RU2300736C1 - Arrangement for measuring an angular travel of constructive elements - Google Patents
Arrangement for measuring an angular travel of constructive elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2300736C1 RU2300736C1 RU2005132122/28A RU2005132122A RU2300736C1 RU 2300736 C1 RU2300736 C1 RU 2300736C1 RU 2005132122/28 A RU2005132122/28 A RU 2005132122/28A RU 2005132122 A RU2005132122 A RU 2005132122A RU 2300736 C1 RU2300736 C1 RU 2300736C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- microcontroller
- measuring
- transducer
- converter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для определения углового положения различных объектов, например подвижных конструктивных элементов грузоподъемных кранов, в частности для измерения угла азимута грузоподъемного крана.The device relates to measuring equipment and can be used to determine the angular position of various objects, for example, movable structural elements of hoisting cranes, in particular for measuring the azimuth angle of a hoisting crane.
Известно устройство для измерения угла азимута и углового положения стрелы грузоподъемного крана, содержащее оптическую систему, первый и второй детекторы которой установлены на поворотной платформе крана. Оптические оси детекторов направлены на источники света, расположенные вне грузоподъемного крана, а выходы детекторов подключены к входам бортового компьютера, выполненного с возможностью вычисления угловых положений стрелы с грузом и платформы крана [1].A device is known for measuring the azimuth angle and the angular position of the boom of a crane, containing an optical system, the first and second detectors of which are mounted on a rotary platform of the crane. The optical axes of the detectors are directed to light sources located outside the crane, and the outputs of the detectors are connected to the inputs of the on-board computer, configured to calculate the angular positions of the boom with the load and the crane platform [1].
Недостатком этого технического решения является невысокая надежность устройства при работе в условиях плохой оптической видимости - при высоких уровнях запыленности, при дожде, снегопаде и т.д.The disadvantage of this technical solution is the low reliability of the device when operating in conditions of poor optical visibility - at high levels of dust, rain, snow, etc.
Более распространенным является устройство для измерения угла, содержащее потенциометр, ось которого связана с подвижным конструктивным элементом грузоподъемного крана, и источник постоянного напряжения, подключенный к первому и второму выводам потенциометра, третий вывод которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя [2].More common is a device for measuring the angle, containing a potentiometer, the axis of which is connected with a movable structural element of a crane, and a constant voltage source connected to the first and second terminals of the potentiometer, the third terminal of which is connected to the input of an analog-to-digital converter [2].
Недостатком этого устройства является ограниченный диапазон измеряемых угловых перемещений. Это вызвано наличием разрыва в контактной системе потенциометра в момент перехода его движка с конца на начало резистивного элемента.The disadvantage of this device is the limited range of measured angular displacements. This is caused by the presence of a gap in the contact system of the potentiometer at the moment of transition of its engine from the end to the beginning of the resistive element.
Наиболее близким к предложенному по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для измерения угла поворота, содержащее измерительный преобразователь, выполненный в виде двух магниточувствительных элементов, формирующих два электрических сигнала, пропорциональных синусу и косинусу угла между этими элементами и постоянным магнитом, связанным с измеряемым углом поворота, и промежуточный преобразователь, выполненный на основе микроконтроллера и осуществляющий преобразование выходных сигналов измерительного преобразователя в выходной сигнал устройства, удобный для передачи по линии связи или для последующей обработки [3].The closest to the proposed combination of essential features and the achieved result is a device for measuring the angle of rotation, containing a measuring transducer made in the form of two magnetically sensitive elements that form two electrical signals proportional to the sine and cosine of the angle between these elements and a permanent magnet associated with the measured angle rotation, and an intermediate converter made on the basis of a microcontroller and converting output signals KSR Control inverter output device, convenient for transmission over a communications link or for further processing [3].
Достоинством этого устройства является возможность измерения угла в пределах полного поворота объекта, в частности его вала.The advantage of this device is the ability to measure the angle within the complete rotation of the object, in particular its shaft.
Однако при этом не обеспечивается возможность изменения верхнего и нижнего пределов измерений угла (или диапазона измеряемых углов). При необходимости измерения угла поворота в пределах, отличающихся от 360°, необходимо применение дополнительного механического редуктора, что приводит к усложнению устройства.However, this does not provide the ability to change the upper and lower limits of the measurement of the angle (or the range of measured angles). If you need to measure the angle of rotation in the range other than 360 °, it is necessary to use an additional mechanical gearbox, which leads to the complexity of the device.
Кроме того, отсутствует возможность реализации известного устройства без внешнего источника питания.In addition, there is no possibility of implementing the known device without an external power source.
Еще одним недостатком известного технического решения является отсутствие возможности измерения угла путем контроля линейного перемещения зубьев колеса, закрепленного на объекте - на конструктивном элементе, угловое положение которого необходимо измерить.Another disadvantage of the known technical solution is the lack of the ability to measure the angle by controlling the linear movement of the teeth of the wheel mounted on the object - on the structural element, the angular position of which must be measured.
