Цифровой преобразователь угла

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может найти применение для управления угловым положением подвижных частей объекта регулирования. Технический результат заключается в обеспечении точного преобразования угла в код с использованием реальных двухфазных датчиков угла, огибающие выходных напряжений которых могут быть не ортогональными, иметь различные амплитудные значения и содержать третью, пятую, седьмую и девятую пространственные гармоники той или иной величины. Технический результат достигается за счет введения в состав цифрового преобразователя угла соответствующих цепей коррекции с тремя регулируемыми делителями напряжения при использовании формирователя сигналов, корректирующих составляющие погрешности преобразования вида sin4α и sin8α, где α - угловое положение ротора двухфазного датчика угла. 1 ил.

 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к элементам систем цифрового управления, представляющим в цифровом виде информацию о текущем положении подвижной части объекта регулирования.

Известен цифровой преобразователь угла (ЦПУ) следящего типа, выбранный в качестве аналога, в котором используются: двухфазный датчик угла (ДУ) с выходными напряжениями U_S и U_C переменного тока, амплитудные значения которых (огибающие) по угловому положению α ротора ДУ изменяются в соответствии с синусно-косинусными функциями; генератор возбуждения двухфазного датчика угла; следящий аналого-цифровой преобразователь выходных сигналов двухфазного датчика угла в текущее значение выходного кода двоичного реверсивного n-разрядного счетчика (выходной код N_ЦПУ ЦПУ) и формирователь опорного напряжения для фазочувствительного выпрямителя (демодулятора) аналого-цифрового преобразователя (В.М.Домрачев и др. Преобразователь угла поворота вала в код. Авторское свидетельство №1580556, бюллетень №27 опубликовано 23.07.90,). Однако в таком ЦПУ при отличии огибающих от синусно-косинусных функций, что свойственно подавляющему большинству реальных ДУ, снижается точность цифрового преобразования угла.

Также известен ЦПУ (В.М.Домрачев и др. Двухотсчетный 23-разрядный ЦПУ с многополюсным индукционным датчиком угла точного отсчета. Журнал "Измерительная техника", 1995 год, №12), выбранный в качестве прототипа, наиболее близкий к предлагаемому, содержащий: двухфазный датчик угла; генератор напряжения возбуждения двухфазного датчика угла; формирователь опорного напряжения; двоичный реверсивный n-разрядный счетчик; формирователь управляющих сигналов реверсивным счетчиком; первый и второй цифроаналоговые преобразователи (функциональные однополярные, т.е. их коэффициенты передачи соответствуют функциям вида |cosβ| и минус |sinβ|, где β - выходной код N_ЦПУ в угловой мере); компенсатор квазисинусоидальности (формирователь корректирующих сигналов с огибающими вида sin4β и sin8β) и аналоговый сумматор.

В приведенной структурной схеме прототипа требуемые для его функционирования (n-2)-разрядные блоки цифровых инверторов являются составной частью соответственно первого, второго цифроаналоговых преобразователей и компенсатора квазисинусоидальности датчика угла и поэтому графически не представлены. Также не представлен состав аналогового сумматора, в который (в соответствии с описанием) входят суммирующий, вычитающий усилители и коммутатор. При этом выходы указанных усилителей подключены к соответствующим входам коммутатора, а его выход является выходом аналогового сумматора. Коммутатор управляется от двух старших разрядов двоичного реверсивного n-разрядного счетчика и его выход подключен к измерительному входу формирователя управляющих сигналов. И, наконец, в составе формирователя управляющих сигналов не представлены демодулятор выходного сигнала аналогового сумматора и цепь управления текущим значением временной фазы опорного напряжения указанного демодулятора, которое определяется уровнем сигнала первого (старшего) разряда двоичного реверсивного n-разрядного счетчика.

Построение блока формирования корректирующих сигналов в предлагаемом ЦПУ не конкретизируется, так как оно может иметь несколько равноценных вариантов исполнения (см., например, публикацию авторов В.М.Домрачев, Г.Ф.Мончак, А.П.Синицын «Структурный метод повышения точности амплитудных цифровых преобразователей угла». Журнал «Измерительная техника», 1991 г. №7, или патент RU 2259631, бюл. №24, опубликовано 27.08.2005).

