RU2369834C1

RU2369834C1 - Device for measurement of angular shifts

Info

Publication number: RU2369834C1
Application number: RU2008118955/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Константинович Тыщенко (RU); Александр Константинович Тыщенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева"
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-10-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: device comprises sinusoid generator 1, transformer angle detector 2, differential amplifier 3, device for selection-storage 4, analog-digital converter 5, data register 6, unit of control and synchronisation 7, generator 8, the second register 9, the third register 10, summator 11.

EFFECT: higher accuracy of conversion due to reduction of error caused by voltage of measured shift voltage.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений различных объектов, а именно для преобразования ограниченного угла поворота вала в код, когда нецелесообразно применять сложные, полнооборотные и дорогие датчики (редуктосины, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы и пр.).The invention relates to measuring equipment and can be used to measure the angular displacements of various objects, namely, to convert a limited angle of rotation of the shaft into a code when it is impractical to use complex, full-speed and expensive sensors (gear reducers, sine-cosine rotary transformers, etc.).

Известен преобразователь перемещений (В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.58), содержащий П-образный магнитопровод, выходные обмотки которого соединены с элементами сравнения СС1, СС2, ССЗ, выходы которых подключены к шифратору Ш, содержащему элементы НЕ1, НЕ2, НЕ3 и И1, И2, И3, на выходах которых формируется позиционный код перемещения.The known displacement transducer (V. G. Domrachev, V. R. Matveevsky, Yu.S. Smirnov. Circuit design of digital displacement transducers. M: Energoatomizdat, 1987, p. 58), containing a U-shaped magnetic circuit, the output windings of which are connected to comparison elements CC1, CC2, CVD, the outputs of which are connected to the encoder Ш, containing elements HE1, HE2, HE3 and I1, I2, I3, at the outputs of which a positional displacement code is generated.

Недостатком данного преобразователя является низкая точность преобразования, обусловленная большой дискретностью измерения.The disadvantage of this Converter is the low accuracy of the conversion, due to the large discreteness of measurement.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения угловых перемещений no RU 2313764 С1, 27.12.2007, МПК: G01B 7/30, содержащее формирователь синусоиды, трансформаторный датчик угла, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, регистр данных, блок управления и синхронизации и генератор.Closest to the proposed is a device for measuring angular displacements no RU 2313764 C1, 12.27.2007, IPC: G01B 7/30, containing a sinusoid shaper, a transformer angle sensor, a differential amplifier, a sampling-storage device, an analog-to-digital converter, a data register, control and synchronization unit and generator.

Это устройство выбрано в качестве прототипа.This device is selected as a prototype.

Недостатком этого устройства является погрешность, обусловленная напряжением смещения измеряемого напряжения.The disadvantage of this device is the error due to the bias voltage of the measured voltage.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности преобразования устройства для измерения угловых перемещений за счет уменьшения погрешности, вызванной напряжением смещения измеряемого напряжения. Уменьшение погрешности осуществляется с помощью схемы компенсации.The objective of the present invention is to improve the accuracy of conversion of a device for measuring angular displacements by reducing the error caused by the bias voltage of the measured voltage. Error reduction is carried out using a compensation scheme.

Для достижения поставленной задачи в устройство для измерения угловых перемещений введены второй регистр, третий регистр и сумматор, выход которого соединен с входом регистра данных, первый вход соединен с выходом второго регистра, второй вход соединен с выходом третьего регистра, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй вход соединен с пятым выходом блока управления и синхронизации, вход которого соединен с выходом генератора, третий выход блока управления и синхронизации соединен со вторым входом второго регистра, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и синхронизации, шестой выход которого соединен с третьим входом сумматора, седьмой выход соединен со вторым входом регистра данных, второй выход соединен с вторым входом устройства выборки-хранения, а первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с входом трансформаторного датчика угла, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя.To achieve the task, a second register, a third register and an adder are introduced into the device for measuring angular displacements, the output of which is connected to the input of the data register, the first input is connected to the output of the second register, the second input is connected to the output of the third register, the first input of which is connected to the analog output -digital converter, and the second input is connected to the fifth output of the control and synchronization unit, the input of which is connected to the output of the generator, the third output of the control and synchronization unit is connected to the second the second register, the first input of which is connected to the output of an analog-to-digital converter, the second input of which is connected to the fourth output of the control and synchronization unit, the sixth output of which is connected to the third input of the adder, the seventh output is connected to the second input of the data register, the second output is connected to the second the input of the sample-storage device, and the first output is connected to the input of the sine wave former, the output of which is connected to the input of the transformer angle sensor, the first and second outputs of which are connected to the first and the second inputs of the differential amplifier, the output of which is connected to the first input of the sample-storage device, the output of which is connected to the first input of the analog-to-digital converter.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства для измерения угловых перемещений, на фиг.2 - эпюры напряжений устройства для измерения угловых перемещений, на фиг.3 - чертеж трансформаторного датчика угла.The essence of the invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a block diagram of a device for measuring angular displacements, Fig. 2 is a voltage diagram of a device for measuring angular displacements, and Fig. 3 is a drawing of a transformer angle sensor.

