Дипломная работа: Разработка циклического преобразователя модулированных по фазе выходных сигналов электромагнитного датчика угловых перемещений вала в код

В начале разработки преобразователя известен тип датчика и его метрологические параметры. Применяются два метода преобразования аналоговых выходных сигналов датчика в код: амплитудный и фазовый. С метрологической точки зрения амплитудный и фазовый методы преобразования равноценны. Но фазовый метод позволяет уменьшить объем используемой аппаратуры [2].

Методы измерения сдвига фаз сигналов позволяют достигать точности измерения, превышающей точность электромагнитных датчиков. Первой задачей при разработке преобразователя сигналов в код является синхронизация отдельных узлов и элементов системы. Вторая задача -- выбор метода преобразования, который обеспечивает заданные параметры преобразователя при известных ограничениях на объем аппаратуры.

Сравнение амплитудного и фазового методов измерения

Принцип работы амплитудного метода преобразования угла поворота вала в код заключается в сравнении амплитуды сигнала, получаемого с датчика с амплитудой опорного сигнала. По принципам сравнения амплитуд, метод может быть произведен в нескольких схемных решениях:

· промежуточное преобразование в тангенс поворота;

· преобразование на основании воспроизведения аппроксимирующих функций угла;

· преобразование амплитуды во временной интервал;

· преобразование на основе генератора гармонических сигналов [3].

Отличиями фазовых методов от амплитудных являются более простые алгоритмы преобразования. Фазовые методы позволяют значительно повысить точность преобразователей, а также помехоустойчивость. Погрешности цифровых преобразователей угла при применении фазовых методов зависят преимущественно от фазовой стабильности первичных датчиков угла и преобразующих устройств. Необходимо рассмотреть каждый из этих методов, чтобы выявить их достоинства и недостатки и выбрать методы для разработки схемы преобразователя.

1.3 Анализ способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз

1.3.1 Метод бегущей стробирующей метки

Этот метод преобразований «фаза-код» отличается использованием непрерывно работающего счетчика. При использовании данного метода формируются гармонические квадратурные сигналы с частотой , синхронизированные с .

Рис. 4. Схема преобразователя фаза-код по методу стробирующей метки (а) и схема формирователя квадратурных напряжений

Переход выходного напряжение через нуль фиксируется компаратором и формирователем напряжений они же формируют прямоугольный импульс, который и называется стробирующей меткой. Момент записи кода фиксируется и происходит считывание. Таким образом, от соотношения не будет зависеть точность выходных данных преобразователя, что является главной особенностью метода бегущей стробирующей метки. Данный метод отличается простотой реализации, а недостатком этого метода является низкая помехозащищенность.

1.3.2 Импульсный метод

Импульсный метод преобразования фазы в код является наиболее распространенным. Принцип работы этого метода заключается в заполнении счетными импульсами временного интервала пропорционального фазовому сдвигу. Импульсы при этом подсчитывается счетчиками.

Для более подробного рассмотрения импульсного метода необходимо определить основные параметры, используемые в формулах. Фаза гармонического колебания вида

,

где -- это константы, определяется как аргумент синусоидальной функции .

При этом -- амплитуда гармонического колебания;

-- период синусоидального колебания;

-- начальный фазовый сдвиг;

-- текущее время.

Разность фаз между двумя гармоническими сигналами определяется выражением

.

Рис. 5. Функциональная схема, реализованная на основе импульсного метода

Для реализации импульсного режима на практике необходимо определить мгновенное изменение фазы гармонического сигнала. Такое изменение обычно называют скачком фазы. Скачок фазы можно определить как изменение формы входного сигнала вида на сигнал вида:

в момент времени , то есть изменение фазы фиксируется изменением аргумента функции гармонического сигнала на величину этой фазы.

В отличие от метода бегущей стробирующей метки, в импульсном методе преобразования фазы в код, точность зависит от соотношения: , где несущая частота, а стабильная частота. Импульсный метод отличается также относительной простотой реализации и как следствие распространенностью в современных системах, где используется преобразования сигналов в код. В данной дипломной работе будет реализован именно импульсный метод преобразования фазы в код в виду его распространенности.

1.3.3 Интегрированное преобразование сдвига фазы в код

Многократные измерения позволяют уменьшить систематическую погрешность. Принцип работы интегрирующего преобразователя фазы в код заключается в сложении кодов, соответствующих мгновенным значениям сдвига фазы, с последующим делением на суммарного кода. Угол поворота сдвига фаз при этом можно будет выразить соотношением

где -- номер измерения фазы.

Суммирование временных интервалов в этом методе начинается о значения меньшего половины полного значения фазы. В случае, если временной интервал от старт - до стоп-импульса больше полного значения фазы, то к моменту перехода через полное значение фазы временные интервалы вычитаются из общей суммы. При переходе через полное значение фазы временные интервалы суммируются. Если временной интервал от старт - до стоп-импульса в начале измерений меньше половины полного значения фазы, то к моменту перехода полного значения фазы временные интервалы суммируются, а после перехода вычитаются.

Недостатком такого метода являются динамические погрешности возникающие из-за несоответствия информации ее значению в определенные моменты времени.

