В настоящее время и в перспективе одной из актуальных и технически сложных задач является цифровое измерение угловых и линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи перемещений (ЦПП).
В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований. К их числу в первую очередь относятся большая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, низкое энергопотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, технологичность и низкая стоимость. Диапазон этих требований чрезвычайно широк, что создает серьезные препятствия на пути унификации ЦПП, являющейся организационно-технической задачей первостепенной важности.
Бурное развитие автоматизации производственных процессов, появление ГАП и робототехнических комплексов открыли новую и очень широкую сферу применения ЦПП.
Известно, что ЦПП в аппаратуре обычно работают по разомкнутой схеме, поэтому выдаваемая ими измерительная информация не корректируется в последующем. Это предъявляет к таким изделиям дополнительные требова-* ния по достоверности выходной информации.
Развитие ЦПП — поставщиков первичной информации в значительной степени обусловлено повсеместным использованием управляющих микроЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других БИС и СБИС.
ЦПП строятся на разных физических и структурных принципах. При их создании используется огромное число конкретных схемотехнических решений. Вместе с тем, как показывает практика последних лет, наибольший вклад в развитие ЦПП вносит микроэлектроника, применение которой позволяет кардинально решить проблему технологичности, обеспечив максимальное упрощение, как правило, прецизионных механических узлов. Поэтому современный ЦПП состоит из относительно простого, насколько это возможно для обеспечения заданной точиости, электромеханического первичного преобразователя, непосредственно воспринимающего измеряемое перемещение, и вторичного пре-разователя — электронного узла, обрабатывающего полученную информацию и представляющего ее в цифровой форме.
о
Вследствие высоких технических требований к ЦПП первичный преобразователь, как правило, является прецизионным электромеханическим- изделием, а электронный узел строится на основе самой современной микроэлектронной элементной базы, включающей такие БИС, как ЦАП, АЦП, память, микропроцессорные наборы и т. д.
Очевидно, что в этих условиях, а также из-за участия в создании ЦПП большого числа специалистов динамика развития ЦПП в настоящее время очень высока, что имеет свои положительные и отрицательные стороны. С одной стороны, технические показатели ЦПП по совокупности функциональных возможностей неуклонно растут. Но с другой стороны, усиливается разунифи-кация разработок. В этих условиях решением проблемы является создание электронных модулей,-.гибридных и твердотельных БИС, полностью или в наибольшей степени решающих задачу преобразования аналоговой информации в ЦПП.
Хотя по ЦПП имеются обширные сведения, пользоваться ими неудобно, так как их основная часть разбросана по различным периодическим изданиям и патентным источникам. Книги по ЦПП, которые несомненно способствовали их развитию, либо изданы давно, как, например, [1,22], либо посвящены в основном теоретическим вопросам [23], либо затрагивают отдельные аспекты создания ЦПП [3,11].
Цель настоящей книги — изложить в сконцентрированном обобщенном виде схемотехнику современных и перспективных ЦПП( не вдаваясь во многие детали, с которыми можно ознакомиться на основе приведенных данных о первоисточнике информации.
Книга содержит четыре части. Первая часть посвящена первичным преобразователям перемещений, построенным на различных физических принципах и во многом определяющим структуру схемотехники ЦПП в целом. Остальные части несут информацию только по электронным схемам ЦПП. При этом повышенное внимание уделено относительно мало освещенным в литературе амплитудным принципам построения, широко раопостраненным за рубежом (о чем свидетельствуют материалы обзора в [39]) и активно развивающимся в нашей стране. В краткой форме изложены вопросы использования ЦПП в микропроцессорных системах, что, в частности, имеет большое значение для робото-технических систем.
Как уже отмечалось, перемещение может быть линейным (поступательным) и угловым (вращательным). Хотя с первого взгляда они различны, между ними существует много общего. Более того, в значительном числе случаев линейное перемещение образуется из углового путем использования простейших механизмов: рейка — шестерня или гайка — ходовой винт. Поэтому в книге без заметного ущерба для общности приведенных схемотехнических реше.ний их описание дано в основном на примере цифровых преобразователей угловых перемещений.
В книге приведено большое число технических решений по построению ЦПП. Авторы, с одной стороны, старались дать информацию по классическим схемам, имеющим уже богатый опыт использования, и, с другой стороны, стремились уделить повышенное внимание наиболее перспективным, на наш взгляд, новым идеям. Поэтому, а также из-за 'ограниченного объема книги некоторые принципы построения ЦПП, например на основе оптико-электронных
4
рующих приборов, интерферометров, адаптивных методов преобразования,
здесь не рассмотрены.
Материал книги, с одной стороны, является обобщением известных резуль-
в а с другой, базируется на собственных исследованиях и разработках
тор'ов. Во всех случаях дается ссылка на первоисточник информации, с -тем
тобы можно было конкретизировать ее суть и получить более развернутые
энные. Однако в тех случаях, когда непосредственно не использовался кон-
петный материал, в целях сокращения библиографии авторы не делали ссылок
на многие известные работы в области преобразовательной техники, например
на работы Д. И. Агейкина, В. А. Ацюковского, А. В. Фремке и др. Вместе
с тем было бы ошибочным не признать их большой роли в развитии ЦПП,
особенно на ранних этапах формирования изделий этого класса.
