1.4. Диодная схема переключения каналов грубого и точного отсчетов

Следует отметить, что представленные на рис. 1.5 и 1.6 схемы демодуляторов приведены в основном для пояснения принципа их работы. Выпускаемые промышленностью блоки имеют несколько отличную структуру и строятся с использованием операционных усилителей или функционируют на программной основе.

Рассмотренные выше измерители рассогласования работают на принципе сравнения амплитудных значений напряжения, характеризующих углы задания и отработки. Возможно также применение фазового принципа. Углы поворота осей посред­ством фазовращателей могут быть преобразованы в фазовые сдвиги, которые затем сравниваются в дифференциальном устройстве. При этом фазовращатели обычно строятся на осно­ве применения вращающихся трансформаторов.

Фазовый принцип часто используется при построении дат­чиков рассогласования на цифровой основе. Цифровые датчики рассогласования в связи с широким внедрением цифрового управления следящими системами сейчас имеют первейшее зна­чение. В цифровых датчиках угол поворота оси должен быть преобразован в соответствующий цифровой код [43,44]. Доста­точно просто это осуществляется в дисковых цифровых датчиках. Согласно необходимой разрядности датчик, т. е. диск, дол­жен иметь соответствующее число дорожек с нанесенными деле­ниями. Число последних должно быть наибольшим для съема информации о значении младшего разряда и равно двум (0-1) для старшего. Сектор, соответствующий одному делению на до­рожке, относящейся к младшему разряду, может быть определен в угловой мере как

δ = 360/2ⁿ,

где n — число двоичных разрядов, на которое рассчитан датчик.

Дорожки для съема информации наносятся на цилиндри­ческую поверхность, либо носителем кодовых шкал является диск. Съем информации может осуществляться контактным пу­тем, если дорожки состоят из проводящих и непроводящих элементов, и посредством магнитных головок, аналогичных используемым в аудиоаппаратуре, если воспользоваться магнит­ной формой записи. Наибольшее распространение получили оптические датчики со съемом информации оптическим путем; при этом обеспечивается минимальная погрешность. Кодовая шкала в этом случае наносится на прозрачный материал, например стекло. По одну сторону кодового диска размещается осветитель, по другую фотоэлементы, обычно фотодиоды, засве­чиваемые через щелевую диафрагму. Съем информации осуще­ствляется одновременно со всех дорожек. Каждому положению оси диска, а следовательно положению управляемого механиз­ма, соответствует определенная комбинация светлых и темных участков дорожек.

Фотоэлектрические кодовые датчики обеспечивают наивыс­шую разрешающую способность по отношению к цифровым датчикам, построенным на иной основе. Серийно выпускаемые фотодатчики имеют 10-14 разрядов.

Специальные прецизионные датчики могут иметь до 20 раз­ рядов. Одна дискрета отсчета при этом соответствует указан­ ному ниже угловому перемещению δ. .

n…… 10 12 14 16 18 20 21

δ…… 21,1' 5'16" 1'19" 20" 4,94" 1,24" 1,04"

Крайне существенно взаимное расположение световых доро­жек, относящихся к различным разрядам. Кодовый диск должен быть построен так, чтобы не было неопределенности в считыва­нии на границах прозрачных и темных элементов. Эта неопреде­ленность обусловлена конечной шириной световой диафрагмы и возможным смещением границ элементов дорожек. Как видно из рис. 1.7, а, на котором представлена обычная двоичная кодо­вая шкала, на некоторых ее участках граница прозрачных и за­темненных элементов может проходить через все дорожки. При этом может быть неопределенность считывания даже в старших разрядах.

В связи с изложенным обычно используется специальный код, так называемый код Грея, при котором при изменении числа на одну единицу младшего разряда перемена кода проис­ходит только на одной дорожке (рис. 1.7, б). Диск построен так, что границы элементов старшего разряда проходят посредине светлого или затемненного участка дорожек предыдущего (младшего) разряда.

Рис. 1.7. Кодовые диски: а — в обычном двоичном коде; б — в коде Грея

Естественно, что информацию, полученную в коде Грея, следует преобразовать в обычный двоичный код. В последнем значение любого разряда определяется как сумма по модулю 2 всех значений разрядов в коде Грея отданного (i-го) до старшего (n), т. е.

а = _k (mod 2)

где n - число разрядов; а - значение разряда в обычном коде (0 или 1); g - значение разряда в коде Грея.

