SU934382A1 - Датчик углового положени и скорости вращени вала - Google Patents

Description

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

Известно устройство для измерения скорости и угла поворота вала, которое содержит установленный на валу модулирующий ДИСК С ОДНОЙ широкой J и серией узких прорезей, чувствительный элемент с формирователем импульсов, подключенным к селектору, и отсчетное устройство, а также преобразователь частоты в напряжение и уп- _? равняемый генератор. При этом вход преобразователя подключен к формирователю импульсов, а выход генератора - к селектору и отсчетному устройству^!]. ₂

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 управления 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

I с выходами соответствующих триггеров первого счетчика[2}.

Недостатком известного устройства является отсутствие информации о скорости и направлении вращения ва- s ла.

Цель изобретения заключается в обеспечении опеределения мгновенных значений скорости и направления вращения, в повышении точности измере- 10 ния скорости вращения.

Поставленная цель достигается тём, что в датчик введены ключ, второй регистр, второй счетчик,разрядность которого равна разрядности 15 первого счетчика плюс знаковый разряд, дополнительный триггер и формирователь задержанных импульсов^ причем выход генератора импульсов подключен, к входу второго счетчика _м через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом дополнительного триггера, вход сброса которого соединен с выходом нуль-органа и с входом формирователя задержанных ₂₅ 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. ³⁵

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

Датчик содержит генератор 1 им- ⁴⁰ пульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 2, выполненного на триггерах. Выход старшего разряда счетчика 2 через формирователь опорных сигналов 3 сое-*⁵ динен с входами фазовращателя 4, подключенного своим выходом к входу нуль-органа 5, Выход последнего соединен с входом разрешения записи первого регистра 6, 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 выхо дом 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 которого подключены к второму выходу формирователя 10 задержанных импульсов. Третий выход последнего соединен с входом установки в единичное состояние дополнительного триггера 9Датчик работает следующим образом. Первый счетчик 2 выполняет функцию деления частоты генератора 1. Формирователь 3 вырабатывает из выгодных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напряжения фазовращателя с частотой f_Q . 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 фиксируется код текущего углового положения вала. Второй счетчик 7 вместе с ключей 8, дополнительным триггером 9, формирователем 10 задержанных импульсов и регистром 11 образуют блок вычисления частоты вращения fp .

Покажем, что при выполнении условия f_oy? (fg),частота вращения с некоторым приближением пропорциональна разности периодов опорного и выходного напряжения фазовращателя

ΛΤ = ^т _о - ^т

Действительно, выходная частота фазовращателя равна

Причем fp положительна, если f> f , и отрицательна, если f < f_o. Выразив из (2) частоту вращения и подставив вместо периода выходного сигнала фазовращателя Т его значение из (l), получаем ^хв то-ь^т т0

После несложных преобразований выражение (3) можно переписать в виде

Разложив в ( 4 ) выражение в круглых Скобках в ряд Тейлора, получаем &) Так как f₀ f_B, то /дТ/« Т_с и можно пренебречь членами высших порядков малости в разложении (.%) и запи- ¹⁰ сать выражение для частоты вращения в виде

Ч V 15

Блок определения частоты вращения работает следующим образом.

По переднему фронту выходного сигнала нуль-органа 5 дополнительный триггер 9 переходит в нулевое состоя- ²⁰ 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 ²⁵ запускает также формирователь 10 задержанных импульсов, который выдает на своем первом выходе импульс через время, достаточное для завершения распространения переносов во ³⁰ втором счетчике 7. По этому импульсу происходит перезапись кода счетчика во второй регистр 11 . Второй импульс формирователя 10 задержанных импульсов, воздействуя на входы предустановки 35 второго счетчика 7, осуществляет запись в него кода, соответствующего промежутку времени между передним фронтом импульса'нуль-органа 5 и началом импульса на третьем выхо- ₄₀ де формирователя 10 задержанных импульсов. Этот импульс поступает на установочный вход триггера 9 ^и переводит его в единичное состояние, после чего открывается ключ 8 и ₄₅ импульсы генератора 1 вновь пбступают на счетный вход второго счетчика 7 ·

Таким образом, в регистре 11 в начале каждого следующего периода выходного сигнала нуль-органа 5 фиксируется код разности дТ = ΔΤ =Τ-Τθ определенный в предыдущем периоде выходного сигнала нуль-органа 5. Считаем вначале, что Т > Т_о. Так как^ второй счетчик 7 имеет разрядность, равную разрядности первого счетчика

