RU1791705C - Способ измерени углового перемещени объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - расширение динамического диапазона изменени  скорости углового перемещени  объекта. На выходе растровой системы 1, св занной с объективом, формируютс  при повороте объекта три последовательности импульсов. За один оборот объекта число импульсов в первой последовательности равно N, во второй последовательности - N + 1, в третьей последовательности - N(N + 1), Фазовый сдвиг между импульсами первой и второй последовательности преобразуетс  нуль- органами 2,3, триггером 5 во временной интервал . Временной интервал заполн етс  импульсами третьей последовательности с помощью нуль-органа 4, схемы 6 совпадени . Результат измерени  в виде кода фиксируетс  счетчиком 8 и периодически переписываетс  в регистр 9. В регистре 9 фиксируетс  результат, св занный с позиционным угловым положением объекта. 2 ил-. СЛ

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники и может быть использовано , например, в фотоэлектрических растровых преобразовател х при измерени х угловых перемещений в различных област х приборостроени .

Известен способ, заключающийс  в том, что формируют двухфазную систему сигналов несущей частоты, формируют че- тырехфазную систему измерительных сигналов , преобразуют ее в двухфазную систему квадратурных измерительных сигналов , лишенных посто нной составл ющей , производ т перемножение каждого сигнала несущей частоты с соответствующим квадратурным измерительным сигналом , формируют информационный сигнал

путем вычитани  перемноженных сигналов и по фазовому сдвигу этого сигнала, который пропорционален угловому перемещению в пределах шага растра, суд т о величине перемещени .

Устройство по данному способу содержит фотоэлектрический растровый датчик, который формирует четыре синусоидальных сигнала, последовательно сдвинутых относительно друг друга на л /2, два дифференциальных усилител , с помощью которых четырехфазна  система сигналов с датчика преобразуетс  в двухфазную систему измерительных сигналов, генератор импульсов несущей частоты, фазорасщепитель, два перемножител  и вычитатель.

V|

О

V4 О СЛ

На выходе этого устройства реализуетс  сигнал

U Um-COS ( GJt - Q)

Фотоизмерительное устройство определ ет фазовый сдвиг выходного сигнала bTHps lbfjJHO опорного сигнала с генератора несущей частоты . Временна  фаза хоЙйо гЬ ,сигнала, измеренна  с помощью фазЬиЗмЪрительного устройства, численно равна пространственной фазе муаровой полосы 2 л- подвижного растра в пределах w

его шага W

Недостатком данного способа  вл етс  низка  точность из-за неопределенности фиксации угла поворота при измерении угловых перемещений в пределах угла 360°. При перемещении подвижного растра в пределах угла от 0 до 360° временна  фаза

в мен етс  N раз, где N

число штрихов на ра страх, т.е. при угловых перемещени х на некоторый угол а , превышающий величину шага растра, наблюдаетс  повтор емость , результатов измерени  и преобразовани ,котора  вносит неопределенность при фиксации угла, превышающего величину шага растра.

Известен способ измерени  угловых перемещений объекта, заключающийс  в том, что формируют в функции угла повороти с помощью растрового преобразовател  два инерционных сигнала несущей частоты Wo 2 п f0i.

Ui Ucos( Wot + N1 a ),

U2 U COS ( (Do t + N2 «

при этом обеспечива  соотношение Ni - N2 1, где N1 и П2 - число штрихов соответствующих растров, с помощью которых формируютс  эти сигналы.

Так как электрические фазы сигналов Ui и U2 измен ютс  на 2 соответственно NI и N2 раза при угловом перемещении растра на 360°, то очевидно, что разностна  фаза этих сигналов будет измен тьс  также на 360° за один оборот.

Таким образом, в известном способе измер емое значение фазы между сигналами LH и U2 соответствует вполне определенному углу в пределах одного оборота, Т.е. данное техническое решение характеризуетс  помехозащищенностью от разного рода сбоев, т.к. информаци  об угловом положении восстанавливаетс  с частотой

Здэ 2 п f0 в каждом последующем цикле измерени .

