На правах рукописи

Резян Арутюн Давидович

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ФАЗОВЫЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность: 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008 ~2~

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете)

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Косинский Анатолий Васильевич

Официальные оппоненты –

Ведущая организация –

Защита состоится “_” _ 2008г. В час. На заседании диссертационного совета Д 212.133.03 в Московском государственном институте электроники и математики (МИЭМ) (технический университет) по адресу:

109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.1-3/12, стр. 8, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан “_” _ 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.133. при МИЭМ (ТУ) кандидат технических наук, доцент _ Ю.Л. Леохин ~3~

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В современных приборах и автоматических устройствах широкое применение нашли различные аналоговые и цифровые системы передачи информации о различных физических величинах. В качестве физических величин могут фигурировать различные параметры, например угол поворота, линейное перемещение, давление жидкости или газа и т.д. Так как обработка этой информации удобнее вести в цифровой форме в электронных системах нашли широкое применение аналого-цифровые преобразователи (АЦП). В общем комплексе аналого-цифровых преобразователей физических величин важное место занимают аналого-цифровые преобразователи перемещений(АЦПП). Это объясняется тем, что линейные и угловые перемещения относятся к числу главных параметров, характеризующих состояние объекта.

АЦПП широко используются практически во всех системах управления движущимися объектами, в системах управления режимом работы энергетических установок, в системах автоматического управления в металлургии, в робототехнике, в ракетных и реактивных двигателях и многих других областях.

Вопросам теории и расчета аналого-цифровых преобразователей перемещений посвящены работы: А.В. Косинского, В.Г. Домрачева, В.Р.

Матвеевского, А.А. Холомонова, Ю.С. Смирнова, Л.Н. Преснухина, В.Ф.

Шаньгина, Ю.А. Шаталова, В.Н. Кутяниной, А.В. Мироненко, В.Б. Рубиной и др.

В настоящее время существует несколько классов аналого-цифровых преобразователей перемещений (АЦПП). Из них наилучшими характеристиками обладают АЦПП фазового типа, в которых осуществляется промежуточное преобразование измеряемой величины в фазовый сдвиг, который преобразуется в цифровой эквивалент. Данный класс АЦПП позволяет обеспечивать высокую точность преобразования. Из АЦПП фазового типа наиболее перспективными являются трансформаторные фазовые аналого-цифровые преобразователи перемещений. Этому способствуют следующие обстоятельства: широкая номенклатура серийно выпускаемых первичных трансформаторных преобразователей, как правила, высокий уровень выходного сигнала, высокая помехоустойчивость. Не смотря на это, существующие трансформаторные фазовые АЦП перемещений не в полной мере отвечают к возросшему комплексу требований, которые предъявляются к преобразователям перемещений: высокая точность и быстродействие, простота устройства и надежность.

Актуальной задачей для проведения научных и технических исследований является: разработка новых типов трансформаторных фазовых АЦП перемещений, основанных на современных технологиях и отвечающих современным требованиям, предъявляемым к АЦП перемещений.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений многоканального суммирования повышенной точности и быстродействия, которые в первую очередь относятся к числу технических требований, предъявляемых к аналого-цифровым преобразователям перемещений. К числу этих требований также относятся: низкое энергопотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, малые габаритные размеры и масса, высокая технологичность, экономичность производства.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:

перемещений, в том числе существующих трансформаторных фазовых 2. Разработать и исследовать комплекс схем трансформаторных фазовых АЦП перемещений многоканального суммирования;

3. Разработать комплекс математических выражений для оценки качества работы трансформаторных фазовых АЦП перемещений с синуснокосинусным вращающимся трансформатором в качестве первичного элементов, входящих в состав этих АЦПП.

Методы исследований. Решение поставленных задач выполнено на основе теории проектирования аналого-цифровых преобразователей перемещений, теории точности информационно-измерительных устройств, теории автоматического управления, методов дифференциального и интегрального исчисления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

последовательного и параллельного считывания с многоканальным 2. Разработан метод построения схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования;

3. Разработан метод построения схем аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа многоканального суммирования с независимыми выходными каналами;

4. Приведены математические модели предложенных и разработанных аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным суммированием;

5. Проведен анализ погрешностей разработанных аналого-цифровых многоканальным суммированием;

6. Приведена обобщенная классификация предложенных и разработанных преобразователей с учетом существующих методов построения аналогоцифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

многоканальным суммированием, в том числе: аналого-цифровые последовательного и параллельного считывания многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования, с независимыми выходными каналами, с компенсацией систематических погрешностей;

