Датчик частоти обертання і кута положення

Датчик частоти обертання і кута положення, що містить виконані однаково перший формувач вихідних кутових імпульсів і другий формувач вихідних імпульсів нульового відліку, вихідні виводи яких є вихідними виводами пристрою і з'єднані через два послідовних резистори, а точка їхнього з'єднання підключена до мінуса джерела живлення через світлодіод; у кожному з формувачів є однакові вимірювальні релаксаційні LCгенератори, виходи яких з'єднані з вихідними ви C2 2 (19) 1 3 якого також з'єднаний з виходом змішувача через другу ланку, що диференціює. Пристрій також містить маркерний диск із двома парами кільцевих концентричних інформаційних доріжок, виконаних у вигляді металевих і діелектричних секторів, що чергуються в кожнім кільці і кожнім секторі пари. На третій доріжці мається тільки один діелектричний сектор, сполучений співвісно по радіусу з першим сектором першої доріжки, що чергується з металевим на четвертій доріжці. Однакові індукційні котушки всіх чотирьох LC-генераторів вмонтовані в друковану плату, площинами намотування звернені до доріжок маркерного диска і вибудовані в один ряд уздовж його радіуса. Устрій-прототип має наступні недоліки: - складність, обумовлена наявністю чотирьох індукційних котушок, чотирьох LC-генераторів, чотирьох інформаційних доріжок на маркерному диску і надмірністю елементів у кожному частотному компараторі; - завищені масогабаритні показники через велику кількість індукційних котушок і елементів схеми, причому, діаметр маркерного диска, що і визначає, головним чином, габарити пристрою, не можна зменшити, оскільки всі індукційні котушки повинні бути вибудовані уздовж його радіуса; - недостатня температурна стабільність через використання в асиметричній інтегруючій ланці прямого діода, спадання напруги на якому безпосередньо залежить від температури, що приводить до істотного температурного дрейфу кутових характеристик датчика по найгіршому варіанту, коли кут випередження запалювання збільшується при нагріванні і зменшується при охолодженні; - недостатня перешкодозахищеність, оскільки використаний у частотному компараторі RS-тригер реагує на асинхронні рознесені в часі одиночні імпульси перешкод, а наявність на його одному вході ланки, що диференціює, а на іншому - що інтегрує, сприяє такому рознесенню. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого пристрою, шляхом безпосередньої фіксації з підвищеною точністю відхилення частоти коливань релаксаційного LC-генератора в кожнім з формувачів вихідних імпульсів при почерговому проходженні біля їхніх індукційних котушок металевих і діелектричних секторів маркерного диску з двома інформаційними доріжками за допомогою удосконаленого частотного компаратора, зі схеми якого виведені змішувач частот, RSтригер, одна ланка, що диференціює і діод. Технічним результатом, що досягається при здійсненні винаходу, є: спрощення пристрою, зниження його масогабаритних показників, підвищення температурної стабільності і перешкодозахищеності. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрої, що містить виконані однаково перший формувач вихідних кутових імпульсів і другий формувач вихідних імпульсів нульового відліку, вихідні виводи яких є вихідними виводами пристрою і з'єднані через два послідовних резистори, а точка їхнього з'єднання підключена до мінуса джерела живлення через світлодіод, у кожному з формувачів маються однакові вимірювальні 88054 4 релаксаційні LC-генератори, виходи яких з'єднані з вихідними виводами пристрою через частотні компаратори, кожний з яких складається з включених послідовно двох інверторів, D-тригера, ланок, що диференціює та інтегрує, а також маркерний диск із кільцевими концентричними інформаційними доріжками, виконаними у вигляді металевих і діелектричних секторів, що чергуються в кожному кільці, причому, на доріжці нульового відліку мається тільки один діелектричний сектор, сполучений співвісно і по радіусу з першим сектором доріжки кутових імпульсів, а однакові індукційні котушки всіх LC-генераторів вмонтовані в друковану плату, площинами намотування звернені до доріжок маркерного диска і вибудовані в один ряд уздовж його радіуса, відповідно до винаходу в кожному з формувачів імпульсів мається тільки один вимірювальний релаксаційний LC-генератор, у частотному компараторі вхідним виводом є вхід першого інвертора, вихід якого з'єднаний безпосередньо з тактируючим входом D-тригера, що інвертує, вихід якого є вихідним виводом пристрою, і з його входом даних - через