21.1. Методы цифровой тахометрии

Для реализации оптимальных и адаптивных алгоритмов управления движе­нием необходимо иметь, как известно, информацию не только о величинах и направлениях перемещений, но и об их скорости и ускорении, т. е. параметрах перемещения, например, рабочего органа робота [73]. Эффективность привода, например, в робототехнике существенно возрастает при выполнении его в без-редукторном варианте [68], что ставит задачу измерения низких н инфранизких частот его вращения.

Реализация измерителя низких частот вращения традиционными для ре-дукторных систем методами, например с использованием электромашинных та­хометров (тахогенераторов), оказывается затруднительной с генераторами как переменного тока, так и постоянного. Трудности, связанные с использованием синхронных тахогенераторов, определяются сложностями обработки квазигар-ионических, сигналов низких и инфранизких. частот, а известные построения на­ходятся в стадии эксперимента. Их применение в промышленности ограничено не только высокой стоимостью, но и рядом нерешенных, проблем [56]. Отсутствие приемлемых инженерных решений в технике измерения низких частот вращения с использованием традиционных методов непрерывной тахо­метров определяется еще и тем, что в связи с внедрением микропроцессорной техники в системы автоматического управления САУ информацию о параметрах перемещения необходимо иметь в цифровой форме. Последнее обстоятельство способствует применению приближенных методов получения цифровых экви­валентов параметров движения косвенным путем, например выделением ЭДС вращения вентильного двигателя и последующего ее кодирования АЦП.

Однако из-за значительных погрешностей преобразования подобные устрой­ства не могут быть использованы в системах повышенной точности. Поэтому актуальным остается вопрос построения преобразователей параметров движе­ния для низких частот вращения. Они должны обеспечивать необходимые точ­ность, быстродействие и формат, удобный как для автономного использования, так и для работы в комплексе с микроЭВМ.

Наиболее простые ЦПУ накапливающего типа можно использовать для из­мерений скорости методом последовательного счета импульсов за заданный ин­тервал времени или на основе измерения длительностей периодов между этими импульсами путем подсчета сигналов опорной частоты в течение указанных пе­риодов [3].

Первый метод, реализующий счет импульсов ЦПУ и иногда называемый методом линейной функции, обеспечивает измерение только средней частоты. Его точность зависит от стабильности интервала счета, а разрешающая спо­собность изменяется со скоростью. Для примера рассмотрим кодовый диск со 100 сегментами при времени счета 6 с. При частоте вращения 10 об/мин разре­шение составит только 1:100, поскольку счетчик будет подсчитывать число импульсов за десять оборотов. При частоте вращения 6000 об/мин разрешение будет составлять 1 :60 000. Измерение очень низких скоростей затруднено.

Основные элементы этой системы показаны на рис. 21.1. Генератор опорной частоты Г формирует импульсы, которые отпирают ключ Кл на задан-

ный интервал времени, возвращают счетчик в исходкое состояние перед каждым циклом счета и одновременно обеспечивают выдачу цифрового выход­ного сигнала. При измерениях, кроме того, можно фиксировать и направление вращения, если использовать для этого соответствующий детектор.

Второй метод (метод обратной функции) имеет максимальную разрешаю­щую способность на сверхнизких скоростях и минимальную на высоких. В схе­ме, показанной на рис. 21.2, предусмотрен генератор опорной частоты Г (1МГц). импульсы с которого стробнруются каждым импульсом с диска. Импульсы опорной частоты проходят в счетчик. Схема логического устройства управление УУ необходима для возврата счетчика в исходное состояние и образования выходного сигнала на каждом импульсе кодирующего диска. Для рассмотрен­ного случая со 100-сегментным диском при частоте импульсов заполнения I МГц и частоте вращения 10 об/мин каждый сегмент проходится за 0,06 с При этом в счетчик попадает 60 000 импульсов, т. е. разрешающая способность 1 :60 000. При частоте вращения 600 об/мин разрешающая способность снижа­ется до 1: 100.

Длительности интервалов измерения в первой системе выбираются исходя из диапазона измеряемых скоростей и требуемого разрешения. Во второй сис­теме длительности измеряемых периодов определяются числом сегментов на диске и частотой вращения. В обоих системах работу счетчика можно запрог­раммировать в соответствии со значением опорной частоты и числом сегментов на диске, так что при этом индикация результатов измерений обеспечивается либо в оборотах в минуту, либо в радианах в секунду.

Преимущество второго метода состоит в том, что он дает информацию о мгновенной частоте вращения для конкретных углов поворота в пределах каж­дого оборота. Это позволит выявлять изменение скорости в переходных режи­мах. Число замеров скорости на оборот связано с числом сегментов диска.