Первым недостатком известного способа  вл етс  сложность в его реализации.

Св зано это с тем, что дл  формировани  двух информационных сигналов Ui и U2 необходимо использовать генератор квадратурных синусоидальных сигналов несущей частоты С0о , обеспечить попарное перемнржение этих сигналов с соответствующими квадратурными сигналами sin N1 а , cos N1 а и sin N2, a cos № и .формируемыми растровым датчиком, обеспечить по- парное суммирование и вычитание

перемноженных сигналов.

Дл  последующего преобразовани  фазового сдвига между информационными и опорными сигналами в цифровой п-разр д- ный код необходимо дополнительно формировать тактовые импульсы частотой fT to 2П, которым заполн ют временные интерва- лы. Из рассмотренного видно, что аппаратурные затраты на реализацию известного способа достаточно велики.

Другим недостатком известного способа  вл етс  ограниченна  динамика угловых измерений.. .

Эти Ограничени  дл  известного спосо-с ба принципиально существуют и определ ютс  соотношением частоты опорного сигнала fo и требовани ми к дискретности (разрешающей способности) измер емого угла.

Максимальна  углова  скорость

QMSKC измерени  в рассматриваемом случае определ етс  соотношением:

Q

макс -

.360 -f

. m N

360е

m N tnp

(О/С)

5

0

5

1

где fo - опорна  частота (частота преобtnp

разовани );

tnp - врем  преобразовани ;

m 2П - коэффициент интерпол ции периода информационного сигнала Ui;

п - число двоичных разр дов;

N - коэффициент электрической редукции информационного сигнала Ui, равный числу штрихов на растре.

При максимально допустимой угловой скорости QMaxc еще реализуетс  максимальное число циклов преобразовани  Кмэкс - m- N) за оборот, т.е. обеспечиваетс  формирование требуемого числа дискрет- ных уровней квантовани  за один оборот:

360° f0

Kmakc - -г)---- Ьчиакс

Из вышеприведенного соотношени  видно, что по мере увеличени  допустимой угловой скорости QMSKC будет пропорционально уменьшатьс  число дискретных уровней квантовани , формируемых за один оборот, т.е. ухудшаетс  разрешающа  способность устройства, что естественно приводит к увеличению систематической погрешности преобразовани .

Из рассмотренного следует, что известное устройство обладает ограниченным динамическим диапазоном и точностью преобразовани , а также сложностью практической реализации способа дл  обеспечени  повышенной помехозащищенности преобразовани  и измерени  угловых перемещений .

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  за счет расширени  динамического диапазона и упрощение способа/обеспечивающего повышение помехозащищенности измерений.

Цель достигаетс  тем, что в способе измерени  угловых перемещений объекта, заключающемс  в том, что формируют с помощью растровой системы, св занной с объектом, две последовательности импульсов , число импульсов в каждой последовательности равно N и (N + 1) при повороте объекта на 360°, формируют временные интервалы , согласно изобретению формируют с помощью растровой системы третью последовательность импульсов, число которых равно N-(N + 1) при повороте объекта на 360°, временные интервалы формируют таким образом, что они равны накапливающейс  разности фаз между- импульсами первой и второй последовательности, заполн ют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов , заполн ющих каждый из временных интервалов, суд т об угловом перемещении объекта.

Сопоставительный анализ за вленного решени  с прототипом показывает, что за вленный способ отличаетс  от известного тем, что в нем дополнительно формируют с помощью растровой системы третью последовательность импульсов, число которых равно N (N + 1) при повороте объекта на 360°, временные интервалы формируют таким образом, что они равны накапливающейс  разности фаз между импульсами первой и второй последовательности, заполн ют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов суд т об угловом перемещении объекта , что соответствует критерию новизна.

При изучении других известных технических решений в данной области техники

признаки, отличающие за вленное изобретение от прототипа, не были вы влены и потому они обеспечивают за вл емому техническому решению соответствие критерию

существенные отличи .

