Измерение угла поворота на СКВТ (тип ВТ71), Помогите с методом и примерами. Опции

[Волощенко]

Добрый день!
Стоит задача в морском приборостроении измерения угла с точностью до 30 секунд (продольная и поперечная качка судна в задачах динамического моделирования). Предлагается использовать как первичный датчик синусно-косинусный вращающийся трансформатор типа ВТ71 (или ВТ100).
К сожалению, мало информации по этому прибору, а самое главное нет рекомендации и методов его правильного использования (или аналогичных СКВТ ). Нужна помощь. Спасибо.

[upc2]

Более подробных данных я не видел.

..http://www.induction.ru/books/book2/book2p13.htm

[Волощенко]

Я нашел это немного раньше. Но все равно, Спасибо!
Нужно немного теории, методов, опять же рекомендации по применению СКВТ.
У меня пока представления общие, а прибор на основе этого СКВТ заказчику нужен конкретный...
Прибор будет включать ВТ71 как датчик, микроконтроллер C8051F064 от Silabs, как генератор частоты возбуждения и измеритель текущего синуса и косинуса по грубому и точному каналам. Далее преобразование в угол по алгоритму Волдера и передача на компьютер.

[bve]

У Analog Devices есть микросхемы, специально приспособленные для измерения угла.

[Yura_K]

Как Вы собираетесь измерять угол с датчика - с помощью алгоритма на контроллере или с помощью спец. микросхем?

[upc2]

Глава 7. Описание использования ВТ в станках с ЧПУ. Может поможет?

..http://stas633.narod.ru/CHPU/Dokument/PRIVODY_CHERNOV.rar

[rat]

Знаком с двумя способами обработки данных с ВТ неспециализированными микросхемами:
1) Сдвинуть сигнал с синусной обмотки на 90 градусов и сложить с косинусной. Полученный сигнал будет отличать по фазе от опоры на угол, пропорциональный повороту вала.
2) Цифровать данные с грубого и точного отсчетов. Потом вычислять тангенс: а) контроллером б) подать одну обмотку на вход АЦП, вторую на опору АЦП, на выходе АЦП величины(tg или ctg), соответствующие углу поворота.
Вообще задача нетривиальная, там недетские требования к стабильности питания, получить 30 секунд будет тяжеловато.

[Волощенко]

Спасибо за ответы, а upc2 за очень хорошую книгу!
К сожалению, вопрос не прояснился, поэтому даю уточнения.
1. Применение специализированных микросхем известных фирм Заказчиком не предусматривалось.
2. СКВТ только типа ВТ71 (он уже заложен в конструкцию изделия).
3. Микроконтроллер C8051F064 формирует ШИМ, далее фильтр (3-го порядка) и мостовой усилитель. Синусоида с усилителя поступает на обмотку возбуждения ВТ71 (квадратурно-компенсационная обмотка которого замкнута). Частота может регулироваться микроконтроллером от 400 до 4000 Гц.
4. На выходных синусной и косинусной обмотках ВТ формируются два сигнала: A*sinF*sinWt, A*cosF*sinWt, совпадающие по фазе с синусоидой возбуждения, а их амплитуды зависят от угла поворота F.
5. Микроконтроллер в момент, соответствующий 90 градусов синусоиды возбуждения, одновременно измеряет двумя своими АЦП напряжения c выходных синусной и косинусной обмотках (здесь АЦП имеют по 16 разрядов и скорость преобразования до 1 Мгц).
6. Далее вычисление X,Y -> фаза по алгоритму Волдера (точность повышается увеличением числа итераций). Для устранения шума можно вводить усреднение по нескольким измерениям.
7. Частота полных циклов измерений пока не оговаривалась, думаю до 100 Гц (микроконтроллер же обеспечивает производительность до 25 MIPS).

Вот такое решение «в лоб», где все определяется используемым первичным датчиком - ВТ71 (по нему как раз информации маловато).

