Цифровые преобразователи угла

Широкое применение дискретных систем автоматического управления, имеющих в своем составе ЦВМ, цифровых следящих систем, микропроцессоров для улучшения качественных показателей различных технических устройств, в частности электродвига­телей, определило большую и непрерывно растущую потребность в цифровых преобразователях угла (ЦПУ).

В настоящее время разработано и выпускается значительное число различных типов ЦПУ, отличающихся друг от друга своим функциональным назначением, принципом работы, конструктивным исполнением. Большинство современных ЦПУ выполнено по двум конструктивным схемам, в зависимости от того, непосредственно или косвенно угловое перемещение преобразуется в кодовую величину. В первом случае квантуется сам измеряемый угол, а во втором — промежуточная аналоговая величина (параметр), изменяющаяся пропорционально углу. Каждый из указанных ЦПУ может быть накапливающего типа, в котором измеряемый угол пропорционален числу импульсов, или считывающего типа, в котором данному углу соответствует вполне определенная совокупность импульсов (код). Независимо от вида ЦПУ он состоит из двух частей: датчика угла того или иного типа (ДУ) и электронного устройства (ЭУ), формирующего выходной сигнал в виде требуемой кодовой величины. Типичным представителем ЦПУ с непосредственным преобразованием угла являются фотоэлектрические преобразователи, использующие указанные выше методы преобразования: последовательный счет приращений угла и считывание с кодовой маски; ДУ таких преобразователей выполняется в виде прозрачного диска с нанесенными равномерно по окружности рисками (при по­следовательном счете) или в виде специальной кодовой маски с чередующимися темными и светлыми участками. ЦПУ такого типа позволяют измерять угловое положение вала с точностью десятков и даже единиц секунд.

Высокоточные ЦПУ с косвенным преобразованием строятся на электромашинных датчиках угла с электрической редукцией (многополюсные ВТ; индукционные редуктосины; индуктосины) или на генераторных многополюсных датчиках с вращающимся Модуля­тором. В качестве параметра в ЦПУ такого вида используется фаза или амплитуда выходного напряжения переменного тока. Более широко распространены ЦПУ, в которых ВТ работает в режиме фазовращателя, а преобразование осуществляется по схеме угол—фаза—временной интервал—код. В качестве примера накапливающего преобразователя такого типа рассмотрим схему, изображенную на рис. 45, а. Функции фазовращателя (ФВ) выработающий в режиме фазовращателя. Фазовый сдвиг между напряжениями на обмотке возбуждения U_f и выходным напряжением U линейно изменяется в зависимости от угла поворота ротора ВТ 6. Эти напряжения подаются на фазовые формирователи импульсов ФФИ 1 и ФФИ 2. С выходов формирователей получим импульсы в моменты прохождения синусоид напряжений через нуль от отрицательных значений к положительным (рис. 45, б). Очевидно, что временной интервал между импульсами пропорционален углу поворота ротора ВТ. Импульсы ФФИ управляют триггером Тг, который, воздействуя на выпрямитель (В), пропускает в счетчик импульсов (СИ) от генератора Г число импульсов, пропорциональное временному интервалу, а следовательно, и углу поворота ротора В1.

Обозначая частоту генератора импульсов f_г, частоту напряжения фазовращателя Д число пар полюсов ВТ р, нетрудно получить выражение для числа импульсов, накопленных в СИ, в зависимости oт угла θ

В ЦПУ, использующих в качестве параметра амплитуду переменного напряжения, в код преобразуется отношение сигнального и опорного напряжений. Это необходимо для устранения зависимости работы ЦПУ от колебаний напряжения источника питания. Не останавливаясь на классификации ЦПУ этого типа, приведем в качестве примера структурную схему амплитудного ЦПУ (рис. 46).

Рис. 45. Преобразователь угол— фаза—импульс: а — структурная схема; б — временная диаграмма

В структуре ЦПУА можно выделить три основных функциональных блока: датчик угла (ДУ), электронный преобразователь (ЭП); автономный источник питания (АИП). Датчик угла выполнен в виде многополюсного многофазного ВТ, имеющего вторичные электрически ортогональные сигнальные обмотки. Элек­тронный преобразователь содержит устройство выбора сигнальных обмоток (УВСО), преобразователь отношения переменных напряжений в код (ПОНК), формирователь строб-импульсов (ФСИ) необходимых для стробирования сигналов переменного тока, генератор сигналов (ГС) и счетный регистр (Рг). В состав АИП входит усилитель мощности (УМ) и источник постоянного напряжения (ИПН) для питания блоков ЭП. Применение многополюсного ВТ как датчика точного отсчета требует введения в схему формирователя старших разрядов кода (ФСРК), работа которого синхронизируется сигналами с выходов УВСОи ПОНК

Рис. 46. Структурная схема ЦПУ—А с датчиком типа ВТ

ФСРК может реализоваться как в виде электронного блока (для ЦПУ накапливающего типа), так и в виде преобразователя угла с датчиком грубого отсчета. Согласование и преобразование выходного кода ЦПУА Х₁ (α) в форму, удобную для передачи во внешние устройства и ввода в ЦВМ [код X ₂ (α)], осуществляет устройство согласования и преобразования кода (УСПК)• Качество ЦПУ оценивается по максимальной погрешности точного отсчета, быстродействию, максимальной скорости вала, массогабаритным показателям. В настоящее время при использовании электромашинных ДУ получены ЦПУ с максимальной погрешностью 1—2" и частоте вращения до 20 об/мин.