В рассматриваемом ЦПУ выход генератора возбуждения подключен к обмотке возбуждения датчика угла и к первому входу формирователя опорного напряжения, выход первой фазы датчика угла подключен ко второму входу формирователя опорного напряжения и аналоговому входу первого однополярного функционального цифроаналогового преобразователя, выход второй фазы датчика угла подключен к третьему входу формирователя опорного напряжения и к аналоговому входу второго однополярного функционального цифроаналогового преобразователя, выход формирователя опорного напряжения подключен к первому входу формирователя управляющих сигналов, выход первого однополярного функционального цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу аналогового сумматора и к аналоговому входу компенсатора квазисинусоидальности датчика угла, первый и второй выходы (выходы сигналов sin4β и sin8β) которого подключены к второму и третьему входам аналогового сумматора, четвертый вход аналогового сумматора подключен к выходу второго однополярного функционального цифроаналогового преобразователя, выход аналогового сумматора подключен к второму входу формирователя управляющих сигналов, первый и второй выходы формирователя управляющих сигналов подключены к входам «прямого-обратного» счета реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, текущее значение выходного кода которого является выходным кодом N_ЦПУ цифрового преобразователя угла, два старших разряда которого управляют коммутатором аналогового сумматора, а остальные разряды управляют первым, вторым однополярными функциональными цифроаналоговыми преобразователями и компенсатором квазисинусоидальности датчика угла.

Недостатком аналога и прототипа является то, что при нарушении ортогональности огибающих выходных напряжений датчика угла и при различии их амплитудных значений точность преобразования снижается. Также точность преобразования снижается из-за инструментальных составляющих погрешности блоков аналогового сумматора. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности преобразования при использовании датчиков угла с реальными характеристиками их выходных сигналов.

Для удобства восприятия данных материалов в предлагаемом ЦПУ принята (по отношению к аналогу и прототипу) детализированная, в необходимой степени, форма представления входящих функциональных блоков.

Поставленная задача повышения точности преобразования в предлагаемом ЦПУ решается следующим образом. В известный ЦПУ, содержащий двухфазный датчик угла с угловым положением α его ротора, генератор напряжения возбуждения U_B датчика угла, формирователь опорного напряжения, формирователь управляющих сигналов с входящим в него демодулятором, реверсивный n-разрядный двоичный счетчик, текущее значение выходного кода которого является выходным кодом N_ЦПУ цифрового преобразователя угла, первый суммирующий усилитель, коммутатор и формирователь корректирующих сигналов с (n-2)-разрядным блоком цифровых инверторов, и в котором выход генератора возбуждения подключен к обмотке возбуждения датчика угла и к первому входу формирователя опорного напряжения, выходы первой и второй фаз датчика угла подключены соответственно к второму и третьему входам формирователя опорного напряжения, а его выход - к входу опорного напряжения формирователя управляющих сигналов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, первый и второй выходы формирователя управляющих сигналов подключены к входам «прямого-обратного» счета реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выходы (n-2)-х младших разрядов которого подключены соответственно к цифровым входам формирователя корректирующих сигналов через (n-2)-разрядный блок цифровых инверторов, дополнительно введены: первый и второй функциональные двухполярные цифроаналоговые преобразователи, коэффициенты передачи которых соответствуют зависимостям вида cosβ и минус sinβ, первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов, второй суммирующий усилитель, первый, второй и третий делители напряжений, аналоговый инвертор и шина ФАЗА. При этом выход первой фазы датчика угла подключен к аналоговому входу первого функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя, к первому входу коммутатора и через аналоговый инвертор к второму входу коммутатора, выход второй фазы датчика угла подключен к первому входу первого суммирующего усилителя, второй вход которого через первый делитель напряжения подключен к выходу коммутатора, управляющий вход которого подключен к шине ФАЗА, выход первого суммирующего усилителя подключен к аналоговому входу второго функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя, выход первого функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу второго суммирующего усилителя и к аналоговому входу формирователя корректирующих сигналов, а через второй делитель напряжения - к второму входу второго суммирующего усилителя, выход второго функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя подключен к третьему входу второго суммирующего усилителя, а через третий делитель напряжения подключен к четвертому входу второго суммирующего усилителя, пятый и шестой входы второго суммирующего усилителя подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя корректирующих сигналов, выход второго суммирующего усилителя подключен к входу измерительного напряжения формирователя управляющих сигналов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, а поразрядные выходы реверсивного n-разрядного двоичного счетчика подключены через первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов соответственно к цифровым входам первого и второго функциональных двухполярных цифроаналоговых преобразователей.

