Компоновка типовых датчиков перемещений

 

Фазовый циклический преобразователь угла в код на базе сельсина с промежуточным преобразованием сдвига фаз во временной интервал

 

  При использовании в качестве первичного преобразователя ДП сельсина, расположенного на контролируемом валу, с его выходной обмотки снимается напряжение U c, фаза j которого изменяется пропорционально углу поворота вала α _x без изменения модуля амплитуды сигнала.

  Информационным признаком контролируемого перемещения (углового) становится разность фаз φ _x сигнала с обмотки сельсина U x и опорного сигнала U о той же частоты и амплитуды, но неизменной фазы (φ_о). Полный цикл изменения фазы соответствует одному обороту ротора. Далее происходит преобразование разности фаз во временной интервал и код (рис.12).

 

 

	а)

Рис.12. Угловой ДП на базе сельсина в качестве первичного преоб­разователя:

а) функциональная схема; б) временные диаграммы;

УФ – усилитель-формирователь; Тг – триггер; К – ключ;

ГИ – генера­тор счетных импульсов; ДС - двоичный счетчик

  ДП осуществляет ряд последовательных преобразований: α_х ® j _х ® t_х ® N _х ® код.

  Как уже было показано выше, усилители – формирователи в ДП с помощью усилителей – ограничителей увеличивают крутизну гар­монических сигналов в области перехода их через О и ограничивают амплитуду, чтобы расположение выходных импульсов УФ не зави­село от амплитуды U x. Фронт сигналов дифференцируют с помощью дифференцирующих устройств с выделением импульсов одной по­лярности, которые подают на триггер Шмитта для формирования четкого фронта сигнала, управляющего ключом К. Длительность сформированного триггером сигнала равна : в течение этого вре­менного интервала через открытый ключ от генератора счетных им­пульсов ГИ импульсы частотой f _o поступают на двоичный счетчик, кодирующий сигнал в ПДК.

  Число пришедших на ДС импульсов . Угол сдвига фаз j _х связан с   зависимостью , где Т х – период частоты f _x сигналов U x и U o. Из последнего выражения . Таким образом, , откуда , где   - постоянный коэффи­циент.

  Рассмотренный ДП обладает всеми погрешностями АЦП вре­менного интервала плюс погрешности, которые вносит усилитель-формирователь, формирующий импульсы, ограничивающие времен­ной интервал .

 

Фазовый циклический угловой ДП на базе вращающегося трансформатора

с промежуточным преобразованием во времен­ной интервал

  Первичным преобразователем угла поворота вала двигателя в элек­трический сигнал является синусно-косинусный ВТ, работающий в фазовом режиме и расположенный на валу контролируемого двига­теля. На выходе СКВТ имеем два гармонических сигнала (рис.13):

и

где К – постоянный коэффициент, U m и ω - амплитуда и частота питающего напряжения соответственно, a _х - угол поворота вала (фаза напряжения).

 

 

Рис.13. Схема углового ДП на базе вращающегося синусно-косинусного

трансформатора (СКВТ):

U_пит - напряжение питания; U_sin, U_cos - выходные напряжения СКВТ;

U₁, U₂ - напряжения на выходе фазосдвигающей цепи (ФСЦ); CC₁, CC₂ - компараторы,

Тг₁, Тг₂ - триггеры; И₁, И₂ - ключи; ГИ – генератор счетных импульсов;

  Сч - двоичный счетчик; Д – дат­чик циклов; З – схема задержки

  Как и в рассмотренном выше ДП на базе сельсина, в ДП с СКВТ происходит последовательное преобразование угла сдвига фаз между вспомогательными напряжениями U₁ и U₂, сформирован­ными ФСЦ, представляющей небалансный мост переменного тока (фазовращатель), во временной интервал , фиксируемый с помощью двух компараторов CC₁ и CC₂ и далее - аналого-цифровые преоб­разование временного интервала в код с помощью триггера Тг₁, ключа И₁, генератора счетных импульсов ГИ и двоичного счетчика Сч.

  Различие данного ДП и ДП на основе сельсина в том, что в послед­нем угол сдвига фаз формируется между выходным сигналом сель­сина и вспомогательным напряжением , для получения которого нужен специальный стабильный источник питания, а в рассматри­ваемом ДП два выходных сигнала с обмоток СКВТ - U_sin и U_cos подаются на ФСЦ, в которой параметры подобраны так, что R·С· ω =1; при этом на ее выходе имеем U₁ и U₂, сдвиг фаз между которыми .