Авторы искренне благодарят всех специалистов, любезно предоставивших в наше распоряжение информацию о своих разработках в области ЦПП, и прежде всего докторов техн. наук А. Д. Беха, В. С. Жабреева и А. В. Косин-окого, кандидатов техн. наук В. Б. Богдановича, Я. М. Великоона, Г. И. Каплуна, Н. В. Синицына, В. Д. Шаповалова, А. П. Шпиня, инж. В. А. Ларионова и других.
Мы с признательностью отмечаем большую работу, проделанную рецензентом доктором техн. наук, проф. Н. Е, Конюховым и научным редактором канд. техн. наук, доцентом Н. П. Волковым.
Авторы будут благодарны всем, кто сочтет возможным высказать свои замечания или предложения по улучшению книги, направив их в адрес издательства: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Авторы
ОГЛАВЛЕНИЕ
*
Предисловие................. 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ................. 6
Глава первая. Назначение и классификация первичных преобразователей перемещений.............. 6
1.1. Функциональное назначение первичных преобразователей ... 6
1.2. Классификация первичных преобразователей...... 7
Глава вторая. Фотоэлектрические первичные преобразователи перемещений................. И
2.1. Общие сведения.............. 11
2.2. ФПП с перекрытием светового потока........ И
2.3. Растровые ФПП перемещений.......... 14
2.3.1. ФПП счета муаровых полос (накапливающие ФПП) . . 14
2.3.2. Растровые интерполяторы.......... 17
2.3.3. Одноканальные растровые интерполяторы..... 21
2.4. ФПП считывания............. 26
2.4.1. Общие принципы построения......... 26
2.4.2. ФПП на основе многоэлементных фотоприемников ... 26
2.4.3. Волоконно-оптические функциональные преобразователи . . 28 Глава третья. Электромагнитные первичные преобразователи перемещений ................. 34
3.1. Принципы построения............ 34
3.2. Фазовые преобразователи (фазовращатели)...... "*'
3.3. ЭПП электромашинного типа.......... 45
3.4. Растровые ЭПП.............. °?
3.4.1. ЭПП с нониусным сопряжением........ )?1
3.4.2. ЭПП с комбинационным сопряжением...... jj,
3.5. Токовихревые ЭПП............, 61
Глава четвертая. Емкостные и магнитострикциониые первичные
преобразователи перемещений........... °Т
4.1. Емкостные преобразователи перемещений....... 5»
4.2. Магнитострикционные преобразователи перемещений . "
ЧАСТЬ ВТОРАЯ- ФАЗОВЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ _,
ПЕРЕМЕЩЕНИИ......,........ 73
74
Глава пятая. Преобразователи фаза — код прямого измерения . • '?
5.1. Классификация фазовых ЦПП.......... 74
5.2. ПФК с времяимпульсным преобразованием....... 75
5.2.1. ПФК на основе измерения мгновенного значения фазы . • „j
5.2.2. ПФК с постоянным временем измерения...... Xg
5.3. ПФК с преобразованием частоты......... по
5.4. ПФК с промежуточным преобразованием....... ,Хл
5.4.1. ПФК с промежуточным преобразованием в напряжение . • .лУ
5.4.2. ПФК с промежуточным преобразованием в частоту • 390
Глава шестая. Компенсационные преобразователи фаза — код . . J03
6.1. Общие сведения.............. 1™
6.2. ПФК с электромеханическими ФСС......... J^d
6.3. ПФК на основе цифровых ФСС.......... jy°
6.4. Функциональные фазовые преобразователи....... 11?
Глава седьмая. Комбинированные преобразователи фаза — код . . JI7
7.1. Коммутационные ПФК............ }'?
