RU2727345C1 - Hybrid angular position measurement sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, automation and can be used in designing high-precision analogue-to-digital converters, displacement transducers and electronic products parameters control systems. Proposed device comprises analogue angular position transducer, angular position digital transducer arranged on one shaft with analogue angular position transducer, analogue-to-digital converter and computer.

EFFECT: technical result is reduced error of measurement of angular position.

1 cl, 4 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, и может быть использовано при создании высокоточных аналого-цифровых преобразователей и систем контроля параметров изделий электронной техники. Техническим результатом является то, что гибридные датчики позволяют значительно уменьшить погрешность измерения углового положения даже при использовании в своем составе относительно грубых цифровых и аналоговых датчиков. Это также позволяет применять датчики меньших габаритных размеров и цифровые датчики углового положения меньшей разрядности.The invention relates to measuring technology, automation, and can be used to create high-precision analog-to-digital converters and control systems for parameters of electronic products. The technical result is that hybrid sensors can significantly reduce the measurement error of the angular position even when using relatively coarse digital and analog sensors. This also allows the use of sensors of smaller dimensions and digital angular position sensors of lower bit depth.

При разработке систем автоматического управления летательным аппаратом неизбежно возникает вопрос выбора датчиков углового положения различных объектов: органов управления, рулевых поверхностей и т.п. В настоящее время существует устойчивая тенденция перехода от аналоговых к цифровым датчикам, при этом одной из основных проблем остается необходимость обеспечения заданной точности датчика.When developing automatic control systems for an aircraft, the question of choosing angular position sensors for various objects inevitably arises: controls, steering surfaces, etc. Currently, there is a steady trend of moving from analog to digital sensors, while one of the main problems remains the need to ensure the specified accuracy of the sensor.

В системах автоматики аналоговые датчики (АД) углового положения в чистом виде применяются относительно редко, чаще они применяются в комплексе с аналого-цифровым преобразователем выходного сигнала. Такое комплексирование позволяет значительно упростить обработку выходного сигнала в современных цифровых вычислительных системах. При этом основным недостатком аналоговых датчиков углового положения остается относительно высокая зависимость выходного сигнала от внешних воздействий: температуры, влажности, давления и т.д.In automation systems, pure analogue sensors (AD) of angular position are used relatively rarely, more often they are used in combination with an analog-to-digital converter of the output signal. Such integration makes it possible to significantly simplify the processing of the output signal in modern digital computing systems. At the same time, the main disadvantage of analog angular position sensors remains the relatively high dependence of the output signal on external influences: temperature, humidity, pressure, etc.

Цифровые датчики (ЦД) углового положения значительно меньше подвержены влиянию внешней окружающей среды, но имеют свои характерные недостатки:Digital sensors (CD) of angular position are much less affected by the external environment, but have their own characteristic disadvantages:

- инкрементные датчики углового положения пока не нашли применения в авиации, т.к. при пропадании и последующем восстановлении электропитания невозможно определить текущее угловое положение объекта;- Incremental angular position sensors have not yet found application in aviation, because in case of power failure and subsequent restoration, it is impossible to determine the current angular position of the object;

- абсолютные датчики углового положения при повышенной разрядности (точности) имеют относительно большие габариты, в силу чего возникают сложности при организации резервирования каналов получения информации о текущем угловом положении.- absolute angular position sensors with increased bit depth (accuracy) have relatively large dimensions, due to which difficulties arise in organizing the reservation of channels for obtaining information about the current angular position.

В изобретении предлагается гибридный датчик измерения углового положения, имеющий в своем составе и аналоговый и цифровой датчики углового положения, связанные определенным образом как конструктивно, так и алгоритмически с целью получения единого выходного сигнала.The invention proposes a hybrid angular position measuring sensor comprising both analog and digital angular position sensors connected in a certain way both structurally and algorithmically in order to obtain a single output signal.