разработанных аналого-цифровых преобразователей перемещений трансформаторного типа с многоканальным суммированием;

3. Предложены рекомендации по построению аналого-цифровых многоканальным суммированием повышенной точности;

4. Результаты исследований диссертационной работы использовались в учебном процессе кафедры «Управление и информатика в технических системах» МИЭМ в дисциплине “Датчики и устройства связи с объектом управления в технических системах” и в дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2006, 2007г.) Москва, МИЭМ;

2. Х международная научно-практическая конференция «Наука сервису», МГУ Сервиса, г. Москва, 2005г.;

3. Межвузовская научно-техническая конференция «Современные средства управления бытовой техникой» (2006, 2007г.), МГУ Сервиса, г. Москва,;

4. Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), г. Новосибирск, 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе, 3 печатных работ в журналах, входящих в список ведущих научных журналов, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов докторских и кандидатских диссертаций («Измерительная техника», «Датчики и системы»), один патент на полезную модель.

Объем и структура работы. Работа объемом 166 стр., состоит из введения, четырех глав основного текста, выводов, списка литературы из 50 наименований, в тексте имеется 34 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится подробный анализ существующих аналогоцифровых преобразователей (АЦП) перемещений, АЦП перемещений фазового типа, АЦП перемещений с преобразованием временного интервала в код.

Исследуются трансформаторные фазовые АЦП перемещений (ТФПП), в том числе ТФПП с компенсацией фазовой погрешности по методу многоканального суммирования, так как АЦП перемещений данного типа являются наиболее перспективными устройствами.

Обосновывается актуальность темы диссертации, формируются цель и задачи исследования, приводятся основные результаты, выносимые на защиту, отмечается их научная новизна и практическая значимость.

преобразователя перемещений с двухканальным выходом (рис. 1).

Анализ показал, что погрешность работы трансформаторных АЦПП фазового типа, в основном определяется погрешностью работы фазовращателя.

Эта погрешность, как правило, определяет основную погрешность устройства.

Следовательно погрешность аналого-цифрового преобразования может быть уменьшена если уменьшить погрешность работы фазовращателя.

В приведенной на рис. 1 схеме в качестве фазовращателя используется синусно-косинусный вращающиеся трансформатор (СКВТ) с двухфазным питанием и двухканальным выходом.

Определены условия для идеальной работы СКВТ:

1. Равенство активных сопротивлений обмоток статора и ротора;

2. Равенство индуктивных сопротивлений обмоток статора и ротора;

3. Равенство сопротивлений взаимной индукции;

4. Ортогональность первичных и вторичных обмоток: 1 = 0, 2 = 0;

5. Большими сопротивлениями нагрузок: RH1, RH2 ;

6. Равенство амплитуд напряжения питания СКВТ: U = 0.

Проведены расчеты и получены полные выражения погрешностей, когда по отдельности не выполняются условия идеального случая. Как пример приведем выражения погрешности когда не выполняется условие равенства амплитуд питающих напряжений:

Получены максимальное значение погрешности для одного выходного канала и максимальное значение суммарной погрешности:

Таким образом, ошибка в питании, например, на U = 5% для схемы с одним выходным каналом даст ошибку преобразования угла 1,43о, а для схемы многоканального суммирования (две выходные каналы) – 0,036о. При U = 10% ошибки преобразования угла будут соответственно 2,86о и 0,143о.

Величина, которая показывает, во сколько раз суммарная погрешность Следовательно, если U = 5%, то = 40, если U = 10%, то = 20.

В результате проведенных расчетов и полученных результатов установлено, что погрешность для схемы с двумя выходными каналами значительно уменьшается.

Во второй главе был развит и улучшен метод многоканального суммирования для построения трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений.

Предложена обобщенная классификация трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений многоканального суммирования, которая представлена на рис. 2.

Классификация отражает как разработанные методы (метод построения схем с независимыми выходными каналами – с совмещением или без совмещения импульсов считывания, метод построения схем с минимальным циклом преобразования – число периодов съема информации один или два периода) построения ТФПП многоканального суммирования, так и существующие общие принципы построения аналого-цифровых преобразователей перемещений.

Согласно приведенной классификации возможно построение 132 вариантов трансформаторных фазовых АЦП перемещений многоканального суммирования.

