Преобразователь "угол-код" индукционного датчика угла

Авторы патента:

H03M1/20 - Кодирование, декодирование или преобразование кода вообще (с использованием гидравлических или пневматических средств F15C 4/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; кодирование, декодирование или преобразование кода, специально предназначенное для особых случаев применения, см. в соответствующих подклассах, например G01D,G01R,G06F,G06T, G09G,G10L,G11B,G11C;H04B, H04L,H04M, H04N; шифрование или дешифрование для тайнописи или других целей, связанных с секретной перепиской, G09C)

G01B7/30 - для измерения углов; для проверки соосности

Владельцы патента RU 2649033:

Акционерное общество "Конструкторское Бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана" (RU)

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений, а именно для преобразования ограниченного угла поворота вала в цифровой код при управлении угловым положением подвижных частей объекта регулирования. Преобразователь «угол-код» индукционного линейного датчика угла (ИЛДУ) содержит формирователь синусоиды, выход ИЛДУ через два противофазно включенных дифференциальных усилителя соединен с входами первого и второго АЦП. Блок управления и синхронизации выполнен на микроконтроллере, содержащем встроенные АЦП, ЦАП и последовательный канал UART. Цифровой сумматор, фильтр низкой частоты и генератор опорной частоты выполнены программным методом на микроконтроллере. Формирователь синусоиды содержит аналоговый фильтр несущей частоты и усилитель мощности. Цифровой выходной сигнал преобразователя «угол-код» с выхода UART микроконтроллера выдается по последовательному каналу RS-485. Обеспечена работа с серийными индуктивными ИЛДУ, например, типа 15Д-32Б и 45Д-32Б1, достигнуто упрощение схемы преобразователя и повышение точности измерения угла поворота. При использовании индукционного датчика угла типа-15Д-32Б рабочий диапазон углов составляет плюс/минус 6°, цена младшего разряда преобразователя «угол-код» составляет около 12'' (12 разрядов). Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение работы с серийными индуктивными ИЛДУ, упрощение схемы преобразователя и повышение точности измерения угла поворота. 2 ил.

Неполнооборотные электромеханические индукционные линейные датчики угла (ИЛДУ) широко применяются в качестве датчиков обратной связи в следящих электроприводах оптико-электронных систем с ограниченным углом поворота вала. При переходе от аналоговых принципов построения механотронных систем слежения и регулирования к цифровым появилась необходимость создания и использования цифровых преобразователей угла в качестве датчиков обратной связи.

Известно устройство преобразования угла поворота ИЛДУ в постоянное напряжение (Микросхема AD698 фирмы Analog Devices, datasheet AD698, wvvrw.analog.com). Известное устройство содержит встроенный генератор синусоидального напряжения запитки первичной обмотки ИЛДУ, фазочувствительный выпрямитель выходного напряжения вторичной обмотки ИЛДУ, нормирующий делитель напряжения, фильтр нижних частот и выходной нормирующий операционный усилитель. Недостатком известного преобразователя угла поворота ИЛДУ в постоянное напряжение является необходимость дополнительного применения внешнего аналого-цифрового преобразователя для преобразования угла в цифровой код.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является преобразователь угловых перемещений в цифровой код (патент РФ №2313764, МКИ G01B 7/30) с индуктивным трансформаторным ИЛДУ. Известное устройство содержит формирователь синусоиды, выход которого соединен с входом трансформаторного датчика угла, выход которого соединен с входом дифференциального усилителя, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом регистра данных, отличающееся тем, что в него введены блок управления и синхронизации и устройство выборки-хранения, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, первый вход соединен с выходом дифференциального усилителя, второй вход соединен с первым выходом блока управления и синхронизации, второй выход которого соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, третий выход соединен с входом формирователя синусоиды, а вход соединен с выходом генератора. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства является применение нестандартного трансформаторного ИЛДУ, сложность схемы преобразователя и недостаточная точность при изменении амплитуды формирователя синусоиды.

Целью изобретения является обеспечение работы с серийными ИЛДУ, упрощение схемы преобразователя и повышение точности измерения угла поворота.

