19.1. Преобразователь с синусно-косинусным фцап

Следящие цифровые преобразователи угла (СЦДУ), как уже указывалось, представляют один из основных типов преобразователей угол — параметр — код, использующих в качестве промежуточного параметра напряжения с первичного преобразователя СКВТ [3, 39]. Термин «следящий», как известно, характеризует построение отсчетной части преобразователя, выполненной в виде электронной замкнутой системы. Преимущества СЦПУ, например, такие как малые динами­ческие погрешности при преобразовании быстро мняющихся углов, хорошее подавление квадратурных помех, монотонность характеристик, делают их неза­менимыми в одноотсчетных системах, где они обеспечивают точность на уровне 10—12 бит.

Возможность формирования сигнала скорости н ускорения на одной отсчетной частя с цифровым эквивалентом угла существенно расширяет обла­сти применения этих ЦПП. Дальнейшее повышение их информационных емкости и способности достигается в двухотсчетной системе с механической или элект­рической редукцией. С точки зрения простоты реализации особый интерес пред­ставляет построение двухотсчетного СЦПУ (3], предусматривающее совмещение интегрирующего тракта отсчетной части ЦПП. Оно позволяет устранить н не­достатки, присущие двухотсчетным ПФК в части квадратурной запитки и быст­родействия (см. § 7.2.4).

Функциональная схема. СЦПУ представлена на рис. 19.1.

Выходные сигналы датчика ТО, в качестве которого может быть исполь-нован сельсин или СКВТ, поступают на входы селектора квадрантов СЮ, си­нусный и косинусный выходы которого подключены к косинусному и синусному функциональным генераторам КФП и СФГ1, цифровые входы которых подклю­чены к младшим разрядам реверсивного счетчика, кроме двух старших разря-

дов кодакоторые через" дешифраторДШ1 управляют СЮ. Выходы функ­циональных генераторов ТО подключены ко входам дифференциального уси­лителя ДУ1. Выход ДУ1 соединен с первый входом демодулятора ДМ1, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения Выход ДАН подключен к первому входу блока выбора каналов БВК, выход которого соединен со входом корректирующего устройства КУ. Выход КУ уп­равляет ПИЧ, а его выходы подключены к соответствующим входам ревер­сивного счетчика (PC). Два старших разряда этого счетчика управляют через дешифратор ДШ2 работой СК2, на входы которого поступают сигналы с вы­хода датчика ГО. Выходы СК2 подключены к СФГ2 в КФГ2, цифровые входы которых подключены к старшим разрядам реверсивного счетчика. Выходы СФГ2 и КФГ2 подключены ко входам ДУ2, выход которого соединен с первым входом ДМ2. Второй его вход соединен с источником опорного на­пряжения а выход подключен ко второму входу БВК. Выходы реверсив­ного счетчика являются выходом преобразователя Ф.

Аналоговый сигнал рассогласования в каждом канале получается, как в обычном следящем преобразователе (см. рис. 14.1), и равен

Сигнал рассогласования каждого из каналов обрабатывается ДМ, которые выделяют постоянную составляющую соответствующего напряжения с учетом фазы опорного напряженияС выходовДМ сигналы рассогласования посту­пают на БВК, который при больших значениях рассогласования пропускает на выход сигнал рассогласования ГО. Этот сигнал поступает на вход КУ, выход­ной сигнал которого управляет ПИЧ и соответственно PC.

Отработка рассогласования продолжается до тех пор, пока сигнал ошибка ГО не станет меньше, чем эквивалентный для точного канала разбалансВ этом случае БВК подключает к КУ сигнал рассогласования канала ТО. От­работка рассогласования продолжается в канале ГО, и при уменьшении рас­согласования в нем до нуля в PC будет зафиксирован выходной код угла Ф, равный сумме кодов Согласование разрядов ТО и ГО в преобразо-

вателе осуществляется автоматически, так как два младших разряда кода Ф\ являются старшими разрядами кода и поступают на ДШ1.