Такое выполнение ЦПУ обеспечивает:

возможность коррекции неортоганальности огибающих выходных напряжений датчика угла;

возможность коррекции неравенства амплитудных значений огибающих выходных напряжений датчика угла;

снижение инструментальных составляющих погрешности преобразования.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого ЦПУ, которая содержит первый и второй функциональные двухполярные цифроаналоговые преобразователи (ФЦАП1 и ФЦАП2) 1 и 13, первый и второй блоки цифровых инверторов (БЦИ1 и БЦИ2) 2 и 14, первый, второй и третий делители напряжения (ДН1, ДН2 и ДН3) 16, 3 и 12, двухфазный датчик угла (ДУ) 4, генератор напряжения возбуждения (ГВ) 5, формирователь опорного напряжения (ФОН) 6, формирователь управляющих сигналов (ФУС) 7, первый и второй суммирующие усилители (СУ1, СУ2) 15 и 8, формирователь корректирующих сигналов (ФКС) 9, (n-2)-разрядный блок цифровых инверторов 10, двоичный реверсивный n-разрядный счетчик (РСЧ) 11, коммутатор (К) 17, аналоговый инвертор (АИ) 18 и шина ФАЗА 19.

Вначале рассмотрим работу ЦПУ при использовании датчика угла 4 с синусно-косинусными огибающими выходных напряжений и, соответственно, при нулевых коэффициентах передачи первого, второго и третьего делителей напряжения 16, 3 и 12 и нулевых напряжениях на выходах формирователя корректирующих сигналов 9.

Выходное напряжение U_B переменного тока генератора возбуждения 5 поступает на первый вход формирователя опорного напряжения 6 и на обмотку возбуждения датчика угла 4. При этом на фазных выходах датчика угла образуются напряжения U_S и U_C переменного тока, которые поступают на второй и третий входы формирователя опорного напряжения 6. Указанные напряжения обеспечивают на выходе формирователя опорного напряжения 6 напряжение переменного тока, временная фаза которого точно соответствует временным фазам выходных сигналов датчика угла. Формирование указанного напряжения полностью соответствует прототипу. Оно поступает непосредственно на вход опорного напряжения демодулятора в формирователе управляющих сигналов 7 и, в отличие от прототипа, его временная фаза не инвертируется по углу (по коду N_ЦПУ).

Одновременно с этим выходные напряжения U_S и U_C датчика угла 4 поступают на аналоговые входы первого и второго функциональных двухполярных цифроаналоговых преобразователей 1 и 13. При этом напряжение U_C предварительно инвертируется первым суммирующим усилителем, так как его коэффициент передачи по первому входу равен единице, а сигнал на втором входе равен нулю (вследствие нулевого коэффициента передачи первого делителя напряжения 16). При начальном произвольном значении кода двоичного n-разрядного реверсивного счетчика 11 на выходе второго суммирующего усилителя 8 установится такое напряжение переменного тока, амплитудное значение которого определяется разностным значением выходных напряжений первого и второго функциональных двухполярных цифроаналоговых преобразователей 1 и 13 (в рассматриваемом случае напряжения на втором, четвертом, пятом и шестом входах равны нулю). Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 8 через формирователь управляющих сигналов 7 изменит текущее значение N_ЦПУ реверсивного n-разрядного двоичного счетчика 11 таким образом, чтобы свести к нулю выходное напряжение второго суммирующего усилителя 8. Такое условие (условие точного преобразования угла в код) выполняется путем изменения коэффициентов передачи первого и второго функциональных цифроаналоговых преобразователей под воздействием текущего значения кода N_ЦПУ. Указанное воздействие осуществляется через первый и второй блоки цифровых инверторов. В указанных условиях любое отличие огибающих выходных сигналов датчика угла 4 от синусно-косинусных функций вызывает появление погрешности преобразования угла α в код N_ЦПУ.

В предлагаемом ЦПУ ортогональность огибающих проверяется или обеспечивается следующим образом. Ротор датчика угла 4 устанавливается в угловое положение, равное 90°, и при этом определяется значение выходного кода N_ЦПУ. Отличие кода от значения кода 010...0 устраняется выбором соответствующего коэффициента передачи первого делителя напряжения 16 при одном или другом уровне логического сигнала на шине ФАЗА. При этом обеспечивается поступление на второй вход первого суммирующего усилителя 15 необходимой доли выходного напряжения переменного тока первой фазы датчика угла 4 в прямом или инвертированном по временной фазе виде. Требуемая фаза корректирующего сигнала обеспечивается с помощью коммутатора 17 и аналогового инвертора 18.