Если для съема сигналов с диска используется только один приемник, то существенно, чтобы сегменты распределялись равномерно по окружности диска, поскольку число подсчитанных импульсов опорной частоты зависит от времени, на которое ключ Кл открывается каждым из сегментов. При неравенстве рас­стояний между сегментами возникают вариации в замерах частоты вращения. Влияние погрешностей диска можно уменьшить, используя два или более при­емника, разнесенных по окружности диска на равные расстояния. Выходной сигнал каждого из приемников подается в логическую схему. Импульс на ее выходе формируется только в случае, когда срабатывают два (или три) при­емника. Это ведет к усреднению геометрических погрешностей диска.

Третий метод цифровой тахометрии основан на использовании абсолютного кодирующего преобразователя и цифровой стробирующей схемы. Могут ис­пользоваться два варианта.

При первом производится стробирование или считывание за данный интер­вал времени двух значений выходного сигнала кодирующего преобразователя.

Разность кодов отражает угловое смещение, по которому можно определить скорость. Здесь требуется весьма сложный цифровой процессор либо ЭВМ, выполняющая стробирование, последующее считывание и вычисление.

Второй вариант схемы цифрового тахометра с абсолютным кодирующим преобразователем показан на рис 21.3. Он предусматривает применение двух присоединенных к выходу преобразователя цифровых компараторов, которые фиксируют появление двух выбранных выходных кодов преобразователя, соот­ветствующих известным угловым смещениям. Выходные сигналы цифровых компараторов ЦК1 н ЦК2 управляют пропусканием импульсов опорной часто­ты в счетчик Сч за время, в течение которого диск переместится между двумя выбранными положениями.

Особый интерес представляет метод [3, 84], позволяющий преобразовать скорость н ускорение вращения в код. Он обеспечивает точное определение ско­рости в широком диапазоне, включая скорости, близкие к нулю, и позволяет регистрировать переходные процессы по скорости. Система измерения скорости, реализующая этот метод, достаточно сложна и кроме импульсного датчика содержит приводное устройство и цифровой вычислитель (процессор) [85].

Устройство этой системы показанона рис. 21.4. Она по существу измеряет продолжительность отработки заданного углового смещения и вычисляет угло­вую скорость по значению полученного времени. Диск датчика закрепляется на валу, угловая скорость которого измеряется. Приемник и источник света помещены в барабан, который враща­ется синхронным электродвигателем в противоположном направлении с изве­стной постоянной угловой скоростью.

Если через обозначить частоту вращения барабана, которая должна быть весьма стабильной, а через— измеряемую частоту вращения, то часто­та следования импульсов

где

— число щелей на диске; — число чувствительных элементов;— намерен­ный интервал между двумя импульсами.

Выражение (21.1) можно представить в виде:

или

Переход от (21.3) к (21.4) возможен при таком масштабировании, когда ис­пользуются только целые числа и прописные символы представляют эти числа. Предположим, что

где коэффициенты известны и записаны во вспомогательном

циклическом регистре сдвига. Алгоритм для определения представлен на рис. 21.5. Операция, реализуемая первой его частью, может быть представлена как

Подстановка (21.6) в (21.4) дает

Удобно представитьв двоичной форме:

гдеравно 1 или 0.

Двоичное деление осуществляется как поиск коэффициентов путем выпол­нения последовательности операций сдвига и сложения.

Структура устройства реализующего весь алгоритм преобразования, пред­ставлена на рис. 21-6. Основная часть устройства состоит из логической им­пульсной схемы, формирующей в необходимые моменты импульсы сдвига и переноса. Последний одновременно вводит числа в разные регистры. Время вы-числення одного значения скорости устройством по рис. 21.6 — 22 мкс.

На выходе импульсного датчика формируется последовательность импульс­ных сигналов, которая используется для управления пропусканием импульсов

генератора опорной частоты 10 МГц на счетчик. Счетчик фиксирует частоту вращения вала относительно барабана, угловая скорость которого является опорной. Для нахождения абсолютной угловой скорости вала из относительной угловой скорости вычитается известная опорная угловая скорость барабана. Последняя заранее измеряется при неподвижном вале. Точность метода не только определяется точностью изготовления диска, но зависит одновременно и от скорости барабана, которая должна оставаться постоянной.

Погрешность вычисления по алгоритму, представленному на рис. 21.5, за­висит от длины регистров, которая выбирается с учетом требуемых точности и разрешающей способности. Погрешность измерения скорости с процессором, представленным на рис. 23.6, не превышает 0,2% при разрешающей способности 0,1 рад/с (на одном обороте вала). Операция вычитания опорной скорости вы­зывает задержку преобразования текущей скорости.

Рассмотренный принцип построения цифрового тахометра может быть ви­доизменен для определения изменения скорости в двух последовательных ин­тервалах времени измерения, т. е. ускорения. Алгоритм работы такого цифро-вого акселерометра аналогичен алгоритму тахометра и включает деление за­меренного изменения скорости на временной интервал Т. Благодаря высокому быстродействию цифрового тахометра достигается достаточно высокая точность измерения ускорения. Однако прямой перенос изложенных принципов приводит к резкому усложнению устройства.

