Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Исследование трансформаторного аналого-цифрового преобразователя перемещений фазового типа 23
1. Расчет погрешностей ТФПП с двухканальным выходом 25
1.1. Погрешность фазовращателя от неравенства активных сопротивлений обмоток статора и ротора 28
1.2. Погрешность фазовращателя от неравенства индуктивных сопротивлений обмоток статора и ротора 31
1.3. Погрешность фазовращателя от неравенства сопротивлений взаимной индукции 34
1.4. Погрешность фазовращателя от неортогональности первичных и вторичных обмоток 35
1.5. Погрешность фазовращателя, когда не выполняется условие: RHi, RH2-»QO 37
1.6. Погрешность фазовращателя, когда не выполняется условие равенства амплитуд напряжения питаний СКВТ 39
Выводы по первой главе 41
Глава вторая. Построение трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений повышенной точности и быстродействия 42
1. Классификация трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений многоканального суммирования 42
2. Разработка схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования 45
2.1. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания
с синфазированием начала работы счетчика и постоянными частотами 46
2.2. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с синфазированием начала работы счетчика и синхронизацией частот с помощью умножителя частоты 49
2.3. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с синфазированием начала работы счетчика и синхронизацией частот с помощью делителя частоты 52
2.4. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с синхронизацией частот с помощью делителя частоты и постоянными фазами 54"
Выводы по второй главе 56
Глава третья. Построение схем трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений многоканального суммирования с независимыми выходными каналами 57
1. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с независимыми выходными каналами и синфазированием сигналов, без синхронизации частот питания и заполнения 57
2. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с независимыми выходными каналами и синхронизацией частот с помощью делителя частоты, без синфазирования сигналов 69
3. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с независимыми выходными каналами, с синфазированием сигналов и синхронизацией частот с помощью умножителя частоты 77
4. Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с независимыми выходными каналами, с синфазированием сигналов и синхронизацией частот с помощью делителя частоты 87
5. Разработка и исследование ТФПП параллельного считывания с независимыми выходными, каналами и синхронизацией частот питания и заполнения, без синфазирования сигналов 96
6. Разработка и исследование ТФПП параллельного считывания с независимыми выходными каналами и с умножителями частоты 104
7. Разработка и исследование ТФПП параллельного считывания с независимыми выходными каналами, с синхронизацией частот питания и заполнения и синфазированием сигналов 112
8. Разработка и исследование ТФПП параллельного считывания с независимыми выходными каналами и синфазированием сигналов, без синхронизации частот питания и заполнения 121
Выводы по третьей главе 130
Выводы по диссертации 161
Список литературы 162
- Погрешность фазовращателя от неравенства активных сопротивлений обмоток статора и ротора
- Погрешность фазовращателя, когда не выполняется условие: RHi, RH2-»QO
- Разработка схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования
- Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с независимыми выходными каналами и синхронизацией частот с помощью делителя частоты, без синфазирования сигналов
Введение к работе
В современных приборах и автоматических устройствах широкое применение нашли аналоговые и цифровые системы передачи информации о различных физических величинах. В качестве физических величин могут фигурировать такие параметры, как например угол поворота, линейное перемещение, давление жидкости или газа и т.д. Так как обработку этой информации удобнее вести в цифровой форме, в электронных системах нашли широкое применение аналого-цифровые преобразователи (АЦП)[1, 4].
В настоящее время и в перспективе одной из актуальных и технически сложных задач является цифровое измерение угловых и линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи перемещений (ЦПП)[2]. В связи с этим среди аналого-цифровых преобразователей физических величин важное место занимают аналого-цифровые преобразователи перемещений (АЦПП), предназначенные для преобразования линейных или угловых перемещений объекта в цифровой эквивалент и служащие для ввода аналоговой информации об объекте в различные цифровые системы автоматического управления, в том числе содержащие управляющие цифровые ЭВМ[3].
Так как угловые и линейные перемещения относятся к числу главных параметров, характеризующих состояние объекта, то АЦПП широко используются практически во всех системах управления движущимися объектами (самолетами, кораблями и т.д.), в системах слежения за космическими телами, в системах дальней связи и т.д. Они являются неотъемлемой частью систем управления режимом работы энергетических установок, реактивных и ракетных двигателей. АЦПП широко применяют, кроме того, в системах автоматического управления в металлургии, в машиностроении, точном приборостроении, робототехнике и многих других областях.
Поскольку АЦПП являются измерительными устройствами; то от качества решения ими своих функциональных задач существенно- зависят технические показатели систем управления, в которые они поставляют информацию. Поэтому современные тенденции развития АЦПП определяются такими требованиями, как точность и надежность их работы, широкий диапазон измеряемых перемещений, низкая чувствительность к влиянию дестабилизирующих факторов, высокое быстродействие, компактность и малая стоимость[3, 22].
Вопросам теории и расчета АЦП перемещений посвящены труды известных ученых: Домрачева В.Г., Косинского А.В., Матвеевского В.Р., Холомонова А.А., Преснухина Л.Н., Смирнова Ю.С., Шаньгина В.Ф., Кутяниной В.Н., Конюхова Н.Е., Мироненко А.В., Рубиной В.Б. и др.
§1. КЛАССИФИКАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.
Существует несколько классов аналого-цифровых преобразователей перемещений.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦГГ с уравновешиванием входной величины - в этих АЦП преобразуемый параметр уравновешивается параметром той же физической природы; значение которого» пропорционально цифровому коду.
По принципу действия преобразователи с уравновешиванием могут быть разделены на две группы: с циклическим уравновешиванием и с непрерывным уравновешиванием [3, 5, 12]. В преобразователях первой группы преобразуемый параметр уравновешивается периодически - один раз в течение цикла. Преобразователи с непрерывным уравновешиванием по принципу работы не отличаются от следящих систем. Процесс преобразования в них осуществляется непрерывно.