Другими словами, если сумма всех значений разрядов в коде Грея от i-го до старшего n-го нечетная, то в i-м разряде обычного двоичного кода будет 1, если четное, то 0. Так, если в коде Грея имеем 10110, то в обычном коде получим 11011. Соответствующая схема преобразования кода Грея в обычный двоичный код представлена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схема преобразования кода Грея в обычный двоичный код

Возможно также использование обычной двоичной шкалы, но с применением более одного (двух) считывающих устройств, т. е. за счет избыточности информации. В частности, используется метод Баркера и основанный на нем Фау-код. Два считыва­ющих устройства располагаются под некоторым углом, что со­ответствует букве V (фау) немецкого алфавита (рис. 1.7, а). Угол сдвига должен быть таков, чтобы фотоприемники на каждой дорожке оказывались сдвинутыми между собой на половину уг­ла для соответствующего разряда. В младшем разряде имеем один фотоприемник. Съем информации с того или иного комплекта фотоприемников определяется значением кода, считан­ного в предыдущем разряде. Если в предыдущем разряде имеем 1, то информация снимается с фотоприемника с отстающим сдвигом, если имеем 0, то с фотоприемника с опережающим сдвигом по величине измеряемого угла. Соответствующая схема съема информации показана на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Схема преобразования V-кода в обычный двоичный код

Наряду с кодовыми датчиками в цифровых следящих систе­мах используются также датчики с преобразованием непрерыв­ного, сигнала в цифровой код. В основном это датчики, работающие по схеме "угол - амплитуда - код" и "угол - фаза - код". В аналоговой части измерительного устройства в большинстве случаев применяются уже упоминавшиеся выше вращающиеся трансформаторы.

Рассмотрим вариант "угол - амплитуда - код". На обмотках ротора трансформатора индуцируются ЭДС, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота. В пределах небольших углов до 30° характеристики можно считать линейными. Однако имеется существенная зависимость от величины напряжения, подаваемого, на первичную обмотку. Поэтому в системе "угол - амплитуда - код" обычно используется отношение напряжений на обмотках:

или

Рис. 1.10. Соотношение напряжений на синусной и косинусной обмотках СКВТ

которое не зависит от уровня питающего напряжения. Весь диа­пазон изменения угла от 0 до 2π делится на восемь зон, протяжен­ностью 45° каждая. При этом tg φ (или ctg φ) изменяется в пре­делах от 0 до +1 (или в обратном направлении). Характеристики на этих участках практически линейные (рис. 1.10).

Переключение обмоток дня перехода в соответствующую зону осуществля­ется посредством логической схемы, построенной на триггерах. Схема работает на принципе сопоставления знаков напряжения на синусной и косинусной обмотках. На выходе схемы исполь­зуется АЦП для преобразования сигнала в цифровую форму.

В датчике по схеме "угол - фаза - код" также находит приме­нение вращающийся трансформатор. Измеряемый угол в этом случае определяется как временной интервал, заполняемый импульсами высокой частоты.

Наименьшую погрешность обеспечивают фотоэлектриче­ские датчики рассогласования [1]. Поэтому они используются не только для слежения за реальными световыми объектами, но и в прецизионных установках неоптического профиля для повышения точности отработки рассогласования. В оптических установках они, естественно, являются единственно возможным типом датчиков рассогласования [1, 22, 23].

Простейший фотоэлектрический датчик для слежения за то­чечным источником света по одной оси представлен на рис. 1.11. Световой пучёк фокусируется на грань призмы. При отсутствии рассогласования он делится на две равные части и, отражаясь от плоских зеркал, попадает на фотоприемник. Чтобы на пове­дении системы не сказывалось различие в характеристиках при­емников света, используется только один приемник, но на пути световых пучков установлен прерыватель света - модулиру­ющий диск с нечетным числом отверстий. При этом фотоприем­ник попеременно засвечивается то одним, то другим пучком. При отсутствии рассогласования световой поток, поступающий на фотокатод, практически постоянен. При рассогласовании по­явится переменная составляющая, фаза которой будет зависеть от знака рассогласования (рис. 1.12). Частота переменной со­ставляющей определяется скоростью вращения диска и числом отверстий в нем. Зона нечувствительности датчика в значитель­ной мере зависит от точности изготовления призмы. Если приз­му заменить пирамидой, то можно обеспечить слежение по двум координатам.

Рис 1.11 Фотоэлектрический датчик с призмой

Для вращения диска следует использовать синхронный дви­гатель. В этом случае в качестве опорного напряжения может служить питающее напряжение или одна из его нечетных гар­моник (при числе отверстий N > 1).

Существенное упрощение датчика рассогласования может иметь место при использовании четырехквадрантного фотопри­емника, у которого фотокатод состоит из четырех изолированных друг от друга секторов. В этом случае отпадает необходимость в каком-либо светоделительном устройстве. Для модуляции светового потока и здесь должен присутствовать диск-преры­ватель.