Сдвиг разрядов ТО относительно разрядов ГО PC определяется ко­эффициентом редукции между датчиками ТО и ГО. Коэффициент редукции определяет также уровень, при котором¹ БВК осуществляет переключение кана­лов. Подобное построение позволяет получить высокую точность преобразования угла в код без увеличения основной точности каналов ТО и ГО. Однако такой преобразователь имеет ряд недостатков.

Использование СФГ н КФГ в каналах ГО и ГО усложняет схему преоб­разователя. Функциональные генераторы в каждом канале должны быть со­гласованы между собой по точности воспроизведения функций синуса и коси­нуса. В противном случае кроме методических погрешностей функциональных генераторов, например на основе резнстивных нли автотрансформаторных схем [3, 22, 81], появляются погрешности выявителей рассогласования каналов от несогласованности функциональных генераторов. Это приводят к дополнитель­ный ошибкам преобразования угла в код.

Другим недостатком данного ЦПП является значительное время согласования отсчетов, поскольку при максимальном рассогласовании преобразователю необходимо отра­ботать ошибку порядка 180°, пре­жде чем сработает БВК и она уменьшится до нуля. При ограничен­ной максимальной частоте ПНЧ это время может составлять сотни мил­лисекунд [39].

Недостатком преобразователя является также и возможность ошибочного срабатывания БВК при включении преобразователя н начальном рассогласовании, близком к 180°. В этом случае напряжения рассогласования каналов ТО и ГО при четном коэффициенте редук­ции между каналами имеют устойчивый нуль при рассогласовании 180°, что при­водит к срабатыванию БВК и ошибочному согласованию отсчетов.

Эти недостатки в определенной степени устраняются в двухотсчетном ЦПУ с механической редукцией [81, 87]. Использованию систем с механической редукцией в значительной мере способствовало появление бесконтактных сель­синов и СКВТ (рис. 19.2,а), которые обеспечивают длительный срок службы при работе в канале точного отсчета на повышенной частоте вращения.

Отсчетная часть такого СЦПУ выполняется по схеме рис. 19.2,6, преду­сматривающей раздельное аналого-цифровое преобразование сигналов каждого отсчета с последующим их согласованием в цифровой форме устройством согласования отсчетов УСО. Это приводит к более чем двукратному увеличе­нию аппаратуры электронной части двухотсчетного СЦПУ по сравнению с од-ноотсчетным [87]. Выигрыш же в точности не превосходит обычно 2—3 бит. Основным ограничением, препятствующим резкому повышению точности, яв­ляется погрешность механической передачи. При высоком уровне технологии ее удается снизить до при приемлемых массогабаритных показателях,

умеренном сроке службы и высоких трудоемкостях изготовления.

19.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ТАНГЕНСНЫМ ФЦАП

Совершенствование построения СЦПУ с целью минимизации аппаратурных затрат при возможности микроэлектронного исполнения может вестись на осно­ве упрощения построения функциональных цифро-аналоговых преобразователей (ФЦАП) кода угла, выявителя рассогласования и отсчетной части. Использо­вание в качестве ФЦАП интегральных ЦАП и ПЗУ, имеющих высокие точност­ные показатели, позволяет строить СЦПУ с требуемыми точностными харак­теристиками. В отличие от предусматривающих поквадрантный перевод циф­рового эквивалента угла в синусно-косинусные функции рассматриваемый ва­риант реализует тангенсно-котангенсное преобразование цифровой информации в пределах октанта. Это позволяет упростить схему СЦПУ.

Функциональная схема двухотсчетного СЦПУ показана на рис. 19.3.

Построение предусматривает повышение точности и быстродействия СЦПУ в переходных режимах при одновременном его упрощении и расширении функ-

циональных возможностей. Рассмотрим особенности построения основных уст­ройств и особенности их взаимодействия в составе СЦПУ.