На фиг. 1 и 2 представлены структурна  схема устройства и временна  диаграмма , которые по сн ют принцип действи  предлагаемого способа.

Устройство содержит растровый датчик 1. нуль-органы 2- 4, триггер 5, схемы совпадени  6,7,счетчик 8, регистр 9.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

Растровое сопр жение датчика 1 (фиг.1) включает две идентичные системы растровых решеток, кажда  из которых состоит из трех растровых дорожек. Перва  растрова  дорожка состоит из N шагов, втора  растрова  дорожка включает N + 1 шагов, треть  растрова  дорожка состоит из N ( N + 1) шагов. Угловые шаги растров соответственно равны

5

Wi

In , N In

W2

2тг N + 1

N(N +1 )

W3 0)

Из соотношений (1) видно, что шаги первой растровой дорожки N смещены после: довательно относительно шагов второго растра с числом штрихов N + 1 на величину угла А , пропорциональную разности их

угловых шагов, т.е.

Д Wi - Л/2

2лГ-1 1 1- ,2 п z п N N + 1 N(N +1 ) w

Именно этой величине равен шаг третьей растровой дорожки:

45

Л/з

2л:

N ( N + 1 )

Из рассмотренного следует, что на i-м

шаге растровой дорожки с числом штрихов

N i-й шаг растровой дорожки с числом штри50 хов N + 1 будет смещен по углу на величину

Д|

2л

N(N +1 )

I; где i 1,2,3,..., п (3)

и, следовательно, в этом интервале будет укладыватьс  i целых шагов Л/з растра третьей дополнительной дорожки. При i N

это смещение будет равно шагу Л/2 (т.к. А 2 Л

N(N +1 ) .

N W2 ), в котором число . Л/2

шагов Л/з уложитс  N раз (т.к. ттт- N), При

$

I N/2 пространственное смещение будет равно половине шага Л/з. т.к.

A №;

In

jg л w2

N(N +1 ) 2 (N +1 )- 2

и, следовательно, в этом интервале уложитс  число шагов Л/з только N/2 раз, и т.д.

При вращении подвижного растра датчика будет происходить модул ци  проход щего через растровое сопр жение светового потока, котора  преобразуетс  фотоприемниками, расположенными в зоне каждой штриховой дорожки, в электрические сигналы вида (фиг.2):

Uia U An Na U-SinT-«

Uie U-sin(N +1) a U-SinT2a (5) UB U-sin N(N + 1) a U-SinT3 a (6)

С учетом вышерассмотренного не трудно видеть, что сигналы Uia и Уш.на выходе фотоприемников, расположенных в зонах сопр жени  растровых решеток с шагом Wi и W 2, по мере разворота растров будут смещатьс  в пространстве относительно друг друга в соответствии с полученным ранее выражением (3).

При этом, как видно из фиг.2, только в одном случае фазы сигналов Uia и Ui6 совпадают и это положение принимаетс  за нулевое, т.е. за начало отсчета.

При взаимном развороте растров относительно нулевого отсчета на углы, равные шагу штрихов дорожки N, происходит последовательное смещение по фазе сигналов Uia и Uie на величину Дуэ .равную

360°

N(N +1 )

(7),

В общем случае при смещении на I шагов дорожки N пространственный сдвиг между этими сигналам составит

360е

N(N+1)

.Ј,

что соответствует i периодам Тз сигнала Die. которые размест тс  в интервале, равном этому пространственному сдвигу.

Таким образом пространственное угловое смещение измер етс  путем подсчета целого числа периодов сигнала UiB. размещающихс  во временном интервале, рав5 ном пространственному сдвигу между сигналами Uie и Uia.

Сигналы Uia и Uie подаютс  на входы нуль-органов 2,3, в которых формируютс  импульсы 1)2, Us в момент перехода сигнала

10 через нуль в положительном направлении (см. фиг.2). Импульсы Us, Ua управл ют триггером 5, на пр мом выходе которого формируетс  пр моугольный сигнал Us-1, длительность которого пропорциональна

15 пространственному сдвигу между сигналами Uia и Ui;, а на инверсном выходе формируетс  импульс Us-2.