Рис. 1.12. Графики изменения светового потока, поступающего на фото­приемник, и фототока на его выходе

Рис. 1.13. Датчик с полудисковым модулятором

1 - полудиск; 2 - полая ось; 3 - статор; 4 - ротор генератора; 5 - ротор гистерезисного двигателя; б - линза Фабри, удерживающая световое изображение на

фотокатоде; 7 - фотоприемник

Наиболее распространенным является фотодатчик с полу­дисковым модулятором (рис. 1.13). Непрозрачный полудиск вра­щается синхронным двигателем в фокальной плоскости оптиче­ской системы [23]. При согласованном положении, когда свето­вой поток ориентирован по оптической оси устройства, световое изображение объекта располагается по оси вращения полудиска, который все время затеняет половину светового пятна. Таким образом на фотокатод приемника излучения направляется поло­вина поступающего через объектив светового потока Ф_max. При смещении светового пятна с оптической оси появится перемен­ная составляющая светового потока и соответственно фототока, который после усиления используется в системе. Фаза перемен­ной составляющей светового потока определяется направлением ухода изображения с оптической оси; это наглядно представлено на рис. 1.14. Кривая изменения светового потока, поступающего на фотоприемник, определяется изменением площади светового изображения, незатёненной полудиском. При незначительном уходе изображения от осевой отметки (менее 1/4 диаметра изо­бражения) характеристика модулятора, т. е. зависимость фототока от рассогласования, имеет практически Линейный характер. Если изображение смещается на большее расстояние, но не уходит за пределы половины диаметра, возникающий сигнал приобретает почти релейный характер, с небольшой зоной постепенного его нарастания (рис. 1.14) [14].

Рис. 1.14. Кривые изменения светового потока на катоде фотоприем­ника при различных величинах и направлениях ухода светового изо­бражения с оптической оси

Указанные соображения относятся к случаю равномерного освещения светового изображения. При диффракционном изо­бражении имеет место неравномерное распределение световой энергии с максимумом ее в центре изображения. В этом случае харак­теристика модулятора будет нелинейной с максимальной кру­тизной при малых рассогласованиях.

Для отображения в кривой тока направления ухода изобра­жения в электрическую цепь после усиления фототока включа­ется демодулятор (фазочувствительный выпрямитель), к кото­рому подводится напряжение от генератора опорных напряже­ний. Электрические оси опорного генератора согласуются с ося­ми х и у светового поля оптической системы. Для этого статор генератора должен иметь возможность поворота относительно своей оси на угол от - π /2 до + π /2.

Датчики с полудисковым модулятором типа А-610, разрабо­танные Институтом электромеханики, изготавливаются малыми сериями оптической промышленностью России. В них двигатель и генератор опорных напряжений имеют общий статор. Обмот­ки двигателя и генератора заложены в одни и те же пазы. Двига­тель гистерезисный, имеет восемь полюсов, генератор двухпо­люсный. Соотношение числа полюсов 8:2 исключает влияние токов питания двигателя на напряжение генератора.

Двигатель с целью уменьшения наводок в систему питается напряжением частотой, отличной от 50 Гц. Для создания источ­ника с повышенной частотой используется трансформаторная схема. Вторичные обмотки трех однофазных сильно насыщен­ных трансформаторов соединены в разомкнутый треугольник, и соответственно на выходе получается частота третьей гармо­ники, т. е. 150 Гц. Двигатель восьмиполюсный вращается с час­тотой 2250 об/мин. Кольцо, надетое на ротор, выполнено из магнитотвердого материала. Ротор генератора изготавливается из стали армко и имеет два явно выраженных полюса. Оба ротора, двигателя и генератора, надеты на трубку, которая служит осью комбинированной электрической машины. Внутри нее закреплен непрозрачный полудиск. Для согласования осей генератора с осями телескопа статор машины при настройке может поворачиваться.

При слежении за протяженными объектами, например солнцем, луной, обеспечивается удержание изображения объекта на оси за счет слежения за краем светового изображения. Мо­делирующий диск имеет два ряда отверстий, необходимых для модуляции светового потока. Ряд более удаленных от центра отверстий служит для получения изображения края объекта, а че­рез отверстия второго ряда поступает световой поток, соответ­ствующий частям поверхности объекта, расположенным ближе к центру. Размеры отверстий второго ряда меньше, чем удален­ных от ocи. Происходит сопоставление световых потоков, по­ступающих от двух участков светового объекта, и системой сохраняется их равенство за счет перемещения оптического уст­ройства относительно своих осей. Для двухкоординатного слежения должны использоваться два фотоприемных устройства, расположенных за диском по двум взаимоперпендикулярным осям.

Очень часто фотоэлектрические датчики используются в ко­пировальных устройствах металлорежущих станков, газореза­тельных автоматов и других механизмов. Слежение осуществляется либо по краю контура чертежа, поле которого зачернено, либо по линии чертежа (рис. 1.15). В датчике имеется осветитель, световое пятно, создаваемое которым, вращается вокруг оси датчика. При пересечении световым пятном линии чертежа на выходе фотоприемника возникают импульсы, дважды за оборот осветителя. Если датчик находится на линии чертежа проме­жутки времени между импульсами одинаковы. При уходе в сто­рону промежутки становятся разными, что и используется для коррекции движения. Датчик всегда ориентирован по направле­нию движения. В случае выхода на криволинейный участок чертежа происходит поворот датчика за счет того же изменения соотношений промежутков между импульсами. Вследствие конечного радиуса вращения светового пятна система обладает свойством прогнозирования кривизны пути. Соответственно при проходе углов с целью уменьшения погрешностей возможно автоматическое снижение скорости движения вдоль контура.