Селекторы октантов СО (рис. 19.4,а) предназначены для приведения вы­ходных напряжений СКВТ ТО и ГО а первый октант. На вход СО1 посту­пают выходные напряжения СКВТ ТО, на вход СО2 — выходные напряжения СКВТ ГО, пропорциональные синусу и косинусу углаповорота ротора соответствующего СКВТ. Операционные усилители ОУ1 и ОУ2 (рис. 19.4,а), во входной цепи которых включены резисторы R1—R4, а в цепи обратной связи —резисторы R5 и R6, обеспечивают передачу прямых или ин­вертированных входных напряжений. Резисторы входной цепи я обратной связи выбираются равными для обеспечения единичных коэффициентов передачи ОУ1, ОУ2 во всех режимах. Режим работы этих ОУ задается ключами Кл1, Кл2, которые управляются сигналами с выходов элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ /, 2. При замкнутых ключах ОУ инвертируют входные сигналы, при разомкну­тых—повторяют. Ключи Кл1, Кл2 замкнуты при управляющих сигналах, рав­ных 1, и разомкнуты при управляющих сигналах, равных 0. Управляющие сигналы формируются из трех старших разрядов ГО или ТО для соответству­ющего СО (рис. 19.3). Переключение Кл3— Клб обеспечивает на первых вы­ходах СО1 (СО2) изменение амплитуды напряжений от 0 дов нечетных октантах и отдо 0 в четных октантах. На вторых вы­ходах СО1 (СО2) амплитуда напряжений изменяется от до 0,707в нечетных октантах и от в четных октантах. Этим осуще­ствляется приведение напряжениек первому октанту.

Работа СО поясняется временными диаграммами на рис. 19.5, где пока­заны изменения напряжений СО в зависимости от входного угла 6 для редукции между ТО и ГОВсе напряжения условно показаны в видеогибающих, причем огибающая напряжения переменного тока считается поло-

жительной, если она совпадает по фазе с опорным и отрица-

тельной в противном случае-

Выходные напряженияпоступают на аналоговые входы УЦАП1 и УЦАП2 (рис. 19.3), где перемножаются со значениями кодов с выходов ПЗУ1, ПЗУ2, На адресные входы ПЗУ1 и ПЗУ2 по­ступают кодыс выходов бло­ков элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Значения этих кодов опреде­ляются Зр кодов пред­ставляющих три старших разряда соответственно ТО н ГО.

Характер пооктантного измене-ния напряжений приведен

в табл. 19.1, где дополнительно обо-

Таблица 19.1
n
I									0	0	0
2	-			-					0	0	1
3									0	1	0
4									0 1	1 0	1
5											0
6									1	0	1
7									1	I	0
8									1	I	1

значено

Так как выявители рассогласования ТО и ГО работают с приведенными в первый октант соответствующего отсчета входными напряжениями, то зна-чения полных углов, выраженные через приведенные, равны

где—приведенный угол поворота ротора СКВТ ТО и ГО; п —

номер октанта этого угла в отсчете,

Значение кода угла на выходе каждого отсчета равно коду октантов и ко­ду угла соответствующего отсчета. При этом согласование отсчетов в преобра­зователе осуществляется автоматически, так как три младших разряда кодаГО являются кодом октантов ТО. Значение кода угла Ф на выходе пре-образователя складывается из кода угла ТО кода октантов ТО кодаугла ГО без трех младших разрядов, являющихся кодом октантов ТОи кода октантов ГО . Значение выходного кода углаФ на выходе ревер­сивного счетчика равно

