§ 10. Фотоимпульсные датчики.

Фотоимпульсные датчики используются как для измерения угловой скорости, так и для измерения углового положения вала. В первом случае их (в комплекте с электронной аппаратурой) часто называют цифровыми тахометрами, во втором – накапливающими кодирующими преобразователями угла.

Рис. 28 Фотоимпульсный датчик

Принцип работы датчика поясняется рис. 28. При повороте стеклянного диска фотодиоды фиксируют прохождение света через незатемненные секторы. Фотодиоды подключены к усилителям, выходные сигналы которых соответствуют стандартным уровням сигналов серийных ИМС. Два основных канала оптических систем сдвинуты на ¼ ширины одного сектора, что позволяет сформировать два выходных импульса, сдвинутых на ¼ периода. Такое решение дает возможность определять направление вращения оси датчика. Одиночная метка на наружной дорожке является точкой начала отсчета при использовании датчика в схеме накапливающего преобразователя угла.

В выпускаемых промышленностью датчиках на один оборот вала формируется от 100 до 4096 импульсов. Так, датчик типа BE-178 имеет следующие исполнения: z = 100, 250, 600, 1000, 1024, 2000, 2500. Цена деления датчика (разрешающая способность по углу поворота) составляет δ = 360^о/z. Следовательно, датчик с z = 2500 имеет разрешающую способность 8 угловых минут.

Методы измерения углового положения основаны на подсчете количества импульсов с датчика с учетом направления его вращения. Как аппаратная, так и программная реализация этих методов очень проста и не нуждается в специальном пояснении. Единственной проблемой здесь является определение положения вала при первоначальном включении системы. Для этого часто выполняется холостой прогон механизма до появления первой метки начала отсчета. С той же целью на первом этапе работы может использоваться информация с простого и дешевого датчика грубого отсчета.

Измерение частоты вращения фотоимпульсным датчиком. Фотоимпульсный датчик можно рассматривать как преобразователь низкой частоты вращения вала в высокую частоту выходных импульсов. Коэффициент преобразования равен числу выходных импульсов за один оборот, т.е. числу меток датчика z.

При использовании датчика в микропроцессорной системе управления электроприводом необходимо иметь информацию о частоте вращения вала двигателя в форме параллельного двоичного кода. Преобразование частоты выходных импульсов датчика в код осуществляется двумя основными способами.

Первый способ основан на подсчете количества импульсов с датчика за калиброванный интервал времени T_к. Если частота вращения вала составляет величину f_B, об/с, а датчик имеет z меток, то за интервал времени T_к будет подсчитано N₁= zf_BT_к меток. Подсчет этот может производиться как аппаратно-двоичными счетчиками на базе цифровых ИМС, так и программно подпрограммой обработки прерывания по каждому импульсу, пришедшему на МП в течение интервала T_к. Подпрограмма может состоять из единственного оператора-инкремента содержимого какого – либо из регистров МП-системы. После завершения интервала T_к содержимое счетчика или регистра (в программном варианте) может использоваться в качестве текущей информации о скорости двигателя.

Знак скорости (направление вращения) определяется специальной комбинационной логической схемой, использующей 90-градусный фазовый сдвиг импульсов соседних дорожек датчика. Информация о знаке обычно передается в старшем разряде двоичного слова.

Обновление информации о скорости в современных быстродействующих системах подчиненного управления электроприводом должно осуществляться с периодичностью, примерно в 10 раз меньшей, чем величина основной постоянной времени контура скорости. Это накладывает достаточно жесткие требования на выбор T_к и, как следствие, на выбор типа датчика. Так при выборе T_к=10 мс, датчика с z=1000 и частоте вращения 20 об/с, число записанное в счетчике, составит N₁=1000·20·0,01=200. Разрешающая способность упадет до ±5% при снижении скорости до 2 об/с. При дальнейшем снижении скорости этот метод уже нельзя считать приемлемым.

Наличие двух смешенных выходных сигналов дает возможность не только определить направление вращения, но и реализовать простые схемы двух или четырехкратного умножения частоты, что позволяет во столько же раз увеличить нижний предел измеряемой скорости.

Программная реализация этого метода затруднена из-за большой загрузки МП-системы операциями подсчета импульсов, следующих с достаточно высокой частотой. По этой причине в настоящее время метод чаще реализует аппаратно. Передача информации в МП-систему может осуществляться как по инициативе процессора, так и по запросу схемы преобразователя частота-код. Аппаратная реализация такого варианта приведена на рис. 29. Основные элементы схемы: генератор G, счетчики СТ1 и СТ2, буферные регистры R01 и R02, одновибраторы S1…S4, дешифратор адреса ДА, входной счетный триггер Т.