Техническими результатами, на достижение которых направлено предложенное техническое решение, являются:The technical results to which the proposed technical solution is directed are:
- обеспечение возможности программного изменения пределов измерения угловых перемещений;- providing the ability to programmatically change the limits of measurement of angular displacements;
- упрощение конструкции устройства за счет исключения редуктора, в том числе в случаях, когда пределы измерения превышают 360°;- simplification of the design of the device due to the elimination of the gearbox, including in cases where the measurement limits exceed 360 °;
- обеспечение возможности измерения угла без применения внешнего источника электрического питания;- providing the ability to measure the angle without using an external source of electrical power;
- обеспечение возможности измерения угла путем контроля как угла поворота какого-либо вала объекта, так и линейного перемещения зубьев зубчатого колеса, соединенного с этим объектом.- providing the ability to measure the angle by controlling both the angle of rotation of any shaft of the object, and the linear movement of the teeth of the gear connected to this object.
В предложенном устройстве для измерения угла, содержащем, по меньшей мере, один измерительный преобразователь, выполненный с возможностью преобразования измеряемого угла в электрический сигнал, и промежуточный преобразователь, вход которого подключен к выходу измерительного преобразователя, причем промежуточный преобразователь выполнен на основе микроконтроллера с возможностью преобразования выходного сигнала измерительного преобразователя в выходной сигнал устройства, удобный для передачи по линии связи или для последующей обработки или регистрации, указанный технический результат достигается за счет того, что измерительный преобразователь выполнен с возможностью формирования импульсного или цифрового инкрементального выходного сигнала или измерительный преобразователь выполнен с возможностью формирования абсолютного выходного сигнала, а промежуточный преобразователь выполнен с возможностью преобразования этого абсолютного сигнала в импульсный или цифровой инкрементальный сигнал, причем микроконтроллер промежуточного преобразователя выполнен с возможностью программного умножения этого инкрементального сигнала на целое число М и последующего подсчета полученных импульсов или прямого подсчета импульсов инкрементального сигнала. При этом величина множителя М и информационная емкость L счетчика импульсов предварительно определены из условия получения необходимых пределов измерений угла поворота и записаны в энергонезависимую память микроконтроллера или дополнительного запоминающего устройства, подключенного к микроконтроллеру, а промежуточный преобразователь выполнен с возможностью преобразования состояния указанного счетчика в упомянутый выходной сигнал устройства. При этом, в частности:In the proposed device for measuring the angle, containing at least one measuring transducer configured to convert the measured angle into an electrical signal, and an intermediate transducer, the input of which is connected to the output of the measuring transducer, the intermediate transducer based on a microcontroller with the ability to convert the output the signal of the measuring transducer to the output signal of the device, convenient for transmission over a communication line or for subsequent processing boot or registration, the specified technical result is achieved due to the fact that the measuring transducer is configured to generate a pulse or digital incremental output signal or the measuring transducer is configured to generate an absolute output signal, and the intermediate transducer is configured to convert this absolute signal to a pulse or digital incremental signal, and the microcontroller of the intermediate Converter is made with the ability to programmatically multiply this incremental signal by an integer M and then count the received pulses or directly count the pulses of the incremental signal. In this case, the magnitude of the factor M and the information capacity L of the pulse counter are preliminarily determined from the conditions for obtaining the necessary limits for measuring the angle of rotation and are recorded in the non-volatile memory of the microcontroller or additional storage device connected to the microcontroller, and the intermediate converter is capable of converting the state of the specified counter into the mentioned output signal devices. In this case, in particular:
- устройство дополнительно содержит автономный источник питания, подключенный к выводам питания промежуточного преобразователя или его микроконтроллера и, при необходимости, измерительного преобразователя. Питание устройства может осуществляться также от встроенного электромагнитного или пьезоэлектрического генератора, выполненного с возможностью преобразования механической энергии измеряемого угла поворота в электрическую энергию, причем выход генератора подключен к выводам питания промежуточного преобразователя и/или измерительного преобразователя. При этом между выходом генератора и автономным источником энергии может быть подключен дополнительный преобразователь тока или напряжения;- the device further comprises an autonomous power source connected to the power terminals of the intermediate transducer or its microcontroller and, if necessary, a measuring transducer. The device can also be powered by an integrated electromagnetic or piezoelectric generator configured to convert the mechanical energy of the measured angle of rotation into electrical energy, the output of the generator being connected to the power terminals of the intermediate transducer and / or measuring transducer. Moreover, between the output of the generator and the autonomous energy source, an additional current or voltage converter can be connected;
- микроконтроллер и энергонезависимая память микроконтроллера или дополнительного запоминающего устройства выполнены с возможностью программного изменения чисел М и L;- the microcontroller and non-volatile memory of the microcontroller or additional storage device are configured to programmatically change the numbers M and L;