Выходные напряжения СКВТ ГО поступают на вход выявителя

октантов (рис. 19.4,6), формирующего код октантов ГО непосредственно на выходных напряжений СКВТ ГО. Из опорного напряжения компаратором К1 на ОУ1 формируется сигнал записи в регистр RG. Запись осуществляется фронтом импульсов опорного напряжения, смещенных схемой задержкив об­ласть малой крутизны положительной полуволны опорного напряженияКомпараторы К5 и К.6 формируют сигналы, равные нулю при совпадения фазы сигнальных и опорного напряжений и равные единице при

несовпадении фаз. Этим сигналы перезаписываются в RG и с его выхода уп­равляют работой Кл1 в Кл2. Усилителя ОУ2 и ОУЗ формируют на входе ком­паратора К4 совпадающие по фазе напряжения. Он сравнивает эти напряже­ния по амплитуде, результат сравнения запоминается в RG.

Из выходных сигналов RG формируются три разряда кода октантас помощью элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D4, D5. Импульс записидля PC (рис. 19.3) формируется с задержкой формирователем

Напряжения рассогласования в канале ТО и ГО формируются с помощью ДУ1 ТО и ДУ2 ГО, на прямые входы которых поступают приведенные в первый октант напряжения с выходов СО1 и СО2, а на инверсные—выходные

напряжения УЦАП1 и УЦАП2 (см. рис. 19.3). Напряжение рассо-

гласования канала ТО

Подставляя в (19.3) значения напряжений а кода из табл. 19.1.

с учетом (19.1) получаем для первого октанта ТО напряжение рассогласо­вания

Соответственно для второго октанта ТО

Аналогично для остальных нечетных октантов ТО

для остальных четных октантов ТО

Напряжение рассогласования канала ГО

Подставляя в (19.3) значения напряжений . и кодаиз табл. 19.1,с учетом (19.2) получаем для первого октанта ГО напряжение рассогласо­вания

Соответственно для второго октанта ГО

Аналогично для остальных нечетных октантов ГО

для остальных четных октантов ГО

Составляющая несущей частоты в выражениях (19.4)—(19.12) опу-

щена.

Напряжения рассогласований в канале ТО а ГО обрабатываются

аналогично с помощью демодуляторов ДМ1, ДМ2 и фильтров ФНЧг, ФНЧ2. Демодуляторы могут быть выполнены в виде перемножителей аналогового сиг­нала рассогласования и опорного напряжения Знак сигнала рассогласова­ния определяется совпадением фаз опорного напряжения и напряжений С выхода ДМ1 и ДМ2 напряжения рассогласования поступают на ФНЧ, имеющие передаточную функцию

Постоянная времени определяется частотой опорного напряжения и не­обходимой степенью подавления гармоник этой частоты в напряжениях рас­согласования С выходов фильтров напряжения поступают на БВК.

При включении преобразователя эквивалентов рассогласование в канале ГО не может быть больше, чемза счет того, что код октантов ГОс ВО

перезапишется в три старшие разряда PC импульсом записисформирован­ным из первой полуволны напряжения В БВК напряжение сравни­вается по уровню с опорным напряжением соответствующего знака, результат сравнения определяется уравнением

Величина пороговогонапряжения где — кру-

тизна выявителя рассогласования ГО, В/рад, а—остаточный угол смещениянулей СКВТ, рад. Если превышает то оно проходит на выход БВК

(см. рис. 19.3) и через корректирующее устройство КУ и ПНЧ управляет PC. Корректирующее устройство формирует необходимую частотную характеристи­ку преобразователя. Передаточная функция КУ

Постоянные времени определяют частотную характеристику преобразователя и вид переходного процесса при его включении:

Выходное напряжение КУ поступает на ПНЧ, выходная частота которого определяется величиной Полярность определяет, на какой вход—

суммирования или вычитания PC— должны поступать импульсы с выхода ПНЧ, Напряжение одновременно поступает на выход ЦПП, характеризуя ско­рость изменения Ф выходного кода угла. Поскольку в астатических системах, к которым относится этот ЦПП, скоростная ошибка равна нулю, Ф одновре­менно характеризует и скорость изменения 0 входного угла.

