Устройство для измерения перемещений

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчиках перемещений, работающих в режиме фазовращателя при измерении перемещений, скоростей и положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа. Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей. При перемещении головки фазовращателя сигналы с его выхода поступают на вход усилителя и преобразуются в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линеек. Указанные сигналы подаются на счетный вход регистра, на другой вход которого поступают сигналы со счетчика-таймера . Значение кода в регистре будет изменяться с приходом каждого следующего импульса с выхода фазовращателя. В результате последующей обработки сигнала на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4801629/28 (22) 12.03.90 (46) 30.12.92. Бюл. ЬЬ 48 (71) Проектно-конструкторский институт

"Уралпроектмонтажавтоматика" (72) В.А,Плеханов (56) Батворин А.А. и др, Цифровые системы управления.злектроприводами, Л.: Энергия, 1977. с,49 — 50.

Отчет ВНИИМЕТМАШа М 77;1,19.45429 Н/3 45 — 769, Разработка и исследование специализированной командной аппаратуры для датчиков контроля перемещений, М,;

ВНТИЦ, инв, М Б715903, 1981, с.37 —.51; (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчиках перемещений, работающих в режиме фаэовращателя при измерении перемещений, Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в угловых и линейных датчиках перемещения, работающих в режиме фазовращателя, типа индуктосин, применяемых для измерения перемещений, скоростей или положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа.

Известно устройство преобразования скорости углового перемещения в код, которое содержит последовательно соединенные генератор, делитель частоты, фазорасщепитель, фазовращатель, умножи„„Я2„„1784836 Al скоростей и положения подвижных элементов исполнительных механизмов различного типа. Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей. При перемещении головки фазовращателя сигналы с его выхода поступают на вход усилителя и преобразуются в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линеек, Указанные сигналы подаются на счетный вход регистра, на другой вход которого поступают сигналы со счетчика-таймера. Значение кода в регистре будет изменяться с приходом каждого следующеro импульса с выхода фазовращателя. В результате последующей обработки сигнала на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки.

2 ил. тель частоты и схему сравнения, ко второму входу которой подключен выход генератора, Недостатком известного устройства преобразования скорости углового перемещения в код является сложность аппаратной реализации его из-за наличия двух каналов преобразования, что требует дополнительных элементов для построения преобразователя и снижает надежность его работы. Кроме того, из-за неидентичности настройки каналов и разброса параметров (фазовые нестабильности фильтров и нульорганов) и при наличии в измеряемых на1784836

10

20

45

55 пряжениях гармоник, ухудшается точность измерения параметра перемещения, а также возможные сбои в режиме реверса.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель (индуктосинный датчик линейных перемещений), обмотки головки ко. торого подключены к формирователю синусоидЪльного напряжения. связанного через"делитель частоты с генератором импульсов, усилитель линейки, вход которой подключен к,выходным обмоткам линейки фазовращателя, а выход к умножителю частоты, связанного через импульсный преобразователь с опорным каналом, Недостатком известного устройства для измерения перемещений является невысокая точность измерения, обусловленная инерционностью системы фазовой автоподстройки частоты, частотными и фазовыми искажениями, вносимыми фильтром низких частот, наличием комбинационных частот на выходе фазового детектора, а также сложность схемы преобразования и ограниченные функциональные возможности.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения погрешности от нестабильности частоты питающего напряжения и расширения функциональных воэможностей за счет обеспечения воэможности измерения скорости перемещения., Это достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель, подключенную к его обмотке возбуждения цепь из последовательно соединенных генератора импульсов, делителя частоты, формирователя синусоидального напряжения, усилителя, подключенный к выходу сигнальной обмотки фазовращателя второй усилитель, снабжено счетчиком-таймером, первый вхоц которого подключен к генератору импульсов, второй — ко второму выходу делителя частоты, регистром, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй — к выходу счетчика-таймера, формирователем логической единицы, первый выход которого подключен к третьему входу регистра, вспомогательным счетчиком, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя логической единицы, сумматором, первый вход которого соединен с первым выходом регистра, второй — с третьим выходом формирователя логической единицы, третий — с первым выходом вспомогательного счетчика, четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, четырьмя элементами ИНЕ, входы первого элемента ИЛИ-КЕ соединены с группой младших разрядоа выхода сумматора, входы второго элемента ИЛИНЕ соединены с группой старших разрядов выхода сумматора. выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ подключены к соответствующим входам первого элемента

И-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого подключен ко второму выходу генератора импульсов, выход — к входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ и первому входу третьего элемента И-НЕ, старший разряд выхода сумматора подключен ко второму входу третьего элемента И-НЕ и входу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ подключен к первому входу четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-HF, выход — ко второму входу вспомогательного счетчика. третий вход которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ, а вторые выходы вспомогательного счетчика и второго элемента И-НЕ являются выходами устройства.

