способ определения погрешности амплитудных цифровых преобразователей угла следящего типа

Формула изобретения

Способ определения погрешности амплитудного цифрового преобразователя угла (ЦПУ) следящего типа путем задания скорости вращении вала ЦПУ, отличающийся тем, что задание скорости вращения вала ЦПУ осуществляют путем задания начальной скорости _НАЧ, при которой значение удвоенной частоты изменения уровня напряжения старшего разряда выходного кода проверяемого ЦПУ превышает нижнее граничное значение частоты линейного участка логарифмической амплитудно-частотной характеристики разомкнутого ЦПУ, пересекающего ось абсцисс через частоту среза с наклоном минус 20 дб/дек, интегрируют по времени выходное напряжение корректирующего звена канала рассогласования проверяемого ЦПУ в пределах периода изменения этого напряжения, измеряют и регистрируют проинтегрированный сигнал, который соответствует погрешности проверяемого ЦПУ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при производстве амплитудных цифровых преобразователей угла (ЦПУ) следящего типа, включая производство высокоточных ЦПУ, а также при контроле их технического состояния в процессе эксплуатации.

Построение амплитудных ЦПУ следящего типа, как замкнутых аналого-цифровых систем автоматического регулирования, известно из ряда технических публикаций [1, 2, 3, 4]. Также известны и различные способы определения погрешностей ЦПУ [5] при преобразовании углового положения его вала с диапазоном изменения 0...2 в выходной код N_ЦПУ с соответствующим диапазоном изменения 0...1. Для идеализированного ЦПУ должно выполняться условие N _ЦПУ=/2.

Широко используется способ определения погрешности ЦПУ с эталонными угломерными устройствами, к которым относятся: оптические и электромеханические призмы (шкалы), оптические делительные головки, теодолиты и другие подобные высокоточные приборы.

Способ заключается в том, что с помощью механического узла сопряжения обеспечивается синхронный по углу поворот вала угломерного устройства и вала ЦПУ (вала датчика угла, входящего в состав проверяемого ЦПУ). В процессе измерений оператор устанавливает вал угломерного устройства в заданные угловые положения, которым должны соответствовать расчетные значения выходного кода ЦПУ-N _ЦПУ.P(). Определяется массив разностных значений N()=N _ЦПУ.И()-N _ЦПУ.Р(), где N_ЦПУ.И() - соответствующие измеренные значения кодов Массив разностных значений N(), пересчитанный в угловую меру, непосредственно или после его обработки по выбранному алгоритму определяет искомую погрешность преобразования.

Положительной характеристикой данного способа является возможность определения погрешности преобразования ЦПУ практически любого вида построения. Однако при этом искомая погрешность преобразования искажается собственной погрешностью угломерного устройства и погрешностью узла сопряжения валов ЦПУ и угломерного устройства. Использование угломерных измерительных устройств оптического типа не позволяет проводить испытания в требуемом широком диапазоне воздействующих температур и при наличии других факторов, негативно воздействующих на оптические средства и на оператора.

Временные затраты при этом способе значимы и определяются временем выполнения прецизионных подготовительных операций по сопряжению валов и временем проведения самих измерений. При этом первая временная составляющая, как правило, в несколько раз превышает вторую.

Известен также способ определения погрешностей ЦПУ, наиболее близкий к предлагаемому изобретению [6]. При использовании такого способа вал проверяемого ЦПУ через механический узел сочленения соединяется с выходным валом управляемого позиционного привода. При этом привод должен обеспечить прохождение валом проверяемого ЦПУ строго определенных угловых положений (базовых углов) в моменты времени, соответствующие появлению управляющих приводом маркеров эталонного времени. Очевидно, что в указанные моменты времени на выходе идеализированного ЦПУ должны формироваться значения линейно нарастающего по времени выходного кода ЦПУ - N_РАСЧ (t). Для реальных ЦПУ указанная линейность нарушается в соответствии с имеющейся погрешностью преобразования. При появлении каждого маркера схема измерения считывает текущее значение N _ИЗМ(t) выходного кода ЦПУ и формирует соответствующее разностное значение кодов N(t)=N _И3M(t)-N_РАСЧ(t).

Разностное значение кодов N(t) с помощью линейного преобразователя кода в напряжение (ПКН) преобразуется в соответствующее напряжение U_ИЗМ(t) постоянного тока. Если выходное напряжение ПКН поступает на вход измерительного прибора (например, на измерительный вход осциллографа), то при синхронизации начала развертки луча осциллографа маркером нулевого положения вала ЦПУ на его экране в реальном масштабе наблюдается сигнал, соответствующий изменению по углу погрешности проверяемого ЦПУ. Для сокращения динамической составляющей погрешности преобразования частота вращения вала ЦПУ должна выбираться с учетом быстродействия проверяемого ЦПУ.