Цель достигается за счет того, что в преобразователь, содержащий формирователь синусоиды, выход которого соединен с входом первичной обмотки индукционного линейного датчика угла, последовательно соединенные первый дифференциальный усилитель и первый аналого-цифровой преобразователь, причем выход линейного датчика угла соединен с входом первого дифференциального усилителя, блок управления и синхронизации и тактирующий генератор, выход которого соединен с блоком управления и синхронизации, отличающийся тем, что формирователь синусоиды содержит последовательно соединенные фильтр несущей частоты и усилитель мощности, и дополнительно введены последовательно соединенные второй дифференциальный усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь, причем входы второго дифференциального усилителя соединены противофазно с выходом линейного датчика угла, последовательно соединенные цифровой сумматор с прямым и инверсным входами, цифровой фильтр низкой частоты, последовательный порт UART и драйвер интерфейса RS-485, причем входы цифрового сумматора соединены с выходами первого и второго аналого-цифрового преобразователей, а блок управления и синхронизации выполнен на микроконтроллере и содержит последовательно соединенные генератор опорной частоты и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом фильтра несущей частоты, третий аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом усилителя мощности формирователя амплитуды, а выход с управляющим входом цифроаналогового преобразователя.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 - эпюры напряжения устройства преобразователя «угол-код» индукционного датчика угла.

Преобразователь «угол-код» содержит формирователь синусоиды 1, индукционный ИЛДУ 2, первый 4 и второй 4 дифференциальные усилители, первый 5 и второй 6 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифровой сумматор 7, цифровой фильтр 8 низкой частоты (ЦФНЧ), последовательный канал обмена UART 9, блок управления и синхронизации 10, тактирующий генератор 11, третий АЦП 12, генератор опорной частоты 13, цифроаналоговый преобразователь 14 (ЦАП). Формирователь синусоиды содержит последовательно соединенные аналоговый фильтр несущей частоты 15 и усилитель мощности 16; выход формирователя синусоиды 1 соединен с входом ИЛДУ 2 и одновременно с входом третьего АЦП 12, выход которого соединен с управляющим входом ЦАП 14. Блок управления и синхронизации 10 выполнен на программируемом микроконтроллере, который реализует функции цифрового сумматора 7, цифрового ЦФНЧ 8, генератора опорной частоты 13 и ЦАП 14. Измеренное значение угла ИЛДУ выдается через встроенный канал UART 9 микроконтроллера и внешний драйвер 17 по стандартному цифровому интерфейсу RS-485.

Устройство работает следующим образом.

На первичную обмотку ИЛДУ 2 подается синусоидальное напряжение с выхода усилителя мощности 16 формирователя синусоиды 1, амплитуда и фаза выходного напряжения на вторичной обмотке определяется угловым положением ротора ИЛДУ. Выходное синусоидальное напряжение ИЛДУ 2 подается на входы первого 3 и второго 4 дифференциальных усилителей в противофазе. С выходов дифференциальных усилителей 3 и 4 напряжение поступает на входы первого 5 и второго 6 АЦП. На фиг. 2 показано входное напряжение Uлду на входе датчика 2 и напряжения +Umax и -Umax на входах первого 5 и второго 6 АЦП при максимальном угле поворота ротора ИЛДУ. Напряжения +Umax и -Umax имеют равные амплитуды относительно опорного напряжения U ref, равного половине динамического входного диапазона однополярного АЦП, и противоположны по знаку. С помощью блока управления и синхронизации 10 два раза за период синусоидального напряжения в момент его максимального значения происходит одновременный запуск двух АЦП и преобразование амплитуды в цифровой код, который хранится на выходе АЦП до очередного запуска. Значения цифровых кодов с выходов АЦП поступают на вход цифрового сумматора 7, который вычисляет сумму значений двух сигналов с учетом знака: повороту по часовой стрелке соответствует положительное значение угла, повороту против часовой стрелки - отрицательное значение. Цифровой ЦФНЧ 8 нижней частоты осуществляет усреднение четырех последних отсчетов с выхода сумматора 7, что обеспечивает снижение шумов преобразования. Вычисленное цифровое значение угла через последовательный цифровой канал UART 9 и драйвер 17 цифрового последовательного интерфейса RS-485 выдается на выход преобразователя «угол-код».