Устройство для измерения угловых перемещений содержит формирователь 1 синусоиды, трансформаторный датчик 2 угла, дифференциальный усилитель 3, устройство выборки-хранения 4, аналого-цифровой преобразователь 5, регистр 6 данных, блок управления и синхронизации 7, генератор 8, второй регистр 9, третий регистр 10, сумматор 11.A device for measuring angular displacements contains a sinusoid driver 1, an angle transformer 2, a differential amplifier 3, a sampling-storage device 4, an analog-to-digital converter 5, a data register 6, a control and synchronization unit 7, a generator 8, a second register 9, a third register 10, adder 11.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На фиг.1 показано, что на вход трансформаторного датчика 2 угла подается синусоидальное напряжение с выхода формирователя 1 синусоиды. Трансформаторный датчик 2 угла, показанный на фиг.3, работает на принципе размыкания электромагнитного поля. Он состоит из магнитного сердечника с зазором, в котором перемещается чувствительный элемент - медный виток, обладающий большой электрической проводимостью. Перемещение чувствительного элемента вызывает изменение величины наводимых в нем вихревых токов. При этом изменяется индуктивная связь между первичной обмоткой, расположенной на центральном сердечнике, и выходными обмотками. Если виток находится в нулевом положении, как показано, напряжение на выходе датчика, равное разности напряжений на выходных обмотках, будет равно нулю, т.к. выходные обмотки включены встречно и напряжения на выходных обмотках будут равны между собой по амплитуде и противоположны по фазе. Когда чувствительный элемент начнет вращаться, напряжение на выходе датчика изменяется пропорционально α - углу поворота витка. Полярность выходного напряжения определяется направлением отклонения витка от нулевого положения. Выходное синусоидальное напряжение датчика 2 подается на вход дифференциального усилителя 3. Усиленное до необходимой величины напряжение Uду поступает на вход устройства выборки-хранения 4. В результате воздействия температуры и временных факторов напряжение на выходе устройства выборки-хранения смещается относительно нуля на величину Uсм, в результате чего появляется ошибка измерения угла поворота α.Figure 1 shows that the input of the transformer angle sensor 2 is supplied with a sinusoidal voltage from the output of the shaper 1 of the sine wave. The transformer angle sensor 2, shown in figure 3, works on the principle of opening the electromagnetic field. It consists of a magnetic core with a gap in which the sensing element moves - a copper coil with high electrical conductivity. The movement of the sensing element causes a change in the magnitude of the eddy currents induced in it. In this case, the inductive coupling between the primary winding located on the central core and the output windings changes. If the coil is in the zero position, as shown, the voltage at the output of the sensor, equal to the voltage difference at the output windings, will be zero, because output windings are turned on and the voltage at the output windings will be equal in amplitude and opposite in phase. When the sensor starts to rotate, the voltage at the output of the sensor changes in proportion to α - the angle of rotation of the coil. The polarity of the output voltage is determined by the direction of the deviation of the coil from the zero position. The output sinusoidal voltage of the sensor 2 is supplied to the input of the differential amplifier 3. The voltage Udu, amplified to the required value, is supplied to the input of the sampling-storage device 4. As a result of the influence of temperature and time factors, the voltage at the output of the sampling-storage device is shifted relative to zero by Ucm, as a result which causes an error in measuring the angle of rotation α.