В устройствах с циклическим уравновешиванием измеряемой фазы может использоваться либо развертывающее, либо поразрядное уравновешивание. В преобразователях развертывающего кодирования уравновешивание начинается с младшего разряда. Каждое из получающихся чисел увеличивается на единицу младшего разряда, пока выходная величина не сравняется с входной. В преобразователях поразрядного кодирования уравновешивание начинается со старшего разряда.
Существующие преобразователи с поразрядным кодированием делятся на две группы: многоэталонные и одноэталонные. В многоэталонных преобразователях уравновешивание происходит набором суммы эталонных напряжений, пропорциональных разрядам кода. В одноэталонных преобразователях уравновешивание производится при наличии одного эталонного напряжения.
Преобразователи с уравновешиванием, как правило, главным образом используются для преобразования в цифровой код значений напряжения или тока и практически мало используются для преобразования перемещений.
В аналого-цифровых преобразователях с непосредственным преобразованием линейного и углового перемещения в цифровой код -преобразователях пространственного кодирования, основным элементом является пространственная шкала, на которую непосредственно нанесены тем или иным способом последовательные значения цифрового кода[12].
В зависимости от способа изготовления различают контактные и бесконтактные преобразователи. В контактных преобразователях шкала представляет собой кодовую маску из проводящего материала, нанесенную на физический носитель из изоляционного материала. Информация считывается с помощью систем щеток. Бесконтактные преобразователи основаны на принципе изменения электрических (индуктивность, взаимоиндуктивность, емкость) и неэлектрических (оптическая прозрачность) величин в зависимости от перемещения. Соответственно этому находят применение индуктивные, трансформаторные (взаимоиндуктивные), емкостные, фотоэлектрические преобразователи.
Индуктивные (трансформаторные) преобразователи - у этих преобразователей предусматриваются установка индуктивных чувствительных элементов. Задающее устройство, связанное с органом, значение перемещения которого преобразуется в цифровой эквивалент, обеспечивает изменение индуктивности (взаимоиндуктивности)
соответственно значениям 0 или 1 выходного кода.
Емкостные преобразователи представляют собой совокупность ряда конденсаторов (число которых определяется числом разрядов преобразователя) с подвижными и неподвижными обкладками. Роль подвижных обкладок обычно играют проводящие участки масок, а роль неподвижных — проводящие изолированные пластины.
Фотоэлектрические преобразователи - у этих преобразователей задающие устройства представляют собой материальный носитель с участками различной оптической плотности, определяемой типом выходного кода. Считывание кода осуществляется фотоэлементами.
Основными достоинствами АЦПП пространственного кодирования являются простота изготовления и высокое быстродействие. Однако ряд недостатков, присущих отдельным видом преобразователей данного типа, ограничивает использование их в промышленности. Контактные преобразователи характеризуются повышенным моментом сопротивления, низкой износоустойчивостью, малой надежностью. Емкостные АЦП характеризуются низкой помехоустойчивостью, необходимостью использования высокочастотного напряжения питания. Индуктивные и взаимоиндуктивные аналого-цифровые преобразователи сравнительно громоздки и обладают невысокой разрешающей способностью.
Общим и основным недостатком АЦП непосредственного преобразования является то, что для получения высокой разрешающей способности необходимо значительно увеличить габаритные размеры их шкал, что ухудшает динамические характеристики преобразователей и затрудняет их конструктивное воплощение.
Несколько проще устроено задающее устройство аналого-цифровых преобразователей накапливающего типа, в которых шкала представляет собой дорожку, соответствующую дорожке младшего разряда шкал, рассмотренных преобразователей пространственного кодирования[12].
Принцип работы этих АЦП основан на непрерывном подсчете числа шагов шкалы от начального положения до положения, соответствующего значению преобразуемой величины. Недостатком таких преобразователей, помимо тех, которые аналогичны недостаткам преобразователей пространственного кодирования, является возможность появления систематических ошибок из-за сбоя счетчика, преобразующего число шагов в цифровой код.
В аналого-цифровых преобразователях с промежуточным преобразованием, угловые или линейные перемещения преобразуются в промежуточные параметры: временной интервал, фазовый сдвиг, частоту и т.д. Следовательно, различают АЦП временные, фазовые, частотные[2, 7].
В частотных аналого-цифровых преобразователях происходит предварительное преобразование величины перемещения в пропорциональную ей частоту, после чего подсчитывается с помощью счетчика число периодов этих частот в течение фиксированного временного интервала. Преобразователи перемещений этого типа способны обеспечить высокую точность, однако их реализация сталкивается с рядом трудностей. В частности, приходится использовать во многих случаях дополнительные узлы: линеаризующие устройства, предварительные преобразователи перемещения в скорость, в уровень напряжения.
Из существующих аналого-цифровых преобразователей перемещений наилучшими характеристиками в настоящее время обладают АЦП перемещений с промежуточным преобразованием измеряемой величины в фазовый сдвиг. Полученный фазовый сдвиг преобразуется во временной интервал, который заполняется счетными импульсами, и производится подсчет этих импульсов с помощью счетчика[2, 7, 3, 5].
§2. КЛАССИФИКАЦИЯ АЦП ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ФАЗОВОГО ТИПА.
Преобразователи перемещений фазового типа классифицируются по различным признакам[2, 11, 13, 14, 15, 18,, 39, 40;]., В зависимости от стабильности значений частоты питания фазовых преобразователей, являющихся первичными, преобразователями АЦПП, последние могут быть разделены на две группы: устройства с. переменной преобразуемой частотой питаниями устройства с постоянной частотой питания.
В зависимости от метода обработки входного сигнала различают компенсационные АЦПП (с компенсацией сигнала) и АЦПП прямого преобразования (с одно- или многоступенчатым поочередным преобразованием входной величины). К недостаткам- АЦПП; компенсационного- типа относятся! наличие: динамической погрешности и определенная;сложность практической реализации схемы[2, 15, 33, 401, 41].
