Измерение углового перемещения

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь

[email protected]

В настоящее время одной из актуальных задач является цифровое измерение угловых перемещений подвижных частей многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Развитие робототехнических комплексов открыло широкую сферу применения преобразователям сигнала датчиков углового перемещения (ПДП). Преобразовать линейное перемещение в угловое можно с помощью простейшего механизма рейка-шестерня. Первичным преобразователем, воспринимающим измеряемое перемещение, является прецизионный электромагнитный датчик – вращающийся трансформатор, относящийся к классу микромашин. Вторичный электронный преобразователь питает датчик переменным напряжением и преобразует аналоговый сигнала датчика в цифровую форму.

Модуль использует в качестве первичного электромеханического преобразователя вращающиеся трансформаторы типа 2,5ВТ, 5ВТ или бесконтактные вращающиеся трансформаторы 2,5БВТ, 5БВТ включенные по синусно-косинусной схеме. Необходимость применения такого первичного преобразователя продиктована жесткими условиями эксплуатации. Способность вращающегося трансформатора выдерживать в закрепленном положении в составе механической конструкции удары и механические перегрузки, широкий температурный диапазон работы в пределах от –60 до + 125 °С, устойчивость к воздействию радиации делают его оптимальным решением для различных систем управления. Вращающиеся трансформаторы хорошо зарекомендовали себя при использовании в навигационных системах и системах наведения, радиолокации, автоматизации производства, работы в электромеханических счетно-решающих устройствах и многих других.

Аналогичные по функциональному назначению электромеханические преобразователи (энкодеры на основе оптопар) не выдерживают конкуренции по надежности при эксплуатации в жестких условиях. Трудность использования вращающегося трансформатора (в дальнейшем ВТ) проявляется только при создании электронного модуля, обеспечивающего помехоустойчивость и точность, и в тоже время, имеющего приемлемую стоимость, габариты, массу и низкое энергопотребление. Наличие возможности подключения такого модуля к одной из стандартных информационных шин на современном уровне развития автоматики играет важную роль.

Параметры

Модуль ПДП соединяется с ВТ кабелем, состоящим из трех экранированных витых пар. Каждая экранированная витая пара заключена в изоляционную трубку. Экраны витых пар внутри кабеля не имеют электрического контакта, ни в коем случае не соединяются с корпусом объекта, ни при каких обстоятельствах не соединяются с нулевым проводом питания модуля. Выполняется только одно соединение экранов с разъемом модуля, после чего экраны сходятся в одну точку на печатной плате на небольшом расстоянии от микросхем модуля. Модуль питает ВТ переменным напряжением, поступающим с контактов EXCITATION. Выходные сигналы от синусной обмотки и косинусной обмотки поступают на одноименные контакты вилки XP1. Через проводники печатной платы сигналы поступают на входы микросхемы DD1, являющейся АЦП, представляющим информацию в последовательном двенадцатиразрядном коде. Микросхема DD2 является генератором переменного напряжения, обеспечивающим питание ВТ.

Микросхемы DD1 и DD2, работая в паре, позволяют учесть и скомпенсировать фазовые сдвиги в выходных сигналах ВТ, что необходимо для получения точных данных. Для этого сигналы от синусной и косинусной обмоток поступают на соответствующие входы генератора DD2. Сигнал компенсации фазового сдвига поступает с выхода SRF микросхемы DD2 через цепь С12, R1 на вход REF микросхемы DD1. Входы FS1… FS3 микросхемы DD2 дискретно задают частоту генератора. При подключении, указанном на схеме, частота генератора равна 2 кГц. При других сочетаниях частоту можно повысить до 20 кГц. Модуль позволяет определить обрыв кабеля ВТ, для чего должен произойти обрыв любых двух витых пар или всех трех. Также обрыв будет определен при обрыве пары проводов питания ВТ. При определении обрыва кабеля уровень на выходе ER микросхемы DD2 перейдет от низкого к высокому логическому уровню.

