Способ измерения угла поворота вала привода и устройство для его реализации

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в следящих приводах, в автоматических системах управления мобильными объектами и в робототехнике. Способ заключается в возбуждении первичной обмотки синусно-косинусного вращающегося трансформатора гармоническим напряжением генератора, считывании модулированных синусного и косинусного сигналов с выходных обмоток синусно-косинусного вращающегося трансформатора, изменении амплитуды указанных сигналов, детектировании, преобразовании их в цифровую форму и записи полученных сигналов в регистр. При этом амплитуды сигналов, считанных с выходных обмоток синусно-косинусного вращающегося трансформатора, перед преобразованием их в цифровую форму уменьшают так, чтобы их значения стали меньше амплитуды напряжения сигнала, формируемого гармоническим генератором, полученные сигналы складывают с напряжением гармонического генератора, детектируют с помощью амплитудного детектора и фильтруют. Технический результат заключается в устранении влияния нестабильности частоты возбуждения на точность измерений угла поворота вала привода и в увеличении количества достоверно получаемых разрядов двоичных кодов синуса и косинуса измеренного угла в цифровых регистрах. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в следящих приводах, в автоматических системах управления мобильными объектами и в робототехнике.

Известен амплитудный способ измерения угла поворота вала привода (В.Г. Домрачеев, В.Р. Матвеевский, Ю.С.Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: «Энергоатомиздат», 1987, стр. 157), по которому к первичной обмотке возбуждения синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) подводят напряжение синусоидальной формы, с «синусной» и «косинусной» обмоток СКВТ считывают сигналы в виде амплитудно-фазовой (АФ) модуляции с огибающими, соответственно, синусоидальной и косинусоидальной форм, амплитуды которых пропорциональны измеряемому углу. Полученные сигналы демодулируют с помощью фазовых детекторов и фильтруют, выделяя из каждого низкочастотные огибающие. Сопоставляя знаки огибающих, определяют номер квадранта (четверть) для устранения неоднозначности вычислений угла и вычисляют величину самого угла поворота вала с учетом найденного квадранта.

Недостатками данного способа являются:

- возникновение погрешности измерения из-за нестабильности частоты сигнала, формируемого генератором возбуждения СКВТ, и ухудшение достоверности измерений из-за нарушения взаимной нормировки амплитуд выходных сигналов СКВТ;

- использование сложного метода и средств амплитудно-фазовой демодуляции сигналов СКВТ, дополнительно снижающих точность измерения угла.

Известен способ измерения угла поворота вала привода (Патент РФ №2313764 от 27.12.2007, МКИ G01B 7/30), по которому к первичной обмотке возбуждения СКВТ подводят напряжение синусоидальной формы. С «синусной» и «косинусной» обмоток СКВТ считывают, соответственно, сигналы в виде амплитудно-фазовой модуляции и огибающими синусоидальной и косинусоидальной форм, амплитуды которых пропорциональны измеряемому углу. Синхронизируют моменты считывания мгновенных значений выходных сигналов, сохраняют их в схемах выборки-хранения, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуют их в цифровой вид и записывают полученные цифровые коды в регистре данных.

Недостатками данного способа являются:

- возникновение погрешности измерений и ухудшение достоверности результатов из-за погрешности взаимной нормировки амплитуд выходных сигналов СКВТ и нестабильности частоты сигнала возбуждения СКВТ;

- снижение точности измерения угла из-за использования амплитудно-фазовой демодуляции сигналов СКВТ;

- возникновение дополнительной погрешности измерений угла из-за неточности определения момента синхронизации и считывания.

Известно устройство для измерения угла поворота вала привода (В.Г. Домрачеев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: «Энергоатомиздат», 1987, стр. 157), содержащее генератор синусоиды, СКВТ, усилитель, фазовый демодулятор и фильтр, выделяющие полезный сигнал, пропорциональный измеряемому углу.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения угла из-за наличия в схеме амплитудно-фазового демодулятора и, как следствие, большого количества промежуточных операций.

Известно устройство для измерения угла поворота вала привода (Патент РФ №2313764 от 27.12.2007, МКИ G01B 7/30), содержащее генератор синусоидального сигнала, СКВТ, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, регистр данных, блок управления и устройство синхронизации.

Недостатками данного устройства являются:

- невысокая точность измерения угла поворота вала привода из-за погрешностей в работе амплитудно-фазового демодулятора;

- сложная электрическая схема подключения СКВТ.