Этот способ также имеет ограничение по точности измерения. Только в нем результаты измерений искажаются не конечной точностью угломерного устройства, а реально существующей погрешностью задания базовых углов. Эта погрешность определяется погрешностью задания средней скорости вращения выходного вала управляемого позиционного привода, непостоянством мгновенной скорости вращения вала проверяемого ЦПУ и неидеальностью узла сочленения валов. Необходимо отметить сложность построения точного управляемого позиционного привода и точного узла сочленения валов.

Предлагаемый способ также решает задачу определения погрешности преобразования амплитудных ЦПУ следящего типа путем измерения соответствующего (изменяющегося во времени) напряжения постоянного тока. Однако при этом валу ЦПУ задается только начальная скорость свободного вращения и не требуется минимизация коэффициента затухания этой скорости, а само напряжение постоянного тока образуется простым интегрированием по времени сигнала рассогласования проверяемого ЦПУ. Преимущества такого способа очевидны.

Дополнительным его достоинством является то, что он может применяться в условиях реальной эксплуатации ЦПУ без его предварительного вывода (демонтажа) из состава системы. При этом стоимость применяемых аппаратных средств ничтожно мала и предельно минимизировано время проведения подготовительных операций.

Такой способ определения погрешности амплитудного ЦПУ следящего типа заключается в последовательном выполнении следующих действий:

задают начальную скорость _НАЧ свободного вращения вала ЦПУ, при которой значение удвоенной частоты изменения уровня напряжения старшего разряда выходного кода проверяемого ЦПУ превышает нижнее граничное значение частоты линейного участка логарифмической амплитудно-частотной характеристики разомкнутого ЦПУ, пересекающего ось абсцисс через частоту среза _СР с наклоном минус 20 дБ/дек;

интегрируют по времени выходное напряжение корректирующего звена канала рассогласования проверяемого ЦПУ в пределах периода изменения этого напряжения;

измеряют и регистрируют значения проинтегрированного сигнала, которые и соответствуют погрешности проверяемого ЦПУ.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором представлена схема определения погрешности. В нее входят: проверяемый амплитудный ЦПУ следящего типа (ЦПУ) 1, интегрирующее устройство (ИУ) 2 и измерительный прибор (ИП) 3. При этом в состав ЦПУ 1 входят: измеритель рассогласования (ИР), демодулятор (ДМ), корректирующее звено (КЗ), компаратор (К), формирователь модульных значений (ФМЗ), преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) и реверсивный счетчик (PC).

На чертеже введены дополнительные обозначения: - угловое положение вала ЦПУ 1, U_ИУ(t) - выходное напряжение ИУ 2, N_ЦПУ - выходной код ЦПУ1, 1р - выход старшего разряда кода PC и шина КОНТРОЛЬ - выходная шина ЦПУ 1, соединенная электрически с выходом КЗ.

Преобразование углового положения в выходной код N_ЦПУ осуществляется следующим образом.

В соответствии с текущими значениями и N_ЦПУ ИР вырабатывает выходное напряжение U _Р переменного тока, соответствующее значению U _Р=-2N _ЦПУ. С помощью демодулятора (ДМ) с опорным напряжением U_ОП переменного тока формируется пульсирующее напряжение U_Р, полярность которого указывает на отставание или опережение кода N_ЦПУ от угла , а амплитудное значение - на величину их отличия. Напряжение U _Р поступает на вход корректирующего звена, которое выполняет функции фильтра низких, средних частот с постоянными времени T₁, T₂ и фильтра высоких частот с постоянной времени Т₃ (см., например, рис.13.10 работы [4]). Указанные постоянные времени обеспечивают требуемую устойчивость и требуемую динамику работы ЦПУ, как устройства следящего типа [7]. Выходной сигнал =U_Р корректирующего звена, как сигнал рассогласования ЦПУ следящего типа, также характеризует текущее соотношение входного угла и выходного кода N_ЦПУ, но уже в виде напряжения постоянного тока. Этот сигнал поступает на входы компаратора (К) и формирователя модульного значения (ФМЗ). Первый путем сравнения полярности входного сигнала с уровнем нулевого напряжения формирует 2-уровневый выходной сигнал, устанавливающий соответствующий режим направления счета (суммирование или вычитание) реверсивного счетчика. Режим суммирования устанавливается при отставании кода от угла, а вычитания - при обратном соотношении. С помощью ФМЗ формируется модульное значение |=U_Р| сигнала рассогласования, которое поступает на вход преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) и определяет частоту его выходных счетных импульсов. Счетные импульсы, в свою очередь, изменяют код PC в соответствии с установленным режимом направления счета. Частота счетных импульсов линейно зависит от величины сигнала |=U_Р|, что обеспечивает соответствие угла и кода в требуемом диапазоне скоростей вращения вала ЦПУ.