Пр мой и инверсный; сигналы с триггера 5 подаютс  на первые входы схем 6 и 7,

20 на вторые входы которых подаютс  импульсы U4, сформированные нуль-органом 4 по нуль-переходам сигнала UiB с растровой решетки с шагом Л/з. Таким образом, со схемы совпадени  6 в счетчик 8 будут поступать

25 импульсы Ue, количество которых в каждом цикле измерени  будет равно числу целых шагов растровой решетки с числом штрихов N, на которые произведен разворот. Цикл измерени , равный периоду сигнала Ufa.

30 каждый раз завершаетс  в момент по влени  импульсного сигнала ид с нуль-органа. 2, который одновременно дает разрешение на стирание в регистре 9 информации об угле, произведенной в предыдущем цикле

35 измерени , и дает разрешение на перезапись в обнуленный регистр 9 текущей информации об угле из счетчика 8. Счетчик 8 обнул етс  первым импульсом U со схемы совпадени  7, и тем самым он подготавли40 ваетс  дл  приема информации об угле в следующем цикле измерени . Информаци  же об измеренном угле хранитс  в регистре 9 до момента завершени  разворота на последующий полный шаг Wi растровой ре45 шетки.

Из рассмотренного видно, что предлагаемое устройство обеспечивает позиционное преобразование информации об угле поворота в диапазоне 0-360 угл. градусов.

50 При этом информаци  выдаетс  относительно единственного нулевого положени , которым  вл етс  момент совпадени  фаз сигналов Uia и Uie.

При потере информации от себ  в цеп х

55 питани  она полностью восстанавливаетс  в следующем цикле (т.е. при повороте на угол Wi), поскольку фазовый сдвиг между сигналами Uia и Ui6 в каждом цикле измерени  несет полную информацию об угле разворота относительно нулевого положение, о

котором суд т по числу периодов сигнала UiB. размещающихс  во временном интервале , пропорциональном фазовому сдвигу между сигналами Uia и Uie. Таким образом, предлагаемое техническое решение обес- печивает высокую эксплуатационную поме- хозащищенность, котора  достигаетс  более простыми средствами в сравнении с прототипом, в котором дл  реализации того же эффекта требуетс  выполнить р д п роме- жуточных преобразований сигнало в с фотодатчика , дл  чего необходимо использовать квадратурный генератор синусоидальных сигналов опорной частоты и генератор импульсов высокой частоты дл  формировани  кода угла.

Поскольку фазовые соотношени  между сигналами Uia, Uie и Ui8 жестко зав заны сопр гаемыми системами растровых решеток , то проделанные выше рассуждени  справедливы дл  весьма широкого динамического диапазона угловых скоростей вращени  лимбов.

, При этом несуща  прототипу динамическа  погрешность а предлагаемом устройст- ве принципиально отсутствует, так как роль заполн ющей частоты в нем выполн ет сигнал UiB, который при изменении угловых скоростей вращени  лимбов автоматически синхронизируетс  с частотами сигналов Uia и Ui6, в св зи с чем динамический диапазон

предлагаемого устройства будет значительно шире, чем в прототипе, и будет определ тьс  лишь частотными характеристиками примен емых элементов.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ измерени  углового перемещени  объекта, заключающийс  в том, что формируют с помощью растровой системы, св занной с объектом, две последовательности импульсов, число импульсов в каждой последовательности равно N и N + 1 при повороте объекта на 360°, формируют временные интервалы, отличающийс  тем, что, с целью расширени  динамического диапазона изменени  скорости углового перемещени  объекта, формируют с помощью растровой системы третью последовательность импульсов, число которых равно N (N + 1) при повороте объекта на 360°. длительность временных интервалов формируютпропорциональной накапливающейс  разности фаз между импульсами первой и второй последовательност ми , заполн ют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов , заполнивших каждый из временных интервалов, суд т от угловом перемещении объекта.

   Фиг. 1

   I

   -

   tj

   N cvi

   I