В зависимости; от характера первичного преобразования различают устройства прямого преобразования в систему кодирующих сигналов и в промежуточную дискретную и непрерывную величину.
Устройства с преобразованием фазы в непрерывную величину не нашли широкого распространения, так как они не обеспечивают высокой точности. В преобразователях второй группы измеряемое перемещение сначала представляется в виде удобного аналогового параметра, а затем преобразуется в цифровой эквивалент. Они обладают линейной характеристикой управления, высокой разрешающей способностью, достаточным быстродействием и надежностью [2, 17, 18, 19, 20, 21, 42, 43, 44, 45]. Более широкое распространение получили преобразователи фазы во временной интервал[2, 3].
В зависимости от методов последующих преобразований временного интервала различают преобразователи с преобразованием в промежуточную величину и преобразователи с непосредственным квантованием временного интервала. Среди преобразователей первой группы находятся устройства с преобразованием временного интервала в частоту и преобразователи временного интервала в напряжение.
Из преобразователей с непосредственным квантованием временного интервала наиболее часто применяют число-импульсные преобразователи и преобразователи с системой кодирующих сигналов.
В зависимости от метода съема информации различают АЦПП параллельного и последовательного считывания. В АЦПП параллельного считывания съем информации происходит параллельно во времени с работой кодирующего элемента (счетчика), без остановки последнего; в АЦПП последовательного считывания - после остановки кодирующего элемента. Особенностью АЦПП параллельного считывания является необходимость использования дополнительных регистров в тех случаях, когда информацию необходимо помнить некоторое время после ее съема. В преобразователях последовательного считывания кодирующий элемент может одновременно служить и регистром. Однако в таких преобразователях выдача информации с разных каналов может происходить лишь последовательно во времени и занимать п циклов работы кодирующего элемента.
В зависимости от количества информации, получаемой с фазовращателя, АЦПП можно разделить на две группы: без избыточной информации и с избыточной информацией. Избыточная информация позволяет уточнять результаты преобразования.
В зависимости от числа периодов выходного сигнала фазовращателей, в течение которых происходят фазовые измерения, различают преобразователи мгновенного значения (измеряющие значение фазы в одном из периодов) и преобразователей среднего- значения (измеряющее усредненное за много периодов значение фазы). У преобразователей первой группы более высокое быстродействие и большая устойчивость к случайным помехам.
попутной автоподстройкой частоты заполняющих импульсов или синтезом частоты питания делением частоты заполнения[3, 5].
Компенсационные АЦГШ фазового типа (КАЦПП) относятся к устройствам с отрицательной обратной связью.
По способу уравновешивания входной величины КАЦПП делятся на устройства со следящим и циклическим уравновешиванием. Устройства со следящим уравновешиванием, с учетом характера сигналов в цепях управления, могут быть непрерывными и дискретными. В зависимости от способа отработки компенсирующего сигнала различают следящие преобразователи с пропорциональным и непропорциональным уравновешиванием.
В устройствах с циклическим уравновешиванием измеряемой фазы может использоваться либо развертывающее, либо поразрядное уравновешивание. В устройствах развертывающего уравновешивания компенсирующий сигнал изменяется с постоянной скоростью (с постоянным шагом компенсации). Недостатком таких устройств является низкое быстродействие. Этот недостаток преодолевается в устройствах с поразрядным уравновешиванием. Среди компенсационных АЦГШ устройства этого класса характеризуются наибольшим быстродействием.
Достоинство следящих преобразователей заключается в возможности преобразования с высокой точностью, в некритичности к стабильности параметров питающих напряжений. Недостатками являются громоздкость устройств и невысокое быстродействие.
§3. АЦП ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА В КОД.
В зависимости от того, в каких пределах изменяются преобразуемые временные интервалы, их значения могут измеряться либо непосредственно,
попутной автоподстройкой частоты заполняющих импульсов или синтезом частоты питания делением частоты заполнения[3, 5].
Компенсационные АЦГШ фазового типа (КАЦПП) относятся к устройствам с отрицательной обратной связью.
По способу уравновешивания входной величины КАЦПП делятся на устройства со следящим и циклическим уравновешиванием. Устройства со следящим уравновешиванием, с учетом характера сигналов в цепях управления, могут быть непрерывными и дискретными. В зависимости от способа отработки компенсирующего сигнала различают следящие преобразователи с пропорциональным и непропорциональным уравновешиванием.
В устройствах с циклическим уравновешиванием измеряемой фазы может использоваться либо развертывающее, либо поразрядное уравновешивание. В устройствах развертывающего уравновешивания компенсирующий сигнал изменяется с постоянной скоростью (с постоянным шагом компенсации). Недостатком таких устройств является низкое быстродействие. Этот недостаток преодолевается в устройствах с поразрядным уравновешиванием. Среди компенсационных АЦГШ устройства этого класса характеризуются наибольшим быстродействием.
Достоинство следящих преобразователей заключается в возможности преобразования с высокой точностью, в некритичности к стабильности параметров питающих напряжений. Недостатками являются громоздкость устройств и невысокое быстродействие.
§3. АЦП ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВРЕМЕННОГО ИНТЕРВАЛА В КОД.
В зависимости от того, в каких пределах изменяются преобразуемые временные интервалы, их значения могут измеряться либо непосредственно,
либо после умножения их на какое-либо постоянное число с целью увеличения их длительности.
По способу измерения временных интервалов можно различать преобразователь временного интервала в код (ПВИК) с нониусным методом измерения и ПВИК, основанные на измерении временных интервалов сравнением с эталонами времени. Нониусный метод используется как для непосредственного измерения, так и для предварительного расширения временного интервала. Он обеспечивает высокую точность измерения, но имеет низкое быстродействие ].