Частота формирователя синусоидального напряжения питания первичной обмотки ЛДУ задается цифровым генератором опорного напряжения 13 и через цифроаналоговый преобразователь 14 на аналоговый фильтр несущей частоты 15 формирователя синусоиды 1. Выходное напряжение ЦАП имеет квазисинусоидальную ступенчатую форму, определяемую частотой квантования и разрядностью ЦАП. Аналоговый фильтр 15 выделяет первую гармонику синусоидального напряжение несущей частоты, которое через усилитель мощности 16 поступает на первичную обмотку ИЛДУ 2 и одновременно на вход третьего АЦП 12, осуществляющего контроль амплитуды питания датчика ИЛДУ 2.

Точность преобразования напрямую зависит от стабильности амплитуды синусоидального напряжения питания ИЛДУ, которое может изменяться из-за температурных воздействий на аналоговые цепи формирователь синусоиды 1. Для обеспечения постоянного значения амплитуды синусоидального напряжения питания ИЛДУ 2 введена обратная связь с выхода третьего АЦП 11 на вход опорного напряжения ЦАП 15, что обеспечивает постоянство амплитуды.

В качестве блока управления и синхронизации в преобразователе «угол-код» используется микроконтроллер, например, 32-разрядный микроконтроллер семейства ARM Cortex-M3 со встроенными АЦП, ЦАП и каналами UART. В качестве дифференциальных усилителей может быть применен, например, сдвоенный операционный усилитель 544УД16У3 с масштабирующими прецизионными резисторами типа Р1-16П. В качестве АЦП могут применяться, например, встроенные АЦП микроконтроллера. Цифровой генератор опорного напряжения реализуется программным методом на микроконтроллере, в качестве цифроаналогового преобразователя может использоваться, например, встроенный ЦАП микроконтроллера. Аналоговый фильтр несущей частоты и усилитель мощности формирователя синусоиды могут быть выполнены, например, на сдвоенном операционном усилителе повышенной мощности типа 544УД18У3. В тактирующим генераторе микроконтроллера может быть применен, например, кварцевый резонатор типа РК463. Данное устройство может быть выполнено целиком на отечественной элементной базе без применения ЭРИ иностранного производства.

Данное устройство, предназначенное для работы с серийными индукционными ИЛДУ типа 15Д-32Б и 45Д-32Б1, изготовлено и испытано на опытных образцах, предполагается использовать это техническое решение на штатных изделиях. Датчики 15Д-32Б и 45 Д-32Б1 представляют собой индукционные электрические машины с неявнополюсным статором и безобмоточным явнополюсным ротором. Частота съема информации об угле обновляется с удвоенной частотой синусоидального напряжения питания первичной обмотки ИЛДУ.

Рабочий диапазон углов датчика 15Д-32Б составляет плюс/минус 6° (около 0,2 рад), цена младшего разряда преобразователя «угол-код» с данным датчиком составляет около 12'' (12 разрядов).

Рабочий диапазон углов датчика 45Д-32Б1 составляет плюс/минус 30° (около 1,0 рад), цена младшего разряда преобразователя «угол-код» с данным датчиком составляет около 53'' (12 разрядов).

Преобразователь «угол-код» индукционного датчика угла, содержащий формирователь синусоиды, выход которого соединен с входом первичной обмотки индукционного линейного датчика угла, последовательно соединенные первый дифференциальный усилитель и первый аналого-цифровой преобразователь, причем выход линейного датчика угла соединен с входом первого дифференциального усилителя, блок управления и синхронизации и тактирующий генератор, выход которого соединен с блоком управления и синхронизации, отличающийся тем, что формирователь синусоиды содержит последовательно соединенные фильтр несущей частоты и усилитель мощности, дополнительно введены последовательно соединенные второй дифференциальный усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь, причем входы второго дифференциального усилителя соединены противофазно с выходом линейного датчика угла, последовательно соединенные цифровой сумматор с прямым и инверсным входами, цифровой фильтр низкой частоты, последовательный порт UART и драйвер интерфейса RS-485, причем входы цифрового сумматора соединены с выходами первого и второго аналого-цифрового преобразователей, а блок управления и синхронизации выполнен на микроконтроллере и содержит последовательно соединенные генератор опорной частоты и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом фильтра несущей частоты, третий аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом усилителя мощности формирователя амплитуды, а выход с управляющим входом цифроаналогового преобразователя.