Для повышения производительности преобразователей фазы в код интегрирующего типа часто используют метод «скользящего усреднения». Данный метод служит для преобразования временных интервалов, пропорциональных измеряемому сдвигу фаз в код и подсчету среднего арифметического кодовых значений интервалов.

Можно сделать вывод, что преобразователи фазы в код интегрирующего типа рационально использовать в системах с низкой или близкой к постоянной скорости измерения сдвига фазы.

1.3.4 Однократное измерение значения сдвига фаз

В основе однократного измерения значения сдвига фаз лежит принцип преобразования измеряемого сдвига в периодическую последовательность эталонных временных интервалов от старт-импульсов до стоп-импульсов. Импульсы тактового генератора подсчитываются в интервале от старт - до стоп- импульса. Таким образом, дискретное значение фазы является числом подсчитанных импульсов в данном интервале.

где -- цена одного импульса.

Максимальное время преобразования фазы равно двум периодам входного сигнала.

Основным недостатком метода мгновенного измерения значения сдвига фаз является погрешности, возникающие вследствие внутренних или внешних шумов. Внешние шумы возникают из-за погрешности преобразователя сигналов датчика в фазу. Внутренние шумы могут быть вызваны неопределенностью расположения старт и стоп импульсов относительно генератор. Можно сделать вывод, что реализация такого метода целесообразна при достаточно низком уровне погрешностей преобразования аналог-фаза и синхронизации старт и стоп импульсов с импульсами генератора.

2. Функциональная часть

2.1 Расчет метрологических параметров

Важным этапом в разработке преобразователя входных сигналов электромагнитного датчика в код является расчет его метрологических параметров. Начальным параметром, который будет использоваться в расчетах, является частота напряжения питания синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), равная 100 Гц.

Из метрологических параметров для расчета необходимо выделить следующие:

1. Диапазон преобразований.

2. Способ представления выходной информации.

3. Разрешающая способность.

4. Максимальное время преобразования.

5. Максимальная частота вращения вала.

Подробное описание каждого параметра будет представлено ниже.

2.1.1 Диапазон преобразований

Под диапазоном подразумевается, что преобразователь может работать в режиме непрерывного вращения вала СКВТ. В соответствии с заданием, значения выходного кода и угла поворота должны быть связаны линейно.

Таким образом, диапазон преобразований представляет собой интервал 0…360 угловых градусов.

2.1.2 Способ представления выходной информации

Выходная информация об угле поворота вала СКВТ должна быть представлена в форме двоичного кода с фиксированной точкой.

Для удобства восприятия оператором информацию об угле поворота вала было решено выводить в угловых единицах в десятичном формате, представленном в табл.1.

Таблица 1

Разряды индикации вывода

2.1.3 Разрешающая способность

Под разрешающей способностью в разрабатываемом преобразователе подразумевается вес единицы младшего разряда выходного кода, выраженный в единицах угла.

Таким образом, емкость выходного кода должна совпадать с количеством угловых минут в полном обороте вала.

N = G * M = 360 * 60 = 21600,

где N - количество угловых минут в полном обороте,

G - количество угловых градусов в полном обороте,

M - количество угловых минут в угловых градусах

2.1.4 Максимальное время преобразования

Вследствие того, что разрабатываемый преобразователь циклического типа, необходимо выполнять преобразования в течение каждого периода входного сигнала СКВТ.

Таким образом, частота преобразования равна частоте питания СКВТ, и составляет 100 Гц, поэтому можно найти время преобразования.

где - максимальное время преобразования,

- частота питания СКВТ.

Рассчитанная величина максимального времени преобразования по существу является периодом циклов преобразования, эта величина постоянна. Время преобразования может находиться в диапазоне от 0 до 10 мс.

Длительность преобразования оказывает влияние на динамическую погрешность преобразователя. Динамическая погрешность представляет собой отклонение результатов измерения угла при перемещении вала в течение времени преобразования от результата статического преобразования при отсутствии движения вала.

2.1.5 Максимальная частота вращения вала

Для расчета максимально допустимой угловой скорости вращения вала необходимо задать максимально допустимую динамической погрешность и определить соответствующую ей максимальную скорость углового вращения вала. Максимально допустимая динамическая погрешность назначается исходя из требования системы, элементом которой является преобразователь. В качестве отправного значения выбирается величина погрешности в 10 угловых минут и рассчитывается максимальная скорость вращения вала.

Динамическая погрешность понимается как задержка результата измерения текущего значения угла в форме кода. Большинство систем измерения угла используется в режиме следящих систем. Задержка получения информации приводит к уменьшению точности и возможности возникновения автоколебаний в механической системе. Максимальная дискретность приращения угла за интервал измерений не должен превышать 10 угловых минут.

Известен временной интервал, в течение которого вал должен повернуться на максимально допустимый динамической погрешностью угол. Временной интервал должен быть равен периоду измерений, а именно 10 мс.

где - угловая частота вращения вала,

- максимально допустимое динамической погрешностью расстояние, которое может пройти вал за период измерений,

t - период измерений.

Итоговые значения погрешностей представлены в табл.2.

Таблица 2

Метрологические параметры преобразователя