Преобразователи временных интервалов в код с эталоном времени в зависимости от типа структурной схемы могут быть поделены на 2 класса: устройства прямого преобразования и компенсационные [2].
Сравнение с эталонами времени обеспечивает высокие скорость и точность измерений. Операции сравнения измеряемого интервала времени с эталонами могут осуществляться как последовательно во времени, так и параллельно. В» свою очередь, сравнение может быть одноэталонным и многоэталонным. Быстродействие одноэталонного сравнения более высокое, так как определяется лишь длительностью измеряемого временного интервала. Быстродействие многоэталонного (поразрядного) сравнения определяется числом п разрядов выходного кода.
§4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ФАЗОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.
Все многообразие существующих структур оптоэлектронных преобразователей перемещений (ОЭПП) по структуре построения можно разделить на две основные группы: одномодуляторные и многомодуляторные [3 ].
По способу введения сигнала несущей частоты различают ОЭГШ с введением сигнала несущей частоты в цепь источника излучения и в электронную часть схемы.
По числу фаз питающего напряжения ОЭПП делят на однофазные и многофазные.
По характеру несущий сигнал может быть непрерывным (синусоидальный) и дискретный (импульсный).
По способу растрового сопряжения различают обтюрационные, муаровые и иониусные РМ[8, 9]. Наиболее часто на практике используется муаровое растровое сопряжение.
§5. ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.
Под трансформаторным фазовым преобразователем перемещений (ТФПП) будем в дальнейшем понимать измерительный преобразователь, фаза выходного сигнала которого изменяется линейно (в идеальном случае) в зависимости от изменения взаимной ориентации в пространстве двух систем обмоток.
В качестве первичных преобразователей в ТФПП наиболее часто используются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), сельсины (СС), индуктосины (ИС), индукционные редуктосины (ИРС), бесконтактные индукционные фазовращатели (БИФ) и др.
ТФПП относятся к фазовым преобразователям перемещений параметрического типа без непрерывного вращения.
По виду параметра первичного преобразователя, участвующего в создании модулирующего сигнала, различают фазовые преобразователи электрического и неэлектрического типов. В преобразователях первого типа подводимая энергия затрачивается на изменение параметра электрической цепи: активного сопротивления, индуктивности, взаимоиндуктивности, емкости; в преобразователях второго типа — на изменение неэлектрического параметра (например, оптического).
По характеру измеряемых перемещений различают ТФПП с линейным и угловым перемещениями. Характер измеряемого перемещения обусловлен устройством первичного трансформаторного преобразователя. Большинство существующих преобразователей предназначено для измерения угловых перемещений. Для измерения линейных перемещений в основном используют линейные индуксины. При этом характер измеряемых перемещений не влияет ни на принципы преобразования, ни на электрические схемы преобразователей [3, 11, 12, 13, 14, 15].
По структуре построения ТФПП относятся к многомодуляторным устройствам, делящимся по способу питания на фазовые преобразователи с многофазным и однофазным питанием. В зависимости от постоянства структуры преобразователя различают ТФПП с переменной? (перестраиваемой структурой) и ТФПП с постоянной структурой.
Достоинством ТФПП с перестраиваемой структурой является возможность компенсации ряда погрешностей без применения сложных первичных преобразователей.
К недостатком таких ТФПП можно отнести пониженное быстродействие, связанное с наличием переходных процессов в переключаемых цепях, и возможность появления дополнительных погрешностей, вносимых коммутирующими элементами.
Отдельную группу ТФПП с компенсацией погрешностей составляют устройства, в которых происходит вычисление погрешности с последующей коррекцией результата преобразования [16].
Наиболее перспективным является ФПП с компенсацией фазовой погрешности по методу многоканального суммирования, который предусматривает дополнительную обработку выходных сигналов ТФІ1І1 на последующих этапах аналого-цифрового преобразования. Суть метода многоканального суммирования заключается в том, что преобразование измеряемой величины X осуществляется m преобразователями (т каналами). На вход каждого из них величина X поступает в сумме с постоянной (различной для каждого из преобразователей) величиной, совпадающей по физической природе с величиной X. Результат преобразования определяется суммированием выходных сигналов всех m преобразователей[3].
Одним из наиболее перспективных направлений в разработке АЦПП является разработка трансформаторных АЦПП с преобразованием входной измеряемой величины во временной интервал.
В общем комплексе фазовых преобразователей перемещений наилучшими характеристиками обладают трансформаторные АЦПП фазового типа (ТФПП), в которых измеряемая величина (линейное или угловое перемещение) преобразуется в фазовый сдвиг, который может быть преобразован в цифровой код. В этих преобразователях главным преобразующим элементом является фазовращатель[3].
Погрешность работы трансформаторных АЦПП фазового типа, в основном определяется погрешностью работы фазовращателя. Эта погрешность, как правило, определяет основную погрешность устройства. Следовательно погрешность аналого-цифрового преобразования может быть уменьшена если уменьшить погрешность работы фазовращателя.
Анализ опубликованных работ по трансформаторным АЦП перемещений позволяет сделать следующие выводы:
1. трансформаторные АЦПП перемещений нашли широкое применение в различных областях, связанных с внедрением автоматики и управления;
2. анализ этих устройств показывает, что основная погрешность преобразования определяется на этапе преобразования «перемещение-фаза»;
3. существующие трансформаторные фазовые аналого-цифровые преобразователи не в полной мере отвечают возросшему комплексу требований к преобразователям перемещений в отношении точности, быстродействия, простоты устройства, надежности;
4. наиболее перспективными являются трансформаторные фазовые АЦПП с компенсацией фазовой погрешности по методу многоканального суммирования;
5. расчеты погрешностей фазовращателя характеризующие точность работы трансформаторных фазовых преобразователей перемещений проводились не полностью.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений повышенной точности и быстродействия, которые в первую очередь относятся к числу технических требований, предъявляемых к аналого-цифровым преобразователям перемещений. К числу этих требований также относятся: низкое энергопотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, малые габаритные размеры и масса, высокая технологичность, экономичность производства.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
1. Проанализировать .существующие аналого-цифровые преобразователи перемещений, в том числе существующие трансформаторные фазовые АЦП перемещений;
2. Улучшить и развить метод многоканального суммирования для трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений;
3. Предложить обобщенную классификацию для построения трансформаторных фазовых АЦП перемещений многоканального суммирования (ТФППМС), которая содержит как уже существующие, так и разработанные методы построения ТФППМС.