з'єднані послідовно ланки, що диференціює й інтегрує і другий інвертор, а маркерний диск виконаний з одною доріжкою кутових імпульсів і одною доріжкою нульового відліку і, відповідно, по його радіусу зорієнтовані і встановлені тільки дві індукційні котушки. На Фіг.1 приведена принципова схема електронної частини пропонованого датчика. На Фіг.2 приведені епюри, що пояснюють принцип дії формувачів сигналів датчика, де: А - сигнали на виході першого інвертора; Б - сигнали на вході другого інвертора; В - сигнали на вході даних D-тригера; Γ - сигнали на виході частотного компаратора. На Фіг.3 приведений приклад виконання маркерного диска і показана орієнтація індукційних котушок щодо диска. Як приклад реалізації розглянемо датчик частоти обертання і кута положення колінчатого вала шестициліндрового рядного двигуна. Пристрій містить формувач 1 кутових імпульсів і виконаний точно так само формувач 2 імпульсів нульового відліку. Формувач 1 складається з з'єднаних послідовно вимірювального високочастотного релаксаційного LC-генератора 3 і частотного компаратора 4. Генератор 3 виконаний на логічному інверторі 5, вхід якого з'єднаний з мінусом джерела живлення через перший конденсатор 6 і, через послідовні індукційну котушку 7 і резистор 8, - з його виходом, що є виходом генератора. Точка з'єднання котушки 7 і резистора 8 підключена через другий конденсатор 9 до мінусу джерела живлення. Частотний компаратор 4 містить перший інвертор 10, вхід якого є входом компаратора. Вихід інвертора 10 з'єднаний через послідовні ланки, що диференціює, 11, що інтегрує 12 і другий інвертор 13 із входом даних D-тригера 14 і, безпосередньо - з його тактируючим входом. Вихід D-тригера, що інвертує, 14 є одним з виходів пристрою. Виходи першого формувача 1 кутових імпульсів і другого формувача 2 імпульсів нульового відліку з'єднані через послідовні перший резистор 15 і другий резистор 16, відповідно, а точка з'єд 5 нання резисторів 15 і 16 підключена до мінуса джерела живлення через світлодіод 17. Дві кільцеві концентричні інформаційні доріжки маркерного диска (як однин з можливих прикладів виконання) виконані у вигляді металевого диска з просічками. Кількість діелектричних секторів, або просічек, першої доріжки кутових імпульсів дорівнює числу циліндрів двигуна. На другій доріжці нульового відліку мається тільки один, більш широкий у порівнянні з кутовим, діелектричний сектор, або просічка, сполучений співвісно і по радіусу із сектором першого циліндра. Однакові мініатюрні індукційні котушки 7 обох LCгенераторів 3 виконані плоскими і без сердечників. Обидві котушки вмонтовані в отвори друкованої плати урівень з її поверхнею, протилежною тій, на якій спаяна схема формувача імпульсів. Плата звернена індукційними котушками до доріжок маркерного диска і зафіксована паралельно поверхні маркерного диска з зазором. Індукційні котушки виставлені в ряд уздовж радіусу маркерного диска таким чином, що їхні осі намотування відстоять від центра обертання диска на величину середнього радіусу кожної інформаційної доріжки. У процесі роботи датчика маркерний диск (Фіг.3) обертається з частотою вдвічі меншої частоти обертання колінчатого вала двигуна, і його металеві сектори і порожнечі інформаційних доріжок періодично взаємодіють із установленими напроти цих доріжок індукційними котушками. Частота коливань релаксаційних LC-генераторів 3 (Фіг.1) формувачів 1 і 2 обрана, як і в устрої-прототипі, досить високою - 100кгц. Однак зазор між індукційними котушками і маркерним диском встановлюється не більш 1мм, що зовсім не важко забезпечити при установці осі маркерного диска на звичайних кулькових підшипниках. Як показала практика, при таких зазорах, не складаючи проблем при сучасному серійному виробництві, легко досягається зменшення частоти коливань генераторів 3 при проходженні біля індукційної котушки 7 просічки маркерного диска не менш чим на 10%. Цього цілком достатньо для надійної роботи частотного компаратора 4, і цілком можна обійтися прямим виміром частоти коливань генератора 3, а не різниці одночасно відхиляючихся в різні сторони частот коливань двох генераторів, як це робиться в устрої-прототипі. При проходженні біля котушки 7 кожної просічки маркерного диска на виході генератора 3 і на виході інвертора 10 у частотному компараторі 4 зменшується частота повторення і збільшується тривалість імпульсів прямокутної форми (Фіг.2-А), передні фронти яких використовуються в якості тактируючих для Dтригера 14. Ці імпульси диференціюються за допомогою ланки 11, а