7.2. Многоотсчетные пфк

7,2.1. Общие сведения

Все рассмотренные в этой главе, а также в гл. 5 и 6 схемы преобразовате­лей перемещение — фаза — код относятся к одноотсчетным многоразрядным ПФК. Такие преобразователи осуществляют преобразование, например, углового перемещения вала какого-либо вращающегося объекта в пределах одного обо­рота вала, т. е. в диапазоне 0—360°. Для дальнейшего увеличен диапазона измерения необходимо введение грубого отсчета (ГО), позволяющего отсчиты-вать число оборотов (или шагов) преобразователя точного отсчета (ТО). Таким образом, построение многоотсчетных преобразователей предполагает наличие ка­налов грубого и точного отсчетов. Существует два основных метода построения многоотсчетных ПФК: метод с использованием специального датчика ГО и ме­тод формирования ГО по показаниям точного отсчета специальный устройством без применения датчика ГО,

Применение первого метода предусматривает наличие специальной схемы согласования отсчетов (ССО), необходимой потому, что коэффициент редукции ГО, осуществляющий масштабное преобразование угла в реальных преобразова­телях, не является постоянной величиной. Его непостоянство вызвано наличием как систематических, так и случайных погрешностей преобразования в канале ГО. Кроме того, измерение кода ГО происходит с погрешностями, значительно превышающими ТО [1, 11, 17, 22, 23, 39].

При использовании второго метода в согласовании отсчетов нет необходи­мости, так как в схемах преобразователей этого типа в момент перехода через максимальное значение ТО формируется импульс, который поступает на вход реверсивного счетчика ГО. В результате получаем ГО накапливающего типа. Отсюда следует, что преобразователи, использующие второй метод согласования отсчетов, обладают недостатками, присущими ПФК накапливающего типа. Вы-бор того или иного метода построения многоотсчетных преобразователей зависит от условий работы, метрологических требований и т. д. Рассмотрим более по­дробно различные варианты построения многоотсчетных ПФК. реализующих оба метода.

7.2.2. Пфк с использованием датчиков грубого отсчета

Упрощенная схема двухотсчетногоПФК представлена на рис. 7.6 [22]. Схе­ма состоит из первичного преобразо­вателя измеряемых перемещений ПП и отсчетной части 0Ч. преобразователь перемещений включает в себя фазовра­щатель точного отсчетаи датчик грубого отсчетаПри этом иирасполагаются, например, непосредственно на намеряемом валу, преобра­зуя угол поворота в "электрические сигналы, параметры которых зависят от это­го угла. При этом многократно за оборот вала повторяет фазу сигнала.Число циклов изменения фазы равно коэффициенту преобразования масштаба поэтому часто называют преобразователем масштаба угла ПМУ. Наличие коэффициента вносит неоднозначность отсчета и, как правило, представляет собой ПМУ с коэффициентом [11, 17, 22].

Отсчетная часть преобразователя имеет соответственно два канала: канал ТО (КГО) и канал ГО (КГО), которые могут в общем случае быть построены с использованием любых методов преобразования, рассмотренных выше. Однако при использовании этих методов необходимо в схему вводить согласование отсчетов ГО и ТО (на рис. 7.6 блок ССО) для устранения возможной погреш­ности, определяемой младшим разрядом ГО, поскольку дискретность канала ГО всегда соответствует единице старшего разряда канала точного отсчета. Следует также отметить, что многоотсчетные преобразователи, как правило, имеют два отсчета и только в некоторых случаях используются три и большее число отсче­тов системы преобразования перемещений.

Рассмотрим принципы построения многоотсчетных ПФК с использованием датчиков ГО, например циклический преобразователь с электромашинным ФВ [53], состоящей из двухотсчетного электромашинного фазовращателя (ЭМФВ) в электронного блока.

В качестве ЭМФВ используются бескорпусные двухотсчетные вращающиеся трансформаторы типа BT-7I или ВТ-100 с коэффициентом электрической редук-цви канала точного отсчета 16 и 323 соответственно.

Электронный блок преобразователя содержит двухфазный генератор ДФГ (рис. 7.7), питающий ЭМФВ, преобразователи фаза —код точного ПФК ТО и грубого ПФК ГО отсчетов, блок совмещения отсчетов БСО и блок контроля БК, на выходе которого выдается сигнал Исправен в виде потенциала +5 В при исправности линий связи ЭМФВ с электронным блоком, а также при исправности ДФГ и аналого-цифровых устройств электронного блока. Электрон­ный блок имеет две модификации — для использования совместно с ВТ-71 или ВТ-100.

