Перетворювач кутового переміщення в цифровий код

1. Перетворювач кутового переміщення в цифровий код, що містить генератор імпульсів, схему початкового скидання, компаратор, формувачі напруги живлення синусної і косинусної обмоток синусно-косинусного обертового трансформатора (СКОТ) або статорних обмоток сельсина, лічильник, лічильний вхід якого з'єднаний з першим виходом генератора імпульсів, вхід скидання - з ви ходом схеми початкового скидання, вихід - з входами формувачів напруги живлення обмоток СКОТ або сельсина, обмотка збудження якого з'єднана з входом компаратора, який відрізняє ться тим, що додатково містить шифратор, перший елемент І, реверсивний лічильник і формувач імпульсів, який містить у своєму складі перший, другий, третій і четвертий тригери, другий, третій, четвертий і п'ятий елементи І, елемент НІ, елемент АБО-НІ, елемент АБО, причому перший вхід першого елемента І з'єднаний з другим виходом генератора імпульсів, другий вхід - з виходом компаратора, вихід першого елемента І з'єднаний з входом стробування шифратора, інформаційний вхід ши фратора з'єднаний з виходом лічильника, перший вихід шифратора з'єднаний з першими входами установлення в "1" 2 (19) 1 3 33546 Винахід відноситься до пристроїв інформаційно-вимірювальної техніки й може бути використаний у системах автоматичного контролю, управління, регулювання, в яких давачами початкової інформації є синусно-косинусні обертові трансформатори (СКОТ), або сельсини. В багатьох випадках потрібен перетворювач кутового переміщення ротора СКОТ, або сельсина в код, пропорційний куту повертання ротору більшому за 360 градусів, що володіє достатньою розрізнювальною здатністю, простий і надійний у виробництві. Відомі перетворювачі кутового переміщення ротора СКОТ, або сельсини, в цифровий код, наприклад перетворювач за А. С. СРСР № 514320 (опубліковане 15.05.76 у бюлетені № 18), що містить послідовно з'єднані СКОТ-давач, блок виділення огинальних напруг на синусній і косинусній обмотках СКОТ, перемикач діапазонів, блок порівнювання, до другого входу якого приєднано генератор синусоїдальної напруги, блок вимірювання часового інтервалу й підсумувач; до виходу блоку виділення огинальних напруг на синусній і косинусній обмотках СКОТ приєднано блок управління, виходи якого прилучено до перемикача діапазонів, до блоку порівняння і через формувач додаткового сигналу - до підсумувача. Вадою відомих перетворювачів є те, що вони формують на виході код пропорційний куту повертання ротора в межах тільки одного оберту, і не враховують кількість повних обертів ротора СКОТ або сельсина. Найбільш близьким по технічній суті до запропонованого винаходу є син усно-косинусний кодувальний перетворювач фазового зсуву, фірми "Muirhead Ltd." (див, книгу Дж. Вульвет "Да тчики в цифрових системах", М.; "Енергоиздат", 1981, стор. 146 - 148), що містить генератор імпульсів, який складається з кварцового генератора і подільника, логічний пристрій, що виконує функції схеми початкового скидання і, разом із підсилювачем, компаратором, схемою фільтрування й формування забезпечують живленням синусну і косинусну статорні обмотки СКОТ, і лічильник імпульсів. Вадою відомого пристрою є те, що перетворення кутового переміщення в цифровий код здійснюється тільки в межах одного оберту ротора СКОТ. Пояснюється це тим, що цей пристрій не може формувати й накопичувати інформацію про кутове переміщення при поверненні ротора СКОТ більш, ніж на один оберт. Максимальне число імпульсів підрахованих лічильником, що входить до складу пристрою і формує вихідну інформацію, рівно 360, що відповідає куту 360 градусів, тобто одному повному оберту ротора СКОТ. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення перетворювача кутового переміщення в цифровий код шляхом доповнення його схеми елементами, що забезпечують перетворення при повороті ротору СКОТ на кут більший ніж 360 градусів. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому перетворювачі кутового переміщення в цифровий код, до складу якого входять генератор 4 імпульсів, схема початкового скидання, компаратор, формувачі напруги живлення синусної і косинусної обмоток СКОТ або (статорних обмоток) сельсина, лічильник, лічильний вхід якого з'єднано з виходом генератора імпульсів, вхід скидання - з виходом схеми початкового скидання:, а вихід - із входами формувачів напруги живлення обмоток СКОТ або сельсина, виходи котрих з'єднані з відповідними обмотками, а обмотка збудження з'єднана зі входом компаратора, додатково містяться шифратор, перший елемент І, реверсивний лічильник і формувач імпульсів, який містить у своєму складі перший, другий, третій і четвертий тригери, другий, третій, четвертий і п'ятий елементи І, елемент НІ, елемент АБО-НІ, елемент АБО, причому перший вхід першого елемента І з'єднано з другим виходом генератора імпульсів, другий вхід - з виходом компаратора, вихід першого елемента І з'єднано з входом стробування шифратора, інформаційний вхід ши фратора з'єднано з виходом лічильника, перший вихід шифратора з'єднано з першими входами установлювання в "1" першого і четвертого тригерів і з першим входом другого елемента І, другий вихід шифратора з'єднано із першими входами установлення в "1" другого й третього тригерів і з першим входом четвертого елемента І, третій вихід шифратора з'єднано із входом елемента НІ і з першими входами третього і п'ятого елементів І, вихід першого тригера з'єднано із другим входом установлення в "1" другого тригера і з входом заборони установлювання в "1" третього тригера, вихід другого тригера з'єднано з другими входами другого і третього елементів І та з першим входом елемента АБО-НІ, ви хід третього тригера з'єднано із другим входом установлення в "1" четвертого тригера і з входом заборони установлення в "1" першого тригера, вихід четвертого тригера з'єднано з другими входами четвертого і п'ятого елементів І та з другим входом елемента АБО-НІ, третій вхід якого з'єднано із виходом елемента НІ, входи установлення в "0" першого і третього тригерів з'єднані з першими входами установлення в "0" другого і четвертого тригерів і з виходом елемента АБО, другі входи установлення в "0" другого і четвертого тригерів з'єднані відповідно з виходом другого і четвертого елементів І, вихід елемента АБО-НІ з'єднано з першим входом елемента АБО, другий вхід якого з'єднано з входом установлення в «0» реверсивного лічильника і з виходом схеми початкового скидання, третій вхід елемента АБО з'єднано з виходом третього елемента І та з входом підсумовування реверсивного лічильника, а четвертий вхід елемента АБО з'єднано із виходом п'ятого елемента І та з входом віднімання реверсивного лічильника, вихід якого є виходом перетворювача. Між сукупністю суттєвих ознак і технічним ефектом, що досягаються завдяки використанню запропонованого рішення існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. У відповідності із заданою дискретністю визначення значення куту повороту, що забезпечується вибором коефіцієнту перелічення лічильника, шифратор формує на своїх виходах три імпульси при повороті ротора СКОТ або сельсина на кут рівний одному дискрету. Послідо 5 33546 вність цих імпульсів визначається напрямком обертання ротору. Формувач імпульсів, на підставі послідовності з трьох імпульсів, видає лічильний імпульс на підсумовуючий або віднімаючий вхід реверсивного лічильника у залежності від напрямку обертання ротора. Таким чином, з поворотом ротора на один дискрет до лічильника через відповідний вхід надходить один імпульс. В підсумку, інформація сформована реверсивним лічильником, у кожний момент часу відповідає повному куту повороту ротора. Технічна сутність і принцип дії пристрою пояснюється кресленнями, на яких зображені: Фіг. 1 - функціональна схема перетворювача кутового переміщення в цифровий код; Фіг. 2 - функціональна схема формувача імпульсів; Фіг. 3 - часові діаграми напруги в характерних точках схеми перетворювача кутового переміщення в цифровий код. Перетворювач кутового переміщення в цифровий код (фіг. 1) містить: схему початкового скидання 1, генератор імпульсів 2, лічильник 3, формувачі напруги живлення 4 і 5 відповідно синусної і косинусної обмоток СКОТ, ши фратор 6, компаратор 7, елемент І 8, формувач імпульсів 9 і реверсивний лічильник 10. До складу формувача імпульсів 9 (див. фіг. 2) входять: перший 11, другий 12, третій 13 і четвертий 14 тригери, елемент НІ 15, другий 16, третій 17, четвертий 18 і п'ятий 19 елементи І, елемент АБО-HІ 20 і елемент АБО 21. Ідея, що покладена в основу схеми, дозволяє створювати перетворювачі з різною розрізнювальною здатністю, тобто з різним числом імпульсів на оберт. Розрізнювальна здатність перетворювача - це кількість імпульсів, що