Соответствие текущего значения угла и текущего значения кода N_ЦПУ (U _Р=-2N _ЦПУ=0) приводит к выполнению условия |=U_Р |=0, при котором приостанавливается изменение кода PC. Для нового значения угла равновесие сначала снова нарушится (|=U_Р |0), а затем восстановится при новом значении кода. Таким образом обеспечивается постоянство слежения выходного кода за входным углом.

Нарушение линейной зависимости между углом и кодом характеризует погрешность преобразования. Очевидно, что характер изменения погрешности ЦПУ можно рассматривать как периодическую функцию общего вида по угловому аргументу или по цифровому аргументу N_ЦПУ. При разложении такой функции в ряд Фурье она представляется набором гармоник определенных порядков с определенными амплитудными значениями [8] и для ЦПУ следящего типа эти гармоники с абсолютной строгостью можно рассматривать как возмущающие воздействия.

При вращения вала амплитудного ЦПУ следящего типа с постоянной скоростью указанные составляющие погрешности по углу трансформируются в соответствующий набор гармонических возмущающих воздействий, но уже по временному аргументу. Диапазон частот указанных возмущающих воздействий определяется скоростью вращения вала проверяемого ЦПУ.

В режиме вращения вала с заданной скоростью проверяемый ЦПУ будет реагировать на указанные возмущающие воздействия в соответствии с реализованной в нем ЛАЧХ. Низкочастотные возмущающие воздействия практически полностью отрабатываются следящей системой благодаря большим значениям коэффициента усиления в этом частотном диапазоне. Отработка возмущающих воздействий по мере роста их частоты повторения осуществляется уже не в полной мере из-за снижения коэффициента усиления. Последнее обстоятельство приводит к соответствующему отличию сигнала рассогласования от уровня нулевого напряжения, свойственного работе в области низких частот с большими коэффициентами усиления.

Отсюда можно сделать важный вывод, что при определенных скоростях вращения вала амплитудного ЦПУ следящего типа характер изменения сигнала рассогласования содержит в себе в скрытом виде информацию о погрешности преобразования. Остается только найти способ расшифровать эту информацию и преобразовать ее в требуемую форму представления.

Это свойство амплитудных ЦПУ следящего типа и положено в основу предлагаемого способа определения их погрешностей. Отсюда появляется необходимость вывода из ЦПУ через шину КОНТРОЛЬ его напряжения рассогласования =U_Р для последующего преобразования в аналоговый сигнал, отображающий погрешность проверяемого ЦПУ.

Погрешность по предлагаемому способу определяется следующим образом.

Валу проверяемого ЦПУ 1 задают начальную скорость _НАЧ свободного вращения, при которой удвоенная частота смены уровня напряжения старшего разряда PC превышает нижнее граничное значение частоты ( _Н=Т₂ ^-1) линейного участка ЛАЧХ разомкнутого проверяемого ЦПУ 1, пересекающего ось абсцисс через частоту среза _СР с наклоном минус 20 дБ/дек. Такое значение скорости обеспечивает выполнение условия, при котором спектр частот возможных возмущающих воздействий, порожденный гармоническими составляющими погрешности преобразования, будет находиться правее частоты _Н.

После задания начальной скорости свободного вращения с помощью ИП 3 измеряют выходное напряжение U_ИУ (t) постоянного тока ИУ 2, представляющее собой проинтегрированное по времени выходное напряжение =U_Р корректирующего звена канала рассогласования проверяемого ЦПУ. Измеренное напряжение соответствует искомой погрешности преобразования. Результаты измерений регистрируют (документируют) любым доступным образом, включая рукописную запись.

