Датчик углового положения и скорости вращения вала

 

Ъ 2

1 Ф „ ",:.<- 3"

Дальневосточный ордена Трудового Красного Знамени. политехнический институт им. S.В.Куйбышева (71) Заявитель (54) ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ

ВРАЩЕНИЯ ВАЛА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика углового положения и мгновенной скорости вращения вала в точных цифровых системах авто5 матического управления.

Известно устройство для измерения скорости и угла поворота вала, которое содержит установленный на валу модулирующий диск с одной широкой и серией узких прорезей, чувствительный элемент с формирователем импульсов, подключенным к селектору, и отсчетное устройство, а также преобразователь частоты в напряжение и управляемый генератор. При этом вход преобразователя подключен к формирователю импульсов, а выход генератора — к селектору и отсчетному устройству(1 3.

Недостатками устройства являются отсутствие информации о направлении вращения и низкая надежность, связанная с применением принципа счета при определении углового положения. Потеря одного или нескольких импульсов приводит к искажению показаний датчика на всем обороте. Кроме того, датчик выдает не мгновенные значения скорости, а усредненные на длительном интервале измерения, т.е. непригоден для измерения переменной скорости вращения.

Также известно устройство управпения вентильным электродвигателем, которое включает в себя цифровой датчик углового положения вала, содержащий генератор импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выполненного на триггерах, выход старшего разряда которого через формирователь опорных сигналов соединен с входом фазовращателя, выход которого через нульорган подключен к входу разрешения записи первого регистра, информационные входы которого соединены

934382

35

ЬТ— = T-Т о с выходами соответствующих триггеров первого счетчика(2 ).

Недостатком известного устройства является отсутствие информации о скорости и направлении вращения вала.

Цель изобретения заключается в обеспечении опередел ния мгновенных значений скорости и направления вращения, в повышении точности измерения скорости вращения.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик введены ключ, втоv рой регистр, второй счетчик, разрядность которого равна разрядности первого счетчика плюс знаковый разряд, дополнительный триггер и формирователь задержанных импульсов

) причем выход генератора импульсов подключен к входу второго счетчика через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом дополнитель-. ного триггера, вход сброса которого соединен с выходом нуль-оргайа и с входом формирователя задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регистра, информационные входы которого соединены с соответ.— ствующими выходами триггеров второго счетчика, вход предустановки которого подключен к второму выходу формирователя задержанных импульсов, третий выход которого соединен с входом установки дополнительного триггера.

На чертеже изображена схема датчика углового положения и скорости вращения вала.

Датчик содержит генератор 1 им40 пульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 2, выполненного на триггерах. Выход старшего разряда счетчика 2 через формирователь опорных сигналов 3 сое- 45 динен с входами фазовращателя 4, подключенного своим выходом к входу нуль"органа 5. Выход последнего соединен с входом разрешения записи первого регистра б, информационные 50 входы которого подключены к выходам соответствующих триггеров счетчика 2.

Выход генератора 1 импульсов соединен также со счетным входом второго счетчика 7 через ключ 8, управляющий 55 вход которого соединен с выходом дополнительного триггера 9. Вход сброса триггера 9 соединен с выходом нуль-органа 5. Выход нуль-органа 5 соединен также с входом Формирователя 10 задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регистра 11. Информационные входы регистра 11 соединены с соответствующими выходами триггеров второго счетчика 7, входы предустановки кото. рого подключены к второму выходу формирователя 10 задержанных импульсов. Третий выход последнего соединен с входом установки в единичное состояние дополнительного триггера 9.

Датчик работает следующим образом.

Первый счетчик 2 выполняет функцию деления частоты генератора 1.

Формирователь 3 вырабатывает иэ выходных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напряжения фазовращателя с частотой f . Нульорган 5 формирует из выходных синусоидальных сигналов фазовращателя 4 прямоугольные периодические сигналы, по переднему фронту которых осуществляется запись кода первого счетчика 2 в первый регистр 6. В последнем фик,сируется код текущего углового положения вала. Второй счетчик 7 вместе с ключем 8, дополнительным триггером 9, формирователем 10 задержанных импульсов и регистром 11 образуют блок вычисления частоты вращения f> .

Покажем, что при выполнении условия f.o>7 (ГВ),частота вращения с некоторым приближением пропорциональна разности периодов опорного и выходного напряжения фазовращателя

Действительно, выходная частота фазовращателя равна о

Причем Е положительна, если f r f и отрицательна, если f c f . Выразив из (2 ) частоту вращения и подставив вместо периода выходного сигнала Фазовращателя Т его значение иэ (1), получаем

После несложных преобразований выражение 1, 3 ) можно переписать в виде

934382 в т

Разложив в < 4) выражение в круглых скобках в ряд Тейлора, получаем

ТаК как fp 7 f>, то / Т/«Т можно пренебречь членами высших порядков малости в разложении (3) и записать выражение для частоты вращения в виде

Блок определения частоты вращения работает следующим образом.

