автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Повышение точности аналого-цифровых преобразователей угла следящего типа для судовых радиотехнических систем

л

\

пй ПраЕЗл оукописи

'ПК 681.586.и83.92

аогорецкий Валерий Николаевич

повышение точности аналого-цифровых преобразователей угла следящего типа для судовых радиотехнических систем

Специальность 05.12.21 "Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СБЧ и технологию их производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

мОсква - 1997

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте "Альтаир".

Научный руководитель: д.т.н., профессор Коваленко Л.Г.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Афонин В.Л.

к.т.н., Скрипник А.Б. Ведущая организация - КБ "Аметист"

диссертационного совета Д 130.03.01 во ВНИИ "Альтаир"

г. Москва, ул.Авиамоторная, д.57, в зале НТО

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ "Альтаир"

Автореферат разослан'

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., проф., чл.- корр. МАИ

Листратов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие цифровых автоматизированных систем обработки информации привело к разработке и внедрению измерительных аналого-цифровых преобразователей угловых перемещений следящего типа - АЛЛУ, к которым предъявляются постоянно растущие требования по точности преобразования. Важным аспектом также является метрологическая аттестация изготовленных преобразователей. Специфика функционирования судовых радиотехнических систем такова. что решение навигационных задач и задач слежения и наведения на постоянно качающемся основании делают определяющими параметрами динамические, т.к. статический резким практически полностью отсутствует. В связи с этим встает острая необходимость разработки методов исследования и измерения точностных параметров в динамическом режиме работы АЦПУ, в основном его динамической погрешности.

Принципы построения АЦПУ рассматривались многими исследователями. Так в работах Вострокнутова H.H., Домрачева В.Г. и Мейко B.C., Новицкого П.В. и Зографа А.И. проанализированы основные составляющие статической погрешности, принципы обеспечения и опенки точности АЦПУ. В работах известного ученого Л.Н. Сафонова разработана теория фильтра обратной последовательности, положившая начало новому классу АЦПУ с автоматической компенсацией погрешностей преобразования. В работе Петропавловского В.П. и Сини-цына Н.Б. впервые в отечественной практике показано, что фазовый сигнал датчика угла АЦПУ является более информативным нежели амплитудный, что нашло подтверждение в многочисленных работах автора. Отмеченные работы сыграли значительную роль в становлении АЦПУ как нового класса цифровых измерительных приборов.

Традиционные методы повышения точности, основанные на применении более прецизионных датчиков угла и более совершенных физических принципах преобразования, должны быть дополнены более "тонкими" аналитическими методам анализа и учета источников погрешностей преобразования и последующей их структурной компенсацией. Анализ возможно провести на основе адекватного комплексного математического описания измерительной цепи АЦПУ, отражающего ос-

- а -

новные физические процессы, протекающие в датчике угла и электронном блоке, и процессы искажения и рассеивания энергии, которые сопровождаются потерей информации и, как следствие, потерей точности преобразования. В этой связи исключительное значение приобретает составление и анализ математической модели АЦПУ.

К сожалению, несмотря на обширные публикации, посвящены они главным образом схемотехническим особенностям преобразователей и анализу отдельных составляющих погрешности, а вопросы разработки комплексной математической модели, необходимой для анализа Есего спектра составляющих погрешности следящих АЦПУ, несмотря на сбою актуальность, не наши своего отражения в литературных источниках.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение точности следящих АЦПУ, предназначенных для использования в морских навигационных и радиотехнических комплексах.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели следящего АЦПУ, наиболее полно учитывающей физические процессы протекающие в первичном преобразователе угла и в электронном блоке, а также отклонения параметров АЦПУ от своих номинальных значений под воздействием дестабилизирующих факторов.

?,. Исследование основных источников погрешностей преобразования, возникающих б первичном преобразователе угла и в электронном блоке, и оценка их вклада в суммарную погрешность преобразования АЦПУ.

3. Разработка метода оценки инструментальной погрешности АЦПУ б динамическом режиме его работы.

4. Разработка методики проектирования АППУ с нормированными метрологическими характеристиками в статическом и динамическом режимах работы.

Методы исследования. При выполнении теоретических исследований в реферируемой работе использовался математический аппарат теории электрических машин, векторной алгебры и аппарат математического анализа уравнений в частных производных. При выполнении экспериментальных исследований использовался математический аппа-

рат теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана комплексная математическая модель следящего АЦПУ, которая позволяет установить функциональную связь между отклонениями параметров АЦПУ от номинальных значений под воздействием конструктивно-технологических или дестабилизирующих факторов и его суммарной погрешностью преобразования.

2. Исследованиями математических моделей подтверждено, что погрешность преобразования амплитудного АЦПУ содержит в качестве функциональных пространственных составляющих все источники погрешностей как синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), используемого в качестве датчика угла, так и электронного блока АЦПУ и, как следствие, превышает погрешность преобразования используемого датчика угла. Погрешность преобразования фазового АЦПУ обусловлена, в основном, погрешностью используемого СКВТ и погрешностью источника двухфазного возбуждения и существенно меньше погрешности преобразования амплитудного АЦПУ.

3. Проанализированы составляющие погрешности и установлено, что статическая погрешность преобразователя определяется в основном инструментальной составляющей.