7.2. Многоотсчетные ПФК............ j™
7.2.1. Общие сведения............ {22
7.2.2. ПФК с использованием датчиков грубого отсчета ... 1^3
7.2.3. ПФК с компенсацией погрешностей первичного преобразователя ............... }28
7.2.4. Многоотсчетные ПФК накапливающего типа..... 132
Глава восьмая. Фазовые преобразователи скорости и ускорения 133
8.1. Способы формирования скоростного сигнала...... 133
8.2. Совмещенный цифровой преобразователь угла и скорости ... 136
8.3. Многофункциональные фазовые преобразователи..... 141
8.4. Совмещенный цифровой преобразователь угла, скорости и ускорения ................. '45
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. АМПЛИТУДНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ............. 149
Глава девятая. ЦПП с аналоговыми интеграторами..... 149
9.1. Формат СКВТ............... 149
9.2. Способы преобразования угла в код, основанные на интегрировании выходных напряжений СКВТ......... 152
9.3. Преобразователь на основе генератора гармонических сигналов 157
9.3.1. Особенности построения.......... 157
9.3.2. Способы повышения быстродействия....... 161
9.3.3. Схемные методы повышения точности...... «164
9.3.4. Снижение аддитивной составляющей погрешности преобразования ............... 168
Глава д-есятая. ЦПП с функциональными генераторами .... 170
10.1. Обобщенная структурная схема......... 170
10.2. Сравнительная оценка ЦПП на основе функциональных генераторов ................ 172
10.3. Устройства выборки и хранения......... 176
10.4. Функциональные генераторы.......... 180
Глава одиннадцатая. Циклические ЦПП с функциональными генераторами ................. 182
11.1. Основные структуры построения......... 182
11.2. Совершенствование схемных построений....... 186
11.3. Снижение методической погрешности. Введение коррекции . . 192
11.4. Повышение быстродействия........... 196
Глава двенадцатая. Циклические ЦПП с ФЦАП на основе ПЗУ 201
12.1. Преобразователи с синусно-косинусным ПЗУ...... 201
12.2. Преобразователи с тангенсным ПЗУ........ 209
12.3. Преобразователи с арктангенсным ПЗУ....... 212
Глава тринадцатая. Следящие ЦПП.......... 217
13.1. Улучшение динамических показателей и компенсация погрешностей первичного преобразователя ......... 217
13.2. Следящий ЦПУ как замкнутая система автоматического регулирования ............... 221
13.3. Особенности динамики следящих ЦПП....... 225
13.4. Выбор основных параметров одноотсчетного следящего преобразователя с СКВТ.............. 228
Глава четырнадцатая. Следящие ЦПП с использованием ФЦАП 232
14.1. Ограничения по чувствительности и точности...... 232
14.2. Следящий преобразователь с тангенсным ФЦАП..... 236
14.3. Амплитудный ЦПУ с переменной структурой...... 242
Глава пятнадцатая. Многоканальные преобразователи . . . . 247
15.1. Особенности структур построения......... 247
15.2. Многоканальные циклические ЦПУ с ПЗУ...... 252
15.3. Отображение результатов преобразования....... 259
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АМПЛИТУДНЫХ ЦПП............... 264
Глава шестнадцатая. ЦПП с цифровыми интеграторами . . . 264
16.1. Преобразователи с цифровыми интеграторами..... 264
16.2. Масштабирующие преобразователи......... 269
16.3. Преобразователи развертывающего типа....... 275
Глава семнадцатая. Функциональные циклические ЦПП с ФКН 280
J7.1. Преобразователи аргумента, синусной и косинусной функций
в коды................ 280
17.2. Устранение методической ошибки......... 284
17.3. Реализация специальных преобразований....... 288
17.4. Функциональный преобразователь угол — код, с сельсином . . 294 Глава восемнадцатая. Функциональные циклические ЦПП на
БИС АЦП и ПЗУ............... 296
18.1. Функциональный ЦПУ последовательного типа..... 296
18.2. Функциональный ЦПУ с параллельным преобразованием . . . 299
18.3. Функциональный последовательно-параллельный ЦПУ . . . 303
18.4. Совмещенный функциональный ЦПУ........ 309
Глава девятнадцатая. Двухотсчетные следящие ЦПП .... 312
19.1. Преобразователь с синусно-косинусным ФЦАП..... 312
19.2. Преобразователь с тангенсным ФЦАП........ 314
19.3. Высокоточные преобразователи.......... 322
Глава двадцатая. Двухконтурные следящие ЦПП..... 325
20.1. Оценка уровня повышения разрешающей способности . . . 325
20.2. ЦПУ с синусно-косинусными и тангенсным ФЦАП .... 326
20.3. Преобразователь с тангенсными ФЦАП....... 328
20.4. ЦПУ с синусно-косинусным и линейным ФЦАП..... 334
20.5. Классификация амплитудных ЦПП........ 338
Глава двадцать первая. Амплитудные цифровые тахометры . . 344
21.1. Методы цифровой тахометрии.......... 344
21.2. Преобразователи скорости на основе СКВТ...... 351
21.3. Цифровой тахометр с СКВТ.......... 354
Глава двадцать вторая. ЦПП в микропроцессорных системах . . 359
22.1. Место и роль ЦПП в микропроцессорных системах .... 359
22.2. Особенности взаимодействия различных типов ЦПП с МП . . 360
22.3. Организация программной и аппаратной совместимости ЦПП в микропроцессорной системе........... 364
22.4. Алгоритмические способы коррекции ЦПП микроЭВМ . . . 372
22.4.1. Снижение аддитивной и инструментальной составляющих погрешности............. 372
22.4.2. Реализация алгоритмов коррекции....... 374
22.4.3. Коррекция погрешности ЦПП с ПЗУ...... 379
Заключение.................. 381
Список литературы................ 383
Алфавитный указатель............... 387
Цена: 150руб.