Более простым является компромиссный способ, состоящий в учете изме­нения скорости в течение фиксированного интервала времени, например 10 мс, и непосредственном использовании этого изменения в качестве меры ускоре­ния. Очевидно, результат в этом случае будет более приближенным, чем при

делении на Т, но он будет более достоверным, чем полученный способами с низким быстродействием тахометра.

Общим недостатком рассмотренных построений является их сложность.

Определенное упрощение построения достигается при использовании ана­лого-цифровых методов преобразования и использовании в качестве первичного преобразователя ПП совмещенного преобразователя угла и скорости.. Приме­ром такого построения служит тахометрический преобразователь {75]. Опти­ческий ПП формирует два квазигармонических сигнала FTA и FTB, сдвинутых относительно друг друга на 90°, причем взаимное опережение или отставание определяется направлением вращения двигателя, а частота пропорциональна частоте вращения (рис, 21.7).

Отсчетная часть преобразователя выполнена в виде интегральной схемы ИС L290 (рис 21.8). Ее основная задача состоит в преобразовании частоты вход-

кого сигнала, прямо пропорциональное частоте вращения двигателя, в напря­жение тахосигнала. Функция, выполняемая ИС L290, аналитически описыва­ется выражением: выходной снгнал (тахосигнал)

где напряжения получаются в результате усиления сигналов РТА

и FTB усилителями ОУ1 и ОУ2 соответственно. Внешняя дифференцирующая RС-цепь формирует изсигналы поступающие на входящие в состав ИМС умножители.

На второй вход каждого умножителя подается знак недифференцирован­ного напряжения, присутствующего на первом входе другого умножителя и формируемого усилителями-ограничителями С1 н С2, Сигналы с выходов умно­жителей, обозначенные CSA и CSB, суммируются усилителем ОУЗ и дают ре­зультирующий выходной тахосигнал.

Полярность тахоснгнала указывает на направление вращения датчика. Форма сигнала при вращении по часовой стрелке показана на рис. 21.8. При вра­щении против часовой стрелки фазовый сигнал меняется с +90° на —90°. Если опорной считать фазу сигнала, получающегося из FTA, то при вращении против часовой стрелки сигнал, получающийся из FTB, является инверсией того же сигнала при вращении по часовой стрелке. В результате выпрямленные сину­соиды CSA и CSB изменяют знак, как и полный тахосигнал.

Такой метод получения тахосигнала имеет много преимуществ. Во-первых, пульсации сигнала получаются небольшими, так как положитель­ные и отрицательные пики двух выпрямленных сигналов CSA и CSB компен­сируют друг друга при сложении.

Во-вторых, частота пульсаций в 4 раза выше основной, т. е. достаточно велика, чтобы отфильтровать ее, не внося излишней инерционности в контур управления, и работать поэтому в широкой полосе.

И, наконец, можно пользоваться информацией тахометра в реальной вре­мени с задержкой всего в пределах четверти периода.

Все это весьма существенно для системы, которая должна иметь высокие динамические показатели.

Кроме тахосигнала L290 формирует из с помощью усилите-

лей-ограничителей СЗ и С4 импульсные последовательности STA и STB, кото­рые подсчитываются микропроцессором и служат мерой перемещения вала.

Применение аналого-цифровых методов обработки сигналов инкременталь­ных (импульсных) первичных преобразователей упрощает процесс получения цифровых эквивалентов угла и скорости по сравнению с кодовыми ЦПУ, но ста­вит задачу устранения неоднозначности позиционирования. Эти ограничения на­ряду с высокой стоимостью {73], пониженной устойчивостью к воздействию внешних факторов и рядом конструктивных ограничений заставляет искать иные пути построения цифровых тахометров.

В настоящее время, как уже отмечалось, все большее распространение по­лучают преобразователи угол—амплитуда—код с СКВТ в силу ряда их досто­инств: существенного упрощения источника питания, возможности использова­ния СКВТ, не имеющих квадратурной обмотки. Поэтому актуальна задача построения преобразователя скорость—код с первичным преобразователем в амплитудном режиме. Это в первую очередь относится к циклическим ЦПП.

Что касается следящих ЦПП, то они обладают повышенными функциональ­ными возможностями в частя формирования в тракте рассогласования анало­говых сигналов, пропорциональных угловой скорости и ускорению изменения входного воздействия. Коды скорости и ускорения могут быть получены в них преобразованием сигнала рассогласования посредством дополнительного АЦП, например БИС К572ПВ1 [68]. Сигнал, пропорциональный скорости, формиру­ется в точке А, а сигнал, пропорциональный ускорению, — в точке В (см. рис. 13.7).

Эффективным средством повышения достоверности формирования цифро­вых эквивалентов скорости н ускорения является в этом случае увеличение разрешающей способности ЦПП (см. гл. 19 и 20).