4. Сформулировано уточненное определение динамической погрешности АЦПУ как измерительного преобразователя угловых перемещений в код и предложены метод и устройство для измерения динамической погрешности АЦПУ при номинальной скорости вращения его вала. Предложенный метод позволяет на этапе проектирования сформулировать требования, которые обеспечивают достижение разрабатываемым АЦПУ необходимой точности преобразования в динамическом режиме его работы.

5. Разработана методика проектирования АЦПУ с нормированными метрологическими характеристиками в статическом и динамическом режимах их функционирования.

6. Отмечено, что использование в качестве источника возбуждения датчика угла АЦПУ силовой электрической сети приводит к дополнительной погрешности преобразования, обусловленной высшими гармониками напряжения возбуждения и их нестабильностью. Поэтому

для всех типов АЦПУ рекомендуется возбуждение датчика угла производить от специального прецизионного источника возбуждения, который использует цифровой синтез выходных напряжений (токов) возбуждения с разрешающей способностью не менее 12 разрядов для обеспечения минимума асимметрии, неортогональности и коэффициента гармоник синтезируемых напряжений или токов.

7. Предложены функциональные решения АЦПУ, подтвержденные авторскими свидетельствами, обладающие структурными свойствами компенсации погрешности преобразования. позволяющие обеспечить существенное повышение точности по сравнению с используемыми системами.

8. Метрологическими испытаниями изготовленных АЦПУ подтверждены существенно более высокие метрологические характеристики фазовых АЦПУ по сравнению с амплитудными. Показано, что область погрешностей преобразования амплитудных АЦПУ, превышает погрешность преобразования используемого датчика угла и не превышает границы априорной оценки погрешности по математической модели. Область погрешностей преобразования фазовых АЦПУ не превышает погрешность преобразования используемого датчика угла и существенно меньше погрешности амплитудного АЦПУ.

Новизна основных технических решений подтверждена 8 авторскими свидетельствами на изобретения СССР.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Результаты исследования были положены в основу разработанного ряда одноплатных одноотсчетных АЦПУ с датчиком угла ОКБ! типа ВТ-о. которые существенно превосходят по метрологическим и' массогабаритным показателям используемые в настоящее время преобразователи угол-код в морском приборостроении.

Разработал двухотсчетный преобразователь с серийным датчиком угла иКБТ типа ВТ-100 и токовым режимом его возбуждения, который вдвое превосходит по точности аналогичный серийный преобразователь угол-код ПУФК-16.

Разработаны программа расчета на ЗБМ инструментальной погрешности преобразования АЛЛУ.

3. Разработано устройство и программа метрологической аттес-

_ гг _

тации изготовленных преобразователей, которые в автоматическом режиме выполняют приемосдаточные и другие виды испытаний при номинальных режимах работы преобразователей с документированием результатов испытаний.

4. Сформулированы требования по выбору первичного преобразователя угла и структуре построения электронного блока.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были реализованы в основных заказах ГосНПО "Альтаир" в ходе выполнения плановых опытно-конструкторских работ. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:

- на постоянно действующем научно-техническом семинаре при НТО им. А.О.Попова по-микроэлектронике и первичным преобразователям информации в Московском лесотехническом институте;

- на 18-й и 19-й научно-технических конференциях молоды:-: ученых и специалистов ГосНПО "Альтаир";

- на заседаниях научно-технического совета отделения.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12

печатных научных трудах, б том числе по'лучены 8 авторских свидетельств на изобретения. Результаты исследований отражены в ряде научно-исследовательских отчетов.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 147 страницах машинописного текста, иллюстрируется 18 рисунками и 5 таблицами и состоит из. введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 74 наименований и 2-х приложений на 13 страницах.

Основные положения, представляемые к защите.

1. Комплексная математическая модель следящего АЦПУ, которая позволяет установить функциональную связь между отклонениями параметров АЦПУ от номинальных значений под воздействием конструк-тивно-технологичес-ких или дестабилизирующих факторов и его суммарной погрешностью преобразования.

2. Результаты исследования механизма влияния конструктивно технологических дефектов датчика угла и электронной части на суммарную погрешность преобразования АЦПУ.

- а -

я. Оценка предельных значений инструментальной погрешности преобразования амплитудных и фазовых АЦПУ.

4. Структурные решения, подтвержденные авторскими свидетельствами на изобретения, позволившие существенно повысить точность преобразования.

8. метод оценки динамической погрешности преобразования АЦПУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна и приводятся положения, выносимые на защиту. Раскрывается структура и объем работы, представлены сведения об апробации работы и опубликовании основных положений диссертации.

В первой главе рассматриваются принципы построения и схемотехника следящих АЦПУ, анализируется уровень отечественных разработок. дается обзор патентных материалов и теоретических работ, посвященных методам повышения точности преобразователей угловых перемещений. Анализируются методы следящего преобразования и на их основе приводится классификация следящих АЦПУ с указанием метрологических возможностей конкретных технических решений. Проводится анализ основных источников погрешностей преобразования,

С математической точки зрения задача определения погрешности сводится к решению ряда уравнений в частных производных, которые дают возможность вычислить ошибку преобразования. Аналитически такую задачу иногда удается выполнить только лишь при определенных, весьма жестких допущениях, которые на практике не могут быть реализованы. Поэтому выбирается такой метод анализа, который бы позволял исследовать любые схемы АЦПУ без существенных ограничений по режиму работы и количеству независимых параметров - метод математического моделирования АЦПУ на ЦВМ. При этом акцент переносится на составление адекватной математической модели, включающей в себя кар; функциональные зависимости выходных параметров от входных, так и логические взаимосвязи между отдельными компонентами АППУ, что наиболее полно отвечает принципу аналого-цифрового преобразования физического угла в дискретное значение его двоич-

ного эквивалента.