4. Разработать и исследовать комплекс схем трансформаторных фазовых АЦП перемещений, обеспечивающих высокую точность и быстродействие преобразования;
5. Разработать комплекс математических выражений для оценки качества работы трансформаторных фазовых АЦП перемещений многоканального суммирования, в зависимости от нестабильности параметров элементов, входящих в состав этих АЦПП.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа специфики объекта исследования -трансформаторного фазового аналого-цифрового преобразователя перемещений,
2. Методы построения трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений многоканального суммирования для достижения высокой точности и быстродействия и математические выражения для анализа эффективности разработанных методов,
3. Классификация трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений (ТФПП), позволяющая создать 132 варианта построения ТФПП с учетом различных классификационных признаков.
4. Схемотехнические варианты построения трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений повышенной точности и быстродействия с учетом различных классификационных признаков. Решение поставленных задач выполнено на основе теории проектирования аналого-цифровых преобразователей перемещений, теории точности информационно-измерительных устройств, теории автоматического управления, методов дифференциального и интегрального исчисления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен и разработан метод построения аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа последовательного и параллельного считывания с многоканальным суммированием(АЦППТМС);
2. Разработан метод построения схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования;
3. Разработан метод построения схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с независимыми выходными каналами, который приводит к повышению точности АЦГШ;
4. Приведены математические модели предложенных и разработанных аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным.суммированием;
5. Проведен анализ погрешностей разработанных аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным суммированием;
6. Приведена обобщенная классификация предложенных и разработанных преобразователей с учетом существующих методов построения аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Предложен и разработан комплекс схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным суммированием, в том числе: АЦППТМС с минимальным циклом преобразования, с независимыми выходными каналами, с компенсацией систематических погрешностей;
2. Получены инженерные формулы для расчета погрешностей разработанных аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным суммированием;
3. Предложены рекомендации по построению аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным суммированием повышенной точности.
4. Результаты исследований диссертационной работы использовались в учебном процессе кафедры «Управление и информатика в технических системах» МИЭМ в дисциплине "Датчики и устройства связи с объектом управления в технических системах" и в дипломном проектировании.
Погрешность фазовращателя от неравенства активных сопротивлений обмоток статора и ротора
Существует несколько классов аналого-цифровых преобразователей перемещений. Аналого-цифровые преобразователи (АЦГГ с уравновешиванием входной величины - в этих АЦП преобразуемый параметр уравновешивается параметром той же физической природы; значение которого» пропорционально цифровому коду. По принципу действия преобразователи с уравновешиванием могут быть разделены на две группы: с циклическим уравновешиванием и с непрерывным уравновешиванием [3, 5, 12]. В преобразователях первой группы преобразуемый параметр уравновешивается периодически - один раз в течение цикла. Преобразователи с непрерывным уравновешиванием по принципу работы не отличаются от следящих систем. Процесс преобразования в них осуществляется непрерывно.
В устройствах с циклическим уравновешиванием измеряемой фазы может использоваться либо развертывающее, либо поразрядное уравновешивание. В преобразователях развертывающего кодирования уравновешивание начинается с младшего разряда. Каждое из получающихся чисел увеличивается на единицу младшего разряда, пока выходная величина не сравняется с входной. В преобразователях поразрядного кодирования уравновешивание начинается со старшего разряда.
Существующие преобразователи с поразрядным кодированием делятся на две группы: многоэталонные и одноэталонные. В многоэталонных преобразователях уравновешивание происходит набором суммы эталонных напряжений, пропорциональных разрядам кода. В одноэталонных преобразователях уравновешивание производится при наличии одного эталонного напряжения.
Преобразователи с уравновешиванием, как правило, главным образом используются для преобразования в цифровой код значений напряжения или тока и практически мало используются для преобразования перемещений.
В аналого-цифровых преобразователях с непосредственным преобразованием линейного и углового перемещения в цифровой код -преобразователях пространственного кодирования, основным элементом является пространственная шкала, на которую непосредственно нанесены тем или иным способом последовательные значения цифрового кода[12].
В зависимости от способа изготовления различают контактные и бесконтактные преобразователи. В контактных преобразователях шкала представляет собой кодовую маску из проводящего материала, нанесенную на физический носитель из изоляционного материала. Информация считывается с помощью систем щеток. Бесконтактные преобразователи основаны на принципе изменения электрических (индуктивность, взаимоиндуктивность, емкость) и неэлектрических (оптическая прозрачность) величин в зависимости от перемещения. Соответственно этому находят применение индуктивные, трансформаторные (взаимоиндуктивные), емкостные, фотоэлектрические преобразователи.
Индуктивные (трансформаторные) преобразователи - у этих преобразователей предусматриваются установка индуктивных чувствительных элементов. Задающее устройство, связанное с органом, значение перемещения которого преобразуется в цифровой эквивалент, обеспечивает изменение индуктивности (взаимоиндуктивности) соответственно значениям 0 или 1 выходного кода. Емкостные преобразователи представляют собой совокупность ряда конденсаторов (число которых определяется числом разрядов преобразователя) с подвижными и неподвижными обкладками. Роль подвижных обкладок обычно играют проводящие участки масок, а роль неподвижных — проводящие изолированные пластины.