Предполагаемое изобретение позволяет применить метод умножения частоты выходного сигнала фазовращателя, основанного на заполнении, например, счетчика-таймера, работающего в циклическом режиме, частотой синхронизированной с частотой питания, в течение времени, . равного периоду питающего напряжения обмотки возбуждения фазовращателя.

При этом, если за интервал времени измерения выбрать период частоты выходного сигнала, а в качестве опорного — период питающего обмотки возбуждения напряжения, то величина перемещения головки фазовращателя относительно линей и будет однозначно определяться только изменением периода частоты выходного сигнала фазовращателя: где p — мгновенная фаза выходного сигнала; в о — круговая частота питающего фазовращатель тока;

X — координата головки фазовращателя относительно линейки;

iL — шаг линейки, в пределах которого составляющая мгновенного значения, зависящая от координаты перемещенйя, изменяется на л

При перемещении головки фазовращателя относительно линейки текущая фаза

1784836 выходного напряжения линейки изменяется пропорционально скорости ее перемещения, соответственно изменяется и частота выходного сигнала

Обозначая начальное и конечное положение головки фазовращателя относительно линейки через Х1 и Хг найдем величину перемещения головки за и периодов Ti иэ5 мерения. Согласно уравнения (7) оно будет

: равно: (2) б(Р» 2m dx л

dt . л dt

i=n

Х-Хг-X>- g (ti+> ti) . (8) То 1 где coi — мгновенная частота выходного сигнала фаэовращателя. 10

Преобразуя уравнение (2), можно показать, что

Поскольку — для данного фазовра1

Тoщателя величина постоянная, то

Фс ЬХ

dt Т) ЬХ

Т Т Т

dx jl 1

dt 2ж Ti To 15 — — (> — и.) =А(— — — )

f=n (3) Х=К Y (+1-u) где Ti — период частоты выходного сигнала фаза вращателя, То — период частоты питающего обмот- где K — постоянная преобраз ф где — постоянная прео разования фаэовки возбуждения напряжения фазовраща- 20 päùäte„„ теля.

°, Предполагаемое устройство позволяет

ПосколькУ пеРиод То питающего напРя в зависимости от направления перемещеженйя и шаг il линейки величины настоян- ния головки фазовращателя о о азовращателя относительно ные, . следовательно, . величина: линейки довольно простым способом опрперемещения будет онределяться только 5 делить знак направления пере е е делить знак направления перемещения, а изменением периода Ti... также измерить различйые йараметры пеРеЗаполняя период То импульсами, к0ли- мещения. Так перемещения линейки отночество которых в каждом из периодов при- . сительно головки в пределах шага линейки нимает значения от 1 до Й, то как показано или в пределах всей длины линейки можно на диаграмме фазового сдвига выходного 30 измерить, например, с помощью известных сигнала Исиг. фаэовращателя относительно . пересчетных устройств в код, который с попитающего его обмотки возбуждения на- .мощью также известных отсчетных устпряжения Ивоз. (фиг.2) количество этих им- ройств может индицироваться в желаемых пульсов за промежуток времени, Равный единицах измерения. Положение или перепериоду Т частоты выходного сигнала будет 35 мещение в пределах линейки может опреде: равно ляться и путем подсчета количества имйульсов, снимаемых с выхода второго

T - To+ 9+1- t (4) элемента И-НЕ ийтегрирующим счетчиком, а скорости перемещения — цифровым частогде ti, tt+> — количество импульсов сосчитан- 40 томером в единицу времени, за счет чего ное, например, со счетчика-тайМера. в пРед- расширяются функциональные воэможноыдущий и последующий период измерения, сти устройства .