Вторая глава посвящена разработке аналитических и структурных методов повышения точности следящего аналого-цифрового преобразования угла.

1. Математическая модель АЦПУ. Так как рассматриваются АЦПУ косвенного преобразования, состоящие из первичного электромашинного преобразователя угла СКВТ и электронного блока, то математическая модель АЦПУ содержит векторное уравнение СКВТ, устанавливающее однозначную зависимость между физическим углом поворота его ротора и изображающим вектором выходных токов или напряжений в пространстве его электрических параметров.

При рассмотрении установившегося режима работы СКБТ, как основного в составе АЦПУ, уравнения СКВТ представляются в векторной форме

Кот] * 1вт = Чзозб где комплексные! Еекторы напряжения иВОэб и тока 1вт, а также матрица полного сопротивления Е2ет] имеют известный вид.

Путем решения векторного уравнения могут быть найдены неизвестные токи ¡¡з и 1с выходных обмоток, которые зависят от углового положения ротора СКВТ. Эти токи в ортогональной системе координат ротора являются проекциями изображающего вектора 12Т.

Входная нормирующая часть электронного блока АЦПУ осуществляет преобразование изображающего вектора из пространства параметров СКВТ в пространство параметров отсчетной части АЦПУ. Матрицей преобразования являются импедансы цепей обратной связи нормирующих операционных усилителей.

Данное уравнение описывает вектор, угловое положение которого в пространстве параметров электронного блока АЦПУ адекватно углу поворота ротора СКВТ, параметрам самого СКВТ и параметрам нормирующей части АЦПУ, т.е. их=их(Р,гь2з) и иу=иу(Р,21).

Функция преобразования электронного блока АЦПУ заключается в выработке такого аргумента Б, который в двоичной системе счисления был бы эквивалентен угловому положению вектора и2Х и, тем самым, физическому углу поворота ротора СКВТ. С этой целью отсчет-

ная часть АЦПУ с помощью формирователя ортогональных функций ФОФ вырабатывает единичный вектор й, угловое положение которого в той же системе координат пространства параметров электронного блока АЦПУ определяется аргументом В и параметрами отсчетной части АЦПУ. Проекциями этого вектора Н являются ортогональные функции Кх=Кх(0<2к) и Р:у=Еу(0,2к). Следящая система.АЦПУ изменяя аргумент О разворачивает вектор К таким образом, чтобы он был постоянно параллелен вектору ивх. Критерием параллельности двух векторов является равенство нулю их векторного произведения. Поэтому алгоритмом преобразования следящего АЦПУ является реализация векторного произведения вектора иЕХ на вектор И с одновременным его обнулением в установившемся режиме, т.е.

Полученное уравнение является фундаментальным для следящего аналого-цифрового преобразования угловых перемещений. Записанное е проекциях и3 = их(Р)*ку(0) - иу(Р)*1?х(0) -> 0 оно присутствует в виде алгоритма преобразования любого из перечисленных ниже преобразователей. Для его реализации каждый следящий АЦПУ в своем составе содержит перемножители и устройство сравнения. Б результате такого алгоритма работы АЦПУ отслеживает угловое положение вектора и2У. и, тем самым, угол поворота ротора СКВТ. Будучи дополнены уравнениями квантования и цифрового интегрирования

полученная система уравнений достаточно полно описывают алгоритм аналого-цифрового преобразования именно в следящем АЦПУ и, следовательно. может служить его математической моделью. Вычисленный двоичный эквивалент 0 физического угла поворота ротора СКВТ содержит погрешность преобразования дР, которую также необходимо

и2 = 11ЕХ х К -> О

Уг * Кпнч = 1/Тпкч; О = д * £1п1(Ь/ТПНч)

[ХвтО * 1вт = ^воаб

11Вх = С 2,2x3 * 1зх и2 = иЕХ х I? 1/Тпнч = и2 * Кпнч О = ч * Е 1п1(1/ТПнч)

оценить для сравнительного анализа различных схем преобразователей. Поэтому окончательно математическая модель следящего АЦПУ представляется в приведенном выше виде.

2. Динамическая модель следящего АЦПУ. Для анализа устойчивости и переходных процессов, происходящих в АЦПУ в динамическом режиме его работы, составлена передаточная функция АЦПУ.

Фазовый дискриминатор. СКВТ вместе с блоками обработки его выходных напряжений и сравнения в соответствии с алгоритмом следящего преобразования представляют собой элемент сравнения, на входах которого присутствуют входная величина в Еиде физического угла Р и выходная величина в виде его двоичного эквивалента В, а на заходе - сигнал, пропорциональный их разности. По физической сущности это есть фазовый дискриминатор с передаточной функцией

Игд(р) = и4д(р)/СР(р)-0(р)3

Цифровой интегратор. Показано, что последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту и реверсивный двоичный счетчик представляет собой цифровой интегратор. Он осуществляет непосредственное квантование входного напряжения ПНЧ по уровню и суммирование отдельных квантов в двоичном коде. Его передаточная функция имеет вид ИциСр) = 0(р)/ивх(р) = КШ!/р .