Известны датчики преобразования угла поворота вала в код по а.с. 1181135 (СССР) и по а.с. 1786662 (СССР), основанные на том, что вал датчика поворачивают на равномерно расположенные углы в диапазоне преобразования, преобразуют угол поворота вала в сигналы, определяют амплитуды и фазы пространственных гармоник погрешности преобразования, формируют поправки и затем формируют выходной код угла.Known sensors for converting the angle of rotation of the shaft into a code on.with. 1181135 (USSR) and according to A.S. 1786662 (USSR), based on the fact that the sensor shaft is rotated at evenly spaced angles in the conversion range, the shaft rotation angle is converted into signals, the amplitudes and phases of the spatial harmonics of the conversion error are determined, corrections are generated, and then the angle output code is generated.

Известно устройство для измерения угловых перемещений RU 2313764 С1, 27.12.2007, МПК: G01B 7/30, содержащее формирователь синусоиды, трансформаторный датчик угла, дифференциальный усилитель, устройство выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь регистр данных, блок управления и синхронизации и генератор.Known device for measuring angular displacements RU 2313764 C1, 27.12.2007, IPC: G01B 7/30, containing a sine wave former, a transformer angle sensor, a differential amplifier, a sample-storage device, an analog-to-digital converter, a data register, a control and synchronization unit and a generator ...

Недостатком этих устройств является погрешность, обусловленная напряжением смещения измеряемого напряжения.The disadvantage of these devices is the error caused by the bias voltage of the measured voltage.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь угла поворота вала в код, патент РФ 2310984, МПК Н03М 1/64, опубликован 20.11.2007 г., принятый за прототип и содержащий три синусно-косинусных трансформаторных датчика, коммутатор, интеграторы, функциональный преобразователь отношения напряжений в код, пороговые элементы, элементы И-НЕ, формирователь времени интегрирования, счетчик, триггер и формирователь сигнала исходного состояния, причем формирователь времени интегрирования содержит элемент НЕ, генератор импульсов, счетчик-распределитель и триггер.The closest to the invention in terms of the technical essence and the achieved result is a shaft rotation angle converter into a code, RF patent 2310984, IPC Н03М 1/64, published on November 20, 2007, taken as a prototype and containing three sine-cosine transformer sensors, a switch, integrators , a functional converter of the voltage ratio into a code, threshold elements, AND-NOT elements, an integration time generator, a counter, a trigger and an initial state signal generator, and the integration time generator contains a NOT element, a pulse generator, a counter-distributor and a trigger.

Недостатком известного преобразователя является низкое быстродействие, обусловленное тем, что на преобразование (интегрирование, кодирование и подготовку (обнуление) интеграторов к следующему циклу интегрирования) каждого из входных параметров затрачивается время, равное периоду входных сигнальных напряжений.The disadvantage of the known converter is its low performance, due to the fact that the transformation (integration, coding and preparation (zeroing) of the integrators for the next integration cycle) of each of the input parameters takes time equal to the period of the input signal voltages.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения углового положения объекта при использовании в своем составе относительно грубых цифровых и аналоговых датчиков углового положения, и как следствие, уменьшение массогабаритных параметров датчика.The aim of the invention is to reduce the measurement error of the angular position of an object when using relatively coarse digital and analog angular position sensors, and as a consequence, to reduce the weight and size parameters of the sensor.

Гибридный датчик измерения углового положения, включающий в себя аналоговый датчик углового положения, дополнительно содержит цифровой датчик углового положения, расположенный на одном валу с аналоговым датчиком углового положения, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель; выход аналогового датчика углового положения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом вычислителя; выход цифрового датчика углового положения соединен со вторым входом вычислителя; вычислитель производит расчет углового положения вала используя значения сигнала от аналогового датчика углового положения поступающего через аналого-цифровой преобразователь и значение сигнала цифрового датчика углового положения по формулеA hybrid angular position measurement sensor including an analog angular position sensor further comprises a digital angular position sensor located on the same shaft with the analog angular position sensor, an analog-to-digital converter and a calculator; the output of the analog angular position sensor is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of the analog-to-digital converter is connected to the first input of the calculator; the output of the digital angular position sensor is connected to the second input of the calculator; the calculator calculates the angular position of the shaft using the values of the signal from the analog sensor of the angular position coming through the analog-to-digital converter and the value of the signal from the digital sensor of the angular position according to the formula