надходять на вхід реверсивного лічильника за один оберт ротора СКОТ, або сельсина. У залежності від потрібної розрізнювальної здатності коефіцієнт перелічення лічильника 3 повинен бути рівний: K=3×N: (1) де К - коефіцієнт перелічення лічильника 3; N - кількість імпульсів на один оберт ротора СКОТ. Наприклад, якщо потрібна розрізнювальна здатність 100 імпульсів на оберт, то коефіцієнт перелічення лічильника 3 повинен бути рівний 300. Формувачі напруг живлення 4 і 5 - відповідно синусної і косинусної обмоток СКОТ, становлять собою цифро-аналогові перетворювачі, що формують на своїх вихода х ступенево-змінювані напруги однакової форми, але зсунені по фазі на 90 градусів. Дискретність цих формувачів, тобто кількість "ступенів" повинна відповідати коефіцієнту перелічення лічильника 3. Шифратор 6 виконано таким чином, що при будь-яких значеннях цифрового коду на його вході, існує лише три можливих комбінації вихідного коду, а саме: Комбінація Q1 Q2 Q3 6 перша друга третя 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Буквами Q1-Q3 позначені відповідно перший, другій, і третій виходи шифратора 6. Перша комбінація виникає на виходах Q1, Q2 і Q3 ши фратора 6 при значеннях вхідного коду рівних: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, ... і т.д. Друга комбінація виникає на виході Q1, Q2 і Q3 при значеннях вхідного коду рівних: 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, ... і т.д. Третя комбінація виникає при значеннях вхідного коду рівних: 2, 5, 8, 11, 14, 17, 20, ... і т.д. На фіг. 3 зображені епюри напруг на виході формувачів 4 і 5, а також форма сигналів з виходу Q1, Q2 і Q3 шифратора 6 (для випадку, коли розрізнювальна здатність дорівнює 10 імп./оберт). Формувач імпульсів 9 (фіг. 2) призначено для формування послідовностей імпульсів, що надходять на підсумовуючий або віднімальний входи реверсивного лічильника 10, у залежності від послідовності зміни коду на його входах, що визначається напрямком обертання ротору СКОТ. Тригери 11 і 12 а також елементи І 16 і 17, становлять собою схему що формує лічильні імпульси, які подаються на підсумовуючий вхід реверсивного лічильника 10. Тригери 13 і 14 й елементи І 18 і 19, формують лічильні імпульси, які подаються на віднімальний вхід реверсивного лічильника 10. Елементи 15, 20 і 21 призначені для установлення тригерів 11, 12, 13 і 14 у початковий стан при включенні живлення й при видаванні лічильного імпульсу на будь-який з входів реверсивного лічильника 10. Перетворювач кутового переміщення в цифровий код працює наступним чином. При включенні живлення, або з надходженням ініціативного сигналу, схема початкового скидання 1 генерує імпульс, що установлює до початкового стану лічильник 3, реверсивний лічильник 10 і тригери 11, 12, 13 і 14 при нульовому стані ротора СКОТ. (або, що вірніше, при стані ротора умовно прийнятому за нульове). По закінченню імпульсу початкового скидання, лічильник 3 розпочинає рахунок імпульсів, що надходять на його вхід від генератора імпульсів 2. Формувачі напруг живлення 4 і 5 синусної і косинусної обмоток СКОТ, відповідно з кодом, що надходить на їхні входи з лічильника 3, формують ступеневозмінні напруги, однакові по формі, але відмінні по фазі на 90 градусів, див. фіг. 3. У результаті впливу цих напруг у СКОТ виникає обертове магнітне поле з частотою рівною: F=f/K; (2) де: F - частота обертового магнітного поля в СКОТ; f - часто та генератора імпульсів 2; К - коефіцієнт перелічення лічильника 3. При цьому в обмотці збудження СКОТ індукується напруга, фаза якої, по відношенню до початку кожного циклу лічильника 3, буде змінюватися, 7 33546 в межах повного оберту ротора СКОТ, від 0 до 360 градусів. При переході через нуль індукованої в обмотці збудження напруги компаратор 7 видає сигнал, який синхронізується частотою генератора імпульсів 2 за допомогою схеми І 8. Цим сигналом стробується вихідний код шифратора 6, що визначається поточним станом лічильника 3. Частота імпульсів стробування шифратора 6 така ж як і частота обертового магнітного поля в СКОТ. Доки ротор СКОТ не обертається, зсув фази напруги, що є на вході компаратора 7, не змінюється, а її величина залежить від стану ротора СКОТ відносно його статора. Вихідний код шифратора 6 у цьому випадку також не змінюється і дорівнює, наприклад: Q1 0 Q2 0 Q3 1 Цей код надходить на відповідні