■ Фильтр низкой частоты. Качество входного сигнала интегратора, т.е. отношение сигнал/шум, должно быть нормировано по отношению к

Таблица 1

Информацион. емкость АЦПУ, разрядов С/Ш на выходе фильтра

Процент от полной шкалы

12 0.012 81

13 0.006 87

14 0.003 93

15 0.0015 99

16 0.00075 105

-

информационной емкости АЦПУ. Эту задачу выполняет фильтр низкой частоты, который является неотъемлемой частью любого АЦПУ. В таблице 1 показано необходимое для обеспечения требуемой точности АЦПУ качество сигнала на входе цифрового интегратора при 10 -вольтовой входной шкале, выраженное в виде отношения сигнал/шум в предположении, что неотфильтрованная помеха не превышает а/2.

Его передаточная функция №ФНЧ(р) = 1/(Тф*р+1)п.

Корректирующее устройство. Выбор соответствующей коррекции динамических свойств АЦПУ сводится к оптимальной технической реализуемости соответствующей схемы.

Структура динамической модели АЦПУ. Фазовый дискриминатор, фильтр низкой частоты и цифровой интегратор составляют неизменяемую часть следящего АЦПУ, т.к. они являются необходимыми функциональными устройствами для аналого-цифрового преобразования.

На рисунке показана структурная схема следящего АЦПУ, составленная по уравнениям настоящего раздела. Весь АЦПУ охвачен жесткой обратной связью с выхода цифрового интегратора на вход сравнивающего устройства. Кроме нее АЦПУ охвачен корректирующей гибкой обратной связью с выхода ФНЧ на вход сравнивающего устройства через параллельное КУ.

Передаточная функция неизменяемой части АЦПУ имеет вид

Кдд*Кцн

Ил, (р) (р) Ср) *Ици(р) =-

Р*(ТФ*Р+1)П

Откуда следует, что в исходном состоянии следящий АЦПУ обладает астатизмом первого порядка, позволяющем производить преобразование угла в код с нулевой статической ошибкой.

3. Структурные принципы повышения точности следящих АЦПУ. Интерес представляют два принципа преобразования - амплитудный и фазовый. СКВТ в амплитудных АЦПУ работает в режиме с пульсирующим магнитным полем, а отсчетная часть, благодаря наличию-сегментного коммутатора, осуществляет преобразование амплитудно модулированных выходных напряжений СКВТ в пределах одного сегмента. .

В диссертации представлена функциональная схема амплитудного АЦПУ с формирователем ортогональных функций ФОФ на постоянных запоминающих устройствах ПЗУ, различные модификации которой предложены автором. Обмотка возбуждения СКВТ подключена к внешней сети, в результате чего в выходных обмотках возникают токи, адекватные проекциям изображающего вектора 1ЕТ. Нормирующая часть преобразовывает их в проекции вектора и2Х, т.е. их= ис*Соз(Р)*31п(иЛ), иу= ие*31п(Г)*5т(о)Ь). ФОФ вырабатывает коды функций Ях=Со5(0) и 1?у=Зп1(0), которые в свою очередь являются проекциями единичного вектора Я. В соответствии с алгоритмом следящего преобразования отсчетная часть АЦПУ реализует векторное произведение 11ЕХ х й=их(Р)*Ру(0)-иу(Р)*Кх(0)=31п(ы1)А{ис*Со5(Р)*51п(0)-и5*31п(Р)* Соэ(0)> = (ис + и3)/Е*51п(Р - 0)*3з.п(ы1) -> О, в результате чего устанавливается соответствие двоичного эквивалента 0 физическому углу Р с некоторой погрешностью преобразования.

Путем анализа математической модели амплитудного АЦПУ в диссертации показано, что основными источниками погрешностей амплитудных АЦПУ являются прежде всего сам СКВТ а также умножающие ЦАП. При этом технологические дефекты СКВТ порождают функционально зависимый (вторая гармоника) от входного угла характер погрешности преобразования. А статический режим работы умножающих ЦАП в амплитудном АЦПУ приводит к пространственной погрешности преобразования, имеющей сложную функциональную зависимость от входного угла. Поэтому такие погрешности не поддаются компенсации и определяют класс точности АЦПУ (см. табл.2).

С другой стороны, возбуждение СКВТ от силовой электрической сети, практикующееся повсеместно при использовании амплитудных АЦПУ, приводит к дополнительной погрешности преобразования из-за высокого содержания высших гармоник, особенно нечетных, в напря-

жении возбуждения. При демодуляции они дают флуктуирующую помеху, которая и увеличивает погрешность преобразования амплитудных АЦПУ. Причем в процентном отношении увеличение погрешности соответствует коэффициенту гармоник сети возбуждения.