Данное устройство по совокупности основных характеристик является наиболее близким к заявленному предложению и выбрано в качестве прототипа.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение точности и достоверности измерения угла поворота вала привода.

Технический результат, который достигается предложением, заключается в устранении влияния нестабильности частоты возбуждения на точность измерений угла поворота вала привода и в увеличении количества достоверно получаемых разрядов двоичных кодов синуса и косинуса измеренного угла в цифровых регистрах.

В известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа, считывается и обрабатывается сигнал, имеющий АФ-модуляцию. В предлагаемом техническом решении результат достигается преобразованием сигнала из АФ-модуляции в сигнал с АМ-модуляцией, позволяя устранить влияние нестабильности частоты сигнала возбуждения и совместной ненормированности амплитуд выходных сигналов на точность измерения угла поворота, повышая достоверность полученных результатов. К тому же принцип АМ-модуляции и детектирования (демодуляции) широко известны в технике радиоприема и не потребуют разработки новых электронных компонентов для своей реализации.

Сущность заявленного способа заключается в том, что первичную обмотку СКВТ возбуждают генератором гармонического синусоидального напряжения. Затем выходные сигналы СКВТ с амплитудно-фазовой модуляцией преобразуют в сигналы с амплитудной модуляцией. Преобразование из одного вида модуляции в другой производят суммированием напряжения генератора с напряжениями соответствующих «синусной» и «косинусной» обмоток СКВТ, предварительно уменьшив их амплитуды дифференциальными усилителями с коэффициентами усиления, меньшими единицы. Значения коэффициентов усиления усилителей подстраивают так, чтобы сигналы после усиления имели одинаковые (нормированные) амплитуды. Несоблюдение равенства амплитуд приведет к появлению погрешности преобразования измеряемого угла поворота вала из-за нарушения требования ортогональности считываемых сигналов. Затем сигналы детектируют с помощью амплитудных детекторов, фильтруют и преобразуют с помощью АЦП в цифровые коды синуса и косинуса измеряемого угла, записывая их в выходные регистры.

Сущность устройства в том, что оно состоит из двух структурно одинаковых каналов, причем в составе каждого из каналов есть: дифференциальный усилитель с подстраиваемым коэффициентом усиления, но меньше единицы, сумматор, в котором суммируются напряжение генератора возбуждения с напряжением, соответственно, или выходной «синусной», или выходной «косинусной» обмоток СКВТ. Значения синуса или косинуса измеряемого угла в цифровом виде в соответствующих каналах получают последующим их амплитудным детектированием, с помощью известных в радиотехнике амплитудных детекторов, фильтров, аналого-цифровых преобразователей и, в итоге, записывают данные в выходные регистры в цифровом виде.

Заявляемые способ и устройство измерения угла поворота вала привода поясняют следующие фигуры:

- на фиг. 1 показана функциональная схема устройства для измерения угла поворота вала привода, содержащего два идентичных канала, а также состав канала;

- на фиг. 2 показаны временные диаграммы напряжений сигналов от времени в разных точках функциональной схемы устройства для измерения угла поворота вала привода.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - генератор;

2 - синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ);

3 - обмотка возбуждения СКВТ;

4 - синусная обмотка СКВТ;

5 - косинусная обмотка СКВТ;

6 - «синусный» канал;

7 - «косинусный» канал;

8 - дифференциальный усилитель синусного сигнала;

9 - сумматор;

10 - амплитудный детектор синусного сигнала;

11 - фильтр для выделения информационного сигнала (огибающей).

12 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

13 - выходной регистр;

14 - блок управления и синхронизации;

15 - сигнал в первичной обмотке 3 СКВТ от генератора возбуждения 1;

16 - АФ сигнал на выходе синусной обмотки 4 СКВТ;

17 - AM сигнал на выходе синусного сумматора 9;

18 - AM сигнал СКВТ на выходе синусного фильтра 11;

19 - АФ сигнал на косинусной обмотке СКВТ (аналогичен 16);

20 - AM сигнал на выходе косинусного сумматора (аналогичен 17);

21 - AM сигнал СКВТ на выходе косинусного фильтра (аналогичен 18).