Синусоидальный выходной сигнал ДФГ формируется путем деления частоты кварцевого генератора (15 МГц) и последующей фильтрации полученного напря­жения (частотой 3660 Гц), причем для снижения порядка фильтра и, следова­тельно, повышения стабильности его характеристик предварительно формируется ступенчатый синусоидальный сигнал, в котором отсутствуют высшие гармоники до шестой включительно. Фазовый сдвиг между выходными сигналами, равный и равенство амплитуд сигналов с погрешностью обеспечивает

прецизионный фазовращатель. Коэффициент гармоник выходных сигналов ДФГ не превышает 0,1.%.

Упрощенная функциональная схема канала ТО приведена на рис. 7.8. Пре­образователь ПФК ТО выполнен по схеме прямого измерения фазы с одним пороговым элементом ПЭ, на вход которого поочередно с помощью ключей К1—К4 подаются синусоидальные сигналы со входов на рис. 7.9)

выходов вращающегося трансформатора точного отсчета. В такой схеме исключаются погрешности разброса порогов срабатывания в задержек переключения, неизбежных при использо­вании нескольких ПЭ.

Пороговый элемент вырабатывает короткий импульс при переходе сину­соидального сигнала на его входе из положительного значения в отрицатель­ное через нулевое значение. По фронту этого импульса переключается распреде­литель импульсов РИ, управляющий ключами К1—К.4. На выходах РИ форми­руется последовательность импульсов управления После срабатывания ПЭ его вход блокируется на время переходных процессов, вызванных переключе­нием К.1—К4.

Сигналпоступает на вход запретауправляемого счетчикаСУ. При-отсутствии этого сигнала СУ переключается по каждому импульсу, напряжениячастотой 15 МГц, поступающему из ДФГ. Модуль счета СУ при наличии сигналана входеа при Таким образом , в интервалы времени (см. рис. 7.9) на вход счетчика С поступают импульсы с частотой 3,75 МГц, а в интервал времени —с частотой 7,5 МГц. Фронты выходных сигналов РИ синхронизированы импуль­сами высокой частоты. Это исключает возможность пропуска хотя бы одно­го импульса СУ при переключении ключей К1—К4. По окончании цикла измерений срезом сигнала (в момент запускается формирователь импульсов ФИ, который после небольшой задержка вырабатывает импульс Го­тов длительностью 4—8 мкс. По фронту этого импульса происходит запись кода счетчика С в регистр Р, а по спаду — установка счетчиков С и СУ в исходное-состояние.

Выходной код регистра Р выдается при подаче внешнего сигнала Считыва­ние. При отсутствии сигнала Считывание на выходе поддерживается «третье состояние», что позволяет по одной многоразрядной цифровой линии связи пе­редавать информацию от нескольких преобразователей угол — код. На время-действия сигнала Считывание осуществляется блокировка записи кода в регистр Р. Это дает возможность подавать импульс Считывание в любой момент вре­мени, не нарушая нормальной работы преобразователя. На вход Считывание можно подать сигнал Готов, при этом выходная информация будет считываться с минимальной динамической погрешностью.

В соответствии с изложенным алгоритмом работы код, формируемый на выходе ПФК ТО, пропорционален интервалу времени

Здесь— фазовый сдвиг между первым выходным и первым входным напря­жениями ВТ;— фазовый сдвиг между вторым выходным и вторым входным напряжениями ВТ. При этом где 8 — угол поворота ротора ВТ; — частота питающего напряжения.

При таком преобразовании компенсируются составляющие погрешности, обу­словленные второй пространственной гармоникой индукция ВТ и погрешностями ДФГ [53], что наряду со снижением общей погрешности преобразователя позво­ляет существенно упростить схему ДФГ. Так, для используемого ДФГ при ко­зффициенте редукции ТО амплитуды составляющих погрешности преобразователя, вызванные фазовой и амплитуднойпогрешностямиДФГ, со-ставят соответственно

Параллельное преобразование интервалов времени в код обеспечивает высокое быстродействие устройства. Цикл измерения угла не превышает двух периодов питающего напряжения ВТ.

Алгоритм работы ПФК ГО аналогичен рассмотренному для ПФК ТО. Отличне состоят в последовательном преобразовании интервалов в коды. Это позволило упростить схему ПФК ГО, не снижая быстродействия устройства, определяемого быстродействием ПФК ТО. Зона совмещения отсчетов применен­ной схемы БСО для ВТ-71 составляетчто обеспечивает надежное согла­сование точного и грубого отсчетов. Для совмещения отсчетов используются три

дополнительных разряда выходного ко­да ПФК ГО.

Особый интерес представляет устройство согласования отсчетов рас­сматриваемого преобразователя, функ­циональная схема которого представле­на на рис. 7.10 [а. с. 1088047 (ССРР)]. Устройство работает следующим образом.