1 — порядковый номеР. периода Т1 изме- .,- Ha фиг.1 изображена структурная схема

Рения .. : Устройства для измерения перемещений; на

Величина перемещения головки фазов- 45 фиг,2 — диаграмма фазового сдвига в ходращателя относительно линейки при усло. ного сигнала фазовращателя относительно вии, что питающего его.обмотки возбуждения напряжения. (5) Устройство для измерения перемеще50 ний содержит фаэовращатель 1 (индуктосинный датчик линейных перемещений), и учитывая выражения (3,4) будет равно состоящий из головки 2 и линейки 3, усилитель 4, формирователь 5 синусоидального (6) напряжения, второй усилитель 6, регистр 7, сумматор 8, вспомогательный счетчик 9, формирователь 10 логической единицы, откуда первый и второй элементы 11, 12 ИЛИ-НЕ, ЬХ = . (tl+q - ti) (7) первый и второй элемент 13, 14 И-НЕ, треТо тий элемент 15 ИЛИ-НЕ, третий и четвертый

1784836 элемент 16, 17 И-НЕ, четвертый элемент 18

ИЛИ-НЕ, генератор 19 импульсов, делитель

20 частоты и счетчик-таймер 21.

К обмотке возбуждейия фазовращателя

1 подключена цепь из последовательно соединенных генератора 19 импульсов, делителя 20 частоты, формирователя 5 синусоидального напряжения, усилителя 4.

К сигнальной обмотке фазовращателя подключен второй 6 усилитель. Первый вход счетчика-таймера 21 подключен к генератору

19, импульсов, а второй ко второму выходу делителя 20 частоты. Первый вход регистра

7 подключен к выходу второго 6 усилителя, а второй к выходу счетчика-таймера 21.

Первый вход формирователя 10 логической единицы подключен к третьему входу регистра 7. Первый вход вспомогательного

9 счетчика соединен со вторым выходом формирователя 10 логической единицы.

Первый вход сумматора 8 соединен с первым выходом регистра 7, второй вход с третьим выходом формирователя 10 логической единицы, третий — с первым выходом вспомогательного 9 счетчика, Входы первого элемента 11 ИЛИ-HE соединены с группой младших разрядов выхода сумматора 8, входы второго элемента 12 ИЛИ-HE соединены с группой старших разрядов выхода сумматора 8, а выходы этих элементов подключены соответственно к первому и второму входу первого элемента 13 И-НЕ; выход этого элемента соединен с первым входом второго элемента 14 И-НЕ, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора 19 импульсов, а выход подключен к входу четвертого элемен-.а 18 ИЛИ-НЕ и

nepsoMy входу третьего элемента 16 И-НЕ, Старший разряд выхода сумматора 8 соединен со вторым входом третьего элемента 16

И-HE и с входом третьего элемента 15 ИЛИНЕ, Четвертый элемент 18 ИЛИ-HE своим выходом подключен к первому входу четвертого элемента 17 И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента 15 ИЛИ-НЕ, выход — ко второму входу вспомогательного 9 счетчика. Третий вход вспомогательного счетчика 9 соединен с выходом третьего элемента 16 И-НЕ. Вторые выходы вспомогательного 9 счетчика и выход второго элемента 14 И-HE являются выходами устройства для измерения перемещений.

Устройство для измерения перемещений работает следующим образом, Импульсы прямоугольной формы, поступающие на вход формирователя 5 синусоидального напряжения (фиг.1) с делителя

20 частоты преобразуются формирователем

5 в синусоидальное напряжение, которое после фильтрации (а, если необходимо, фазовращателя для получения двух синусоидальных напряжений равных по амплитуде, но сдвинутйх относительно друг друга на 90 эл, град.) подаются через усилитель 4 в обмотки возбуждения головки фазовращателя

При подаче питания в обмотки возбуж- . дения, в сигнальных обмотках линейки 3 наведется ЭДС. Напряжение, снимаемое с обмоток линейки, несущее информацию о фазовом сдвиге, между периодом То питаю10 щего напряжения и периодом T — выходного сигнала линейки поступает на вход второго усилителя 6, где оно усиливается и преобразуется в последовательность им15 пульсов, частота которых пропорциональна перемещению головки относительно линейки.

Импульсы с выхода коллектора транзисторного ключа (на чертеже не показан) вто20 рого усилителя подаются на тактовый счетный вход С2 регистра 7, выполненного на микросхеме К155ИР1. По переднему

25 фронту этих импульсов и при наличии на управляющем входе V2 уровня логической

"1", поступающей с формирователя 10 логической единицы, происходит параллельное занесение информации в регистр через параллельные входы Д1...Д4 со счетчика-таймера 21.

Счетчик-таймер 21 представляет собой двоичный и- разрядный счетчик, работаю30 щий в циклическом режиме, С приходом с

35 делителя 20 частоты тактирующего импульса, длительность которого равна периоду То питающего обмотки возбуждения напряжения, на выходе счетчика-таймера вырабатывается код, формируемый импульсами, поступающими на счетный вход счетчикатаймера с генератора 19 импульсов. Инфор40 мация со счетчика-таймера в параллельном коде записывается в триггеры регистра 7 в течение времени, равного периоду Т. часто45 ты выходного сигнала фаэовращателя, Код на выходе регистра является временным аналогом кодовой маски положения головки относительно линейки.

