Цпп с функциональными генераторами

10.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

В рассматриваемых преобразователях угла в цифровой код реализуется ме­тод обратной связи, при котором сигнал с цифрового выхода подается на функ-

хода CKBT [см. (9.3) и (9.4)]:

Благодаря этому проще реализовать меньшую чувствительность к гармо­никам ви, кроме того, к паразитным квадратурным составляющим.

Преобразователи измеряют это отношение, вычисляют и представляют результат в цифровом виде.

С точки зрения теории автоматического управления этот класс ЦПП пред­ставляет замкнутые аналого-цифровые системы автоматического регулирования. Они отличаются типом используемого ФГ, способами формирования сигнала рассогласования и образования выходного кода.

По способу получения цифрового эквивалента угла эти ЦПП делятся на ци­ клические в следящие. Циклические стробируют входные сигналы в обеспечи­вают циклическое их преобразование, а следящие следят за входными сигнала­ ми и непрерывно преобразуют их.

10.2. Сравнительная оценка цпп на основе функциональных генераторов

У следящего преобразователя (СП), схема которого приведена на рис 10.2, на входе имеется два делителя напряжения: — для

Они могут быть либо резистивными, либо индуктивными, и у каждого есть ао нескольку отводов. Снимаемые с делителей напряжения равныгде— числа между 0 и 1, зависящие от того, какие отводы делителя используются [57].

Дифференциальный усилитель ДУ вычитаети выдает напряжение рассогласования, которое равно нулю при В этом случае угловое положение вала. Для следящего преобразователя определить 0 сравнительно несложно. Для этого выходные отводы выбираются так, чтобы свести напряжение рассогласования к нулю.

С выхода суммирующего усилителя сигнал поступает на фааочувствительный детектор ФЧД, который не только преобразует напряжение рассогласования из промодулированного синусоидального в сигнал постоянного тока, но и задержи­вает .гармоники и квадратурные компоненты. Выходной сигнал детектора посту­пает через фильтр Ф на преобразователь напряжение — частота ПНЧ, выдаю­щий последовательность импульсов, частота повторения которых зависит от на-

пряжения рассогласования. Импульсы поступают на один из входов реверсив­ного счетчика PC, который осуществляет коммутацию отводов делителей.

Структура циклического преобразователя (ЦП), представленная на рис. 10.3, почти идентична описанной выше схеме следящего варианта. С усилителя ДУ напряжение, соответствующее ошибке, поступает в счетчик, управляющий ком-мутирующей цепью. Различие заключается в том, что до делителей каждое из напряженийпроходит через пиковый детектор сигналов несущей частоты с двумя УВХ1 и УВХ2 (схемы выборка — память) для каждого из комму­тируемых каналов. Схема выборка — память состоит из переключателя, после­довательно соединенного с входной клеммой, за которым следует конденсатор, включенный параллельно с усилителем. Управляющая цепь открывает и закры­вает оба переключателя каждый раз во время максимумов

Информация, необходимая для определения положения ротора СКВТ или комплекса сельсин — трансформатор Скотта, содержится в амплитудах синусо­идального и косинусоидального сигналов. Практически составляющие несущей частоты этих сигналов синфазны, если пренебречь разницей сдвига каждой из них в цепи ротор — статор. Поэтому достаточно измерять одновременно лишь максимумы несущей частоты с помощью пикового детектора [82].

Выходами пиковых детекторов являются сигналы постоянного токаи чьи амплитуды поступают на делители, на выходе которых образуются Суммирующий усилитель вычитает один сигнал из другого, выдавая напряжение рассогласования постоянного тока, которое по­ступает прямо в тактовый генератор. Никаких выпрямителей в фильтре не тре­буется.

Дальнейшее преобразование рассогласования производится по методу по­следовательных приближений в отсчетной части ЦПУ, схема которой представ­лена на рис 10.4 [3].

Очевидно ее сходство со схемой СП (см. рис. 10.2). Схемы выбора квадран­та н ФГ аналогичны. Основные различия заключаются в упрощении схемы вы­явителя сигналов рассогласования. Он необходим для подстройки цифрового вы­ходного сигнала до значения, соответствующего отсчету угла на выходе СКВТ. Установка выходного регистра последовательного приближения в состояние, со­ответствующее входному сигналу, производится с помощью логического адрес-ного устройства последовательного выбора, входящего в процессор сигналов рас­согласования. В процессе приближения выходного кода регистра к входному сигналу производится последовательное определение цифр разрядов регистра, начиная со старшего разряда. Разряды регистра устанавливаются в состояние 1,

если сигнал рассогласования оказывается положительным (0>Ф), и в состояние 0, если 0<Ф.

Различие между двумя типами преобразователей заключается в способе, которым каждый из них формирует напряжение рассогласования постоянного тока, необходимое для управления коммутирующей цепью. Следящий преобра­зователь формирует напряжение рассогласования переменного тока и затем вы­прямляет его; ЦП, прежде чем послать входной сигнал на суммирующий усили­тель, превращает его в сигнал постоянного тока.

При сравнении СП и ЦП следует обратить внимание на три фактора: каков предел динамической точности каждого типа, насколько хорошо каждый из них справляется с искажениями и насколько хорошо каждый из этих преобразова­телей работает в многоканальной системе.

Динамическая точность — мера того, насколько быстро преобразователь мо­жет отслеживать угловую скорость.

В СП она определяется константой скорости которая характеризует, насколько выход преобразователя должен запаздывать относительно его входа для того, чтобы генерируемое напряжение рассогласования было достаточно большим н могло восприниматься суммирующим усилителем;где—

угол запаздывания и в — угловая скорость вала. Так, например, еслиравно (16,6 об/мин), угол запаздывания равен 0,5°. Другими сло­вами, погрешность на выходе СП составляет не более что соответствует девятому разряду.