Фотоэлектрические преобразователи - у этих преобразователей задающие устройства представляют собой материальный носитель с участками различной оптической плотности, определяемой типом выходного кода. Считывание кода осуществляется фотоэлементами.
Основными достоинствами АЦПП пространственного кодирования являются простота изготовления и высокое быстродействие. Однако ряд недостатков, присущих отдельным видом преобразователей данного типа, ограничивает использование их в промышленности. Контактные преобразователи характеризуются повышенным моментом сопротивления, низкой износоустойчивостью, малой надежностью. Емкостные АЦП характеризуются низкой помехоустойчивостью, необходимостью использования высокочастотного напряжения питания. Индуктивные и взаимоиндуктивные аналого-цифровые преобразователи сравнительно громоздки и обладают невысокой разрешающей способностью.
Общим и основным недостатком АЦП непосредственного преобразования является то, что для получения высокой разрешающей способности необходимо значительно увеличить габаритные размеры их шкал, что ухудшает динамические характеристики преобразователей и затрудняет их конструктивное воплощение.
Погрешность фазовращателя, когда не выполняется условие: RHi, RH2-»QO
Под трансформаторным фазовым преобразователем перемещений (ТФПП) будем в дальнейшем понимать измерительный преобразователь, фаза выходного сигнала которого изменяется линейно (в идеальном случае) в зависимости от изменения взаимной ориентации в пространстве двух систем обмоток.
В качестве первичных преобразователей в ТФПП наиболее часто используются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), сельсины (СС), индуктосины (ИС), индукционные редуктосины (ИРС), бесконтактные индукционные фазовращатели (БИФ) и др.
ТФПП относятся к фазовым преобразователям перемещений параметрического типа без непрерывного вращения.
По виду параметра первичного преобразователя, участвующего в создании модулирующего сигнала, различают фазовые преобразователи электрического и неэлектрического типов. В преобразователях первого типа подводимая энергия затрачивается на изменение параметра электрической цепи: активного сопротивления, индуктивности, взаимоиндуктивности, емкости; в преобразователях второго типа — на изменение неэлектрического параметра (например, оптического).
По характеру измеряемых перемещений различают ТФПП с линейным и угловым перемещениями. Характер измеряемого перемещения обусловлен устройством первичного трансформаторного преобразователя. Большинство существующих преобразователей предназначено для измерения угловых перемещений. Для измерения линейных перемещений в основном используют линейные индуксины. При этом характер измеряемых перемещений не влияет ни на принципы преобразования, ни на электрические схемы преобразователей [3, 11, 12, 13, 14, 15].
По структуре построения ТФПП относятся к многомодуляторным устройствам, делящимся по способу питания на фазовые преобразователи с многофазным и однофазным питанием. В зависимости от постоянства структуры преобразователя различают ТФПП с переменной? (перестраиваемой структурой) и ТФПП с постоянной структурой.
Достоинством ТФПП с перестраиваемой структурой является возможность компенсации ряда погрешностей без применения сложных первичных преобразователей.
К недостатком таких ТФПП можно отнести пониженное быстродействие, связанное с наличием переходных процессов в переключаемых цепях, и возможность появления дополнительных погрешностей, вносимых коммутирующими элементами.
Отдельную группу ТФПП с компенсацией погрешностей составляют устройства, в которых происходит вычисление погрешности с последующей коррекцией результата преобразования [16].
Наиболее перспективным является ФПП с компенсацией фазовой погрешности по методу многоканального суммирования, который предусматривает дополнительную обработку выходных сигналов ТФІ1І1 на последующих этапах аналого-цифрового преобразования. Суть метода многоканального суммирования заключается в том, что преобразование измеряемой величины X осуществляется m преобразователями (т каналами). На вход каждого из них величина X поступает в сумме с постоянной (различной для каждого из преобразователей) величиной, совпадающей по физической природе с величиной X. Результат преобразования определяется суммированием выходных сигналов всех m преобразователей[3].
Одним из наиболее перспективных направлений в разработке АЦПП является разработка трансформаторных АЦПП с преобразованием входной измеряемой величины во временной интервал.
В общем комплексе фазовых преобразователей перемещений наилучшими характеристиками обладают трансформаторные АЦПП фазового типа (ТФПП), в которых измеряемая величина (линейное или угловое перемещение) преобразуется в фазовый сдвиг, который может быть преобразован в цифровой код. В этих преобразователях главным преобразующим элементом является фазовращатель[3].
Погрешность работы трансформаторных АЦПП фазового типа, в основном определяется погрешностью работы фазовращателя. Эта погрешность, как правило, определяет основную погрешность устройства. Следовательно погрешность аналого-цифрового преобразования может быть уменьшена если уменьшить погрешность работы фазовращателя.
Анализ опубликованных работ по трансформаторным АЦП перемещений позволяет сделать следующие выводы: 1. трансформаторные АЦПП перемещений нашли широкое применение в различных областях, связанных с внедрением автоматики и управления; 2. анализ этих устройств показывает, что основная погрешность преобразования определяется на этапе преобразования «перемещение-фаза»; 3. существующие трансформаторные фазовые аналого-цифровые преобразователи не в полной мере отвечают возросшему комплексу требований к преобразователям перемещений в отношении точности, быстродействия, простоты устройства, надежности; 4. наиболее перспективными являются трансформаторные фазовые АЦПП с компенсацией фазовой погрешности по методу многоканального суммирования; 5. расчеты погрешностей фазовращателя характеризующие точность работы трансформаторных фазовых преобразователей перемещений проводились не полностью.
