ωt+K₂),
u_4-2 = U₄sin(ωt+K₂),
где К₂ текущее значение фазы ПКФ 14, пропорциональное коду К₂, вырабатываемому на выходе параллельного кода ПКФ 14.

Сигнал на выходе первого ПМ 4 при первом положении КСФ 2 и ПК 10, 11, 12 можно записать в виде

Учитывая, что переменная составляющая компенсируется в сумматоре (СМ) 8, постоянную составляющую представим в виде
u_I-1= a sin[(α+Δα)-K₁],
аналогично на выходе второго ПМ 5
u_II-1= u_2-1·u_4-1= b sin[(α+Δα)-K₁],
где a≈b коэффициенты пропорциональности.

При втором положении КСФ 2 и ПК 10, 11, 12, синхронность переключения которых обеспечивается блоком управления (БУ) 6, постоянные составляющие на выходах ПМ 4 и 5 будет иметь вид


Сигнал рассогласования на выходе СМ 8 представим в виде: при первом и втором положениях КСФ 2 и ПК 10, 11, 12, соответственно
Δu₁= u_I-1+u_II-1+U_o, Δu₂=u_I-2+u_II-2+U_o,
где V_o остаточные напряжения перемножителей 4, 5 и сумматора 8, вызывающие погрешность преобразования.

Исходя из того, что фазовая следящая система стремится установить сигналы рассогласования Δu₁ и Δu₂ равными нулю, определим значения кодов K₁ и K₂ соответственно при первом и втором положениях КСФ 2 и ПК 10, 11, 12
K₁= α+Δα+αU_o,
K₂= - α+Δα+ΔU_o+π/2
где относительное значение остаточного напряжения V_o, вызывающее погрешность преобразования.

Взяв в вычислительном устройстве полуразность кодов K₁ и K₂, получим

Преобразователь (фиг. 2) содержит источник возбуждения 1, коммутатор следования фаз 2, фазовращатель 3, первый 4 и второй 5 перемножители, блок 6 управления, генератор 7, преобразователь 9 напряжение-частота, преобразователь 13 код-фаза, управляемый сумматор-вычислитель 15.

Устройство работает следующим образом.

При возбуждении ФВ 3 квадратурным напряжением частотой ω от ИВ 1 на его выходах вырабатываются два сигнальных квадратурных напряжения U₁ и U₂, поступающих на первые входы ПМ 4 и 5,
u_1-1= -U₁cos(ωt+α+Δα),
u_2-1= U₂sin(ωt+α+Δα) при первом положении КСФ 2 и
u_1-2= U₁cos(ωt-α+Δα)
u_2-2= U₂sin(ωt-α+Δα)
при втором положении КСФ 2, изменяющим следование фаз ИВ 1, где α - фазовый сдвиг, пропорциональный углу поворота ротора ФВ 3, Da фазовый дрейф ИВ 1 и ФВ 3, приводящий к погрешности.

На вторые входы ПМ 4 и 5, подсоединенных к синусному и косинусному выходам ПКФ 13, поступают сигналы, которые можно представить для первого положения управляемого сумматора-вычислителя (УСВ) 15 в виде
u_3-1=U₃sin(ωt+K₁),
u_4-1=U₄cos(ωt+K₁),
где K₁ текущее значение фазы ПКФ 13, пропорциональное коду K₁, вырабатываемому на выходе параллельного кода ПКФ 13 при первом положении КСФ 2 и УСВ 15,
для второго положения УСВ 15
u_3-2=U₃sin(ωt+K₂),
u_4-2=U₄cos(ωt+K₂),
где K₂ текущее значение фазы ПКФ 13, пропорциональное коду K₂, вырабатываемому на выходе параллельного кода ПКФ 13 при втором положении КСФ 2 и УСВ 15.

В первом положении УСВ 15 работает в режиме суммирования, во втором в режиме вычитания. Синхронность переключения КСФ 2 и УСВ 15 обеспечивает БУ 6.

Сигнал рассогласования на выходе УСВ 15 при первом положении КСФ 2 и УСВ 15 представим в виде
при втором положении КСФ 2 и УСВ 15

В согласованном положении Δu₁ 0 и Δu₂ 0, следовательно,

K₂= -α+Δα-ΔU_o,
где ΔU_o относительное значение остаточного напряжения V_o, вызывающее погрешность преобразования.