Код угла Ф, накопленный в PC, является выходным кодом СЦПУ:

где—крутизна передаточной характеристикиПНЧ размерностью 1/В: R — число разрядов PC, R=N+M+3;

Напряжение характеризующее скорость Ф изменения хода угла Ф или

что то же самое, угла 9, определяется числом разрядов PC и крутизной пере­даточной характеристики ПНЧ.

С выхода ПНЧ импульсы поступают на вход суммирования или вычита­ния PC в зависимости от полярности Код угла Ф начинает изменяться. Изменяются как значения младших разрядов так н старшихНо так как отсчетная часть преобразователя замкнута через канал ГО, то только изменение кода приводит к изменению напряжения рассогласования причем если угол превышает угол то PC суммирует импульсы с выхода ПНЧ, уменьшая напряжения рассогласования как так иЕсли угол меньше угла то PC вычитает импульсы с выхода ПНЧ, также уменьшая кактак и

Для начального рассогласования 45° время согласования отсчетов будет определяться числом разрядов канала ГО, частотой ПНЧ и составит

— период изменения младшего разряда PC при

максимальной частоте ПНЧ. Так, например, для ИМС ПНЧ КРП08ПП1=2 мкс [38].

Уменьшение напряжений рассогласования в канале ГО продол-

жается до тех пор, пока напряжение рассогласования ГО не станет меньшепо абсолютной величине порогового напряженияв БВК, соответствующего эквивалентному рассогласованию 45° для канала ТО. В этот момент БВК пере­ключает отсчетную часть преобразователя на канал ТО, подключая ко входу КУ напряжение рассогласования ТО. Таким образом, введение ВО и пере-запись кода октантов ГО в три старших разрядаPC позволяет уменьшить время согласования отсчетов, исключить ложное срабатывание БВК, так как Напряжение рассогласования ГО имеет только один устойчивый нуль в точ­ке согласования отсчетов при остаточном рассогласовании, эквивалентном 45^е ТО.

Напряжение рассогласования ТО поступает наДМ1, где выпрямляется с учетом фазы опорного напряжения При совпадении фаз этих напряжений на выходе ДМ1 — положительное напряжение, при несовпадении —отрицатель­ное. Напряжение с выхода ДМ1 поступает на ФНЧ1, который выделяет по­стоянную составляющую напряжения и подавляет гармоники опорного на­пряжения. Полярность напряжения определяет, отстает или опережает зна­чение ходаугол С выхода фильтра напряжение проходит на БВК н с его выхода через КУ на вход ПНЧ. С выхода ПНЧ импульсы поступают на вход суммирования или вычитания PC в зависимости от поляр­ности соответствующей полярности напряжения рассогласования ТО.Младшие разряды RG начинают изменяться, уменьшая напряжение рассогла­сования ТО. Если угол превышает угол то PC суммирует им­пульсы с выхода ПНЧ, уменьшая Если угол меньше угла то RG выкатает импульсы с выхода ПНЧ, также уменьшаяНапряжение рас­согласования уменьшается до тех пор, пока не станет равным нулю, в этомслучае угол будет равен углу" и с учетом того, что равен Фи на выходе PC будет зафиксирован код угла Ф, эквивалентный углу 6 по­ворота входного вала.

При изменении угла 0 напряжение рассогласования остается близкий к нулю, так как отсчетная часть преобразователя, замкнутая через канал ТО, непрерывно отслеживает изменение входного угла 0. В PC при этом изменяются как младшие так а старшие разряды кода угла. Напряжение рассогласования канала ГО остается при этом меньший за счет непрерывного изменения старших разрядов кода угла ГО. С ВО в PC происходит перезапись с частотой опорного напряжения кода октантов ГО. Это гарантирует, что при случайных сбоях или резком изменения угла 6 напряжение рассогласования в канале ГО не превысит величины, эквивалентной 45° ГО. При переключении отсчетной части на канал ГО преобразо­ватель сможет быстро отследить входной угол 6. При нормальной работе ЦПУ код октантов ГО, перезаписываемый в три старших разрядаPC, не изме­няет его состояния и не приводит к изменению напряжения рассогласования ГО.