В схему включен датчик циклов Д, с помощью которого устанав­ливается в нулевое состояние двоичный счетчик СТ₂ в начале каж­дого цикла – периода питающего напряжения или интервала, крат­ного этому периоду, если производится преобразование с усредне­нием. Сигнал датчика в каждом цикле после некоторой задержки (схема задержки 3) переводит триггер Тг₂ в единичное состояние, что подготавливает схему И₂ для подачи старт – импульса. После подачи старт – импульса триггер Тг₂ переходит в нулевое состоя­ние, не давая возможность ложному старт – импульсу пройти на схему в тот же цикл преобразования.

  Описанный метод преобразования угла в код широко используется из-за доступности т.к. весьма распространены ВТ, имеющиеся на станках, как датчики следящий системы.

  Недостатки метода: отсутствие однозначности в определении знака входного угла в пределах полного оборота ротора ВТ. Этот недостаток исклю­чается при введении схемы формирования признака полупе­риода по показаниям счетчика и знакам U₁ и U₂; низкая точность преобразования из-за влияния нестабильно­сти частоты питающего напряжения, так как при этом изменяется временной интервал t _x. Устраняется относительным измере­нием: определяется частное от деления показаний счетчика и числа, пропорционального периоду питающего напряжения (дополнительный счетчик); влияние конструктивных погрешностей в основном от не пер­пендикулярности обмоток ВТ. Вводят схемы усреднения пока­заний.

 

Фотоимпульсный накапливающий преобразователь
угла в код

 

Фотоэлектрические первичные преобразователи перемещений имеют в своей основе растровый оптический модулятор.

  Оптический модулятор состоит из сопряжения
измерительного (кругового или линейного) и индикаторного (неподвижного) элементов, имеющих периодическую структуру штрихов, нанесенных на оптическое стекло с шагом, который является периодом звена и определяет начальную разрешающую способность модулятора [28].

Каждый растр представляет собой комбинацию непрозрачных штрихов, нанесенных на поверхность прозрачного оптического стекла с шагом ω.

Отношение τ_о= a/ω (a - ширина прозрачного штриха), характеризующее пропускающую способность растра, называется пропусканием растра и является его основной оптической характеристикой. Пропускание растрового сопряжения τ_о= Ф/Ф_о,  где Ф_о - световой поток, попадающий на растр; Ф - поток, прошедший через растр.

       Соответствующим выбором параметров растрового сопряжения можно
получить синусоидальный характер изменения пропускания для фотоприемника

линейного ФДП (фотодатчика перемещений):

 ,           

где i = 1,2,3,4 - для большинства стандартных ФДП;

τ_о - постоянная составляющая пропускания;

m - коэффициент глубины модуляции;

Θ =(2π/ω)·x - пространственная фаза комбинационной муаровой полосы;

x - линейное перемещение измерительного растра относительно индикаторного в пределах шага ω.

     Упрощенные конструкции импульсных ФДП изображены на рис.14.

5

5

9

8

Рис.14. Круговой (а) и линейный (б) оптический импульсный ДП:

1 – осветитель; 2 – линза; 3 – круговая (линейная) шкала; 4 – вал; 5 – риски нуль-метки;

6 – съемник; 7,8 – фотодиоды; 9 – фотодиод нуль-метки; 10 – фланец ДП

 

       В круговом ФДП на съемнике расположены два сектора штрихов, смещенных друг относительно друга на ¼ шага растра. С таким же смещением в пространстве расположены фотодиоды в фотоприемнике. Три из них ФД1, ФД2,ФД3 являются входными устройствами измерительных каналов (рис.15) и выдают два гармонических сигнала U₁ и U₂, сдвинутых по фазе на π /2 рад, несущих информацию об измеряемом перемещении φ_х, и опорный сигнал “0”. Для исключения влияния постоянной составляющей сигнала используют два вспомогательных диода ФД01 и ФД02, включенных на входы соответствующих усилителей в противофазе с основными фотодиодами.

U2

При перемещении измерительной растровой решетки в одном направлении
сигнал U₁ отстает на четверть периода от сигнала U₂, а при изменении
направления перемещения второй сигнал отстает от первого на четверть
периода. Таким образом, знак фазового сдвига сигналов U₁ и U₂, созданных двумя парами фотоприемников, характеризует направление измеряемого перемещения.