где γ - угловое положение вала;where γ is the angular position of the shaft;

β_а, β_ц, - сигналы аналогового и цифрового датчиков углового положения соответственно; b_1i, k_i - поправочные коэффициенты для каждого i-го кванта цифрового датчика углового положения

определяемые в процессе предварительной тарировки гибридного датчика углового положения и хранимые в памяти вычислителя; с выхода вычислителя снимают значение углового положения вала.β _a , β _c , - signals of analog and digital sensors of angular position, respectively; b _1i , k _i - correction factors for each i-th quantum of the digital angle encoder

determined in the process of preliminary calibration of the hybrid angular position sensor and stored in the memory of the calculator; the value of the angular position of the shaft is taken from the output of the calculator.

Сущность изобретения поясняется четырьмя рисунками, при помощи которых поясняется принцип работы заявляемого устройства. На Фиг. 1. - представлена структурная схема гибридного датчика измерения углового положения, на Фиг. 2 - представлены выходные характеристики ЦД и АД, наФиг.2 - приведены параметры калибровки первого кванта ЦД, на Фиг. 4 - представлены результаты математического моделирования.The essence of the invention is illustrated by four figures, with the help of which the principle of operation of the claimed device is explained. FIG. 1. is a block diagram of a hybrid angular position measurement sensor, FIG. 2 - shows the output characteristics of the CD and BP, Fig. 2 shows the calibration parameters of the first quantum of the CD, Fig. 4 - results of mathematical modeling are presented.

Устройство содержит аналоговый датчик углового положения 1, цифровой датчик углового положения 2, аналогово-цифровой преобразователь 3, вычислитель 4.The device contains an analogue angular position sensor 1, a digital angular position sensor 2, an analog-to-digital converter 3, a calculator 4.

Описание принципа работы гибридного датчика углового положения приведем ниже.The description of the principle of operation of the hybrid angle encoder is given below.

Основной принцип при создании гибридного датчика углового положения заключается в использовании различных подходов к измерению углового положения и «жесткой» синхронизации аналогового и цифрового датчиков в диапазоне измерения. В качестве варианта «жесткой» синхронизации можно рассмотреть конструкцию гибрида, в которой кодовый диск цифрового датчика и аналоговый датчик размещены на одном валу и их диапазоны измерения совмещены (Фиг. 1).The basic principle when creating a hybrid angular position sensor is to use different approaches to measuring the angular position and "hard" synchronization of analog and digital sensors in the measurement range. As a variant of "hard" synchronization, we can consider the design of a hybrid, in which the code disk of the digital sensor and the analog sensor are placed on the same shaft and their measurement ranges are aligned (Fig. 1).

Датчики, входящие в состав гибрида, имеют различные подходы к измерению углового положения, поэтому моделирование и анализ выходных характеристик датчиков удобно производить в прямоугольной декартовой системе координат «заданное угловое положение - измеренное угловое положение». Это позволяет уйти от рассмотрения физических явлений, происходящих в датчиках и параметров их описывающих.The sensors included in the hybrid have different approaches to measuring the angular position, therefore, it is convenient to simulate and analyze the output characteristics of the sensors in a rectangular Cartesian coordinate system "given angular position - measured angular position". This allows you to avoid considering the physical phenomena occurring in the sensors and the parameters describing them.

К датчикам углового положения из состава гибрида предъявляются следующие требования:The following requirements are imposed on the angular position sensors from the hybrid:

- выходная характеристика АД должна быть монотонно возрастающей пропорционально угловому положению;- the output characteristic of the blood pressure should be monotonically increasing in proportion to the angular position;

- выходная характеристика АД не должна иметь разрывов в пределах диапазона определения углового положения;- the output characteristic of the IM should not have discontinuities within the range of determining the angular position;

- выходная характеристика АД может иметь разрыв на границах измерения, например, в точке 0 (2π);- the output characteristic of the blood pressure may have a discontinuity at the measurement boundaries, for example, at point 0 (2π);

- максимальная точность ЦД в точках изменения кода.- maximum accuracy of the CD at the points of code change.