Разработка схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования
Точность АЦПП фазового типа в основном определяется точностью преобразования на этапе «перемещение — фаза» и точностью преобразования на этапе «фаза — код»[3]. Как показывают данные по отдельным схемам, приведенные в литературе [3, 10, 12, 15, 33, 34, 35, 36, 37, 38], систематические погрешности фазовых преобразователей перемещений содержат постоянную составляющую, не зависящую от входной величины X, и переменную составляющую, периодически изменяющуюся с изменением X. Компенсация постоянной составляющей погрешности проводится известными методами. Существуют отдельные решения задачи компенсации периодических погрешностей в конкретных схемах, которые можно свести к двум основным группам методов[3]: метод многоканального суммирования — суть этого метода состоит в том, что производится алгебраическое суммирование нескольких выходных сигналов, содержащих полезные и погрешностные составляющие, с взаимной компенсацией последних; метод, предусматривающий предварительное определение погрешности с последующей коррекцией результата преобразования. ТФПП многоканального суммирования
Метод многоканального суммирования является более перспективным для компенсации фазовой погрешности, также этот метод более прост в реализации по сравнению с методом предварительного вычисления погрешностей. К сожалению, метод многоканального суммирования не в полной мере развит для трансформаторных фазовых преобразователей перемещений.
В данной работе был развит и улучшен метод многоканального суммирования для построения аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа последовательного и параллельного считывания. На рис. 2.1.1 приведена предлагаемая классификация, которая отражает варианты построения предложенных и разработанных автором схем трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений многоканального суммирования. Одним из главных требований, предъявляемых к аналого-цифровым преобразователям перемещений (АЦПГТ), является быстродействие. У существующих трансформаторных фазовых АЦГШ преобразование углового перемещения происходит за два периода питающего напряжения [5]. В данном параграфе приведены предложенные и разработанные автором схемы аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования (один период питающего напряжения).
Структурная схема разработанного устройства приведена на рис. 2.2.1.1. Здесь в качестве первичного преобразователя используется фазовращатель (ФВ), который выдает на выходе синусоидальное напряжение, фаза которого сдвинута относительно фазы питающего напряжения на величину, пропорциональную углу поворота ротора фазовращателя[30]. В этой схеме фазовращатель ФВ подключен к источнику питания ИП через фильтр Ф и фазорасщепитель ФР.
Устройство работает следующим образом: На ФВ поступают напряжения питания Ui и U2 и с обмоток ротора снимаются- напряжения UBbix.i и UBbIx.2. Напряжения Ub U2, иВыхЛ и иВых.2 поступают на выделители нуля ВНЬ ВН2, ВН3, ВНд, на выходах которых в момент перемены знака напряжений (Ui, U2, UBblx.i и UBbIx.2) с отрицательного на положительный образуются импульсы Ua, UG, UB, Ur. В схеме используются, два триггера ТГі и ТГ2. Эти триггеры фиксируют временные интервалы, соответствующие фазовым сдвигам питающих и выходных напряжений ФВ. И так, ТГі срабатывает от импульса Ua и сбрасывается, импульсом UB, а ТГ2 - соответственно от импульсов UG И Ur. С генератора импульсов (ГИ) импульсы все время поступают на входы элементов И2 и И3. Схема И2 срабатывает и пропускает импульсы с ГИ на 2-ой триггер (Т2) двоичного счетчика (ДС) только тогда, когда на выходе логического элемента И] — активный уровень сигнала, а это возможно, когда оба триггера находятся в открытом состоянии. Во всех остальных случаях импульсы с генератора ГИ через схему И3 поступают на первый триггер (Ті) двоичного счетчика ДС. Надо отметить, что в конце работы на выходах счетчика фиксируется цифровой код, который соответствует двойному углу поворота ротора, т. е. 2ф. Как известно, двоичный счетчик может использоваться как делитель и1 умножитель на 2", где п - число разрядов счетчика. Соответственно,- для того, чтобы получить нужный нам угол ф, нужно снять код со всех триггеров ДС, кроме последнего. Сброс счетчика осуществляется от выходных импульсов первого выделителя нуля (ВНі).
Особенностью схемы, приведенной; на рис. 2.2.1,1, является необходимость использования стабильных частот питания со и- заполнения соги. При. невозможности стабилизации частот необходима их синхронизация. Синхронизация частот более перспективна, т.к. отпадает необходимость в специальных точных стабилизаторах частоты. Синхронизация частот может осуществляться двумя способами: 1. умножением частоты питания со; 2. делением частоты заполнения соги. В схеме с умножителем частоты?частота заполнения получается путем-умножения частоты питания в 2" раз. В схеме с делителем частоты частота питания получается путем деления частоты заполнения в 2П раз, где п —число разрядов аналого-цифрового преобразователя (АЦП).[3, 5]
Разработка и исследование ТФПП последовательного считывания с независимыми выходными каналами и синхронизацией частот с помощью делителя частоты, без синфазирования сигналов
В данной главе рассматриваются схемотехнические варианты построения трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений с многоканальным выходом повышенной точности с учетом различных классификационных признаков: с синхронизацией частот или с постоянными частотами, с синфазированием сигналов или с постоянными фазами, последовательного или параллельного считывания. Схемы приведенные в данной главе разрабатывались совмещением двух методов построения ТФПП (метод построения схем с минимальным циклом преобразования и метод построения с независимыми выходными каналами), которые рассматривались во втором и третьем главах.
Источник питания ИП, фильтр Ф, фазорасщепитель ФР, фазовращатель ФВ, нуль органы НОь НОг, Н03, Н04, Н05, НОб, триггеры ТГЬ ТГ2 и ТГ3, генератора импульсов ГИ, логические элементы сравнения Иь И2 и И3, элементы задержки ЭЗ1 и Э32, логический элемент ИЛИ, делитель на три Д, двоичный счетчик ДС.