U1

Рис.15. Структурная схема формирования последовательности

прямоугольных импульсов:

ФД1..ФДЗ, ФД01, ФД02 - фотодиоды; У1..УЗ -усилители;

Ф1..ФЗ - формирователи; ВУ1..ВУЗ - выходные усилители

Электронная схема датчика импульсов содержит в каждом из трех каналов входной операционный усилитель У1-УЗ, формирователь Ф1-ФЗ, выходной каскад усиления

ВУ1-ВУЗ.

  Сигналы с фотодиодов ФД1-ФДЗ усиливаются входными усилителями,
построенными на операционном усилителе К553УД1А (для ДП ВЕ-51А).

  На входы усилителей подаются также сигналы от опорных фотодиодов ФД01 и
ФД02 для компенсации постоянной составляющей сигнала вследствие изменения светового потока лампочки. Затем синусоидальные сигналы, сдвинутые по фазе на π/2, а также сигнал отсчета, получаемый от фотодиода ФДЗ, подаются на входы формирователей, где преобразуются в прямоугольные импульсы, амплитуда и форма которых не зависят от изменения амплитуды синусоиды в определенных пределах. Каждому периоду синусоидального сигнала соответствует один период выходного прямоугольного сигнала (рис.16). Формирователем импульсов служит компаратор, собранный на базе интегральной микросхемы К553УД1А.

  Для получения прямых и инвертированных сигналов каждого канала необходимой мощности, последние с компараторов поступают на выходные каскады усиления, выполненные на транзисторах КТ315Б.

  Использование в электронной части ДП двух каналов для параллельного преобразования выходных сигналов двух групп фотоприемников, сдвинутых в те пространстве друг относительно друга на π/2, дает возможность выполнить два требования, предъявляемых к датчикам перемещения в системах ОС приводов АО:

  - получить сигнал, несущий информацию о направлении перемещения (в случаях реверса);

  - увеличить разрешающую способность ДП по сравнению с оптическим модулятором.

  Для реализации этих задач в ФДП используют специальные логические схемы. Если ограничиться лишь возможностями схемы, приведенной на рис.15, можно получить на ее выходе последовательность импульсов, которые подсчитывает реверсивный двоичный счетчик, причем каждый импульс соответствует перемещению измерительного растра на один шаг ω. Дальнейшее увеличение разрешающей способности ДП позволяют получить схемные способы дробления шага сопрягающихся растров на 4-20 частей. Представленная на рис.16а структурная схема отсчетной части позволяет получить вместо одного четыре импульса на одну муаровую полосу.

а)                                            б)

Рис.16. Отсчетная часть ФДП:

а) структурная схема; б) диаграммы последователной обработки сигналов U₁ и U₂.

Д1-Д8 – дифференцирующие цепочки, И1-И8 – схемы “И”, ИЛИ1-ИЛИ2 – схемы “ИЛИ”,

РДС – реверсивный двоичный счетчи к

 

       С выхода формирователей (рис.15) четыре прямоуголных напряжения , три из которых сдвинуты относительно предыдущего на π/2 раз, поступают в отсчетную часть.

       Для формирования импульсов сложения используются четыре схемы совпадения И1-И4, с выхода которых импульсы поступают на схему ИЛИ1. Для формирования импульсов вычитания служат схемы совпадения И5-И8, с выхода которых импульсы поступают на схему ИЛИ2. Все схемы совпадения имеют один потенциальный и один импульсный входы. На потенциальные входы схем И подаются прямоугольные напряжения , а на импульсные входы импульсы, полученные дифференцированием фронтов прямоугольных сигналов дифференцирующими цепочками Д1-Д8. Из диаграммы работы (рис.16,б) видно, что при движении измерительной растровой решетки в направлении (+Х) на реверсивный счетчик РС поступят сигналы сложения:

       При движении измерительной растровой решетки в обратном направлении (-Х) на реверсивный счетчик РС поступают сигналы вычитания:

       При перемещении измерительной решетки на один шаг на счетчик посылаются четыре импульса, т.е. данное накапливающее устройство обладает разрешающей способностью, соответствующей ¼ шага растра. Путем некоторого усложнения блока выработки счетных импульсов можно получить восемь импульсов на один шаг растра.