Для примера рассмотрим гибридный датчик углового положения, имеющий в своем составе цифровой и аналоговый датчики углового положения с выходными характеристиками, соответственно, β_ц(α) и β_а(α) (Фиг. 2). Выходные характеристики совмещены в диапазоне измерения (0 - 2π).For example, consider a hybrid angular position sensor, which includes digital and analog angular position sensors with output characteristics, respectively, β _c (α) and β _a (α) (Fig. 2). The output characteristics are combined in the measurement range (0 - 2π).

Как видно из Фиг. 2, выходная характеристика β_а(α) аналогового датчика углового положения удовлетворяет ранее предъявленным требованиям. При этом заметим, что характеристика имеет следующие недостатки:As seen in FIG. 2, the output characteristic β _a (α) of the analog angle encoder satisfies the previously presented requirements. At the same time, we note that the characteristic has the following disadvantages:

- разная степень кривизны на различных участках характеристики;- different degrees of curvature in different parts of the characteristic;

- имеются разрывы (смещение характеристики) при α=0 и α=2π;- there are discontinuities (displacement of the characteristic) at α = 0 and α = 2π;

- величины смещений характеристики при α=0 и α=2π не равны.- the displacement values of the characteristic at α = 0 and α = 2π are not equal.

Цифровой датчик углового положения - двоичный, имеет минимально требуемую разрядность n_р=2 и следовательно имеет число угловых положений (квантов) N равноеThe digital angular position sensor is binary, has the minimum required bit width n _p = 2 and therefore has the number of angular positions (quanta) N equal to

В качестве прототипа использовалась математическая модель однодорожечного двоичного цифрового датчика на основе Т-последовательности T_(2,2)={0011}[1]. Информация о кодах датчика углового положения представлена в Таблице 1.A mathematical model of a single-track binary digital sensor based on the T-sequence T _(2,2) = {0011} [1] was used as a prototype. Angle encoder codes are listed in Table 1.

Рассмотрим фрагмент алгоритма калибровки на примере первого кванта цифрового датчика углового положения (Фиг. 3).Let us consider a fragment of the calibration algorithm using the example of the first quantum of a digital angular position sensor (Fig. 3).

В процессе вращения вала гибридного датчика углового положения, при появлении сигнала о смене кода цифрового датчика углового положения, вычислитель фиксирует значение угла β_а аналогового датчика. Т.е. фиксируются значения аналогового датчика углового положения (b₁₁, b₂₁) на границах кванта ЦД.In the process of rotation of the shaft of the hybrid angle position sensor, when a signal appears about changing the code of the digital angle position sensor, the calculator fixes the value of the angle β _{a of the} analog sensor. Those. the values of the analog angular position sensor (b ₁₁ , b ₂₁ ) are fixed at the boundaries of the quantum CD.

По известным значениям b₁₁, b₂₁ вычислитель рассчитывает коэффициент угла наклона хорды [b₁₁, b₂₁] выходной характеристики аналогового датчика для текущего кванта цифрового датчика углового положенияBased on the known values of b ₁₁ , b _{21, the} calculator calculates the chord angle coefficient [b ₁₁ , b ₂₁ ] of the output characteristic of the analog sensor for the current quantum of the digital angular position sensor

где

- угловая величина кванта цифрового датчика.Where

- angular value of the digital sensor quantum.

Выполняя вращение вала гибридного датчика во всем диапазоне измерения α∈[0, 2π], получаем массив значений поправочных коэффициентов (b_1i, k_i) для каждого i-го кванта

Полученный массив заносится в память вычислителя. Процесс калибровки завершен.By rotating the shaft of the hybrid sensor over the entire measurement range α∈ [0, 2π], we obtain an array of values of the correction factors (b _1i , k _i ) for each i-th quantum

The resulting array is stored in the calculator's memory. The calibration process is complete.