Изобретение относится к схемотехнике, автоматике, промышленной электронике и аналого-цифровой технике и может быть использовано в устройствах преобразования цифровых величин в пропорциональные аналоговые величины.

Аналого-цифровой преобразователь // 2646356

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин.

Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер // 2645880

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала электродвигателя. Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер содержит n оптопар, где n - разрядность энкодера, растровый диск с одной кодирующей дорожкой, состоящей из последовательно расположенных прозрачных и непрозрачных секторов, причем оптопары располагают с одинаковым шагом a, где a, равное 360/2n, - разрешающая способность энкодера, а кодирующую дорожку формируют в соответствии с двоичной последовательностью длиной m=2n, при этом каждой цифре последовательности соответствует угловой размер a, нулю ставится в соответствии непрозрачный сектор, единице прозрачный - или наоборот.

Способ преобразования электрических импульсов в код манчестер и устройство для его осуществления // 2644530

Изобретение относится к электронным информационным техническим решениям общего назначения. Технический результат заключается в обеспечении устранения взаимовлияния прямого тракта и обратной связи, а также устранение апериодического эффекта от обратной связи.

Цифровой функциональный преобразователь // 2642381

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может найти применение для аппаратной реализации вычисления функций. Технический результат заключается в расширении арсенала средств для вычисления функциональных зависимостей.

Двухканальный аналого-цифровой преобразователь // 2642133

Изобретение относится к измерительной электронной технике и может использоваться для преобразования нескольких аналоговых сигналов в цифровые. Предложенный двухканальный аналого-цифровой преобразователь содержит ключ, одноканальный аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор с двумя регистрами на своих выходах, а также формирователь импульсов коммутации, выход которого соединен с управляющим входом ключа и мультиплексора, при этом входами этого двухканального аналого-цифрового преобразователя являются входы каналов ключа, его выходами являются выходы регистров, выход одноканального аналого-цифрового преобразователя соединен с входом мультиплексора.

Цифроаналоговый преобразователь // 2638769

Изобретение относится к средствам обработки информации и может быть использовано при создании высокоскоростных функциональных цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей и преобразователей частоты.

Аналогово-цифровой преобразователь с регистрацией времени // 2637479

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и регистрации полученного кода в памяти.

Цифровой преобразователь код-временной интервал // 2630417

Изобретение относится к автоматике, телемеханике и вычислительной технике и может быть использовано в телеметрических системах с времяимпульсной модуляцией (ВИМ).

Гибридный функциональный цифроаналоговый преобразователь со сплайновой аппроксимацией n-го порядка // 2628918

Изобретение относится к области радиотехники, электросвязи, информационно-измерительной техники и может применяться для нелинейного цифроаналогового преобразования сигналов разной точности и сложности.

Устройство для измерения угла вращения // 2620777

Изобретение относится к области измерительной и информационной техники. Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение процедуры измерения угла вращения.

Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала // 2615612

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.

Узел датчика угла сцепки // 2613123

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.

Способ контроля целостности лопастей несущего винта вертолета и устройство для его осуществления // 2593652

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.

Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика // 2589755

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.

Способ измерения угла поворота вала привода и устройство для его реализации // 2580153

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

Устройство контроля точности аналогового и цифрового преобразователей угла // 2575467

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

Индукционный датчик углового положения // 2570232

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

Индукционный датчик и способ изготовления такого индукционного датчика // 2546850

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.

Датчик углового положения и узел, содержащий вращающуюся систему и такой датчик // 2540455

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