В главе разработаны и исследованы 4 варианта построения ТФПП многоканального суммирования с минимальным циклом преобразования и с учетом различных классификационных признаков:

1. Схема ТФПП последовательного считывания с синфазированием начало работы счетчика и постоянными частотами;

2. Схема ТФПП последовательного считывания с синфазированием начало работы счетчика и синхронизацией частот с помощью умножителя частоты;

3. Схема ТФПП последовательного считывания с синфазированием начало работы счетчика и синхронизацией частот с помощью делителя частоты;

4. Схема ТФПП последовательного считывания с синхронизацией частот с помощью делителя частоты и постоянными фазами.

С компенсацией систематических погрешностей С синхронизацией частот питания и заполнения Без синхронизации частот питания и заполнения Рис. 2. Классификация трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений (ТФПП) многоканального суммирования В третьей главе разработаны и исследованы 8 вариантов построения ТФПП многоканального суммирования с независимыми выходными каналами и с учетом различных классификационных признаков.

Получены выражения функций преобразования и математические модели этих схем.

На рис. 3 приведена одна из разработанных схем: схема ТФПП синхронизацией частот и синфазированием начало работы счетчиков с началами периодов питающих напряжений.

Устройство содержит: генератор импульсов ГИ, два двоичных счетчика ДС1 и ДС2, делитель частоты ДЧ, фильтр Ф, фазорасщепитель ФР, фазовращатель ФВ, четыре нуль органа НО1, НО2, НО3 и НО4, логические элементы И, два регистра РГ1 и РГ2, сумматор СУ.

Рис. 3. Схема АЦП параллельного считывания с независимыми выходными каналами, с синхронизацией частот и синфазированием начало работы счетчиков с началами периодов питающих напряжений.

Выведено выражение функции преобразования данного устройства:

где - модули амплитудно-фазовых частотных характеристик фазовращателя, фазорасщепителя, фильтра соответственно при частоте питания В рамках линейной теории точности определено уравнение погрешности аналого-цифрового преобразователя последовательного считывания, возникающей из-за нестабильности параметров (первичных погрешностей) отдельных элементов как полный дифференциал от выражения (6):

порогов срабатывания нуль органов НО1, НО2, НО3 и НО4 от их номинальных значений; – относительное отклонение передаточного коэффициента времен срабатываний нуль органов НО1, НО2, НО3 и НО4 от их номинальных значений; - отклонение от расчетного значения начальной фазы выходного сигнала фазовращателя ФВ.

Получено выражение дисперсии (если считать первичные погрешности некоррелированными):

Из выражений (6) и (7) следует, что погрешность преобразования можно представить двумя составляющими: первый составляющий зависит от нестабильности параметров аналоговых элементов (фазовращатель, источник питания), а вторая составляющая зависит от нестабильности параметров дискретных элементов (выделитель нуля, триггер). Так как вторая составляющая может бить снижена до допустимых значений (учитывая современное развитие электроники), то значение погрешности преобразования в основном определяет первая составляющая.

В четвертой главе разработаны и исследованы 9 вариантов построения ТФПП с многоканальным выходом.

На рис. 4 приведена одна из разработанных схем: схема ТФПП последовательного считывания с многоканальным выходом, с синфазированием сигналов и синхронизацией частот с помощью делителя частоты.

Устройство содержит:

фазорасщепитель ФР, фазовращатель ФВ, нуль органы НО1, НО2, НО3, НО4, НО5, НО6, триггеры ТГ1, ТГ2 и ТГ3, логические элементы сравнения И1, И2 и И3, элементы задержки ЭЗ1 и ЭЗ2, логический элемент ИЛИ, делитель на три Д, двоичный счетчик ДС.

Выведено выражение функции преобразования данного устройства:

фазовращателя, фазорасщепителя, фильтра соответственно при частоте питания ТГ3.

Рис. 4. Структурная схема ТФПП последовательного считывания с многоканальным выходом, с синфазированием сигналов и синхронизацией В рамках линейной теории точности определено уравнение погрешности аналого-цифрового преобразователя последовательного считывания, возникающей из-за нестабильности параметров (первичных погрешностей) отдельных элементов как полный дифференциал от выражения (9):

отклонения порогов срабатывания нуль органов НО1, НО2, НО3, НО4, НО5 и НО от их номинальных значений; – относительное отклонение передаточного отклонения собственных времен срабатываний нуль органов НО1, НО2, НО3, НО4, триггеров ТГ1, ТГ2 и ТГ3 от их номинальных значений; - отклонение от расчетного значения начальной фазы выходного сигнала фазовращателя ФВ.

Получено выражение дисперсии (если считать первичные погрешности некоррелированными):

Получено выражение для суммарного значения погрешности, когда не выполняется условие равенства амплитуд питающих напряжений фазовращателя:

Ошибка в питании на U = 5% даст ошибку преобразования угла 0,0013о, а при U = 10% имеем 0,0086о.