Роль поправочных коэффициентов, полученных в процессе калибровки, заключается в следующем.The role of the correction factors obtained during the calibration is as follows.

Параметр b_1i позволяет привести начало участка выходной характеристики аналогового датчика в диапазоне i-кванта к значению цифрового датчика в данном кванте (смещение участка выходной характеристики АД).Parameter b _1i allows you to bring the beginning of the section of the output characteristic of the analog sensor in the i-quantum range to the value of the digital sensor in this quantum (offset of the section of the output characteristic of the AM).

Коэффициент k_i учитывает поправку требуемого наклона хорды выходной характеристики аналогового датчика для приведения к углу наклона, равному единице, что соответствует углу наклона идеального датчика углового положения (Фиг. 3).The factor k _i takes into account the correction of the required chord slope of the analog sensor output characteristic to bring it to a slope equal to one, which corresponds to the slope angle of the ideal angle encoder (Fig. 3).

Следовательно, поправочные коэффициенты b_1i, k_i позволяют синхронизировать показания аналогового датчика и цифрового датчика в точках смены кода ЦД.Consequently, the correction factors b _1i , k _i make it possible to synchronize the readings of the analog sensor and the digital sensor at the points of the CD code change.

В общем случае, для любого i-го кванта цифрового датчика можно определить значение углового положения вала γIn general, for any i-th quantum of a digital sensor, you can determine the value of the angular position of the shaft γ

где

- коэффициент наклона хорды выходной характеристики АД.Where

- coefficient of slope of the chord of the output characteristics of the blood pressure.

Таким образом, в процессе работы гибридный датчик углового положения используя значения сигналов β_ц, β_а цифрового и аналогового датчиков соответственно, с учетом поправочных коэффициентов b_1i, k_i, вычисляет значение текущего углового положения γ.Thus, in the process of operation, the hybrid angular position sensor, using the values of the signals β _c , β _{and the} digital and analog sensors, respectively, taking into account the correction factors b _1i , k _i , calculates the value of the current angular position γ.

Для исходных данных (Фиг. 3) полученные поправочные коэффициенты приведены в Таблице 2, результаты математического моделирования работы гибридного датчика углового положения представлены на Фиг. 4.For the initial data (Fig. 3), the obtained correction factors are shown in Table 2, the results of mathematical modeling of the operation of the hybrid angle encoder are presented in Fig. 4.

На Фиг. 4 представлены результаты математического моделирования работы гибридного датчика углового положения с исходными выходными характеристиками аналогового датчика углового положения (Фиг. 2).FIG. 4 shows the results of mathematical modeling of the operation of the hybrid angular position sensor with the original output characteristics of the analog angular position sensor (Fig. 2).

В процессе моделирования вычислялась абсолютная погрешность для выходной характеристики аналогового датчика до выполнения калибровки, а также абсолютная погрешность для выходной характеристики гибридного датчика. Погрешность вычислялась относительно характеристики идеального датчика (Фиг. 4).During the simulation, the absolute error for the output characteristic of the analog sensor before calibration was calculated, as well as the absolute error for the output characteristic of the hybrid sensor. The error was calculated relative to the characteristics of an ideal sensor (Fig. 4).

Анализ результатов моделирования, показывает, что, если выходная характеристика аналогового датчика удовлетворяет описанным ранее требованиям, то независимо от ее кривизны и формы выходная характеристика гибридного датчика имеет значительно меньшую абсолютную погрешность. Что подтверждает правильность выбранного подхода к гибридизации датчиков углового положения.Analysis of the simulation results shows that if the output characteristic of the analog sensor meets the previously described requirements, then regardless of its curvature and shape, the output characteristic of the hybrid sensor has a significantly lower absolute error. This confirms the correctness of the chosen approach to hybridization of angular position sensors.

