Глава 3 (Учебник в электронном виде), страница 9

Несмотря на простоту кодирования и считывания шкалам с обычным двоичным кодом присущ крупный недостаток, связанный с появлением ложный кодов. Эта особенность обусловлена невозможностью изготовления идеальных шкал и проявляется во время движения шкалы, в момент изменения «1» на «0» или «0» на «1» одновременно в нескольких разрядах. Так, при изменении кода 15 на 16, т.е. 01111 на 10000 происходит замена значений сразу в пяти разрядах. Если же, случайно (из-за погрешностей шкалы), например, во 2 разряде, не происходит изменение «1» на «0», тогда вместо значения «16» будет считано «18» (10010). Существенно, что величина ошибки превышает цену деления шкалы, равную одному младшему значащему разряду (МЗР). Вероятность возник­новения неоднозначности считывания информации в КОДП особенно велика при высоких скоростях движения шкалы.

Для устранения неоднозначности считывания применяются специальные методы считывания и специальные коды.

Одним из таких методов является V-считы­вание, особен­но распространенное в контактных ДПП (рис. 3.42). Здесь сохраняется обычная двоичная шкала, но на каждой дорожке, кроме младшей используется по два приемника.

Один приемник (условно называемый опережающим) устанавливается относительно опорной линии считывания чуть впереди, а другой (отстающий) - чуть сзади (рис. 3.42). Каждая пара таких фотоприемников подключается к отдельной логической схеме, обеспечивающей идентификацию истинного значения считываемого разряда (рис. 3.43). Считывание в МЗР осуществляется одним фотоприемником. Он установлен точно по опорной линии считывания. Расстояние между приемниками в других парах составляют 1x, 2x, 4x, 8x и т.д., где x - длина элементарного приращения (одного МЗР) в мм. МЗР изменяется на каждом шаге, поэтому сигнал с первой дорожки используется для управления приемниками следующей дорожки. Алгоритм работы логической схемы основан на анализе изменения состояния разрядных дорожек. Если двоичное число увеличивается, то при изменении МЗР от «0» к «1» другие разряды своего состояния не изменяют. Если же состояние МЗР меняется от «1» к «0», то должно изменяться состояние, по крайней мере, еще одного из разрядов. Данный алгоритм реализуется аппаратно с помощью схемы, представленной на рис.

В соответствии с алгоритмом, выходной сигнал для дорожки следующего по старшинству разряда считывается с запаздывающего приемника, если для двух из них на дорожке предыдущего разряда истинный выходной сигнал соответствует «1» . Если же для данной дорожки истинным является выходной сигнал «0» , то с дорожки следующего по старшинству разряда сигнал будет считываться с опережающего приемника. Синхронизация всех разрядов производится сигналом МЗР. Таким образом, логическая схема определяет, который из двух приемников каждой дорожки имеет истинный выходной сигнал.

Другой путь повышения надежности преобразования основан на применении циклического кода Грея, разработанного в Массачусетском технологическом институте, США в 1953 году. Большинство выпускаемых промышленно КОДП используют именно этот код, при ко­тором ошибка считывания не превышает величины МЗР, независимо от того, в каком из разрядов произошла ошибка. Иллюстрация этого обстоятельства приведена в табл. 3.14.

Недостатком датчиков, использующих шкалы с кодом Грея, является необходимость последующей дешифрации кодов Грея в стандартный двоичный код.

Обозначим некоторое число в двоичном коде как B = b_n b_n-1 ... b₂ b₁ , и его же в коде Грея как G = g_n g_n-1 ... g₂ g₁. Тогда, для преобразования его из двоичного кода в код Грея справедливо выражение:

g_k = b_k+1 Å b_k (mod 2)

Сложение по модулю 2 (нерав­нозначность) реализуется по следующему алгоритму: 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1.

Таблица 3.14. Таблица перевода двоичных кодов

Промышленно выпускаются одношкальные и двухшкальные КОДП (с системой ГО и ТО). Самые современные датчики первого типа имеют 12 … 16 разрядную шкалу, двухшкальные КОДП содержат две 7… 9 разрядных шкалы. И та и другая схемы позволяют получить 16 разрядный двоичный код и гарантировать разрешающую способность до 20 ".

Некоторые модели КОДП представлены в табл. 3.15.

Таблица 3.15. Примеры промышленных КОДП

Примечание.

1. Датчики ROC и TSI-200 изготовлены фирмами Heidenhain, Германия и Tama­gawa, Япония.

2. Датчики ROC используются в системах уп­равления солнечными батареями и антен­на­ми радиостанций.

В настоящее время все самые современные системы измерения перемещений строятся на основе КОДП. Их достоинства связаны с возможностью непосредственного получения двоичного кода и высокой точностью измерений. Недостатки этих датчиков обусловлены технологической сложностью и высокой стоимостью, а также значительными габаритами.