- измерительный преобразователь выполнен в виде инкрементального энкодера с двухфазным выходом, промежуточный преобразователь выполнен с возможностью определения направления углового перемещения по сдвигу фаз между двумя выходными сигналами энкодера, а также с возможностью реверсивного подсчета результата умножения инкрементального сигнала в зависимости от этого направления перемещения;- the measuring transducer is made in the form of an incremental encoder with a two-phase output, the intermediate transducer is configured to determine the direction of angular movement by the phase shift between the two output signals of the encoder, as well as with the possibility of reversely counting the result of the multiplication of the incremental signal depending on this direction of movement;
- измерительный преобразователь выполнен в виде двух измерителей расстояния до зубчатого колеса, размещенных со сдвигом, равным или близким к четверти шага зубьев, промежуточный преобразователь выполнен с возможностью определения направления углового перемещения по сдвигу фаз между выходными сигналами двух измерителей, а также с возможностью реверсивного подсчета результата умножения инкрементального сигнала в зависимости от этого направления перемещения, причем измеряемый угол является угловым положением указанного зубчатого колеса или устройство дополнительно оснащено указанным зубчатым колесом, угловое положение которого соответствует измеряемому углу или пропорционально ему за счет применения дополнительного передаточного устройства;- the measuring transducer is made in the form of two distance meters to the gear placed with a shift equal to or close to a quarter of the tooth pitch, the intermediate transducer is configured to determine the direction of the angular displacement by the phase shift between the output signals of the two meters, as well as with the possibility of reversible calculation of the result multiplication of the incremental signal depending on this direction of movement, and the measured angle is the angular position of the specified gear ENA or device is additionally equipped with said gear, the angular position of which corresponds to the angle measured or proportional to it through the use of an additional transfer device;
- микроконтроллер выполнен с возможностью выявления моментов времени включения и отключения внешнего напряжения питания устройства, с возможностью записи содержимого счетчика импульсов в энергонезависимую память микроконтроллера или дополнительного запоминающего устройства в момент этого отключения, а также с возможностью перезаписи этого содержимого из энергонезависимой памяти микроконтроллера или дополнительного запоминающего устройства в счетчик импульсов в момент включения внешнего напряжения питания устройства;- the microcontroller is configured to detect when the external voltage of the device is turned on and off, with the ability to write the contents of the pulse counter into the non-volatile memory of the microcontroller or additional storage device at the time of this shutdown, and also with the ability to overwrite this content from the non-volatile memory of the microcontroller or additional storage device to the pulse counter at the moment of switching on the external supply voltage of the device;
- счетчик импульсов выполнен с использованием энергонезависимых ячеек памяти микроконтроллера или дополнительного запоминающего устройства;- the pulse counter is made using non-volatile memory cells of the microcontroller or additional storage device;
- промежуточный преобразователь содержит цифроаналоговый преобразователь, по меньшей мере, один вход которого подключен, по меньшей мере, к одному выходу микроконтроллера, а выход цифроаналогового преобразователя непосредственно или через дополнительную схему согласования подключен к выходу устройства либо промежуточный преобразователь содержит контроллер и/или драйвер мультиплексного канала обмена данными, например, последовательного интерфейса CAN или LIN, по меньшей мере, один вход которого подключен, по меньшей мере, к одному выходу микроконтроллера, а выход подключен к выходу устройства. В последнем случае контроллер мультиплексного канала обмена данными может также входить в состав микроконтроллера промежуточного преобразователя. Промежуточный преобразователь может содержать также трансивер или приемопередатчик беспроводной связи, выполненный с возможностью реализации последовательного канала обмена данными, например, по протоколу Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee или IrDA, причем, по меньшей мере, один вход трансивера или приемопередатчика подключен, по меньшей мере, к одному выходу микроконтроллера.- the intermediate converter contains a digital-to-analog converter, at least one input of which is connected to at least one output of the microcontroller, and the output of the digital-to-analog converter is directly or via an additional matching circuit connected to the output of the device, or the intermediate converter contains a controller and / or multiplex channel driver data exchange, for example, a serial CAN or LIN interface, at least one input of which is connected to at least one output the microcontroller, and the output is connected to the output of the device. In the latter case, the controller of the multiplex communication channel may also be part of the microcontroller of the intermediate converter. The intermediate converter may also include a transceiver or wireless transceiver configured to implement a serial communication channel, for example, via Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee or IrDA, and at least one input of the transceiver or transceiver is connected, at least to one output of the microcontroller.
Реализация устройства для измерения углов поворота, в частности, подвижных конструктивных элементов грузоподъемных кранов с приведенными отличительными признаками позволяет без применения механического редуктора осуществить программное изменение пределов измерения угла, в том числе реализовать многооборотный измеритель угла, а также осуществлять измерения без внешнего источника электрического питания. Поэтому указанные отличительные признаки находятся в прямой причинно-следственной связи с основным и с дополнительными указанными техническими результатами.Implementation of a device for measuring rotation angles, in particular, of moving structural elements of hoisting cranes with the distinguishing features provided, allows the program to change the angle measurement limits without using a mechanical gearbox, including the implementation of a multi-turn angle meter, as well as measurements without an external electric power source. Therefore, these distinguishing features are in direct causal relationship with the main and additional specified technical results.