С помощью блока управления и синхронизации 7 в устройстве выборки-хранения 4 происходит запоминание значения измеряемого напряжения Uду два раза за период измеряемого напряжения. На фиг.2 показано, что измерение происходит один раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения - U_oп в момент Δt и второй раз на положительной - U_пп в момент Δt+Т/2, где Т - период измеряемого напряжения. Напряжение смещения Uсм входит в измеренные значения напряжений с разными знаками. Измеренные напряжения Uyвx_пп=Uном и Ucм и Uyвx_oп=Uнoм+Ucм в моменты времени Δt и Δt+Т/2 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 5, где преобразуются в цифровые коды Nпп=Nном - Nсм и Noп=Nнoм+Nсм, пропорциональные углу поворота α. Число Nпп записывается во второй регистр 9, а число Noп записывается в третий регистр 10. Затем эти числа поступают на вход сумматора 11. В сумматоре 11 они складываются и полученная сумма, поделенная на 2 путем отбрасывания младшего разряда, записывается в регистр 6 данных. На выходе регистра 6 данных появляется число N, пропорциональное измеряемому углу поворота α. Затем регистры обнуляются и в следующем цикле измерения вычисляется следующее числовое значение N. В результате этих вычислений происходит исключение числа Nсм, т.е. ошибки измерения, вызванной напряжением смещения Ucм, т.к. числа Nсм входят в формулу с разными знаками и взаимно уничтожаются:Using the control and synchronization unit 7 in the sample-storage device 4, the value of the measured voltage Udu is stored two times during the period of the measured voltage. Figure 2 shows that the measurement occurs once on the negative half-wave of the measured voltage - U _op at the time Δt and the second time on the positive - U _pp at the time Δt + T / 2, where T is the period of the measured voltage. The bias voltage Ucm is included in the measured voltage values with different signs. The measured voltage Uyvx _Claims = Vnom and Ucm and Uyvx _OP = Unom + Ucm at instants Δt and Δt + T / 2 are input to an analog-digital converter 5, where they are converted to digital codes Npp = Nnom - Ncm and Nop = Nnom + Ncm proportional to the angle of rotation α. The number Npp is written in the second register 9, and the number Noп is written in the third register 10. Then these numbers are fed to the input of the adder 11. In the adder 11 they are added up and the resulting amount, divided by 2 by discarding the least significant bit, is written in the data register 6. At the output of the data register 6, a number N appears proportional to the measured rotation angle α. Then the registers are zeroed and the next numerical value N is calculated in the next measurement cycle. As a result of these calculations, the number Ncm is excluded, i.e. measurement errors caused by bias voltage Ucm, as Ncm numbers are included in the formula with different signs and mutually destroyed:

где N - число на выходе устройства, пропорционльное углу поворота α;where N is the number at the output of the device, proportional to the angle of rotation α;

Nпп - число, соответствующее измеряемому напряжению на положительной полуволне;Npp is the number corresponding to the measured voltage at the positive half-wave;

Noп - число, соответствующее измеряемому напряжению на отрицательной полуволне;Nop is the number corresponding to the measured voltage at the negative half-wave;

Nном - число, соответствующее измеряемому напряжению без ошибки, вызванной смещением напряжения;Nnom is the number corresponding to the measured voltage without error caused by voltage bias;

Ncм - число, соответствующее напряжению смещения.Ncm is the number corresponding to the bias voltage.

Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования, записи в регистры и суммирования синхронизированы частотой генератора 8.The processes of forming a sinusoid, sample-storage and analog-to-digital conversion, writing to registers and summing are synchronized by the frequency of the generator 8.

Исключение ошибки измерения с помощью схемы компенсации позволило существенно повысить точность измерения угла, снизить требования к схеме измерения и применить обычные электро-радио изделия вместо прецизионных, снизив стоимость устройства.The elimination of measurement errors using the compensation scheme allowed to significantly increase the accuracy of measuring the angle, reduce the requirements for the measurement scheme and use conventional electro-radio products instead of precision ones, reducing the cost of the device.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.Of the patent information materials known to the applicant, no signs were found that are similar to the totality of the features of the claimed object.

Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО «ИСС» предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.This device has been tested on a prototype. The test results indicate the achievement of the task. ISS OJSC intends to use this technical solution on standard products.

Claims

A device for measuring angular displacements containing a sinusoid shaper, the output of which is connected to the input of the transformer angle sensor, the first and second outputs of which are connected to the first and second inputs of the differential amplifier, the output of which is connected to the first input of the sampling-storage device, the second input of which is connected to the second the output of the control and synchronization unit, and the output is connected to the first input of the analog-to-digital converter, the second input of which is connected to the fourth output of the control unit and sync downstream, the first output of which is connected to the input of the sine wave former, the input is connected to the output of the generator, and the seventh output is connected to the second input of the data register, characterized in that a second register, a third register and an adder, the output of which is connected to the input of the data register, are introduced the first input is connected to the output of the second register, and the second input is connected to the output of the third register, the first input of which is connected to the output of the analog-to-digital converter, and the second input is connected to the fifth output of the control and synchronization unit the sixth output of which is connected to the third input of the adder, and the third output is connected to the second input of the second register, the first input of which is connected to the output of the analog-to-digital converter.