Таким образом, гибридные датчики позволяют значительно уменьшить погрешность измерения углового положения даже при использовании в своем составе относительно грубых цифровых и аналоговых датчиков. А это в свою очередь позволяет уменьшить размеры гибридного датчика, применяя аналоговые и цифровые датчики углового положения меньших габаритных размеров.Thus, hybrid sensors can significantly reduce the error in measuring the angular position even when using relatively coarse digital and analog sensors. And this, in turn, allows to reduce the size of the hybrid sensor, using analog and digital angular position sensors of smaller overall dimensions.

Процесс калибровки гибридного датчика углового положения не требует сложного стендового оборудования, так как необходимо выполнить только синхронизацию диапазонов измерения цифрового и аналогового датчиков. Отпадает необходимость использования внешнего эталонного датчика углового положения, т.к. роль калибрующего устройства выполняет цифровой датчик углового положения. Дополнительным преимуществом является возможность снижения разрядности цифрового датчика для обеспечения требуемой точности считывания угла.The calibration process of a hybrid angle encoder does not require complex bench equipment, since it is only necessary to synchronize the measuring ranges of the digital and analog sensors. There is no need to use an external reference angle encoder, because the role of the calibrating device is performed by a digital angular position sensor. An additional advantage is the ability to reduce the digit capacity of the digital sensor to ensure the required angle reading accuracy.

Устройство может быть использовано при решении инженерно-технических задач, связанных с необходимостью измерения углов отклонения ручек управления и рулевых органов изменения аэродинамики летательных аппаратов.The device can be used to solve engineering and technical problems associated with the need to measure the angles of deflection of control sticks and steering organs for changing the aerodynamics of aircraft.

ЛитератураLiterature

1. Цацин А.А. Метод формирования Т-последовательностей для однокоординатных цифровых датчиков перемещений // Материалы IV научно-практической конференции памяти О.В. Успенского [Тескт] / Сборник докладов, - М.: Издательский дом Академии Н.Е. Жуковского, 2017. С. 54-60.1. Tsatsin A.A. Method of forming T-sequences for single-coordinate digital displacement sensors // Materials of the IV scientific-practical conference in memory of O.V. Uspensky [Teskt] / Collection of reports, - M .: Publishing house of the Academy N.Ye. Zhukovsky, 2017.S. 54-60.

Claims (4)

Гибридный датчик измерения углового положения, включающий в себя аналоговый датчик углового положения, отличающийся тем, что дополнительно содержит цифровой датчик углового положения, расположенный на одном валу с аналоговым датчиком углового положения, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель; выход аналогового датчика углового положения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом вычислителя; выход цифрового датчика углового положения соединен со вторым входом вычислителя; вычислитель производит расчет углового положения вала, используя значения сигнала от аналогового датчика углового положения, поступающего через аналого-цифровой преобразователь, и значение сигнала цифрового датчика углового положения, по формулеA hybrid angular position sensor including an analog angular position sensor, characterized in that it further comprises a digital angular position sensor located on the same shaft with the analog angular position sensor, an analog-to-digital converter and a calculator; the output of the analog angular position sensor is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of the analog-to-digital converter is connected to the first input of the calculator; the output of the digital angular position sensor is connected to the second input of the calculator; the calculator calculates the angular position of the shaft using the values of the signal from the analog encoder of the angular position coming through the analog-to-digital converter, and the value of the signal of the digital encoder of the angular position, according to the formula

где γ - угловое положение вала;where γ is the angular position of the shaft; β_а, β_ц, - сигналы аналогового и цифрового датчиков углового положения соответственно; b_1i, k_i - поправочные коэффициенты для каждого i-го кванта цифрового датчика углового положения

определяемые в процессе предварительной тарировки гибридного датчика углового положения и хранимые в памяти вычислителя; с выхода вычислителя снимают значение углового положения вала.β _a , β _c , - signals of analog and digital sensors of angular position, respectively; b _1i , k _i - correction factors for each i-th quantum of the digital angle encoder

determined in the process of preliminary calibration of the hybrid angular position sensor and stored in the memory of the calculator; the value of the angular position of the shaft is taken from the output of the calculator.

Images