На выходе двоичного сумматора SM образуется следующая сумма:

где S — код значащих разрядов двоич­ного сумматора; —выходной код допол­нительных разрядов двоичного суммато­ра; Т — инверсный код разрядов точного

отсчета (соответственно Т—прямой код), который используется для согласова­ния; Е — единица с весом старшего разряда точного отсчета; Г — код значащи» разрядов грубого отсчета; г — ход дополнительных разрядов грубого отсчета, за исключением младшего разряда; b—младший дополнительный разряд грубого, отсчета. Используя правила двоичной математики, можно следующим образом выразить инверсный код через прямой: где —единица с весом,равным удвоенному весу старшего разряда ГО или, что то же самое, с весом младшего значащего разряда грубого отсчета; е — единица с весом, равным весу младшегосогласующего разряда точного отсчета. Следовательно,

Выделяя код дополнительных разрядов двоичного сумматора с учетом сиг­нала переноса в младший значащий разряд, получаем

где— код дополнительных разрядов двоичного сумматора с учетом сигналапереноса в младший значащий разряд. Отсюда следует, что зона согласования отсчетов —это значение (г—1), при котором не будет происходить изменений в значащих разрядах выходного кода двоичного сумматора за счет изменения» значения г, т. е. это значение (г—Г), при котором выполняется условие Следовательно, учитывая, чтоможно записать

Отсюда видно, что соединение младшего дополнительного разряда грубого отсчета с входом переноса двоичного сумматора не увеличивает зону согласова­ния отсчета, а лишь симметрирует ee.

Так, без этого разряда при соединении входа переноса двоичного суммато­ра с шиной логического нуля получили бы

Учитывая, что вес младшего дополнительного разряда грубого отсчета, в 2 раза меньше веса младшего согласующего разряда точного отсчета, можно записать: при b=0 2b=0; при b=1 2b=2.

Таким образом, при b=1, т. е. при изменении выходного кода грубого отсче­та на выходной код двоичного сумматора увеличится на единицу младшего-дополнительного разряда, Следовательно, зона согласования отсчетов опреде­ляется следующим образом:

или, окончательно,

Таким образом, зона согласования отсчетов стала полностью симметричной. Величиназоны согласования отсчетов, равная разности границ этой зоны.определяется как

Следовательно, для такого преобразователя величина зоны согласования отсчетов равна единице младшего значащего разряда грубого отсчета без еди­ницы младшего согласующего разряда.

Так, например, при двух согласующих разрядах

Принцип работы БК основан на измерении отклонения фазового сдвига между выходными напряжениями ВТ в каналах ГО и ТО от При идеальных

ВТ и ДФГ Погрешности ДФГ, обрыв линий связи ЭМФВ

с электронным блоком, неисправности К1—К4, ПЭ и РИ приведут к нарушению этого равенства. Выход величины отклоненияиз заданного

допуска, определяемого предельно допустимой погрешностью преобразованиявызванной погрешностями ДФГ, индицируется сигналом Исправен. Погрешности

ДФГ вызовут максимальное суммарное отклонениеЗадавая предельно допустимые составляющие погрешности преобразования

можно найти величинупревышение кото-

рой следует индуцировать:

где

Например, при коэффициенте редукции ТО для обнаружения по-

грешности вызванной погрешностями ДФГ, контролируют превыше-

ние отклонения величины _ что технически реа-

лизуется достаточно просто.

Помимо выявленных выше недостатков, присущих циклическим фазовым преобразователям, рассмотренный двухотсчетный вариант ЦПУ весьма сложен. Он реализован на ИМС малой и средней степеней интеграции и поэтому усту­пает амплитудному циклическому ЦПУ [54], который за счет более рациональ­ного построения и использования ИМС с повышенной степенью интеграции имеет в 1,6 раза меньше объем отсчетной части при сопоставимом быстродей­ствии.

Технические характеристики преобразователя: разрядность выходного кода 15 для ВТ-71 и 16 для ВТ-100; статическая погрешность смены кода для

ВТ-71 идля ВТ-100; частота обновления выходной информации 1830 Гц;

напряжения источников питания В; потребляемая мощность

2,5 Вт; диапазон рабочих температур — от —60 до 70 °С; габаритные размеры электронного блокамм [53].

Несмотря на возможности обеспечения комплектной поставки в рассмотрен­ном варианте ЦПУ не приняты меры по компенсации погрешности датчика элек­тронной отсчетной частью. Следует отметить, что этот недостаток присущ боль­шинству известных двухотсчетных ЦПУ [3, 81], что ограничивает их точность погрешностью точного канала первичного преобразователя.

Поэтому особый интерес представляют схемы, предусматривающие повыше­ние точностных показателей и помехозащищенность ЦПУ за счет совершенство­вания микроэлектронной отсчетной части.