На фиг.1 приведен пример реализации предложенного устройства для измерения угла, на фиг.2 - функциональная схема, поясняющая алгоритм его работы.Figure 1 shows an example implementation of the proposed device for measuring the angle, figure 2 is a functional diagram explaining the algorithm of its operation.
Устройство для измерения угла (фиг.1) в общем случае содержит, по меньшей мере, один измерительный преобразователь 1 и соединенный с ним промежуточный преобразователь 2, выполненный на основе микроконтроллера 3, осуществляющего обработку выходного сигнала измерительного преобразователя 1. Выходной сигнал устройства, удобный для передачи по линии связи или для последующей обработки или регистрации, формируется при помощи микроконтроллера 3 и соединенного с ним трансивера, контроллера или приемопередатчика 4.The device for measuring the angle (Fig. 1) generally comprises at least one measuring transducer 1 and an intermediate transducer 2 connected to it, based on a microcontroller 3, which processes the output signal of the measuring transducer 1. The output signal of the device is convenient for transmission over the communication line or for subsequent processing or registration, is formed using the microcontroller 3 and the transceiver, controller or transceiver 4 connected to it.
Промежуточный преобразователь 2 может содержать запоминающее устройство 5, подключенное к микроконтроллеру 3, и автономный источник питания 6, подключенный к выводам питания одного или нескольких функциональных блоков устройства.The intermediate Converter 2 may contain a storage device 5 connected to the microcontroller 3, and an autonomous power source 6 connected to the power terminals of one or more functional units of the device.
Питание устройства может осуществляться также от встроенного электромагнитного (реализованного с использованием электромагнитной индукции) или пьезоэлектрического генератора 7, осуществляющего преобразования механической энергии измеряемого угла поворота α в электрическую энергию. При необходимости, на выходе генератора 7 может быть установлен дополнительный преобразователь тока или напряжения 8, осуществляющий согласование уровня выходного напряжения генератора 7 с напряжением автономного источника питания 6 или с напряжением питания всего устройства.The device can also be powered by a built-in electromagnetic (realized using electromagnetic induction) or a piezoelectric generator 7, which converts the mechanical energy of the measured angle of rotation α into electrical energy. If necessary, an additional current or voltage converter 8 can be installed at the output of the generator 7, which matches the output voltage level of the generator 7 with the voltage of the autonomous power source 6 or with the supply voltage of the entire device.
В зависимости от конкретного варианта реализации предложенного устройства, отдельные функциональные блоки, приведенные на фиг.1, могут отсутствовать. Устройство может также сдержать дополнительные функциональные блоки, не приведенные на фиг.1.Depending on the specific implementation option of the proposed device, individual functional units shown in figure 1, may be absent. The device may also contain additional functional units not shown in FIG.
Измерительный преобразователь 1 формирует импульсный или цифровой инкрементальный выходной сигнал. Измерительный преобразователь 1 может также формировать абсолютный выходной сигнал, например, в виде параллельного кода или напряжения, значение или величина которого определяется текущим положением (абсолютным значением) угла поворота α. В последнем случае промежуточный преобразователь 2 при помощи микроконтроллера 3 осуществляет преобразование этого абсолютного сигнала в импульсный или цифровой инкрементальный сигнал. Если абсолютный выходной сигнал представлен в виде напряжения, то микроконтроллер содержит встроенный аналого-цифровой преобразователь.The measuring Converter 1 generates a pulse or digital incremental output signal. The measuring transducer 1 can also generate an absolute output signal, for example, in the form of a parallel code or voltage, the value or value of which is determined by the current position (absolute value) of the rotation angle α. In the latter case, the intermediate Converter 2 using the microcontroller 3 converts this absolute signal into a pulse or digital incremental signal. If the absolute output signal is presented in the form of voltage, then the microcontroller contains a built-in analog-to-digital converter.
Инкрементальный сигнал, полученный непосредственно от измерительного преобразователя 1 или сформированный микроконтроллером 3, содержит информацию о значении угла поворота α в виде электрических импульсов, количество которых соответствует величине изменения (увеличения или уменьшения) угла поворота. Если вал или иной конструктивный элемент, угловое положение которого необходимо измерить, остается неподвижным, то импульсы в инкрементальном сигнале отсутствуют. Соответственно, текущее значение результата измерения α и, соответственно, угловое положение объекта определяется посредством подсчета данных импульсов.The incremental signal received directly from the measuring transducer 1 or generated by the microcontroller 3 contains information about the value of the angle of rotation α in the form of electrical pulses, the number of which corresponds to the magnitude of the change (increase or decrease) in the angle of rotation. If the shaft or other structural element, the angular position of which must be measured, remains stationary, then there are no pulses in the incremental signal. Accordingly, the current value of the measurement result α and, accordingly, the angular position of the object is determined by counting these pulses.
