Преобразователь перемещений в фазу синусоидального сигнала

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности преобразования при низкой опорной частоте - достигается за счет введения в преобразователь, содержащий синусно-косинусный датчик, дифференцирующий элемент, суммирующий усилитель, интегратор, фильтр нижних частот, корректирующего звена. 2 ил.

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано при создании прецизионных быстродействующих приводов подач на базе линейных двигателей переменного тока.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является преобразователь перемещений в фазу синусоидального сигнала [1] содержащий синусно-косинусный датчик перемещений, дифференцирующий элемент сдвига фазы, вход которого соединен с первым выходом синусно-косинусного датчика перемещений, суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующего элемента сдвига фазы, а второй вход с вторым выходом синусно-косинусного датчика перемещений, интегратор, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход подключен к третьему входу суммирующего усилителя, при этом выходом преобразователя является выход интегратора.

Синусно-косинусный датчик перемещений возбуждается синусоидальным сигналом опорной частоты. На выходе преобразователя формируется синусоидальное напряжение, фаза которого содержит информацию о контролируемом перемещении.

Используется интегратор на основе операционного усилителя (ОУ). Наличие напряжения смещения нуля ОУ и входных токов приводит к тому, что с течением времени ошибка интегрирования полезного сигнала может непрерывно нарастать.

В известном устройстве возникающее смещение выходного напряжения интегратора исключается следующим образом.

С помощью фильтра нижних частот выделяется низкочастотная составляющая выходного сигнала интегратора, которая затем подается через суммирующий усилитель на вход интегратора. Этим достигается автоматическое подавление смещения выходного сигнала интегратора.

При низкой опорной частоте контур компенсации смещения характеризуется малым коэффициентом затухания. Это приводит к тому, что возникает вносимая контуром компенсации смещения динамическая погрешность преобразования перемещений в фазу синусоидального сигнала.

Недостатком известного устройства является невысокая точность преобразования при низкой опорной частоте.

Целью изобретения является повышение точности преобразования перемещений в фазу синусоидального сигнала путем уменьшения динамической погрешности, вносимой контуром компенсации смещения.

Цель достигается тем, что в известный преобразователь перемещений в фазу синусоидального сигнала, содержащий синусно-косинусный датчик перемещений, дифференцирующий элемент сдвига фазы, вход которого соединен с первым выходом синусно-косинусного датчика перемещений, суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующего элемента сдвига фазы, а второй вход с вторым выходом синусно-косинусного датчика перемещений, интегратор, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, а выход является выходом преобразователя, и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом интегратора, дополнительно введено корректирующее звено, подключенное входом к выходу фильтра нижних частот, а выходом к третьему входу суммирующего усилителя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием корректирующего звена с указанными связями. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Введение корректирующего звена позволяет решить поставленную задачу повышения точности за счет уменьшения динамической погрешности, вносимой контуром компенсации смещения. Это достигается путем увеличения коэффициента затухания контура компенсации смещения. При изучении других технических решений в данной области техники не были выявлены признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Промышленное применение предлагаемого изобретения в измерительной технике для прецизионных быстродействующих электроприводов за счет увеличения коэффициента затухания контура компенсации смещения в преобразователе перемещений в фазу синусоидального сигнала обеспечивает повышение точности преобразования. Это позволяет повысить точность измерения перемещений исполнительных механизмов в электроприводах, использующих синусно-косинусные датчики перемещений с низкой опорной частотой возбуждения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя перемещений; на фиг. 2 структурная схема контура компенсации смещения.

Преобразователь содержит синусно-косинусный датчик 1 перемещений, дифференцирующий элемент 2 сдвига фазы, вход которого соединен с первым выходом датчика 1, суммирующий усилитель 3, первый вход которого соединен с выходом элемента 2 сдвига фазы, а второй вход с вторым выходом датчика 1, интегратор 4, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя 3, фильтр 5 нижних частот, вход которого соединен с выходом интегратора 4, и корректирующее звено 6, вход которого соединен с выходом фильтра 5 нижних частот, а выход подключен к третьему входу суммирующего усилителя 3, при этом выходом преобразователя является выход интегратора 4.