Поэтому, структурными методами повышения точности преобразования амплитудных АЦПУ целесообразно избрать следующие направления:

- изменение режима работы и ОКВТ и электронного блока таким образом, чтобы перевести соответствующие погрешности из пространственной области во временную с последующим их подавлением в фильтре низкой частоты КУ:

- возбуждение СКВТ от автономного прецизионного источника с минимально допустимым содержанием высших гармоник.

Дополнительно производится оценка предельно достижимой разрешающей способности амплитудных АЦПУ по минимальному уровню шумов. Так, при реально достижимом отношении стал/шум порядка 80 дб, предельная разрешающая способность составит др = 10~4*57.3*3600 ~ £0 угл.с что соответствует 16 двоичным разрядам.

Фазовые АЦПУ. В диссертации рассматривается структурная схема фазового АЦПУ, в котором СКВТ работает в режиме фазовращателя с врапрощимся магнитным полем а отсчетная часть представляет следящую систему с фазовой модуляцией несущего сигнала переменного тока. Особенностью данного АЦПУ является использование четырехоб-моточного СКВТ с квадратурным возбуждением, в качестве источника которого применяется автономный генератор. Показано, что вектор ИЕх образуется проекциями иу=из*31п(йЛ+Р) и их=ис*Соз(ьЛ+Р) ,а единичный вектор К соответственно Р.у= З1п(ы1+Б) и Рх=Соз(«1+0). При этом фазовые АЦПУ осуществляют преобразование в соответствии с алгоритмом 11Ех >' й=изл51п((1)г+Р)лСоз(ш1+0)-ис*Соз((и1+Р)*51п(ш1+0) = и*31п(С-Р) -> 0. При этом выходной код В отличается от входного угла Р на величину инструментальной погрешности АЦПУ.

Анализ математической модели показывает, что по своим метрологическим характеристикам фазовые АЦПУ существенно отличаются от амплитудных. Полностью симметричная структура АЦПУ по синусному и косинусному каналам преобразования позволяет достичь компенсации

неравенства коэффициентов передачи и неортогональности синусного и косинусного каналов отсчеткой части и выходных обмоток СКВТ. Благодаря этому результирующая погрешность АЦПУ, определяющая его класс точности, зависит только лишь от некомпенсируемой погрешности СКВТ, в основном его несинусоидалыюй зависимости коэффициентов взаимной индукции от угла поворота ротора. Использование режима работы с фазовой модуляцией и в СКВТ и в отсчетной части позволяет на 70%, по сравнению с амплитудным, уменьшить погрешность преобразования (см. табл.2), поэтому фазовый АЦПУ с четыре-хобмоточнкм СКВТ в режиме фазовращателя представляется наиболее информативным среди рассмотренных.

С другой стороны, поскольку погрешность фазовых АЦПУ носит временной характер, то чувствительность фазовых АЦПУ определяется временной нестабильностью распространения сигналов в -контуре ФСС и их неидентичностью по синусному и косинусному каналам. Для современной элементной базы АЦПУ эта нестабильность ДТ реализуется на уровне 5...10 наносекунд. Отсюда, предельно достижимую разрешающую способность фазовых АЦПУ можно оценить как отношение нестабильности распространения сигнала в контуре ФСС к величине периода несущей частоты напряжения возбуждения датчика угла дР=дТ/Т*2я Так, при частоте возбуждения датчика угла 400 Гц предельно достижимая разрешающая способность фазового АЦПУ составит üF =(5.. .10) *Ю_Э*400*5.28*57.3*3600 = (2... 5) угл. сек, что соответствует 18...19 двоичным разрядам. Таким образом информационная емкость фазовых АЦПУ почти на порядок превосходит информационную емкость амплитудных АЦПУ.

4. Метрологическая модель следящего АЦПУ. Показано, что функция преобразования реального АЦПУ может быть представлена в следующем виде

D = q*Ifm[F+AFcTaT3/q+0.5*Sͧn[F+AFCTaT:¡} где q - ступень квантования, a ¡NT - целая часть своего аргумента. При этом способ измерения статической погрешности заключается в выполнении следующих операций:

- измерении статической характеристики преобразования з рабочем диапазоне углов Fj, где i = 0.1...М;

- вычитании из статической характеристики преобразования реального АЦПУ функции преобразования аналогового преобразователя;

- статистической обработке полученного массива информации. Такой способ измерения погрешности преобразования возможен благодаря стремлению погрешности квантования к нулю при ч->0. В реальной аппаратуре это легко выполняется увеличением на один два разряда выходного кода АЦПУ с целью увеличения разрешающей способности. Откуда, разрешающую способность следящего АЦПУ можно определить на основании соотношения (2...4)*2я/йРСтат < 2м-

Показано также, что с заданной вероятностью Р абсолютное значение статической погрешности ДРСтат АЦПУ не превысит границы, определяемой следующим соотношением

ДРстат < т(Р) + Кр * + цг/12 где ш(Р) - систематическая погрешность, а Кр = 2.19 эффициент, точное значение которого может быть получено только лишь определением закона распределения погрешности преобразования.

Следовательно, статическая погрешность преобразования следящего АЦПУ определяется, в основном, его инструментальной составляющей, которая является следствием конструктивно технологических отклонений характеристик элементов АЦПУ от своих номинальных значений.