При первом подключении напряжения питания в устройстве необходимо произвести определение абсолютного положения объекта (привязку исходного или нулевого положения). Это осуществляется, например, путем установки объекта (угла α) в фиксированное положение и записи заранее определенного значения угла, например нулевого значения, в счетчик импульсов либо в память микроконтроллера 3 или запоминающего устройства 5 с последующей перезаписью в счетчик импульсов. Дальнейший отсчет значений угла α производится от этого записанного значения.At the first connection of the supply voltage in the device, it is necessary to determine the absolute position of the object (reference to the initial or zero position). This is done, for example, by setting the object (angle α) to a fixed position and writing a predetermined angle value, for example, a zero value, to the pulse counter or to the memory of the microcontroller 3 or memory 5 and then overwriting it into the pulse counter. Further reading of the values of the angle α is made from this recorded value.
Если при отключении внешнего напряжения питания устройства абсолютное значение угла необходимо сохранить, то в устройстве используется автономный источник питания 6. Абсолютное значение угла может быть также сохранено, если микроконтроллер 3, используя встроенную или внешнюю схему контроля снижения напряжения питания, например компаратор или аналого-цифровой преобразователь, выявляет моменты времени включения и отключения внешнего напряжения питания и далее при отключении напряжения питания осуществляет запись последнего результата измерения угла α, т.е. содержимого счетчика импульсов, в ячейки энергонезависимой памяти - в EEPROM микроконтроллера 3 или в энергонезависимое (Flash Memory) запоминающее устройство 5 и, соответственно, при включении напряжения питания осуществляет обратную перезапись, восстанавливая содержимое счетчика.If the absolute value of the angle must be preserved when disconnecting the external supply voltage of the device, then the device uses a stand-alone power source 6. The absolute value of the angle can also be saved if the microcontroller 3, using the built-in or external control circuit for reducing the supply voltage, for example, a comparator or analog-to-digital the converter, detects the moments of time the external voltage is turned on and off, and then, when the voltage is turned off, it records the last result and measuring the angle α, i.e. the contents of the pulse counter, in the non-volatile memory cells - in the EEPROM of the microcontroller 3 or in the non-volatile (Flash Memory) storage device 5 and, accordingly, when the supply voltage is turned on, it performs a reverse overwrite, restoring the contents of the counter.
Аналогичный результат может быть получен в случае реализации счетчика с использованием энергонезависимых ячеек памяти. В этом случае, например, после каждого изменения состояния счетчика импульсов, реализованного программно микроконтроллером 3, микроконтроллер осуществляет запись его состояния в собственную энергонезависимую память или в энергонезависимую память запоминающего устройства 5. Благодаря этому, отключение внешнего источника питания в любой момент времени не приводит к потере информации об абсолютной величине измеряемого угла, содержащейся в счетчике импульсов.A similar result can be obtained if the counter is implemented using non-volatile memory cells. In this case, for example, after each change in the state of the pulse counter implemented by the microcontroller 3 software, the microcontroller records its state in its own non-volatile memory or in the non-volatile memory of the memory device 5. Due to this, disconnecting the external power source at any time does not lead to loss information about the absolute value of the measured angle contained in the pulse counter.
Измерительный преобразователь 1 может быть выполнен в виде инкрементального, например оптического или контактного, энкодера с двухфазным выходом. В этом случае микроконтроллер 3 промежуточного преобразователя 2 по числу импульсов определяет величину изменения угла α (т.е. величину Δα) и одновременно по сдвигу фаз между двумя выходными сигналами энкодера определяет направление углового перемещения.The measuring transducer 1 can be made in the form of an incremental, for example optical or contact, encoder with a two-phase output. In this case, the microcontroller 3 of the intermediate transducer 2 determines the angle α (i.e., Δα) by the number of pulses and simultaneously determines the direction of angular movement by the phase shift between the two output signals of the encoder.
Измерительный преобразователь может быть выполнен также в виде двух измерителей расстояния 9 и 10 до зубчатого колеса 11 (фиг.2), размещенных со сдвигом, равным или близким к четверти шага зубьев. В этом случае микроконтроллер 3 промежуточного преобразователя 2 аналогичным образом определяет величину Δα и направление углового перемещения.The measuring transducer can also be made in the form of two distance meters 9 and 10 to the gear 11 (figure 2), placed with a shift equal to or close to a quarter of the pitch of the teeth. In this case, the microcontroller 3 of the intermediate transducer 2 similarly determines the value Δα and the direction of angular displacement.