Устройство содержит генератор 1 возбуждения, формирующий синусоидальный сигнал, СКВТ 2 с первичной обмоткой возбуждения 3 и выходными синусной 4 и косинусной 5 обмотками и два канала 6 и 7 с одинаковой структурой, в каждом из которых есть: дифференциальный усилитель 8, сумматор 9, амплитудный детектор 10, фильтр 11, аналого-цифровой преобразователь 12 и выходной регистр 13 для хранения данных в цифровом виде. Причем выход генератора 1 возбуждения присоединен как к первичной обмотке 3 возбуждения СКВТ, так и к первым входам сумматоров обоих каналов 6 и 7. Выходная синусная обмотка 4 СКВТ присоединена к входу дифференциального усилителя 8 «синусного» канала 6, а выходная косинусная обмотка 5 СКВТ присоединена к входу такого же дифференциального усилителя, но косинусного канала 7. Далее прохождение и обработка сигналов в «синусном» канале 6 и в «косинусном» канале 7 аналогичны и далее рассмотрены на примере «синусного канала» 6.

Выход дифференциального усилителя 8 присоединен ко второму входу сумматора 9, а выход сумматора присоединен к входу амплитудного детектора 10. После детектирования с выхода детектора сигнал подается на фильтр 11 для выделения низкочастотной огибающей. С его выхода выделенная низкочастотная огибающая поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12. Оцифрованный сигнал с выхода АЦП поступает на вход регистра 13, где запоминается и может быть использован как конечный результат работы устройства. Всеми устройствами управляет блок 14 управления и синхронизации.

Сущность заявленного способа состоит в изменении используемого вида модуляции при обработке выходных сигналов СКВТ. Используемый в известных аналогах способ обработки сигналов СКВТ, представленных в АФ-модулированном виде, связан с большими аппаратными и временными затратами и с возникновением дополнительных погрешностей измерения, в то время, как предложенный способ с предварительной заменой вида модуляции из АФ в AM существенно упрощает схему устройства, сокращает количество промежуточных операций обработки сигналов для получения конечной цели измерения и в результате уменьшает погрешность измерений угла поворота выходного вала привода.

Устройство для измерения угла поворота вала привода и способ его работы поясняются приведенной математической моделью и временными диаграммами на фиг. 2. Гармонический сигнал возбуждения может быть представлен формулой 1, ему соответствует временная диаграмма 15 фиг. 2,

где:

U(t) - текущее значение сигнала возбуждения;

t - время;

U0 - амплитуда сигнала на первичной обмотке СКВТ;

ω - угловая частота.

Сигналы 16, 19 фиг. 2 выходных обмоток с АФМ-модуляцией имеют, соответственно, вид:

где:

Usin - сигнал с «синусной» выходной обмотки 4;

Ucos - сигнал с «косинусной» выходной обмотки 5;

φ - угол поворота вала привода.

Известно, что канонические виды АМ-сигналов описываются, соответственно, формулами:

где:

UAM-Sin - вид амплитудно-модулированного синусного сигнала;

UAM-Cos - вид амплитудно-модулированного косинусного сигнала;

λ - коэффициент, при λ≥1 возникает т.н. эффект «перемодуляции» сигнала.

Очевидно, что формулы (3) могут быть представлены так:

Сопоставляя формулы (1), (2) и (4), можно заметить, что первые слагаемые в формулах (4) имеют вид гармонического сигнала возбуждения, а вторые слагаемые - вид сигналов с АФ-модуляцией, но дополнительно умноженные на λ<1. Таким образом, синусный и косинусный АМ-сигналы могут быть получены простым алгебраическим сложением сигнала генератора возбуждения 15 с каждым из АФ-сигналов 16 и 19, дополнительно умноженных на λ<1.

Действительно, реальный сигнал, получаемый на выходе сумматора 9 канала 6 и аналогичный ему на выходе сумматора канала 7, имеющие, соответственно, виды 17 и 20 на фиг. 2, описываются каноническими уравнениями (3).

Последующая обработка в канале 6 синусного AM-сигнала, полученного после фильтрации и показанного на временной диаграмме 18, сводится к его преобразованию в цифровой вид с помощью АЦП 12 с последующей записью в регистр 13.

Аналогично обработка в канале 7 косинусного AM-сигнала, полученного после фильтрации и показанного на временной диаграмме 21, сводится к его преобразованию в цифровой вид с помощью АЦП с последующей записью в регистр канала 7.

Реализуемость способа и устройства измерения угла поворота выходного вала привода доказывается широкой известностью применения принципа АМ-модуляции в технике радиоприема, и не потребуется разработки новых электронных компонентов.