У известных [57] СП достигает 200000 и можно построить такие преобразователи, у которых в 3—4 раза выше. Так, для случая, когда угло­вая скорость вала равна у преобразователя сбудет по­грешность 19-го разряда, или Для скоростиили 3333 об/мин.погрешность не превышает 11-го разряда, или Следовательно, для угловой скорости точность СП зависит исключительно от точности ФЦАП и пере­ходных характеристик следящей схемы. Точность в данном случае определяется, главным образом, схемным построением.

У ЦП, напротив, точность ограничена частотой опорного напряжения. Обра­тимся вновь к случаям, когда скорость вала 0 равна Частота сигнала, поступающего в первичную обмотку, обычно равна 400 Гц; следователь-

но, период квантования циклического преобразователя равен 1,25 мс. Вал, вра­щающийся с частотойповорачивается между выборками на 0,126°. Сле­довательно, ЦП обеспечивает точность только в пределах 11 разрядов против 19 разрядов для СП. Если б составляет ЦП обеспечивает точность только в пределах 4 разрядов, илипротив 11 разрядов для СП.

Очевидно, ЦП нельзя использовать для устройств с большими угловыми скоростями. Но при измерении ступенчатого изменения в предпочтительнее СП, так как в них не тратится время на выпрямление и фильтрацию. В худшем слу­чае, при повороте на 180*, СП на отработку операции требуется до 100 мс [39]. В противоположность ему ЦП тратит на отработку до 0,2 мс независимо от величины ступенчатого изменения 6. В худшем случае ЦП для выполнения -операции (при 400 Гц в первичной обмотке) требуется до 1,25 мс. Эффективным средством повышения быстродействия ЦП является запитка первичного датчика синусоидальным или трапецеидальным напряжением повышенной частоты в диа­пазоне от 1000 до 20 000 Гц. В этом случае быстродействие определяется скоро­стью работы АЦП.

Однако ЦП не обладают такой устойчивостью к помехам, как СП. При. формировании сигнала постоянного тока для ПНЧ фазочувствительный детектор СП выделяет ту часть входного сигнала, которая находится в фазе с опорным сигналом. В результате этого гармоники, шумы и несинфазные компоненты по­давляются.

Намного хуже обстоит дело с ЦП, так как их точность зависит от способ­ности выбирать только максимумы первичного сигнала. Гармоники, шумы и квад­ратурные компоненты могут маскировать максимумы сигнала, Часто эти особен­ности не учитывают, полагая, что сигналы сельсина н СКВТ, которые придется обрабатывать преобразователям, не будут содержать помех, искажений н т. п. Но в промышленности и вообще на большинстве реальных объектов преобра­зователь обычно подвергается действию ложных сигналов и гармоник от источ­ников питания и от самого СКВТ [57].

Чтобы понять, насколько серьезной может быть эта проблема, рассмотрим случай, когда гармоники, содержащиеся в выходном сигнале СКВТ, составляют только 0,3%. В пиковых детекторах напряжения выборки тогда будут

Следовательно, максимальное

отклонение отношения будет приблизительно . Если, например, угол 9 равен 45°, он может быть измерен с точностью не более 0,17°, или 11 разрядов, что вполне приемлемо. Однако содержание гармоник в этой примере было всего 0,3%. В реальных системах допустимый уровень гармоник на входе преобразователей обоих типов может достигать 5%.

В ЦП можно, поставив согласованные входные фильтры, исключить гармо­ники издо того, как они достигнут цепей квантизации. Использование фильтров, однако, решает одну задачу, но ставит другую. В типичном фильтре сдвиг фазы составляет от 80 до Этот сдвиг не регламентируется при изго­товлении и не является стабильным ни во времени, ни по температуре. Следо­вательно, хотя фильтры могут избавить от гармоник и шумов, они сдвигают по фазе на неравные значения. Возникает задача обеспечить условие, чтобы выборки брались в соответствующие моменты времени по отношению друг к другу. Ключ к точности ЦП — взятие выборок только в пиках несущей часто­ты 400 Гц [83]. Если сдвинуты, нельзя гарантировать, что всегда

максимумы обоих сигналов будут совпадать с максимумами несущей частоты.

Хотя у ЦП период стробирования составляет десятые доли миллисекунды» они не пригодны для произвольных случайных процессов, потому что их бы­стродействие ограничено величиной 800 выборок в секунду. Так как эти системы обычно не синхронизируются опорной частотой 400 Гц, время, которое следует выделять для обращения к ЦП при питании 400 Гц (время выборки), должно быть не менее 1,25 мс. У СП допустимое время выборки составляет доли микро­секунды, так как они отслеживают свой аналоговый входной сигнал непрерывно.

В том случае, когда необходимо получить точность одноотсчетного ЦПУ вы­ше 10 разрядов (0,35°), а частота вращения вала превышаетили вводные сигналы искажаются помехами или гармониками, то в соответствии с рекомендациями, изложенными в (57}, следует применить СП. Стоимость ЦП и СП одинаковой точности сопоставима. Анализ состояния вопроса за рубежом [39] показал, что предпочтение отдается СП.

Это не означает, что следует развивать и совершенствовать только этот тип преобразователя. В ряде применений целесообразно использовать преобразовате­ли циклического типа (интегрирующие или поразрядного уравновешивания). При­менение последних оказывается рациональным в многоканальных системах. Оки достаточно просто сопрягаются с шинами микроЭВМ. Поэтому представляет ин­терес более подробное рассмотрение особенностей их построения с точки зрения совершенствования. Немаловажным фактором является и то обстоятельство, что в отечественной технике за два десятилетия предложено большое количество оригинальных построений устройств этого класса.