Выходной сигнал устройства, в зависимости от варианта реализации трансивера, контроллера или приемопередатчика 4, может быть представлен как в аналоговой, так и в цифровой форме. В последнем случае выходной сигнал может быть сформирован как в последовательном, так и в параллельном коде.The output signal of the device, depending on the implementation of the transceiver, controller or transceiver 4, can be presented in both analog and digital form. In the latter case, the output signal can be generated both in serial and in parallel code.
Если устройство имеет аналоговый выходной сигнал, то микроконтроллер 3 или трансивер, контроллер или приемопередатчик 4 содержит цифроаналоговый преобразователь. Если же устройство имеет цифровой выходной сигнал, то трансивер, контроллер или приемопередатчик 4 выполнен на основе соответствующей микросхемы, реализующей, например, протокол мультиплексного канала обмена данными - CAN или LIN и т.п. Контроллер мультиплексного канала обмена данными может также входить в состав микроконтроллера 3. Устройство может содержать также трансивер или приемопередатчик 4 беспроводной связи, реализующий, совместно с микроконтроллером 3, канал последовательного обмена данными по протоколу Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee или IrDA.If the device has an analog output signal, then the microcontroller 3 or the transceiver, controller or transceiver 4 contains a digital-to-analog converter. If the device has a digital output signal, then the transceiver, controller, or transceiver 4 is made on the basis of a corresponding microcircuit that implements, for example, the protocol of a multiplex communication channel — CAN or LIN, etc. The controller of the multiplex communication channel may also be part of the microcontroller 3. The device may also include a transceiver or transceiver 4 wireless communication, which implements, in conjunction with the microcontroller 3, a serial communication channel via Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee or IrDA.
В общем случае зубчатое колесо 11 связано с объектом - конструктивным элементом, угловое положение которого необходимо измерить при помощи некоторого передаточного механизма, например зубчатой передачи.In the General case, the
Предположим, что ведущее зубчатое колесо этой передачи, непосредственно связанное с объектом, имеет число зубьев N, а ведомое зубчатое колесо, связанное с рассматриваемым устройством, - число зубьев М.Suppose that the driving gear of this gear directly connected to the object has the number of teeth N, and the driven gear associated with the device in question has the number of teeth M.
В этом случае, угол поворота объекта γ связан с измеряемым углом поворота α соотношениемIn this case, the angle of rotation of the object γ is related to the measured angle of rotation α by the ratio
Основным рабочим параметром измерительного преобразователя 1 является количество импульсов К на один оборот углового перемещения α.The main operating parameter of the measuring transducer 1 is the number of pulses K per revolution of angular displacement α.
Соответственно, количество импульсов инкрементального выходного сигнала измерительного преобразователя 1, соответствующее полному повороту объекта (γ=360°), равноAccordingly, the number of pulses of the incremental output signal of the measuring transducer 1, corresponding to a complete rotation of the object (γ = 360 °), is
Число Х в общем случае является дробным, т.е. целого числа X, соответствующего одному полному обороту объекта (γ=360°), может не существовать. В этом случае определение текущего значения угла γ путем прямого подсчета количества выходных импульсов инкрементального выходного сигнала измерительного преобразователя 1 (или измерителей 9 и 10) не представляется возможным из-за возникающей при этом методической погрешности.The number X is generally fractional, i.e. the integer X corresponding to one complete revolution of the object (γ = 360 °) may not exist. In this case, the determination of the current value of the angle γ by directly counting the number of output pulses of the incremental output signal of the measuring transducer 1 (or meters 9 and 10) is not possible due to the resulting methodological error.
Для исключения этой погрешности микроконтроллер 3 промежуточного преобразователя 2 в предложенном устройстве осуществляет программное умножение инкрементального сигнала на указанное число М, что на фиг.2 иллюстрирует блок 12.To eliminate this error, the microcontroller 3 of the intermediate Converter 2 in the proposed device performs software multiplication of the incremental signal by the specified number M, which figure 2 illustrates
В итоге получается целое число импульсовThe result is an integer number of pulses
Далее количество импульсов, полученное в результате этого умножения, программно подсчитывается микроконтроллером 3 (блок 13 на фиг.2). При этом информационная емкость (количество различных состояний или модуль) программного счетчика устанавливается равным L - числу импульсов, соответствующему полному обороту объекта (γ=360°).Next, the number of pulses obtained as a result of this multiplication is programmatically calculated by the microcontroller 3 (block 13 in figure 2). In this case, the information capacity (the number of different states or module) of the software counter is set equal to L - the number of pulses corresponding to the total revolution of the object (γ = 360 °).
В общем случае, для обеспечения возможности измерения угла поворота при реверсивных перемещениях объекта указанный программный счетчик реализуется реверсивным, т.е. направление его счета определяется направлением изменения углов α и γ, которое выявляется микроконтроллером 3 по сдвигу фаз измерительного преобразователя 1.In the general case, in order to be able to measure the angle of rotation during reverse movements of an object, the specified program counter is implemented as a reverse counter, i.e. the direction of its calculation is determined by the direction of the change in the angles α and γ, which is detected by the microcontroller 3 by the phase shift of the measuring transducer 1.