диференційовані імпульси трохи зрушуються убік відставання за допомогою інтегруючої ланки 12 (Фіг.2-Б). Завдяки цьому на виході інвертора 13 формуються сигнали даних прямокутної форми для D-тригера 14 (Фіг2-В). Постійні часу ланок 11 і 12 обрані такими, що під час перебування біля індукційної котушки 7 металевої частини маркерного диска, коли частота коливань на виході генератора 3 підвищена, сигнали даних (Фіг. 2-А) і тактируючі імпульси (Фіг.2-В) перекри 88054 6 ваються в часі. Тому на виході тригера, що інвертує, 14, як і на виході формувача 1, присутній сигнал «0» (Фіг.2-Г). Коли ж напроти індукційної котушки 7 знаходиться просічка на маркерному диску і частота коливань на виході генератора 3 знижена, елементи схеми 10, 11, 12,13 виконують роль одновібратора, вихідні імпульси якого (обидва сигнали даних для тригера 14) обмежуються по тривалості й обриваються раніш, ніж приходять тактируючі імпульси тригера 14. При цьому на виході тригера, що інвертує, 14, як і на виході формувача 1 присутній сигнал «1» (Фіг.2-В). Другий формувач 2 працює точно також, з тією відмінністю, що він реагує під час одного обороту маркерного диску тільки на одну просічку, що відповідає сигналу нульового відліку, що перекриває сигнал першого кутового імпульсу. Далі зміна частот сигналів генераторів і сигналів на виходах формувачів 1, 2 під час обертання маркерного диска повторюється, як описано вище. Датчик додатково постачений світлодіодом індикатором 17, що дозволяє не тільки контролювати його працездатність, у тому числі і на зупиненому двигуні, але і відрізняти верхню мертву точку першого циліндра від інших і виконувати точну фазировку датчика за положенням поршня першого циліндра у верхній мертвій точці. Оскільки опір резистора 16 обрано більш великим, ніж опір резистора 15, індикатор забезпечує три режими світлової індикації: - сигнал «0» на виході формувача 1, «1» - на виході формувача 2, слабке світіння - наближається верхня мертва крапка поршня першого циліндра; - сигнал «1» на виходах обох формувачів, яскраве світіння - верхня мертва точка поршня першого циліндра; - сигнал «1» на виході формувача 1, «0» - на виході формувача 2, середнє світіння - будь-який циліндр, крім першого. Технічний результат у виді спрощення відомого пристрою досягається за допомогою виключення з його схеми двох релаксаційних LCгенераторів, двох RS-тригерів двох ланок, що диференціюють, двох діодів і організації на маркерному диску двох інформаційних доріжок замість чотирьох. Технічний результат у виді зниження масогабаритних показників відомого пристрою досягається головним чином за рахунок зменшення діаметра маркерного диска, на якому розміщаються тільки дві інформаційні доріжки замість чотирьох, а також за рахунок скорочення кількості елементів електронної схеми. Технічний результат у вигляді підвищення термостабільності відомого пристрою досягається за рахунок виключення з електронної схеми двох діодів, температурозалежна вольт-амперна характеристика яких визначає наявність кутових помилок у датчику-прототипі. За термостабільністю пропонований датчик не уступає індуктивним і датчикам на основі ефекту Холу. Технічний результат у вигляді підвищення перешкодостійкості відомого пристрою досягається 7 шляхом використання як вихідний каскад частотного компаратора замість RS-тригера більш перешкодозахисного D-тригера, що не реагує на рознесені в часі одиночні сигнали перешкод, а синхронні сигнали перешкод у даному випадку на входах тригера відсутні через наявність на вході даних інтегруючої ланки. По перешкодостійкості пропонований датчик не уступає оптичним і датчикам на основі ефекту Холу. В тому об'ємі інформації, що вивчено авторами, не знайдено датчика частоти обертання і кута положення, якому були б притаманні ознаки ідентичні тим, що мають місце в запропоновану рішенні. Тому рішення відповідає критерію "новизна." 88054 8 Виключення з схеми пристрою частини елементів, що привело до спрощення конструкції та зменшенню її масогабаритних показників стало можливим внаслідок нової схеми та іншого порядку взаємодії інших елементів. Таке рішення очевидним чином не випливає для фахівця з рівня техніки, тому рішення відповідає критерію "винахідницький рівень". Пристрій є технічно завершеним, виконаним на відомій елементній базі і може бути виготовленим промисловим засобом. Просимо надати заявленому рішенню правову охорону - патент України. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 88054 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601