Динамическая погрешность преобразования. На погрешность преобразования оказывают влияние не только (и даже не столько) статические свойства самого АЦПУ, как его динамические свойства и параметры закона изменения во времени преобразуемого угла. Для следящих АЦПУ это влияние обусловлено, в основном, инерционностью элементов АЦПУ, а также амплитудными и фазовыми искажениями замкнутой системы автоматического регулирования АЦПУ. В этом случае погрешность преобразования, обусловленная динамическим режимом работы АЦПУ, полностью определяется линеаризованной динамической моделью эквивалентного аналогового преобразователя, его амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками, поскольку идеальный квантователь обычно принимается безынерционным. Как показано ниже, именно динамическая погрешность определяет реально достижимую точность преобразования АЦПУ в условиях практического функци-

оптирования морских радиотехнических систем.

К настоящему Бремени отсутствуют практические методы, позволяющие с приемлемой достоверностью определить динамическую погрешность АЦПУ. Вместе с тем актуальность определения динамической погрешности АЦПУ является очень высокой и поэтому остановимся подробнее на методе, предложенном автором.

Если исходить из общего определения динамической погрешности, согласно которому динамическая погрешность средства измерения есть разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью, то из него не вытекает -метод ее определения, т.к. по прежнему не известна погрешность АЦПУ в динамическом режиме, которая является суммой статической и динамической составляющих. Путь определения динамической погрешности просматривается, если обратиться к характеристике преобразования. В динамическом режиме работы АЦПУ, поскольку сохраняются все источник! статической погрешности, характеристика преобразования по аналогии может быть описана следующей формулой

О = о*1НТ{[р+ЛГстэ,т+йРд1,н]/д + 0.д*31ешР+ЛРстгт+ЛЕЛШ1]} откуда, в предположении независимости статической и динамической погрешностей, можно сформулировать уточненное определение динамической погрешности АЛЛУ, согласно которому :

- абсолютная динамическая погрешность аналого-цифрового преобразователя угла есть разность между значением преобразованного угла в динамическом режиме работы АППУ и значение!.-! преобразованного угла в статическом режиме работы АЦПУ, соответствующая истинному значению угла в данный момент времени.

Отсюда вытекает сущность предложенного метода мзмерения динамической погрешности АЦПУ, заключающегося в выполнении следующих операций :

- измерение статической характеристики преобразования АЦПУ при близкой к нулю скорости вращения вала СКВТ в рабочем диапазоне углов Рг, где I = 0.1...М;

- измерение динамической характеристики преобразования при номинальной (синусоидальной) скорости вращения вала СКВТ в том же диапазоне углов Р,;,

Таблица 2

N Источники погрешность пресбраз.,угл.мин

п/п погрешностей

преобразования Амплитудн. АЦПУ Фазовый АЦПУ

1 Асимметрия напряж. возб.Д .01 - 0.33*Соз(2Р)

2 Неортогон.напряж. возб.,мин 0.3 - 0.15*31п(2Р)

3 Асимметрия обм. возбужден.Д 0.2 - 0.92*Соз(2Р)

4 Неортогон.обм. возбужд.,мин 1.0 - 0.5*Зш(2Р)

5 Асимметрия выходн. обм., % 0.2 3.2*31п(2Р) 3.2

Неортогон.выходн. обм., мин 1.0 0.5*Соз(2Р) 0.5

7 Асимметрия нагрузки СКВТ, % .05 1.6*31п(2Р) 1.6

8 Несинусоидальная зависимость

коэфф.взаимной индукции, X .02 0.7*31пЕ(К-1)Р] 0.7лЗШ[(К-1)РЗ

9 Изменение частоты возбужд. % 0.1 0.66 0.57

10 Угловая скорость вращения, й .04 1.4*31п(£Р) 0.1

11 Асимметрия каналов АЦПУ, % .05 1.63*51п(2Р) 1.6

1 12 Взаимное влияние каналов, % .01 0.36*Соз(2Р) 0.36

13 Асимметрия ФОФ (ЦАП 16 разр) 0.07*31п(2Р) 0.07

14 Асимметр.козф.передачи ЦАПД .05 1.65*31п(2Р) 1.65

15 Дифференц.нелинейность ЦАПД 001 0.05 0

16 Интегральная нелинейность:

- двухквадрантного ЦАП, % .01 0.25*31п(2Р)+ + .08*Зт(6Р) 0.4

- четырехквадрантного ЦАПД .01 0.17*31п(2Р)+ +.08*31П(4Р) 0.23

Инструментальная погрешность

преобразования АЦПУ, угл.мин 4.56 1.32

- вычитание статической характеристики из динамической в одноименных углах Др1 дин = дин - р1 с-тат;

- математическая обработка полученного массива динамических погрешностей.

Третья глаза посвяшена исследованию погрешности преобразования АЦПУ с помощью математической модели и вопросам проектирования АЦПУ с заданными метрологическими характеристиками. Результаты исследования погрешности преобразования сведены в таблицу 2.