В итоге, содержимое программного счетчика импульсов микроконтроллера 3 однозначно соответствует углу поворота объекта γ. Далее микроконтроллер 3 осуществляет преобразование состояния указанного счетчика в упомянутый выходной сигнал устройства. Это преобразование может включать в себя масштабирование сигнала, преобразование в последовательный код для передачи по мультиплексному каналу обмена данными или по радиоканалу и т.п.As a result, the contents of the software pulse counter of the microcontroller 3 uniquely corresponds to the angle of rotation of the object γ. Next, the microcontroller 3 converts the state of the specified counter into said output signal of the device. This conversion may include signal scaling, conversion to serial code for transmission over a multiplex communication channel or over a radio channel, and the like.
Погрешность и диапазон измерения углов α и γ зависят от значений К, М и L. Величина К определяет точность (дискретность) измерений и определяется конструкцией измерительного преобразователя 1 или числом зубьев колеса 11, а величины М и L зависят от параметров передаточного механизма и определяют пределы измерений угла поворота объекта γ.The error and the measurement range of the angles α and γ depend on the values of K, M and L. The value of K determines the accuracy (resolution) of the measurements and is determined by the design of the measuring transducer 1 or the number of teeth of the
Значения М и L заранее определяются, например, при проектировании устройства или при его настройке непосредственно на объекте, записываются в энергонезависимую память микроконтроллера 3 или подключенного к нему запоминающего устройства 5 и используются в программе работы микроконтроллера 3. Соответственно, путем выбора значений М и L в предложенном устройстве обеспечивается возможность реализации измерителя угловых перемещений с любыми наперед заданными пределами измерений угла, а также возможность программного изменения этих пределов измерения, в том числе непосредственно в процессе работы устройства. В частности, реализуется многооборотный измеритель угла без применения механического редуктора, что упрощает конструкцию устройства.The values of M and L are predetermined, for example, when designing the device or when setting it directly on the object, they are recorded in the non-volatile memory of the microcontroller 3 or the memory device 5 connected to it and are used in the program of the microcontroller 3. Accordingly, by selecting the values of M and L in the proposed device provides the ability to implement a meter of angular displacements with any predetermined limits of angle measurements, as well as the ability to programmatically change these limits in measurement, including directly during operation. In particular, a multi-turn angle meter is implemented without the use of a mechanical gearbox, which simplifies the design of the device.
При реализации устройства может быть проведена факторизация чисел М и L. Если в результате этой факторизации выявляются общие множители, возможно сокращение значений чисел М и L, что несколько упрощает устройство, но не меняет его техническую сущность. В частном случае, когда число L делится на число М без остатка, сокращенное число М' становится равным единице, т.е. необходимость умножения инкрементального сигнала отсутствует. В этом случае осуществляется прямой, в общем случае реверсивный, подсчет количества импульсов инкрементального сигнала.When implementing the device, factorization of the numbers M and L can be carried out. If common factors are revealed as a result of this factorization, it is possible to reduce the values of the numbers M and L, which somewhat simplifies the device, but does not change its technical nature. In the particular case, when the number L is divided by the number M without a remainder, the reduced number M 'becomes equal to unity, i.e. there is no need to multiply the incremental signal. In this case, a direct, generally reversible, calculation of the number of pulses of the incremental signal is carried out.
Электрическое питание устройства может осуществляться от внешнего источника питания, от автономного источника питания 6, а также от дополнительного генератора 7, преобразующего механическую энергию перемещения объекта в электрическую энергию. Возможность применения этого генератора обусловлена тем, что необходимость измерения угла возникает, как правило, только при его изменении. При этом, в случае необходимости, выходное напряжение генератора 7 преобразуется по уровню при помощи преобразователя тока или напряжения 8. Такая необходимость возникает когда, например, генератор 7 выполнен пьезоэлектрическим и формирует импульсы высокого напряжения. В этом случае для рационального использования энергии этих импульсов для подзарядки автономного источника энергии целесообразно понижение выходного напряжения генератора, например, при помощи импульсного трансформатора.The device can be electrically powered from an external power source, from an autonomous power source 6, as well as from an additional generator 7, which converts the mechanical energy of moving the object into electrical energy. The possibility of using this generator is due to the fact that the need to measure the angle arises, as a rule, only when it changes. In this case, if necessary, the output voltage of the generator 7 is converted in level using a current or voltage converter 8. Such a need arises when, for example, the generator 7 is made piezoelectric and generates high voltage pulses. In this case, for the rational use of the energy of these pulses to recharge an autonomous energy source, it is advisable to lower the output voltage of the generator, for example, using a pulse transformer.