Источник питания ИП выдает синусоидальное напряжение с частотой со. Так как идеальных источников питания не существует, по этому выходной сигнал ИП подается на фильтр который отсеивает высшие гармоники и оставляет только первую. Выход фильтра подключен к фазорасщепителю ФР, который преобразует однофазное питание на многофазное, в данной схеме в трехфазное. У этих напряжений амплитуды равны друг другу, а по фазе относительно друг друга сдвинуты на угол равный /п гДе n это число выходных каналов фазорасщепителя, в данном случаи n = 3 и следовательно фазовый сдвиг равен 120. На ФВ поступают напряжения питания UBX.I, UBX.2 И UBX.3 С обмоток ротора снимаются напряжения ивых.ь иВь.х.2 и иВь,х.з. Напряжения UBx.i, UBx.2, иВх.з, иВых.ь UBb.x.2 и иВь.х.з поступают на нуль органы НОь Н02, НОз, НО4, НО5, Н06, на выходах которых в момент перемены знака напряжений (UBx.b UBx.2, иВх.з, иВых.ь иВых.2 и иВых.з) с отрицательного полупериода на1 положительный образуются импульсы Ua, UG, UB, Ur, ид, Ue. В схеме используются три триггера ТГЬ ТГ2 и ТГз. Эти триггеры фиксируют временные интервалы, соответствующие фазовым сдвигам питающих и выходных напряжений ФВ. ТГ] срабатывает от импульса Ua и сбрасывается импульсом Ur, ТГ2 соответственно от импульсов UG И ЦЦ, а ТГ3 срабатывает от импульса UB и сбрасывается импульсом Ue. С генератора импульсов (ГИ) импульсы все время поступают непосредственно на вход первого элемента совпадения Иь через первый элемент задержки (который задерживает импульсы ГИ на -уд периода следования счетных импульсов) на вход второго элемента совпадения И2 и через второй элемент задержки (на выходе которого импульсы ГИ задерживается на уд периода следования счетных импульсов) на вход третьего элемента совпадения И3. Выходные импульсы триггеров ТГ], ТГ2 и ТГ3 открывают или закрывают путь импульсов ГИ к двоичному счетчику. Смотря у какого триггера на выходе активный уровень импульсы с ГИ проходя через И], И2 или Из поступают на логическую схему ИЛИ и через делитель импульсов на три подаются на счетный вход двоичного счетчика. Если выход логической схемы ИЛИ непосредственно подсоединить к счетному входу счетчика, то, в конце преобразования на выходах двоичного счетчика получится цифровой код соответствующий тройному углу поворота ротора, т.е. Зф. Для того, чтобы получить нужный нам угол ср между схемой ИЛИ и счетчиком включен делитель импульсов на три. Элементы задержки используется для того, чтобы не происходило совпадение импульсов ГИ в случаи, когда открыты все триггеры одновременно, ведь счет импульсов производится отдельно для каждого выходного сигнала фазовращателя. Сброс счетчика производится от выходных импульсов первого выделителя нуля (ВЫ]).
Источник питания ИП, фильтр Ф, фазорасщепитель ФР, фазовращатель ФВ, нуль органы НО і, Н02, НОз, Н04, Н05, НОб, триггеры ТГЬ ТГг и ТГ3, умножитель частоты УЧ, логические элементы сравнения Иь И2 и И3, элементы задержки ЭЗ 1 и Э32, логический элемент ИЛИ, делитель на три Д, двоичный счетчик ДС.
Основным недостатком схемы приведенной на рис. 4.1.1. заключается в нестабильности частот питания и заполнения, что приводит к появлению погрешностей. Есть два варианта устранения этого недостатка: 1. Стабилизация частот питания со и заполнения &)гк; 2. Синхронизация частот питания со и заполнения соП1. Второй вариант более перспективный, т.к. отпадает необходимость в специальных точных стабилизаторах частоты. Синхронизация частот может осуществляться либо умножением частоты питания со, либо делением частоты заполнения &)ги. Структурная схема трансформаторного фазового аналого-цифрового преобразователя перемещений с синхронизацией частот питания и заполнения с помощью умножителя частоты УЧ представлена на рис. 4.2.1.
Генератор импульсов ГИ, делитель частоты ДЧ, фильтр Ф, фазорасщепитель ФР, фазовращатель ФВ, нуль органы НОь Н02, НОэ, Н04, НО5, НОб, триггеры ТГь ТГг и ТГз, логические элементы сравнения И], И2 и Из, элементы задержки ЭЗ1 и Э32, логический элемент ИЛИ, делитель на три Д, двоичный счетчик ДС.
Структурная схема трансформаторного фазового аналого-цифрового преобразователя перемещений повышенной точности с синхронизацией частот питания и заполнения с помощью делителя частоты ДЧ приведена на рис. 4.3.1. Напряжение с выхода делителя частоты с частотой У = га/д, где
А - коэффициент деления, равной 2П, где п - число разрядов двоичного счетчика ДС, как напряжение питания через фильтр Ф и фазорасщепитель ФР подается на фазовращатель ФВ.
Умножитель частоты, который использовался для синхронизации частот питания и заполнения в схеме приведенной на рис. 4.2.1., представляет собой довольно громоздкое устройство по сравнению с делителем частоты. Исходя из этого можно было бы дать предпочтение схемам с синхронизацией частот с помощью делителя частоты, однако в многоканальных (по входу) аналого-цифровых преобразователях с фазовращателями, потребляющими сравнительно большую, мощность от источников питания, на выходе делителя частоты необходимо предусматривать усилитель мощности. Поэтому в малоканальных АЦГШ более предпочтительны схемы с делителями частоты, а в многоканальных АЦГШ с мощными ФВ - схемы с умножителями частоты.
Промежуточным среди этих вариантов является вариант АЦГШ с синхронизацией частот, но без синфазирования счетчика с периодом питающего напряжения. Синхронизация частот в схемах этого варианта может также осуществляться как умножением, так и делением частот.