По переднему фронту выходного сигнала нуль-органа 5 дополнительный триггер 9 переходит в нулевое состоя- 2О ние и, воздействуя на управляющий вход ключа 8, прекращает поступление импульсов генератора 1 на счетный вход второго счетчика 7. Передний фронт выходного сигнала нуль-органа запускает также формирователь 10 задержанных импульсов, который выдает на своем первом выходе импульс через время, достаточное для завершения распространения переносов во втором счетчике 7. По этому импульсу происходит перезапись кода счетчика во второй регистр 11.Второй импульс формирователя 10 задержанных импульсов, воздействуя на входы предустановки второго счетчика 7, осуществляет запись в него кода, соответствующего промежутку времени между передним фронтом импульса нуль-органа 5 и началом импульса на третьем выхо- 4 де формирователя 10 задержанных импульсов. Этот импульс поступает на установочный вход триггера 9 и пере1 водит его в единичное состояние,,после чего открывается ключ 8 и импульсы генератора 1 вновь поступают на счетный вход второго счетчи.ка 7.

Таким образом, в регистре 11 в начале каждого следующего периода выходного сигнала нуль-органа 5 фикI сируется код разности д, T = бТ =Т-То определенный в предыдущем периоде выходного сигнала нуль-органа 5.

Считаем вначале, что Т 7 То. Так как

S5 второй счетчик 7 имеет разрядность, равную разрядности первого счетчика

2, плюс дополнительный знаковый разряд, то через время, равное То, после начала выходного сигнала нульоргана 5 знаковый разряд второго счетчика 7 устанавливается в единичное состояние, а цифровые разряды сбрасываются в нулевое состояние.

После этого счетчик 7 подключается к генератору 1 еще на время, равное,Ь Т, т.е. к моменту фиксации в

/ цифровых разрядах счетчика будет код, пропорциональный ЬТ. Если Т < Т, то к моменту фиксации второй счетчик не досчитает до кода, соответствующего Т, т.е. в цифровых разрядах будет код, пропорциональный разности Т -(ЬТ), а знаковый разряд останется в нулевом состоянии. Следова" тельно, во втором случае зафиксируется дополнительный код приращения Т . Поскольку выбор положительного

f направления произволен, то удобнее считать положительным то направление вращения, при котором приращения периода выражены в прямом коде. Используя в качестве знака инверсное значение знакового разряда, получаем на выходе второго регистра 11 сразу код скорости со знаком направления вращения.

Технико-экономические преимущества предлагаемого решения могут быть выявлены только после оценки погрешности, связанной с отбрасыванием высших порядков малости в разложении (5). Можно считать, что погрешность определяе.тся значением первого из отбрасываемых членов ряда. Эта оцен" ка несколько завышена для отрицательного приращения периода и для положительного. Тогда относительная по)грешность д определения скорости из-за отбрасывания членов ряда равна d — — /ЬТ/ /Тр. Так как

/ЬТ /То /fg//f, то уменьшение отношения / Т//То 1ребует увеличения частоты опорного напряжения, что связано с уменьшением разрядности счетчиков и увеличении составляющей погрешности, связанной с дискретным представлением информации. Реально при использовании современных быстродействующих элементов достижение измерения углового положения . и скорости вращения с относительной погрешностью на хуже единиц-долей процента при частоте вращения до ста оборотов в секунду.

Формула изобретения

Датчик углового положения и скорости вращения вала, содержащий генеЯ фд сл араслги вНИИПИ Заказ 3927/40 Тираж 887 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

IpBTop импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выполненного на триггерах, выход старшего разряда которого через формирователь опорных сигналов соединен с входом фазовращателя, выход которого через нуль-орган подключен к входу разрешения записи первого регистра, информационные входы которого соединены с выходами соответствующих триггеров первого счетчика, отличающийся тем, что, с целью определения мгновенных значений скорости и направления вращения, в датчик введены ключ, второй регистр, второй счетчик, разрядность которого равна разрядности первого счетчика плюс знаковый разряд, дополнительный триггер и формирователь задержанных импульсов, причем выход генератора импульсов подключен к входу второго счетчика через ключ, управляющий вход которого

34382 8 соединен с выходом дополнительного. триггера, вход сброса которого соединен с выходом нуль-органа и с входом формирователя задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешения записи второго регистра, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами триггеров второго счетчи$Q ка, вход предустановки которого подключен ко второму выходу формирователя задержанных импульсов, третий выход которого соединен с вхо. дом установки дополнительного триго гера.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ув N 590673, кл. С 01 Р 3/64, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 1 2779796, кл.G 01 P 3/64, 1979 (прототип) .