Рис. 29 Функциональная схема и временные характеристики преобразователя частота ‑ код

Единичные сигналы прямого и инверсного выходов триггера Т разрешают счет соответственно счетчику СТ1 или СТ2. В режиме счета они находятся попеременно. Длительность интервала счета равна текущему периоду T_к частоты генератора G. По окончании счета одновибратор S2 или S4 формирует сигнал записи результата счета в регистр R01 или R02. После этого происходит обнуление счетчика сигналом, сформированным одновибратором S1 или S3. Одновременно с приемом информации любым из регистров формируется сигнал запроса прерывания микропроцессора. Несмотря на общий адрес регистров, в режиме выдачи будет находиться лишь тот из них, который только что принял информацию от счетчика, поскольку только для этого регистра сигналы CS и соответствуют режиму выдачи.

Второй способ преобразования частоты в код основан на подсчете количества импульсов высокой эталонной частоты f_э за интервал времени T_д между началами двух соседних импульсов с фотоимпульсного датчика. В этом случае число подсчитанных импульсов будет пропорционально не частоте их следования, а периоду между ними, т.е. N₂=T_дf_э. Период T_д связан с частотой вращения соотношением T_д=1/(zf_в), поэтому число, записанное в счетчике за один интервал измерения, будет обратно пропорционально частоте вращения, т.е. N₂=f_э/(zf_в).

Разрешающая способность метода растет при снижении частоты вращения и уменьшается при ее повышении. Так, при z=100, f_в=2 об/с и f_э=1 МГц период между двумя метками будет преобразован в число N₂=500. При повышении частоты вращения в 10 раз погрешность преобразования возрастает до ±2%.

Этот способ эффективен при низкой частоте вращения и при использовании датчиков с небольшим числом весьма равномерно расположенных меток (секторов). Неравномерность меток непосредственно проявляется как погрешность измерения.

Преобразование числа, пропорционально периоду, в число, пропорциональное частоте вращения, может быть произведено специальной подпрограммой, реализующей вычисление по формуле N₁=k/N₂. Такое преобразование может производиться и без вычислений при использовании предварительно записанной в ПЗУ таблицы обратных чисел. Этот последний вариант можно реализовать и чисто аппаратно, специальной схемой вне МП системы.

Функциональная схема устройства, реализующего рассмотренный метод, может полностью совпадать с предыдущей схемой с той лишь разницей, что в качестве источника сигнала f_k теперь будет использоваться фотодатчик, а вместо f_д на вход устройства подается сигнал эталонной частоты f_э от высокостабильного генератора.

Частота запросов на прерывание при этом способе преобразования будет переменной, причем с ростом частоты вращения она может стать неприемлемо высокой. Это обстоятельство можно учитывать при разработке программного обеспечения.

Возможна и чисто программная реализация этого метода, особенно эффективная при использовании в составе МП-системы программируемого интервального таймера. При этом каждым импульсом с датчика производится считывание показаний счетчика таймера и его перезапуск на подсчет тактовых импульсов.

В подпрограмме обработки показаний таймера целесообразно предусмотреть коррекцию погрешностей, вызванных конечным временем выполнения операции считывания и перезапуска. Относительный уровень этих погрешностей растет при увеличении частоты импульсов с датчика.

Для снижения погрешностей, вызванных неравномерностью расположения меток датчика, используются программные методы, основанные на усреднении показаний за несколько соседних измерений. При этом можно гибко учитывать динамическое состояние привода: при высоких ускорениях использовать информацию без коррекции усреднением, а в установившихся режимах для высокой точности поддержания заданной скорости повышать степень фильтрации, усредняя информацию за большее число соседних измерений.

Тот факт, что первый из рассмотренных методов эффективен при высоких частотах вращения вала, а второй – при низких, наводит на мысль об использовании комбинации этих двух методов. Это можно легко реализовать, осуществляя коммутацию сигналов f_к, f_э и f_д, как это показано на рисунке 30. Эта коммутация происходит по результатам анализа (фиксации) программным путем факта превышения текущей частотой вращения некоторой величины f_гр, характеризующей граничную частоту двух методов измерения.

Рис. 30 Дополнительные аппаратные средств для реализации комбинированного метода преобразования частот ‑ код