Чрезвычайно важным является то, что данный способ не требует точного задания начальной скорости _НАЧ и обеспечения предельно малого значения коэффициента затухания этой скорости. Такой вывод следует, в том числе, и из выражения 1.34 работы [7] с учетом последующего интегрирования сигнала рассогласования проверяемого ЦПУ. Однако для удобства измерений целесообразно минимизировать коэффициент затухания начальной скорости свободного вращения простейшим приемом - путем размещения на валу ЦПУ 1 инерционной массы. При испытаниях начальная скорость свободного вращения может задаваться вручную, а ее значение контролироваться по измеряемой частоте смены значений 1р старшего разряда реверсивного счетчика.

В качестве простейшего интегрирующего устройства может быть использовано корректирующее звено с передаточной функцией вида W(p)=(Tp+1)^-1 (см., например стр.150 работы [3]) с линейным усилителем постоянного тока, обеспечивающим необходимую чувствительность при измерениях. В качестве измерительного прибора может быть использован осциллограф с требуемой полосой пропускания и требуемой чувствительностью, работающий в режиме внешней синхронизации развертки луча от сигнала 1р реверсивного счетчика.

Способ прошел стадию экспериментальной апробации. При этом определялась погрешность преобразования высокоточного двухотсчетного 20-разрядного амплитудного ЦПУ следящего типа двумя способами.

Первый способ базировался на использовании специального угломерного устройства оптического типа с погрешностью порядка 0,1 угл.с, а сочленение валов было выполнено с помощью прецизионной безлюфтовой шарнирной муфты. Второй способ измерений в полной мере соответствовал предлагаемому.

При первом способе время проведения подготовительных операций по точному сопряжению валов измерялось несколькими часами, время измерения погрешности преобразования в шестидесяти четырех точках одного из 64-х электрических периодов датчика угла точного отсчета составило величину порядка 45 мин. При этом определенная максимальная погрешность преобразования не превысила 2 угловых секунд.

При измерении погрешности преобразования по предлагаемому способу время подготовительных операций по установке инерционной массы на вал ЦПУ, время задания начальной скорости свободного вращения _НАЧ90 ⁰/с валу ЦПУ и время непосредственных измерений составило единицы минут. Задание начальной скорости осуществлялось вручную. В качестве интегрирующего устройства использовалось интегрирующее звено с передаточной функцией W(p)=(Tp+1)^-1, дополненное усилителем постоянного тока. В качестве измерительного прибора использовался обычный осциллограф типа С1-48Б. При этом погрешности преобразования в одну угловую секунду соответствовало значение измеряемого напряжения, равное 100 мВ, а анализ результатов измерений полученных указанными способами указал на их сходимости на уровне порядка 10%.

В процессе испытаний также подтверждено положение об отсутствии жесткой корреляции результатов измерений, значения начальной скорости свободного вращения и коэффициента затухания этой скорости.

Экономический эффект от использования данного способа измерений определяется:

повышением точности регулировки ЦПУ из-за отсутствия источников дополнительной погрешности (угломерных устройств, управляемого привода стабилизированной скорости вращения, узлов сочленения валов);

возможностью оперативного и наглядного представления погрешности преобразования в реальном масштабе времени, в том числе и возможностью определения погрешностей в процессе эксплуатации в автоматическом режиме без предварительного вывода ЦПУ из состава соответствующей системы цифрового наведения;

возможностью определять погрешность даже высокоточных преобразователей с соответствующей разрешающей способностью по углу;

значительным сокращением времени выполнения настроечных и контрольных операций в процессе производства при исчезающе малой стоимости аппаратуры контроля;

возможностью определения погрешностей практически при всех видах внешних воздействий, свойственных процессу эксплуатации ЦПУ;

возможностью долговременного сохранения начальной точности работы цифровой системы наведения путем использования результатов определения погрешностей для формирования соответствующих корректирующих сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зверев А.Е. и др. Преобразователи угловых перемещений в цифровой код. Л.: Энергия, 1974. 184 с. с ил.

2. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах / Пер. с англ. Под ред. А.С.Яроменка. М.: Энергоиздат, 1981. - 200 с., с ил.

3. Ахметжанов А.А., Кочемасов А.В. Следящие системы и регуляторы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 288 с., с ил.

4. Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие / В.Г.Домрачев, В.Р.Матвеевский, Ю.С.Смирнов - Энергоатомиздат, 1987. - 392 с., с ил.

5. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: Принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 328 с., с ил.

6. Способ определения погрешности преобразователя угол-код. А.с. 325626 (СССР). / Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Опубл. в Б.И., 1972, № 3.

7. В.А.Бесекерский. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1970, 576 с.; с ил.

8. М.Г.Серебренников. Гармонический анализ. М.-Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948, 504 с. с ил.