3.1.3.3. Прецизионные оптические датчики положения

При построении прецизионных ОДП (ПОДП) используются все способы фотоэлектрического преобразования. Высокая точность в таких системах достигается не только благодаря внедрению самых современных технологических достижений, но и применением оригинальных схемотехнических приемов. Наиболее известными решениями являются двушкальные схемы со шкалами ГО и ТО, а также одношкальные конструкции с совмещенной кодово-растровой сегментацией. В обоих случаях выделяются два канала преобразования (их тоже называют ТО и ГО), причем в одношкальных схемах оба канала построены на базе одной оптической шкалы. Таким образом, в двухшкальных схемах канал ТО реализуется с помощью отдельной шкалы ТО, а в одношкальных на базе специальных дорожек или с помощью растровой интерполяции. В соответствии с этим системы ТО ПОДП разделяют на дорожечные и интерполяционные.

Угловые ПОДП шкального типа содержат отдель­ный диск ТО, связанный с входным валом датчика либо непосредственно, либо через редук­тор, либо редуктор и диск ГО. В пер­вом случае, датчик является од­но­обо­ротным, во втором - многооборотным с числом оборотов, определяемым редукцией или разрядностью диска ГО. В дорожечных системах ТО младшие несколько дорожек выполняют штриховыми и при преобразовании используют импульсные или растровые схемы. ПОДП с интерполяционными системами ТО не используют кодовых шкал; их диски выполняют со штриховым рисунком, а схемы считывания содержат фазовращательные устройства, формирующие несколько прямоугольных им­пульсов на один оптический импульс (штрих шкалы).

Наиболее эффективным методом построения ПОДП, пожалуй, является растровая интерполяция. В общем случае, ее суть заключается в том, чтобы с помощью сигналов, считываемых с одной растровой дорожки получить k-разрядный кодовый сигнал. Схемы этого типа используют синусно-косинусные преобразователи и позволяют получить 22 … 37 разрядный выходной сигнал.

На рис. 3.44 представлена схема 19-ти разрядного углового ПОДП. Показания ГО снимаются с 14 старших разрядных доро­жек ко­довой шка­­лы. Канал ТО построен на базе штри­­ховой раст­ро­вой разря­дной дорожки, шаг которой W равен:

W = 2p /2¹⁵ рад

Таким образом, кон­ст­ру­кти­вно шкала представляет собой 14 доро­жек ГО и 1 дорожку ТО. В канале ТО испо­ль­зуется растровая ин­­­терполяция, поз­во­ля­ю­щая увеличить разря­д­ность канала ТО до 5. С этой целью в канал ТО включены 4 пары фотоприемников, расположенных через 90⁰ вдоль внешней разрядной дорожки и растровое сопряжение подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров. Симметричное расположение фотоприемников позволяет устранить влияние эксцентриситета и эллиптичности шкалы. Растры, как обычно, сдвинуты друг относительно друга на 1/4 шага и, следовательно, с каждой пары фотоприемников снимаются электрические сигналы, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота. Эти сигналы поступают на схемы усреднения и интерполятор, представляющий собой потенциометрический фазовращатель в виде резистивного моста. Схема интерполирования преобразует синусоидальный и косинусоидальный входные сигналы в группу сигналов, сдвинутых по фазе относительно исходных. В результате, на выходе интерполятора образуется 32 синусных сигнала, смещенных друг относительно друга на 360:32 = 11,25^о. В данном случае 360^о соответствуют одному шагу измерительного растра ТО. Каждая из 16 пар противофазных сигналов подается на соответствующий триггер Шмитта, и, следовательно, при вращении измерительного растра ТО сигналы с выходов триггеров будут иметь вид прямоугольных меандров. Эти меандры также сдвинуты друг относительно друга на 11,25⁰ по фазе. Шифратор на логических элементах кодирует состояние триггеров Шмитта в 5-ти разрядный двоичный код ТО, про­порциональный перемещению измерительного растра ТО в пределах шага W. (5 двоичных разрядов соответствует 32 комбинациям сигналов). Растровый интерполятор ТО формирует также синхроимпульс считывания выходных сигналов с разрядных дорожек ГО, обеспечивая, тем самым, необходимое согласование каналов ТО и ГО.

Датчик представленный на рис. 3.44 содержит один двухканальный диск, и его разрешающая способность соответствует 2,5". Известны модификации таких датчиков с диском диаметром 10 дюймов (254 мм), и разрешающей способностью до 0,6".

Рассмотренный одношкальный ПОДП выполняет полное преобразование за один оборот. При необходимости многооборотного преобразования наиболее часто применяются двушкальные схемы. Одной из первых, конструкцию такого ПОДП разработала фирма Litton, Англия. Конструктивно такая же схема и у отечественного датчика ДПК-1, установленного в модификациях отечественных ПР семейства «Универсал» со стойкой управления РПМ-25. Датчик ДПК-1 (рис. 3.45) содержит кодовые диски ТО и ГО на которых нанесены маски в циклическом коде Грея. Диски представляют собой точные оптические шкалы, изображение которых проецируется в проходящем свете через диафрагму на фотодиодную матрицу. На диске ТО размещены 8 кодовых дорожек, на диске ГО - 7. Каждая разрядная дорожка считывается отдельно и непрерывно во времени. Оси обоих дисков связаны друг с другом и с входным валом датчика через редуктор, причем передаточное число между ними равно 128. При такой редукции за полный цикл преобразования диск ГО делает 1 оборот, а диск ТО - 128.