2, плюс дополнительный знаковый разряд, то через время, равное Т_о, _ 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 д Т⁷ , т.е. к моменту фиксации в цифровых разрядах счетчика будет код, пропорциональный ДТ. Если Т < Т_о, то к моменту фиксации второй счетчик не досчитает до кода, соответствующего Т_о, т.е. в цифровых разрядах будет код, пропорциональный разности Т_о -(дТ), а знаковый разряд останется в нулевом состоянии. Следовательно, во втором случае зафиксируется дополнительный код приращения ДТ*. Поскольку выбор положительного 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 определяется значением первого из отбрасываемых членов ряда. Эта оценка несколько завышена для отрицательного приращения периода и для положительного. Тогда относительная погрешность определения скорости из-за отбрасывания членов ряда равна 0о> = /дТ/ /Т_о. Так как /дТ /Т_о« , то уменьшение отношения /дТ//Т_о требует 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.

Claims (1)

1. (5) ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА Изобретение относитс  к измерител ной технике и может быть использовано в качестве датчика углового положени  и мгновенной скорости вращени  вала в точных цифровых системах авто матического управлени . Известно устройство дл  измерени  скорости и угла поворота вала, которое содержит установленный на валу модулирующий диск с одной широкой и серией узких прорезей, чувствитель ный элемент с формирователем импульсов , подключенным к селектору, и отсчетное устройство, а также преобразователь частоты в напр жение и управл емый генератор. При этом вход преобразовател  подключен к формирователю импульсов, а выход генератора - к селектору и отсчетному устройству 1 J. Недостатками устройства  вл ютс  отсутствие информации о направлении вращени  и низка  надежность, св зан на  с применением принципа счета при определении углового положени . Потер  одного или нескольких импульсов приводит к искажению показаний датчика на всем обороте. Кроме того, датчик выдает не мгновенные значени  скорости, а усредненные на длительном интервале измерени , т.е. непригоден дл  измерени  переменной скорости вращени . Также известно устройство управлени  вентильным электродвигателем, которое включает в себ  цифровой датчик углового положени  вала, содержащий генератор импульсов, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выполненного на триггерах, выход старшего разр да которого через формирователь опорных сигналов соединен с входом фазовращател , выход которого через нульорган подключен к входу разрешени  записи первого регистра, информационные входы которого соединены с выходами соответствующих триггеров первого c4eTMHKa 2J. Недостатком известного устройства  вл етс  отсутствие информации о скорости и направлении вращени  вала . Цель изобретени  заключаетс  в обеспечении опеределени  мгновенных значений скорости и направлени  вра щени , в повышении точности измерени  скорости вращени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчик введены ключ, вто рой регистр, второй счетчик,разр дность которого равна разр дности первого счетчика плюс знаковый разр д, дополнительный триггер и формирователь задержанных импульсов причем выход генератора импульсов подключен к входу второго счетчика через ключ, управл ющий вход которого соединен с выходом дополнитель ного триггера, вход сброса которого соединен с выходом нуль-органа и с входом формировател  задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешени  записи второго регистра, информационные входы которого соединены с соответ. ствующими выходами триггеров второго счетчика, вход предустановки которого подключен к второму выходу формировател  задержанных импульсов третий выход которого соединен с входом установки дополнительного триггера. На чертеже изображена .схема датч ка углового положени  и скорости вр щени  вала. Датчик содержит генератор 1 импульсов , выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 2, выполненного на триггерах. Выход старшего разр да счетчика 2 через формирователь опорных сигналов 3 со динен с входами фазовращател  , подключенного своим выходом к входу нуль-органа 5. Выход последнего соединен с входом разрешени  записи первого регистра 6, информационные входы которого подключе1 ы к выходам соответствующих триггеров счетчика Выход генератора 1 импульсов соеди нен также со счетнь1м входом второг счетЧика 7 через ключ 8, управл ющ вход которого соединен с выходом дополнительного триггера 9- Вход сброса триггера 9 соединен с выхо9 4 дом нуль-органа 5- Выход нуль-органа 5 соединен также с входом формировател  10 задержанных импульсов, первый выход которого подключен к входу разрешени  записи второго регистра 11, Информационные входы регистра 11 соединены с соответствующими выходами триггеров второго счетчика 7, входы предустановки которого подключены к второму выходу формировател  10 задержанных импульсов . Третий выход последнего соединен с входом установки в единичное состо ние дополнительного триггера 9Датчик работает следующим образом. Первый счетчик 2 выполн ет функцию делени  частоты генератора 1, Формирователь 3 вырабатывает из выЯодных периодических сигналов первого счетчика 2 опорные напр жени  фазовращател  с частотой д . Нульорган 5 формирует из выходных синусоидальных сигналов фазовращател  i пр моугольные периодические сигналы, по .