Восстановление ортогональности всегда изменяет амплитудное значение огибающей выходного сигнала первого суммирующего усилителя - сигнала на аналоговом входе второго функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя. Устранение влияния неравенства амплитудных значений сигналов (любого происхождения), поступающих на аналоговые входы первого и второго функциональных двухполярных цифроаналоговых преобразователей, осуществляется после восстановления ортогональности следующим образом. Ротор датчика угла устанавливается в угловое положение, равное 45°, и при этом определяется значение выходного кода N_ЦПУ. Отличие кода от значения 001...0 устраняется выбором соответствующего коэффициента передачи второго 3 или третьего 12 делителей напряжения. Выбор делителей определяется текущим соотношением амплитудных значений сигналов на первом и третьем входах второго суммирующего усилителя 8. Выходные напряжения указанных делителей поступают на второй или четвертый вход второго суммирующего усилителя 8 и выполняют роль корректирующих вольт-добавок с тем или иным фазовым соотношением.

Устранение негативного влияния третьей, пятой, седьмой и девятой гармоник огибающих выходных сигналов датчика угла на погрешность преобразования в прототипе и в предлагаемом ЦПУ осуществляется идентично путем соответствующей регулировки амплитудных значений выходных напряжений формирователя корректирующих сигналов 9, а требуемые для этого начальные сигналы формируются из текущих значений выходного напряжения первого двухполярного цифроаналогового преобразователя и кода N_ЦПУ, воздействующего на цифровой вход формирователя корректирующих сигналов через (n-2)-разрядный блок цифровых инверторов 10. Указанные регулировки должны обеспечивать нулевую погрешность преобразования для угловых положений ротора датчика угла, кратных 11,25° при ортогональности огибающих датчика угла и при равенстве их амплитудных значений.

Такое выполнение ЦПУ позволяет повысить точность преобразования не только устранением влияния третьей, пятой, седьмой и девятой гармоник огибающих выходных напряжений датчика угла на погрешность преобразования, но и за счет коррекции неортоганальности огибающих, неравенства их амплитудных значений и снижения инструментальных составляющих погрешности преобразования.

Цифровой преобразователь угла следящего типа, содержащий двухфазный датчик угла, генератор напряжения возбуждения датчика угла, формирователь опорного напряжения, формирователь управляющих сигналов, реверсивный n-разрядный двоичный счетчик, текущее значение выходного кода которого является выходным кодом цифрового преобразователя угла, первый суммирующий усилитель, коммутатор, формирователь корректирующих сигналов и (n-2)-разрядный блок цифровых инверторов, при этом выход генератора возбуждения подключен к обмотке возбуждения датчика угла и к первому входу формирователя опорного напряжения, первая и вторая фазные обмотки датчика угла подключены соответственно к второму и третьему входам формирователя опорного напряжения, выход которого подключен к входу опорного напряжения формирователя управляющих сигналов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, первый и второй выходы формирователя управляющих сигналов подключены к входам "прямого-обратного" счета реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, выходы (n-2)-х младших разрядов которого подключены соответственно к цифровым входам формирователя корректирующих сигналов через (n-2)-разрядный блок цифровых инверторов, отличающийся тем, что в него введены первый и второй функциональные двухполярные цифроаналоговые преобразователи, коэффициенты передачи которых соответствуют зависимостям вида cosβ и минус sinβ, первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов, второй суммирующий усилитель, первый, второй и третий делители напряжений, аналоговый инвертор и шина ФАЗА, при этом первая фазная обмотка датчика угла подключена к аналоговому входу первого функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя, к первому входу коммутатора и через аналоговый инвертор к второму входу коммутатора, вторая фазная обмотка датчика угла подключена к первому входу первого суммирующего усилителя, второй вход которого через первый делитель напряжения подключен к выходу коммутатора, управляющий вход которого подключен к шине ФАЗА, выход первого суммирующего усилителя подключен к аналоговому входу второго функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя, выход первого функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу второго суммирующего усилителя и к аналоговому входу формирователя корректирующих сигналов, а через второй делитель напряжения - к второму входу второго суммирующего усилителя, выход второго функционального двухполярного цифроаналогового преобразователя подключен к третьему входу второго суммирующего усилителя, а через третий делитель напряжения подключен к четвертому входу второго суммирующего усилителя, пятый и шестой входы второго суммирующего усилителя подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя корректирующих сигналов, выход второго суммирующего усилителя подключен к входу измерительного напряжения формирователя управляющих сигналов реверсивного n-разрядного двоичного счетчика, а поразрядные выходы реверсивного n-разрядного двоичного счетчика подключены через первый и второй n-разрядные блоки цифровых инверторов соответственно к цифровым входам первого и второго функциональных двухполярных цифроаналоговых преобразователей.