Из изложенного следует, что в предложенном устройстве обеспечивается возможность программного изменения пределов измерения угловых перемещений какого-либо объекта, а также реализация многооборотного измерителя угла без применения механического редуктора. Это обеспечивает возможность создания универсального измерителя угла и упрощает его конструкцию. Одновременно, за счет использования механической энергии измеряемого параметра, обеспечивается работоспособность устройства без внешнего источника электрического питания.From the above it follows that the proposed device provides the ability to programmatically change the limits of measurement of the angular displacements of any object, as well as the implementation of a multi-turn angle meter without the use of a mechanical gearbox. This makes it possible to create a universal angle meter and simplifies its design. At the same time, through the use of mechanical energy of the measured parameter, the operability of the device without an external electric power source is ensured.
Источники информацииInformation sources
1. Патент ЕР 672889 А2, МПК5 G01B 11/16, 20.09.1995.1. Patent EP 672889 A2,
2. Ограничитель нагрузки крана ОНК-140-13. Новые нормативные материалы по безопасной эксплуатации подъемных сооружений. Вып.2, 1999. - М.: Изд-во ПИО ОБТ, с.47-86.2. Crane load limiter ONK-140-13. New regulatory materials for the safe operation of lifting structures. Issue 2, 1999. - M.: Publishing House of PIO OBT, pp. 47-86.
3. Патент RU 2206869 С2, МПК7 G01B 7/30, В66С 13/46, 20.06.2003.3. Patent RU 2206869 C2, IPC7 G01B 7/30,
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005132122/28A RU2300736C1 (en) | 2005-10-17 | 2005-10-17 | Arrangement for measuring an angular travel of constructive elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005132122/28A RU2300736C1 (en) | 2005-10-17 | 2005-10-17 | Arrangement for measuring an angular travel of constructive elements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2300736C1 true RU2300736C1 (en) | 2007-06-10 |
Family
ID=38312575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005132122/28A RU2300736C1 (en) | 2005-10-17 | 2005-10-17 | Arrangement for measuring an angular travel of constructive elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2300736C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA012858B1 (en) * | 2008-02-18 | 2009-12-30 | Закрытое Акционерное Общество "Критерий" | Device for hoisting machinery boom tilt angle measurement |
| RU2805303C1 (en) * | 2023-07-31 | 2023-10-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбТЭТУ "ЛЭТИ") | Rotation angle detection device |
-
2005
- 2005-10-17 RU RU2005132122/28A patent/RU2300736C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA012858B1 (en) * | 2008-02-18 | 2009-12-30 | Закрытое Акционерное Общество "Критерий" | Device for hoisting machinery boom tilt angle measurement |
| RU2805303C1 (en) * | 2023-07-31 | 2023-10-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбТЭТУ "ЛЭТИ") | Rotation angle detection device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6304079B1 (en) | Incremental rotary encoder for measuring horizontal or vertical angles | |
| CN105222814A (en) | Multi-turn memory rotary transformer decoding circuit and position calculation method thereof | |
| CN108731707B (en) | Method and device for measuring absolute position by double-increment type encoder | |
| CN102627231A (en) | Amplitude limiting device and method | |
| KR100390315B1 (en) | Apparatus for measuring absolute angle and method thereof | |
| CN102624375A (en) | Signal processing device compatible with multiple kinds of interfaces of encoders and rotary transformers | |
| CN102087296B (en) | Motor speed measurement sensor | |
| RU94219U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE LENGTH AND ANGLE OF THE TILES OF THE TELESCOPIC ARROW OF THE LOADING MACHINE | |
| CN106029474B (en) | The method of the angle reference position of power steering system is determined according to the rising edge of exponential signal and failing edge | |
| RU2300736C1 (en) | Arrangement for measuring an angular travel of constructive elements | |
| CN101244795A (en) | Counting and force-testing device for winch | |
| RU2403204C1 (en) | Device for control of linear or angular movement of hoisting machine equipment or mechanism | |
| CN203364855U (en) | An analog signal converting module of a photoelectric encoder | |
| CN210014751U (en) | Measuring device for detecting rotation angle of shaft | |
| CN201945599U (en) | Motor speed detection sensor | |
| RU62916U1 (en) | LIFTING MACHINE EQUIPMENT SENSOR | |
| CN201235929Y (en) | Digital ship helm angle meter | |
| RU127899U1 (en) | NON-CONTACT INTELLIGENT MAGNET RESISTANCE ANGULAR SENSOR | |
| CN108123645A (en) | The brushless motor control method and system of a kind of encoderless | |
| RU152876U1 (en) | TURN ANGLE SENSOR | |
| CN102486383A (en) | Power-maintained multi-circle absolute value encoder | |
| RU2268233C2 (en) | Method of and device for measuring load-lifting crane azimuth angle (versions) | |
| RU63053U1 (en) | LIFTING MACHINE POSITION SENSOR | |
| JP2636069B2 (en) | Displacement detector | |
| CN213182383U (en) | 4mA ~20mA electric current type angle sensor device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141018 |