Напряжение с выхода КУ пропорционально скорости изменения угла

в масштабе, определяемом разрядностью СЦПУ и крутизной передаточной характеристики ПНЧ. Полярность этого напряжения определяет знак ско­рости.

Преимущества такого построения двухотсчетного варианта СЦПУ (рис. 19.3) по сравнению с вариантом, представленным на рис. 19.1, состоят в повышении точностных показателей, быстродействии и функциональных возможностях.

Повышение точности при одновременном упрощении преобразователя полу­чено за счет исключения согласованных функциональных генераторов — синус­ного и косинусного в каждом канале и применения одного функционального генератора — тангенснои) для каждого канала. Достигается повышение быст­родействия преобразователя в переходных режимах за счет введения ВО и пе­резаписи кода октантов ГО в PC.

Повышение функциональных возможностей ЦПП достигается за счет эф­фективного формирования аналогового сигнала скорости изменения угла. Это расширяет область применения СЦПУ, позволяя с его помощью решать комплексную задачу измерения угла и скорости его изменения, что весьма важно в безредукторных системах. За счет двухотсчетного преобразования угла этот сигнал имеет высокую крутизну и малые пульсации при низких частотах вращения СКВТ. Это не только повышает информативность канала скорости, но и облегчает его преобразование в цифровой эквивалент с помощью БИС АЦП [68].

Существенным достоинством структуры построения рис. 19.3 является то, что получение высоких точностных показателей достигается без применения прецизионных аналоговых элементов. СЦПУ реализуется на стандартных ИМС: ЦАП —БИС К572ПА1, ОУ серий 140, 153; компараторы—K52ICA3; ключи — К590КН4 или К143КТ1; ПНЧ—БИС К1Ю8ПП1; ПЗУ — БИС К556РТ4 или К556РТ5; элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инверторы и PC —ИМС серий К133, К533; одновибратор — ИМС К133АГ1.

В качестве первичного датчика СЦПУ рекомендуется использовать СКВТ с электрической редукцией: ВТП— ВТ— СКВТ 6465 и ВТ — что обеспечивает преобразование угловых перемещений в коды с информационной способностью 16 бит.

Заслуживает внимания тот факт, что информационная емкость повышается с ростом коэффициента электрической редукции, а общая точность определяется погрешностью СКВТ. Так, например, СКВТ с в сочетании с 16-разрядным вторичным преобразователем, имеющим погрешность обеспечивает раз­решающую способность 22 бита и точность Иными словами, общая точность такого ЦПП близка к точности преобразователя с СКВТ, у которого=32 [87].

Следует отметить, что высокие точностные показатели достигаются только при использовании первичного преобразователя с электрической редукцией. Несмотря на то, что применение механического редуктора с передаточным от­ношением 32 в сочетании с 14-разрядным преобразователем в точном отсчете позволяет повысить информационную емкость до 19 бит (разрешающая спо­собность информационная способность на уровне 16 бит может быть достигнута только при идеальном редукторе, не имеющем погрешности и люф­та [87].

На практике, однако, следует учитывать погрешность редуктора, в резуль­тате чего общая точность приблизится к Помимо снижения точности на­личие механического редуктора между датчиками отсчетов ведет к удорожа­нию первичного преобразователя, повышению его массы в размеров. Немало­важным фактором является ограниченный срок службы редуктора и необходи­мость регулярного технического обслуживания, что удорожает эксплуатацию. Учитывая вышеизложенное, следует считать датчики с электрической редукцией наиболее эффективными первичными преобразователями для ЦПП с информа­ционной способностью 15—16 бит.