Погрешность преобразования амплитудного АЦПУ, полученная в результате исследования его математической модели, содержит в качестве функциональных пространственных составляющих источники погрешностей как СКВТ, так и отсчетной части АЦПУ и. как следствие. превышает погрешность преобразования используемого датчика угла. Погрешность преобразования фазового АЦПУ, полученная в результате исследования его математической модели, обусловлена, з основном, погрешностью используемого СКБТ и погрешностью источника двухфазного возбуждения и существенно меньше погрешности преобразования амплитудного АЦПУ.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию и метрологической оценке погрешности преобразования следящими АЦПУ. Показано, что погрешность преобразования используемого датчика угла является границей, разделяющей всю область возможных погрешностей преобразования АЛЛУ на две части. При этом, область возможных погрешностей амплитудных АЦПУ располагается прагее от указанной границы, т.е. погрешность преобразования их выше погрешности используемого датчика угла, а область возможных погрешностей преобразования фазовых АЦПУ располагается левее от указанной границы, т.е. погрешность преобразования фазовых АЦПУ меньше погрешности используемого датчика угла.

На рисунке приведено распределение погрешностей преобразования испытанных преобразователей, использующих в качестве датчика угла СКБТ типа БТ5. Там же приведены результаты испытаний партии из 34 фазовых 16-ти разрядных АППУ, изготовленных в опытном производстве НТЮ Альтаир.

Как видно из результатов испытаний, 22 преобразователя имеют погрешность преобразования менее 40 угл. сек или 2-х единиц младшего разряда, что составляет 65» от всей партии. У У преобразователей, т.е. у 28« от общего количества, погрешность не превышает 60 угл. сек или 3-х единиц младшего разряда. И только у 3-х пре-

/

/ / / / /

/ /

/ /

г

/

/ / / / /'

/ / / /

22

/Область / / / погреши. / / / фазовых/ / / / / АЦПУ/ 26% / /

/

5%

О!...

®т\ \ \ \ \

¡о \ \ \ \ |г \ \ \ \ щр\ \ \ \ \

9 \ \ \ \

|п Область \ |н\ \ \ \ \ погрешностей ЙЗ \ \ \ \ IК\ амплитуднЛ | В \ \ \ \ ¡Т \ АЦПУ \

-> др

угл. сек

10 ■ 20 40 60 80

200

270

образователей погрешность примыкает к априорной границе, указанной в таблице 2, которая соответствует 80 угл. сек или 4 единицам младшего разряда преобразователя.

Т.е. вся область результирующих погрешностей фазовых АЦПУ располагается левее от ее априорной границы, которая в свою очередь располагается левее от погрешности датчика угла. Соответственно, область результирующих погрешностей преобразования амплитудных АЦПУ располагается между погрешностью датчика угла СКВТ и априорной погрешностью амплитудного АЦПУ, т.е. правее от погрешности датчика угла. Следовательно, как и аналитические исследования, проведенные в главе 3, экспериментальные исследования подтверждают существенно более высокие метрологические характеристики фазовых АЦПУ по сравнению с амплитудными.

В работе описано предложенное автором устройство для метрологической аттестации следящих АЦПУ в статических и динамических режимах их работы. Точность измерений находится на уровне, реализуемой стандартными средствами измерения угловых величин. Устройство содержит приводной механизм, сочлененный с испытуемым АЦ-

ПУ, на валу которого укреплен также многополюсный СКВТ. Его синусная и косинусная обмотки подключены к соответствующим входам формирователя импульсов считывания. Импульсы формирователя поступают на управляющий вход испытуемого АЦПУ и на вход управления записью информации в персональную ЭВМ.

Рабочий диапазон углов многополюсным СКВТ разбивается на М равных интервалов, минимальное количество которых ограничивается максимальной инструментальной погрешностью АЦПУ и точностью ее измерения и приведено в табл.3 для диапазона от О до 2к.

Таблица 3

N, разрядов 10 12 14 16 18 20

М, интервалов 50 05 190 395 785 •1570

Синхронно, с моментами прохождения валом АЦПУ углов !г1, где 1=1,2...М, формирователем вырабатываются импульсы считывания, под действием которых производится фиксация выходного кода испытуемого АЦПУ в ОЗУ ЭВМ: первый раз при вращении Бала АЦПУ с постоянной, близкой к нулю, угловой скоростью при измерении статической характеристики преобразования: второй раз при вращении вала АЦПУ с синусоидальной (или любой другой номинальной) угловой скоростью при измерении динамической характеристики преобразования.

В работе представлены результаты измерения динамической погрешности фазового 16-ти разрядного АЦПУ, статическая погрешность которого не превышает 40 угловых секунд. Динамическая погрешность измерялась при синусоидальном движении ротора СКВТ амплитудой 45 градусов и периодом 4.4 сек. При этом полный размах динамической погрешности не выходит за пределы ±5 угл.минут, а систематической (синусоидальной) составляющей ±3.1 угл.минут. Как следует из результатов испытаний, динамическая погрешность АППУ существенно превышает его статическую, что накладывает ограничения на его корректирующее устройство и его частотные свойства.

Б приложениях приведены программы исследования АЦПУ на математической модели и метрологической аттестации АЦПУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана комплексная математическая модель следящего АППУ, которая позволяет установить функциональную связь между отклонениями параметров АЦПУ от номинальных значений под воздействием конструктивно-технологических или дестабилизирующих факторов и его суммарной погрешностью преобразования.