Взяв в вычислительном устройстве полуразность кодов K₁ и K₂ после окончания переходных процессов, вызванных переключением КСФ 2 и УСВ 15, получим
K=α
Работа обоих преобразователей характеризуется следующей последовательностью действий: ИВ формирует исходную пару квадратурных напряжений, ФВ преобразует ее в пару сигнальных квадратурных напряжений, фаза которой относительно исходной пропорциональна перемещению, ПКФ формирует опорную пару квадратурных напряжений той же частоты, фаза которой управляется кодом, ПМ формируют два сигнала постоянного тока. Сведение просуммированного сигнала к нулю осуществляется системой, составленной из замкнутых в кольцо ПМ, ПНЧ, ПКФ. С помощью КСФ производится поочередное изменение следования фаз исходной пары квадратурных напряжений. В первом преобразователе с помощью ПК изменяют направление следования фаз одной из пар перемножаемых квадратурных напряжений, во втором с помощью УСВ изменяют знак алгебраического суммирования. Величина перемещения определяется как полуразность кодов для каждого порядка следования фаз. Постоянное смещение кода К на величину в первом устройстве, независящее от угла поворота ФВ, учитывается при вычислениях.

Таким образом, в изобретении устраняется погрешности, вызванные фазовым дрейфом и остаточными напряжениями блоков, входящими в состав преобразователей. Устраняется также погрешность от неквадратурности фазовращателя и напряжений, подводимых к фазовращателю и перемножителям, т.к. воздействие этих факторов вызывает на выходах перемножителей приращения, одинаковые по величине и противоположные по знаку, вследствие чего они компенсируются в сумматоре.

Формула изобретения

1. Способ преобразования перемещения в код, основанный на формировании исходной пары квадратурных напряжений, преобразовании ее в пару сигнальных квадратурных напряжений, фаза которой относительно исходной пропорциональна перемещению, формировании опорной пары квадратурных напряжений той же частоты, фаза которой пропорциональна коду, формировании двух сигналов постоянного тока путем попарного перемножения пары сигнальных квадратурных напряжений и одной пары квадратурных напряжений, алгебраическом суммировании двух сигналов постоянного тока, уменьшении просуммированного сигнала до нулевого уровня изменением фазы опорной пары квадратурных напряжений путем изменения кода и запоминания этого значения кода, отличающийся тем, что в нем запоминание кода производят поочередно для двух значений следования фаз исходной пары квадратурных напряжений, при этом одновременно либо изменяют направление следования фаз одной из пар перемножаемых квадратурных напряжений, либо изменяют знак алгебраического суммирования, а величину перемещения определяют как полуразность двух значений кодов.

2. Преобразователь перемещения в код, содержащий источник возбуждения, фазовращатель, два выхода которого соединены с первыми входами первого и второго перемножителей, выходы которых подключены ко входам сумматора, выход которого подключен ко входу преобразователя напряжение-частота, первый преобразователь код-фаза, синхронизированный с источником возбуждения с помощью генератора, отличающийся тем, что в него введены второй преобразователь код-фаза, блок управления, коммутатор следования фаз, три переключателя, управляющие входы коммутатора следования фаз и трех переключателей подключены к блоку управления, коммутатор следования фаз подключен между выходами источника возбуждения и входами фазовращателя, вторые входы первого и второго перемножителей подсоединены соответственно к выходам первого и второго переключателей, первые входы которых подсоединены соответственно к синусному и косинусному выходам первого преобразователя код-фаза, а вторые входы к косинусному и синусному выходам второго преобразователя код-фаза, счетные входы первого и второго преобразователей код-фаза соединены с выходом преобразователя напряжение частота через третий переключатель, синхронизирующий вход второго преобразователя код-фаза подключен к генератору.

3. Преобразователь перемещения в код, содержащий источник возбуждения, фазовращатель, два выхода которого подключены к первым входам первого и второго перемножителей, ко вторым входам которых подключены синусный и косинусный выходы преобразователя код-фаза, к счетному входу которого подключен выход преобразователя напряжение-частота, и генератор, синхронизирующий источник возбуждения с преобразователем код-фаза, отличающийся тем, что в него введены блок управления, коммутатор следования фаз и управляемый сумматор-вычитатель, управляющие входы которых подключены к блоку управления, коммутатор следования фаз подключен между выходами источника возбуждения и входам фазовращателя, выходы перемножителей подключены ко входам управляемого сумматора-вычитателя, выход которого подключен ко входу преобразователя напряжение-частота.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2