Предложенные технические решения были апробированы в экспериментах с СКВТ типа ВТ-2.5 и ВТ-71. Технические характеристики этих СКВТ можно найти, например, в книге (В.Г. Домрачеев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: «Энергоатомиздат», 1987, стр. 157).

В качестве элементной электронной базы для апробации были использованы микросхемы АМ-амплитудных детекторов, синхронных AM-детекторов, УВЧ и УНЧ распространенной радиочастотной серии, например К174. Эти микросхемы популярны, а основы их использования многократно описаны в литературе (например, Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. Под ред. С.В. Якубовского. М.: «Радио и связь», 1990, стр. 375).

1. Способ измерения угла поворота вала привода, заключающийся в возбуждении первичной обмотки синусно-косинусного вращающегося трансформатора гармоническим напряжением генератора, считывании модулированных синусного и косинусного сигналов с выходных обмоток синусно-косинусного вращающегося трансформатора, изменении амплитуды указанных сигналов, детектировании, преобразовании их в цифровую форму и записи полученных сигналов в регистр, отличающийся тем, что амплитуды сигналов, считанных с выходных обмоток синусно-косинусного вращающегося трансформатора, перед преобразованием их в цифровую форму уменьшают так, чтобы их значения стали меньше амплитуды напряжения сигнала, формируемого гармоническим генератором, полученные сигналы складывают с напряжением гармонического генератора, детектируют с помощью амплитудного детектора и фильтруют.

2. Устройство измерения угла поворота привода, содержащее генератор синусоидального напряжения, синусно-косинусный вращающийся трансформатор с первичной обмоткой возбуждения, выходными «синусной» и «косинусной» обмотками и блок управления, причем выход генератора синусоидального напряжения присоединен к обмотке возбуждения, отличающееся наличием двух каналов с одинаковой структурой для считывания, обработки сигналов и записи данных в регистры, при этом «синусная» обмотка присоединена к усилителю, имеющему коэффициент усиления меньше единицы, первого канала, а «косинусная» обмотка - к усилителю, имеющему коэффициент усиления меньше единицы, второго канала, далее в каждом канале выход усилителя присоединен к входу сумматора, ко второму входу которого присоединен выход генератора синусоидального напряжения, выход сумматора присоединен к входу амплитудного детектора с выходом, присоединенным к входу фильтра, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя с выходом, присоединенным к входу регистра соответствующего канала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительных электрических машин и цифровых преобразователей угла. Достигаемый технический результат - повышение точности контроля указанных изделий.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений (поворотов), с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой индукционный датчик для измерения земного магнитного поля. Датчик содержит электромагнитный узел обнаружения магнитного поля, размещённый на маятнике.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик для непрерывного измерения углового положения (θа) вала. Датчик содержит статор, ротор, соединяемый с валом.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах автоматики для получения выходных напряжений, пропорциональных углу поворота.