Устройство работает следующим образом.

Синусно-косинусный датчик 1 перемещений возбуждают синусоидальным сигналом опорной частоты. Первый выходной сигнал датчика 1 перемещений дифференцируют элементом 2 сдвига фазы. Выходной сигнал этого элемента поступает на первый вход суммирующего усилителя 3, где его суммируют с вторым выходным сигналом датчика 1 перемещений. Усиленный суммарный сигнал поступает на вход интегратора 4. Интегратор 4 формирует на выходе преобразователя синусоидальное напряжение, фаза которого содержит информацию о контролируемом перемещении.

Преобразователь перемещений содержит контур компенсации смещения выходного сигнала интегратора 4, который включает в себя фильтр 5 нижних частот, корректирующее звено 6, суммирующий усилитель 3 и собственно интегратор 4.

На фиг. 2 приведена структурная схема контура компенсации смещения, где W_и(р), W_ф(р), W_к(р) передаточные функции интегратора 4, фильтра 5 нижних частот, корректирующего звена 6; К_у коэффициент усиления суммирующего усилителя 3; U_вх эквивалентное входное напряжение, учитывающее смещение нуля и наличие входных токов ОУ интегратора 4; U_см- смещение выходного сигнала интегратора 4 (Гусев В.Г. Гусев Ю.М./Электроника: Учебное пособие для вузов. М. Высшая школа, 1982, с. 330).

Пусть в качестве фильтра 5 нижних частот используют простейшую сглаживающую RC-цепь с передаточной функцией W_ф(p) Постоянную фильтра 5 нижних частот выбирают равной , где _o опорная частота сигнала возбуждения датчика 1 перемещений; К постоянный коэффициент, К>>1.

В качестве корректирующего звена используют динамическое звено с передаточной функцией W_к(р) 1 + Т_кр, построенное на основе дифференциатора (Кустов О. В. Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М. Связь, с.59-61). Тогда, учитывая, что W_и(р) К_и/p, передаточная функция контура компенсации смещения будет равна W(p) K^-_y¹ = K^-_у¹ где относительный коэффициент затухания; T эквивалентная постоянная времени.

Из полученного результата следует, что контур компенсации смещения характеризуется коэффициентом затухания (Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1. Под ред. В.В.Солодовникова. М. Машиностроение, 1967, с.281) .

В известном преобразователе перемещений контур компенсации смещения описывается передаточной функцией W(p) K^-_у¹ и характеризуется коэффициентом затухания _o
Cравнительный анализ полученных результатов непосредственно подтверждает преимущество заявляемого устройства.

В известном устройстве коэффициент затухания контура компенсации смещения определяется только опорной частотой _o возбуждения датчика 1 перемещений. При низкой опорной частоте коэффициент затухания контура компенсации смещения в известном устройстве является малой величиной.

В заявляемом устройстве коэффициент затухания контура компенсации смещения также определяется опорной частотой, но, кроме того, зависит от постоянной корректирующего звена 6, коэффициентов усиления интегратора 4 и суммирующего усилителя 3. Это позволяет путем соответствующего выбора варьируемых параметров Т_к, К_и, К_у существенно увеличить коэффициент затухания контура компенсации смещения в заявляемом устройстве, тем самым повысить точность преобразования за счет уменьшения динамической погрешности, вносимой контуром компенсации смещения.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В ФАЗУ СИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА, содержащий синусно-косинусный датчик, дифференцирующий элемент сдвига фазы, вход которого соединен с первым выходом синусно-косинусного датчика, суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующего элемента сдвига фазы, а второй вход - с вторым выходом синусно-косинусного датчика, интегратор, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, а выход является выходом преобразователя, и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом интегратора, отличающийся тем, что дополнительно введено корректирующее звено, подключенное входом к выходу фильтра нижних частот, а выходом - к третьему входу суммирующего усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2