Значенйе кода в регистре 7 будет изме50 няться с приходом каждого следующего импульса с выхода фаэовращателя и с подачей нового кода со счетчика-таймера. При перемещении головки длительность импульсов выходного сигнала фазовращателя будет

55 изменяться следующим образом: с увеличением длительности импульсов значение кода регистра будет увеличиваться, а при уменьшении длительности импульса— уменьшаться, При равенстве периодов То питающего напряжения обмотки возбужде10

1784836 ния и периода Ti напряжения выходного сигнала фазовращателя (головка неподвижна) вспомогательный счетчик 9 как бы "догоняет" регистр 7 и в зависимости ат направления перемещения и величины фазового сдвига между питающим напряжением То обв регистр будет записываться один и тот же код.

В момент перемещения. головки относительно линейки с приходом импульса измемоток возбуждения и напряжением выходного сигнала Т фазовращателя на выходе вспомогательного счетчика будет формироваться код, пропорциональный перемещению головки относительно линейки, Работу регистра, сумматора и вспомогательного счетчика в совокупности со счетчиряемога сигнала между регистром 7 и вспомогательным счетчиком 9 устанавливается равновесие записанных в них ранее кодов. Содержимое регистра в четырехразрядном параллельном коде поступает на

10 входы А1...А4 сумматора 8, выполненного ком-таймером можно представить на конкретном примере следующим образом.

При приходе тактового импульса со второго

6 усилителя в регистр 7 со счетчика-таймера

21 запишется какой-то код, например, 0110 (десятичное число 6). При этом на выходе на микросхеме К155ИМЗ, на входы 81...84 этого сумматора подается проинвертированный четырехразрядный код с выхода вспомогательного счетчика. Поскольку эти коды равны по модулю, та суммарное их вспомогательного счетчика 9 должен установиться инверсный код равный коду регизначение на выходе сумматора равно "0", т.е. на выходе сумматора во всех его разрядах будут "0", соответственно и на входе второго элемента 14 И-НЕ будет нулевой уровень, блокирующий прохождение импульсов с генератора 19 импульсов через стра 7, а именно — 1001 (6), в противном

20 случае в выходном коде сумматора 8 будет присутствовать хотя бы одна логическая "1".

А это означает, что на выходе второго элемента 14 И-НЕ (фиг.1) также будет лагичетретий и четвертый элемент 16,17 И-НЕ на

25 ская "1", которая разрешит прохождение импульсов на вход вспомогательного счетвход вспомогательного счетчика

С приходом следующего импульса измеряемого сигнала в зависимости от начика с генератора импульсов 19. Прахаждение импульсов через элемент 14 И-HE прекратится при условии установления нуправления перемещения головки левого када на выход. е сумматора, Эта произойдет тогда и только тогда, пока на его нии (уменьшении) кода регистра над кодом входах не установится инверсный код вспомогательного счетчика, равный коду регист- . ра (вообще-та на выходе вспомогательного счетчика инверсный код установится рав- ным выходному коду регистра уже при пода.че питания на схему), Действительно, при сложении кода регистра 0110 и кода вспомогательного счетвспомогательного счетчика на выходе сумматора 8 в старшем разряде будет соответственно "0" или "1", При наличии на выходе

35 старшего разряда сумматора "1", на выходе второго и третьего элемента 12, 15 ИЛИ-НЕ будет "0", соответственно, на выходе первоro элемента 13 И-НЕ будет "1". При этом через открытый ключ второго элемента 14

И-HE на вход четвертого элемента t8 ИЛИНЕ и на вход третьего элемента 16 И-НЕ будет поступать последовательность имчика 1001 (6) получим кад., равный 1111, и единицей переноса, поступающей на вход

Ро сумматора с формирователя 10 логической единицы (микросхема К155ЛАЗ), пол40 пульсов с генератора 19 импульсов. Так как учим на выходе сумматора кад 0000. открыт третий элемент 16 И-НЕ с выходом на "вычитание", кад вспамагательнбга счетчика будет уменьшаться да равенства с кодом регистра, При наличии на выходе старшего разряда,сумматара "0", на выходе первого элеЕсли с приходом следующего тактового импульса в регистр запишется большой кад, 45.. например, 0111 (7), то при сложении этого кода с ранее записанным кодом 1001 (6) вспомогательного счетчика и, учитывая единицу переноса, код на выходе сумматора мента 11 ИЛИ-НЕ будет "1", которая 50 будет равен 0001. Для того, чтобы код на выходе сумматора был нулевой, неабходиразрешит прохождение импульсов через четвертый элемент 17 И-НЕ с выходом на ма кад вспомогательного счетчика в данном случае уменьшить на единицу. Если в регистр запишется меньший код, например, 0101 (5), на выходе сумматора код будет равен:

"сложение", увеличивая кад вспомогательного счетчика до,равенства с кодом регистра. Следовательно, в зависимости от того, какой вход элементов 16, 17 И-НЕ открыт, будет определяться в знак направления перемещения головки относительно линейки.

Таким образом, при перемещении головки относительно линейки фазавращателя

0101 + 1001 + 1 = 1111 относительно линейки в регистр 7 запишется больший (меньший) кад, При превыше- 30

1784836

В этом случае, чтобы на выходе сумматора был нулевой код, нужно к выходному коду вспомогательного счетчика прибавить логическую "1", т.е. в зависимости от направления перемещения головки относительно линейки фазовращателя код вспомогательного счетчика будет. либо уменьшаться, либо увеличиваться. Причем, эа положительное перемещение принимается превышение кода регистра над кодом вспомогательного счетчика, В этом случае в старшем разряде выходного кода сумматора будет логический "0", а на выходе "вычитание" элемента 16 И-НЕ (фиг.1) будет логическая "1", которая при подаче ее на счетный вход "+1" вспомогательного счетчи ка, выполненного на микросхеме К155ИК7, работагощего в режиме суммирования и вычитания, вызовет переход из состояния логического "0" в состояние логической "1" на счетном входе "-1" этого счетчика, т.е, вспомогательный советчик перейдет из режима суммирования в режим вычитания, И, наоборот, прй наличии логической "1" в старшем разряде выходного кода сумматора на выходе "вычитание" элемента 16 И-НЕ появится логический "0", а на выходе "сложение" элемента 17 И-HE — логическая "1", которая будет подана на инвертирующий счетный вход "-1" вспомогательного счетчика и переведет его из режима вычйтания в режим сложения.

Из выше сказанного видно, что в зависимости от того, по какому счетному входу

"+1" или "-1" производится запись информации в счетчик, инвертирование кода на выходе. вспомогательного счетчика осуществляется автоматически.

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений, содержащее фазовращатель, подключенную к его обмотке возбуждейия цепь из последовательно соединенных генератора импульсов, делителя частоты, формирователя синусоидального напряжения, усилителя, подключенный к выходу сигнальной обмотки фазовращателя второй усилитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет исключения погрешности от нестабильности частоты питающего напряжения и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения воэможности измерения скорости перемещения, оно снабжено счетчиком-таймером, первый вход которого подключен к генератору импульсов; второй — к второму выходу делителя частоты, реги10 стром, первый вход которого подключен к выходу второго усилителя, второй — к выходу счетчика-таймера. формирователем логической единицы; первый выход которого подключен к третьему входу регистра, 15 вспомогательным счетчиком, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя логической единицы, сумматором, первый. вход которого соединен с первым выходом регистра, второй — с треть- .

20 им выходом формирователя логической единицы, третий — с первым выходом вспомогательного счетчика, четырьмя элементами ИЛИ-НЕ, четырьмя элементами ИНЕ, входы первого элемента ИЛИ-НЕ хода сумматора, входы второго элемента

ИЛИ-НЕ соединены струппой старших разрядов выхода сумматора, выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ подключены к соответствующим входам первого элемента

И-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого йодключен к второму выходу генератора, выход — к четвертому входу четвертого элемента ИЛИ-НЕ .и первому входу третьего элемента И-НЕ, старший разряд . выхода сумматора подключен к второму входу третьего элемента И-НЕ и входу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход четвертого элемента ИЛИ-НЕ подключен к перво40 му входу четвертого элеь..ента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-НЕ, выход — к второму входу вспомогательного счетчика, третий. вход ко45 торого подключен к выходу третьего элемента И-Н Е, а вторые выходы вспомогательного счетчика и второго элемента И-HE являются выходами устройства, 25 .соединены с группой младших разрядов вы1784836 й„.г

Составитель B.Ïëåxàíîâ

Техред М.Моргентал Корректор М.Керецман

Редактор А. Бер

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4358 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, МосКва, Ж-35, Раушскал наб., 4/5