входи формувача 9. Тригери 11, 12, 13 і 14 знаходяться у початковому стані після впливу імпульсу початкового скидання, що надходить на перший вхід схеми АБО 21. Вхідний код формувача рівний 001 утримує тригери 11, 12, 13 і 14 у початковому (нульовому) стані. Такий стан буде зберігатися, доки ротор СКОТ не почне обертатися, наприклад за годинниковою стрілкою. При цьому, зсув фази напруги, індукованої в обмотці збудження СКОТ, буде змінюватися, наприклад зростати. При повороті ротора СКОТ на певну величину (для розрізнювальної здатності рівній 10 імпульсів на оберт - це 12 градусів), на виході ши фратора 6 з'явиться вихідний код рівний: Q1 1 Q2 0 Q3 0 Для такого вихідного коду, нульове значення Q3, що надходить від формувача 9, через елементи НІ 15 і АБО-НІ 20, знімає з виходу елемента АБО 21 сигнал, що затримує тригери 11, 12, 13 і 14 в початковому стані. Тригер 11 установлюється в "1" під впливом сигналу "1" з ви ходу Q1 шифратора 6 і забороняє вмикання тригеру 13 по входу "S". Якщо ротор СКОТ буде продовжувати обертання в тому ж напрямку, то через 12 градусів (для випадку, коли розрізнювальна здатність дорівнює 10 імпульсам на оберт), код на виході шифратора 6 зміниться на наступний: Q1 0 Q2 1 Q3 0 Це призведе до установлювання в "1" тригера 12. При подальшому русі ротора СКОТ в тому ж напрямку, знову станеться зміна коду на виході шифратору 6 на наступний: Q1 0 Q2 0 Q3 1 8 В цьому випадку кон'юнкція сигналів Q3 та з виходу тригера 12 призведе до видання з виходу елемента І 17, імпульсу, що надходить на підсумовуючий вхід реверсивного лічильника 10. Тривалість цього імпульсу дорівнює часу затримки спрацювання елемента АБО 21 та кіл скидання тригерів 11, 12, 13 і 14, тому, що з появою цього імпульсу на другому вході елемента АБО 21, на його виході виникає сигнал, що встановлює всі тригери у початкове становище. При подальшому русі ротора СКОТ, описаний процес формування імпульсів, які надходять на підсумовуючий вхід реверсивного лічильника 10, буде повторюватися. При русі ротора СКОТ у протилежному напрямку, імпульс, що надходить на віднімаючий вхід реверсивного лічильника 10, буде формуватися з допомогою тригерів 13 і 14, елементів І 18 і 19 при таких змінах коду на ви ході шифратора 6: Стан формувача імпульсів 9 1 2 Виходи ши фратора 6 Q1 Q2 Q2 0 0 1 0 1 0 3 1 0 0 4 0 0 1 - початковий стан - установлення в "1" тригера 13 - установлення в "1" тригера 14 - видавання імпульсу і установлення в початковий стан Будь-яка інша модифікація послідовності зміни кодів, крім показаних вище, не призводить до видавання імпульсів, що надходять на входи реверсивного лічильника 10. Код, сформований на виході реверсивного лічильника 10 у результаті рахування імпульсів, є вихідним кодом перетворювача. Цей код пропорційний куту повертання ротора СКОТ із кількістю повних обертів включно. Схема перетворювача може бути модифікована для роботи з сельсином, що використовується замість СКОТ. Для цього, замість формувачів живлення 4 і 5, необхідно використовувати формувачі живлення статорних обмоток сельсина, які повинні виробляти такі ж по формі напруги живлення як і формувачі живлення 4 і 5, але зсунені по фазі відносно одна одної на 120 градусів, а обмотка збудження сельсина повинна бути з'єднана із входом компаратора 7. Для підвищення розрізнювальної здатності перетворювача необхідно збільшити коефіцієнт перелічення лічильника 3 і відповідно розрядність формувачів, які формують напруги живлення обмоток СКОТ або сельсина, відповідно з викладеним вище. Застосування запропонованого винаходу дозволить: створити ряд пристроїв, наприклад для заміни морально застарілих механічних реверсивних лічильників, які використовуються в металургії для контролю стану валків прокатних станів і іншого подібного обладнання; спростити схемотехніку 9 33546 перетворювачів кут - код накопичувального типу, у яких давачами куту повертання є СКОТ або сельсин, ротор якого повертається на кут більший за 360 градусів. Можливо спрощення обладнання, 10 пов'язане з виключенням проміжних редукторів шляхом вибору потрібного числа імпульсів на оберт. Фіг. 2 Фіг. 1 Фіг. 3 ДП «Український інститут промислов ої в ласності» (Укрпатент) вул. Сім’ї Хохлов их, 15, м. Київ , 04119, Україна (044) 456 – 20 – 90 ТОВ “Міжнародний науков ий коміт ет” вул. Артема, 77, м. Київ , 04050, Україна (044) 216 – 32 – 71