переднему фронту которых осуществл етс  запись кода первого счетчика 2 в первый регистр 6. В последнем фик (Сируетс  код текущего углового положени  вала. Второй счетчик 7 вместе с ключем 8, дополнительным триггером Э, формирователем 10 задержанных импульсов и регистром 11 образуют блок вычислени  частоты вращени  . Покажем, что при выполнении услови  fo (fjg),частота вращени  с некоторым приближением пропорциональна разности периодов опорного и выходного напр жени  фазовращател  - оДействительно , выходна  частота фазовращател  равна f-fo BПричем fp положительна, если f f, и отрицательна, если Q. Выразив из (.2) частоту вращени  и подставив вместо периода выходного сигнала фазовращател  Т его значение из (О, получаем -1 -1 После несложных преобразований выражение (3) можно переписать в виде - rV 1 -1М - It,) TO 14 Тд / J Разложив в (4) выражение в круглых скобках 8 р д Тейлора, получаем ) Так как f о fg, то /дТ/« Т и можно пренебречь членами высших пор ков малости в разложении (% и запи сать выражение дл  частоты вращени  в виде v Блок определени  частоты вращени работает следующим образом. По переднему фронту выходного си нала нуль-органа 5 дополнительный триггер 9 переходит в нулевое состо ние и, воздейству  на управл ющий, вход ключа 8, прекращает поступление импульсов генератора 1 на счетный вход второго счетчика 7. Передни фронт выходного сигнала нуль-органа запускает также формирователь 10 за держанных импульсов, который выдает на своем первом выходе импульс через врем , достаточное дл  завершени  распространени  переносов во BjopoM счетчике 7. По этому импульсу происходит перезапись .кода счетчика во второй регистр 11 .Второй импульс формировател  10 задержанных импульсо воздейству  на входы предустановки второго счетчика 7 осуществл ет запись в него кода, соответствующего промежутку времени между перед ним фронтом импульсануль-органа 5 и началом импульса на третьем выходе формировател  10 задержанных импульсов . Этот импульс поступает на установочный вход триггера 9 и пере |водит его в единичное состо ние, |после чего открываетс  ключ 8 и импульсы генератора 1 вновь пЬступают на счетный вход второго счетчи . ка 7Таким образом, в регистре 11 в начале каждого следующего периода выходного сигнала нуль-органа 5 фиксируетс  код разности ДТ йТ Т-Т определенный в предыдущем периоде выходного сигнала нуль-органа 5Считаем , вначале, что Т 7 Т,. Так ка второй счетчик 7 имеет разр дность, равную разр дности первого счетчика 2, плюс дополнительный знаковый разр д, то через врем , равное Тр, после начала выходного сигнала нульоргана 5 знаковый разр д второго счетчика 7 устанавливаетс  в единичное состо ние, а цифровые разр ды сбрасываютс  в нулевое состо ние. После этого счетчик 7 подключаетс  к генератору 1 еще на врем , равное Дт, т.е. к моменту фиксации в цифровых разр дах счетчика будет код, пропорциональный йТ. Если Т Т, то к моменту фиксации второй счетчик не досчитает до кода, соответствующего Т, т.е. в цифровых разр дах будет код, пропорциональный разности Т -(дТ), а знаковый разр д останетс  в нулевом состо нии. Следовательно , во втором случае зафиксируетс  дополнительный код приращени  ДТ. Поскольку выбор положительного направлени  произволен, то удобнее считать положительным то направление вращени , при котором приращени  периода выражены в пр мом коде. Использу  в качестве знака инверсное значение знакового разр да, получаем на выходе второго регистра 11 сразу код скорости со знаком направлени  вращени . Технико-экономические преимущества предлагаемого решени  могут быть вы влены только после оценки погрешности , св занной с отбрасыванием высших , пор дков малости в разложении (5). Можно считать, что погрешность определ етс  значением первого из отбрасываемых членов р да. Эта оценка несколько завышена дл  отрицательного приращени  периода и дл  положительного . Тогда относительна  по грешность ujy определени  скорости из-за отбрасывани  членов р да равна du) /дТ/ /TO . Так как /ДТ /ТрХ /fg,//fQ , то уменьшение отношени  /дТ//Тд требует увеличени  частоты опорного напр жени , что св зано с уменьшением разр дности счетчиков и увеличении составл ющей погрешности, св занной с дискретным представлением информации. Реально при использовании современных быстродействующих элементов достижение измерени  углового положени  . и скорости вращени  с относительной погрешностью на хуже единиц-долей процента при частоте вращени  до ста оборотов в секунду. Формула изобретени  Датчик углового положени  и скорости вращени  вала, содержащий гене