Предлагаемое устройство относится к средствам измерений, а именно к устройствам отсчета угла поворота тел вращения. Устройство отсчета угла поворота шпинделя, содержит датчик угла поворота и датчик индекса, предварительные усилители низкой частоты, выходы которых через резисторы подключены к входам счетчиков, выходы которых подключены к входам дешифраторов, выходы которых подключены к входам матричных семисегментных светодиодных индикаторов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения угловых перемещений в авиационной технике, в том числе в различных цепях управления электротехнических, электромеханических устройств.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения угла наклона объектов в диапазоне от 0 до 180°. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала электродвигателя. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам калибровки и устройствам измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, и может быть использовано в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и ракетной технике и других областях, где требуется измерять углы до 90° с помощью датчиков на основе магниторезисторов или элементов Холла. Устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика содержит два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, два ЦАП, АЦП и вычислительное устройство. Усилители соединены с выходами мостов датчика, входы смещения нуля усилителей соединены с выходами компенсационных ЦАП, входы которых соединены с вычислительным устройством. Вход АЦП соединен с выходом первого усилителя, а вход опорного напряжения АЦП соединен с выходом второго усилителя. Вычислительное устройство содержит память программ и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы. Технический результат заключается в возможности измерения угла в диапазоне от 45° до -45° за один такт преобразования АЦП с использованием одного АЦП. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к способу и устройству контроля целостности лопастей вращающегося несущего винта вертолета. Для контроля целостности лопастей вращающегося несущего винта вертолета устанавливают на роторе несущего винта возбудитель оборотной метки, а напротив на неподвижной части корпуса - неподвижный бесконтактный оборотный датчик, регистрируют электрические импульсы, формируют оборотные прямоугольные импульсы, измеряют временные интервалы между импульсами, получают информацию о периоде вращения ротора несущего винта, устанавливают на неподвижной части корпуса излучающую антенну определенной диаграммы направленности, устанавливают приемную антенну определенным образом, формируют зондирующее сверхвысокочастотное излучение, детектируют принятый отраженный сигнал приемной антенной, усиливают его, формируют лопастные прямоугольные импульсы, определяют временные интервалы между импульсами, идентифицируют номера лопастей, формируют сигнал неисправности при отклонении измеренных временных интервалов и амплитуд от заданных эталонных значений. Устройство для контроля целостности лопастей содержит детектор, два компаратора, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, генератор сигнала сверхвысокой частоты, приемную и передающую антенно-фидерные системы, формирователь опорного напряжения, усилитель, бортовую электронно-вычислительную машину, два счетчика, два оборотных датчика, ключ, генератор тактовых импульсов, соединенные определенным образом. Обеспечивается точность и достоверность контроля целостности лопастей несущего винта вертолета. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к системам помощи водителю и технологиям активной безопасности для транспортных средств, в частности к узлу датчика угла сцепки, который может использоваться вместе с системой помощи при движении задним ходом с прицепом. Узел датчика угла сцепки содержит разделитель, выполненный с возможностью фиксации между сцепным шаром и установочной поверхностью на транспортном средстве, компонент, имеющий магнитную часть и соединенный с разделителем с возможностью поворота вокруг оси, образованной сцепным шаром, соединительный элемент для прикрепления компонента к прицепу и датчик магнитного поля, соединенный с разделителем и определяющий положение поворота компонента для определения угла сцепки. Магнитная часть имеет дугообразную форму, имеющую по существу постоянную ширину и центральную точку, смещенную относительно указанной оси, образованной сцепным шаром. Достигается повышение точности управления транспортным средством с прицепом при движении задним ходом. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области бесконтактных измерений угла поворота вала. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала использует магнитную систему на основе малого дипольного диаметрально намагниченного магнита, совершающего угловое движение с двумя степенями свободы в рабочей плоскости, параллельной лицевой поверхности программируемого двухосевого энкодера Холла с интегрированными магнитоконцентрирующими (ИМК) дисками, выполняющими физическое преобразование магнитного поля в рабочей плоскости в перпендикулярное, к которому истинно чувствителен датчик Холла с ИМК, при этом используются другие типы датчиков, высокочувствительные только к компонентам магнитного поля в рабочей (XY) плоскости и полностью или сравнительно малочувствительные к вертикальной составляющей (Z) магнитного поля, а интегральный компонент истинно двухосевого датчика может быть смонтирован с любой стороны платы, также центральный конструктивный компонент или элемент детали корпуса – вставка – жестко соединен с корпусом и обеспечивает точное позиционирование в корпусе статора друг относительно друга дипольного магнитного ротора и интегрального компонента двухосевого магниточувствительного датчика с оптимальным рабочим расстоянием между ними, кроме того, в датчике угла поворота вала используется дипольный магнит, намагниченный параллельно той плоскости, в которой ротор совершает рабочее угловое движение с двумя степенями свободы, также имеется интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами, включенный в схему обработки сигнала, и избыточный интегральный датчик, объединяющий в одном интегральном корпусе два магниточувствительных элемента. Технический результат – повышение чувствительности, точности и надежности датчика угла поворота. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной и информационной техники. Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение процедуры измерения угла вращения. Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения угла вращения, содержащее исследуемый объект, источник излучения и частотомер, введены первый и второй блоки питания, преобразователь вращения в электрический сигнал, включающий в себя сельсин-датчик и сельсин-приемник, преобразователь напряжения, в качестве источника излучения используется микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, причем вход преобразователя вращения в электрический сигнал подключен к первому блоку питания, выход преобразователя вращения в электрический сигнал через преобразователь напряжения соединен с варактором микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, вход питания микроволнового генератора подключен к второму блоку питания, выход микроволнового генератора соединен с входом частотомера, ротор сельсина-датчика преобразователя вращения в электрический сигнал жестко скрепляется с исследуемым объектом. 1 ил.
Наверх