2. Исследованиями математических моделей подтверждено, что погрешность преобразования амплитудного АЦПУ содержит в качестве функциональных пространственных составляющих все источники погрешностей как синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), используемого в качестве датчика угла, так и электронного блока АЦПУ и. как следствие, превышает погрешность преобразования используемого датчика угла. Погрешность преобразования фазового АЦПУ обусловлена, в основном, погрешностью используемого СКВТ и погрешностью источника двухфазного возбуждения и существенно меньше погрешности преобразования амплитудного АЦПУ.

3. Проанализированы составляющие погрешности и установлено, что статическая погрешность преобразователя определяется в основном инструментальной составляющей.

4. Сформулировано уточненное определение динамической погрешности АЦПУ как измерительного преобразователя угловых перемещений в код и предложены метод и устройство для измерения динамической погрешности АЦПУ при номинальной скорости вращения его вала. Предложенный метод позволяет на этапе проектирования сформулировать требования, которые обеспечивают достижение разрабатываемым АЦПУ необходимой точности преобразования в динамическом режиме его работы.

5. Разработана методикз проектирования АЦПУ с нормированными метрологическими характеристиками в статическом и динамическом режимах их функционирования.

6. Отмечено, что использование в качестве источника возбуждения датчика угла АЦПУ силовой электрической сети приводит к дополнительной погрешности преобразования, обусловленной высшими гармониками напряжения возбуждения и их нестабильностью. Поэтому

для веек типов АЦПУ рекомендуется возбуждение датчика угла производить от специального прецизионного источника возбуждения, который использует цифровой синтез выходных напряжений (токов) возбуждения с разрешающей способностью не менее 12 разрядов для обеспечения минимума асимметрии, неортогональности и коэффициента гармоник синтезируемых напряжений или токов.

7. Предложен ряд структурных решений, подтвержденных авторскими свидетельствами, и на их основе разработан ряд одноплатных одноотсчетных АЦПУ с датчиком угла СКВТ типа ВТ-5, которые превосходят по метрологическим и массогабаритным показателям используемые в настоящее время преобразователи угол-код в морском приборостроении.

Разработан двухотсчетный преобразователь с серийным датчиком угла СКВТ типа ВТ-100 и токовым режимом его возбуждения, который вдвое превосходит по точности аналогичный серийный преобразователь угол-код ПУФК-16.

8. Метрологическими испытаниями изготовленных АЦПУ подтверждены существенно более высокие метрологические характеристики фазовых АЦПУ по сравнению с амплитудными. Показано, что область погрешностей преобразования амплитудных АЦПУ, превышает погрешность преобразования используемого датчика угла и не превышает границы априорной оценки погрешности по математической модели. Область погрешностей преобразования фазовых АЦПУ не превышает погрешность преобразования используемого датчика угла и существенно меньше погрешности амплитудного АЦПУ.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Погорецкий В.Н. Усилитель постоянного тока в преобразователе угол-код.- Вопросы судостроения, 1978, серия общетехническая, вып. 33, с. 27-34.

2. Погорецкий В.Н. Преобразователи напряжения или тока в частоту на полупроводниковых приборах й~йнтегральных микросхемах. Аналитический обзор.- ЦНИИ Румб, 197'9.- 55 с.

3. Погорецкий В.Н. Анализ способов формирования синусоидальных многофазных напряжений цифровыми методами,- Вопросы судостроения, 1981, серия общетехническая, вып. 57, с. 27-37.

4. Погорецкий В.H. Метод измерения динамической погрешности аналого-цифрового преобразователя угла.- Вопросы судостроения, 1992, серия общетехническая, вып. 32. с.38-44.

5. A.c. 1088045 (СССР). Преобразователь угла поворота вала в код / Е.Е. Худыш, В.Н. Волнянский, В.Н. Погорецкий, Л.Н. Сафонов.- опубл. в б.и.,1084,N15.

6. A.c. 1236613 (СССР). Преобразователь кода в угол поворота вала / В.Н. Погорецкий, А.П. Калошин.- опубл. в б.и., 1986, N21.

7. A.c. 1247902 (СССР). Преобразователь координат /В.Н. Погорецкий, А.П. Родионов.- опубл. в б.и., 1986, N28.

8. A.c. 1249704 (СССР). Преобразователь угла поворота вала в код / В.Н. Погорецкий, А.П. Калошин, В.М. Кащеев.- опубл. в б.и., 1986, N29.

9. A.c. 1312741 (СССР). Преобразователь кода в угол поворота вала / В.Н. Погорецкий.- опубл. в б.и., 1987, N19.

10. A.c. 1320902 (СССР). Преобразователь угла поворота вала в код / В.Н. Погорецкий, А.П. Калошин, А.И. Рябинин.- опубл. в б.и.. 1987, N24.

11. A.c. 1674372 (СССР). Преобразователь угла поворота вала в код / В.Н. Погорецкий, А.П. Калошин, Е.Е. Худыш.- опубл в б.и., 1991, N32.

12. В.Н. Погорецкий. Аналого-цифровой преобразователь угла. Заявка на получение патента на изобретение N96170707/09(012313). Положительное решение БНИИГПЭ от 15.07.96 г.

Подписано е печать 23.09.97 Формат 60x60 1/16

Бумага писчая белая Печать офсетная Усл. печ. л. 2.25 Тираж 100 экз. ГосНПО "Альтаир" 111024, Москва