Величины, которые показывают, во сколько раз суммарная погрешность схем многоканального суммирования (12) меньше суммарной погрешности схем с двухканальным выходом (4) и обычной погрешности (3), соответственно равны:

Следовательно, если U = 5%, то 1 = 27.6, 2 = 1104.5, а если U = 10%, то 1 = 16.5, 2 = 329.5. Как видно из приведенных чисел, погрешность значительно уменьшается.

преобразования угла при неравенстве питающих напряжений ( а - устройство с устройство с тремя выходными каналами.).

Рис. 5. Диаграммы, иллюстрирующие погрешность преобразования угла при

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведен анализ существующих аналого-цифровых преобразователей перемещений (АЦПП) фазового типа и существующих трансформаторных фазовых АЦПП;

Проведены исследования и расчеты фазовращателей (с двухфазным питанием и одним выходным каналом, с двухфазным питанием и двумя выходными каналами, с трехфазным питанием и тремя выходными каналами). Получены полные выражения погрешностей, когда не выполняются условия идеального случая. Получены максимальные значения погрешностей и построены диаграммы, иллюстрирующие погрешность преобразования угла при неравенстве питающих напряжений;

Разработаны и предложены методы построения трансформаторных фазовых аналого-цифровых преобразователей перемещений (ТФПП) многоканального суммирования, в результате чего бил улучшен и развит метод многоканального суммирования для ТФПП;

Предложена обобщенная классификация ТФПП многоканального суммирования на основании разработанных методов построения ТФПП многоканального суммирования, а также существующих общих принципов построения аналого-цифровых преобразователей перемещений;

Исходя из предложенной классификационной таблицы, разработаны и исследованы 21 вариант схем трансформаторных фазовых аналогоцифровых преобразователей перемещений: получены выражения функций преобразования АЦПП, в рамках линейной теории точности получены выражения погрешностей АЦПП, построены временные диаграммы работы;

Повышенной точностью обладают схемы ТФПП с многоканальным выходом, у которых суммарная погрешность уменьшается в 16-27 газ по сравнению со схемами ТФПП с двухканальным выходом.

Публикации основных результатов диссертационной работы:

1. Косинский А.В., Резян А.Д. Аналого-цифровой преобразователь угловых перемещений с компенсацией погрешностей. //Научно-технический журнал «Измерительная техника» №8, Москва, 2007г., с. 31-33.

2. Косинский А.В., Резян А.Д. Трансформаторный аналого-цифровой преобразователь перемещений с компенсацией погрешностей. //Научнотехнический журнал «Измерительная техника»№10, Москва, 2007г.,с. 26-27.

3. Косинский А.В., Резян А.Д. Расчет погрешностей трансформаторного датчика угловых перемещений //Научно-технический и производственный журнал «Датчики и системы» №11, Москва, 2007г., с. 28-30.

4. Косинский А.В., Резян А.Д. Патент на полезную модель № Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации ноября 2007г. Дата публикации сведений: 10.11.2007 Бюл. №31.

5. Косинский А.В., Резян А.Д. Минимизация ресурсов аппаратных средств встроенного самотестирования аналого-цифрового преобразователя, основанная на гистограмме. Материалы Х-ой международной научнопрактической конференция «Наука сервису», МГУ Сервиса, г. Москва, 2005г., с 68-71.

6. Резян А.Д. Расчет погрешностей индукционных фазовращателей с пульсирующим полем. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Тезисы докладов. – М.:

МИЭМ, 2006г., с. 10-11.

7. Косинский А.В., Резян А.Д. Расчет погрешностей индукционных фазовращателей с пульсирующим полем и с дополнительной статорной конференции «Современные средства управления бытовой техникой», МГУ Сервиса, г. Москва, 2006г., с. 60-66.

8. Резян А.Д. Расчет погрешностей трансформаторного фазового ПП с двухканальным выходом. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Тезисы докладов. – М.:

МИЭМ, 2007г., с. 306-307.

9. Косинский А.В., Резян А.Д. Трансформаторный фазовый преобразователь перемещений с двухканальным выходом. Материалы VIII-ой межвузовской научно-технической конференция «Современные средства управления бытовой техникой», МГУ Сервиса, г. Москва, 2007г., с. 11-16.

10. Косинский А.В., Резян А.Д. Анализ трансформаторного фазового преобразователя перемещений с вращающимся магнитным полем.

Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), материалы конференции, том 1, г. Новосибирск, 2007г., с. 55-57.