Питание микросхем DD1 и DD2 осуществляется двухполярным напряжением +5 В и –5 В. Эти напряжения создает импульсный преобразователь напряжения DA1. Диод VD1 защищает модуль от выхода из строя при неправильном подключении полюсов питания. Конденсаторы С1 и С2 уменьшают помехи модуля в линию питания. Конденсаторы С3…С11 снижают уровень помех, поступающих по линиям питания +5 В и –5 В и уменьшают влияние микросхем друг на друга.

Информация об угле поворота ротора ВТ передается микросхемой DD1 через контакты вилки XP1 по трехпроводному кабелю.

Кликните для увеличения

Принципиальная схема

Перечень элементов схемы

Угол поворота ротора ВТ преобразуется в последовательный двоичный код, который передается через последовательный интерфейс: ДАННЫЕ контакты A14, В14, С14 вилки XP1, РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ контакты A12, В12, С12 вилки XP1и ТАКТ контакты с номерами 13 вилки XP1. Выход ДАННЫЕ удерживается в высокоимпедансном состоянии, когда вход РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ установлен в логическую единицу.

Сигналы устройства

Когда внешнее устройство устанавливает логический 0 на входе РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ, выход ДАННЫЕ активирован, и информация о текущем угле передается через последовательный интерфейс. Данные передаются, используя временные параметры сигнала, поступающего на вход ТАКТ. Максимальная частота сигнала ТАКТ составляет 2 МГц. Гарантируется надежная передача данных спустя временной интервал 600 нс (0.6 мкс ) после установки внешним устройством логического нуля на входе РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ. Если требуется точность измерения угла менее 12 бит, то сигнал РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ переходит в высокий уровень после чтения требуемого количества бит. Сигнал РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ можно перевести в высокий уровень, тем самым запретив чтение, минимум через 100 нс (0.1 мкс) после последнего отрицательного фронта импульса. Для повторения чтения данных сигнал РАЗРЕШЕНИЕ ЧТЕНИЯ должен быть восстановлен минимум через 250 нс. Время чтения информации об угле поворота ротора ВТ можно рассчитать, учитывая наибольшую длину информационного кадра 12 бит и тактовую частоту передаваемой информации – 2 МГц. Время чтения составит [600 + (12 × 500) + 600 + 100] = 7.3 мкс, что соответствует частоте чуть более 135 кГц.

Модуль выполнен на двухсторонней печатной плате размерами 100 × 45 мм.

Расположение элементов на печатной плате

Сторона установки элементов и пайки

Сторона пайки выводных элементов

Для технологии лазерный принтер – утюг сторона компонентов в зеркальном отображении

Для технологии лазерный принтер – утюг сторона пайки выводов в зеркальном отображении

Многослойные керамические конденсаторы емкостью 0.1 и 0.47 мкФ могут быть от любого производителя. Конденсаторы емкостью 22 мкФ наиболее предпочтительны типа HI-CAP, но можно применить электролитические. Работоспособность схемы с электролитическими конденсаторами проверена. Ответная часть XP1 – розетка DIN41612-396FSW.

Микросхему DD2 можно заменить на МС более высокого класса – AD2S99ВP. Прибор DA1 является высокоэффективным преобразователем постоянного напряжения,обеспечивающим работу модуля в широком диапазоне питающих напряжений с уровнем шумов в выходном напряжении 50 мВ. Допустимо применить источник напряжения с такими или более высокими параметрами. Источник питания DA1 имеет гальваническую развязку, что уменьшает влияние на работу модуля помех в линии питания 24 В.

Применение модуля должно включать меры по защите от помех, цифровую фильтрацию помех и выделение полезной информации в выходном цифровом сигнале. Благодаря цифровому интерфейсу легко реализовать гальваническую развязку модуля от всей системы, в состав которой он входит. Микроконтроллер под управлением программы выполняет подавление помех и преобразует сигнал модуля в формат одной из стандартных информационных шин. Выходной сигнал микроконтроллера поступает в устройство, обеспечивающее электрическое согласование с информационной шиной.

Загрузки

Принципиальные схемы и топология печатной платы в формате PCAD 4.5