[Oldring]

3. Микроконтроллер C8051F064 формирует ШИМ, далее фильтр (3-го порядка) и мостовой усилитель. Синусоида с усилителя поступает на обмотку возбуждения ВТ71 (квадратурно-компенсационная обмотка которого замкнута). Частота может регулироваться микроконтроллером от 400 до 4000 Гц.

Речь идет про абсолютную точность или про дискрет измерений сигнала? Требуется ли стабильность? Если только дискрет - почему именно 30 секунд, а не скажем 15 или 16 бит? И хватит ли для этого 16-битных АЦП с учетом их разнообразных погрешностей, часто составляющих несколько единиц младшего разряда, или даже сильно хуже? Ведь интегральные нелинейности для выбранного метода вычисления критичны.

Упомяну одну деталь, связанную с точностью. 30 секунд - это 1/43200 периода сигнала возбуждения. Микроконтроллер формирует ШИМ сигнал возбуждения, фильтр третьего порядка вырезает из него основную частоту. При этом внося некоторую задержку. Кстати, будет ли достаточно фильтра третьего порядка для подавления ближайших гармоник? Уплывание этой задержки на 400 ppm от периода основной частоты уводит показания датчика на 30 секунд. Это 5 наносекунд для 4 кГц. Можно ли обеспечить стабильность задержки фильтра на дискретных элементах лучше 400 ppm? Наверняка, но нужно применять правильные компоненты и/или термостабиллизировать схему. В любом случае, требуется аккуратный рассчет точности всей установки.

Да, задача совершенно не детская. Вероятность решения 1/2 - либо получится, либо нет

[Волощенко]

К Oldring. Ваш ответ отрезвляет!
1. Вопрос о погрешностях: Заказчик знает, что ВТ71 измеряет углы по каналу точного отсчета не хуже 18 секунд, поэтому требует максимальную абсолютную точность измерения угла или близкую к тому. Наверное, до 16 разрядов в итоге на круговой угол ему хватит (реально ВТ71 отклонится в каждую сторону до 45 градусов).
2. Предполагается измерять синус и косинус двумя АЦП одновременно, поэтому задержки не изменяют фазового отношения (или угла сдвига) между синусом и косинусом. Микроконтроллер формирует ШИМ, и сам привязывает момент замера к максимуму сигнала возбуждения (выбрать можно и другие близкие к максимуму моменты).
3. По поводу гармоник - в запасе есть альтернатива: телефонный PCM codec-filter, например, МС145480, там выходные фильтры дают в сумме 8-й порядок, просто на микроконтроллер еще ляжет дополнительная нагрузка непрерывного управления им.
4. Термо компенсация еще не обдумывалась, понятно, что сложно.

[Oldring]

2. Предполагается измерять синус и косинус двумя АЦП одновременно, поэтому задержки не изменяют фазового отношения (или угла сдвига) между синусом и косинусом. Микроконтроллер формирует ШИМ, и сам привязывает момент замера к максимуму сигнала возбуждения (выбрать можно и другие близкие к максимуму моменты).

А, ну да, там ведь одна катушка возбуждения. Тогда действительно проще. Все равно, IMHO желательно оцифровывать весь период и определять амплитуды синусоид по большому количеству точек. В конце концов, не хватит вычислительной мощности - легко поставить DSP долларов за пять, или ARM однокристаллку. И нужно разобраться предварительно с влиянием интегральных нелинейностей АЦП на точность - это может быть критичным для выбора АЦП. Я бы обязательно рассмотрел как вариант пару одинаковых 24-битных сигма-дельта АЦП, скажем, из группы ADS1251. Сигма-дельта АЦП обладают рядом привлекательных для этой задачи свойств.

[Yura_K]

Раз используете алгоритм, то расскажу как делали мы.
1) Также формировался сигнал возбуждения с помощью ШИМ (частота 800 Гц).
2) Сигналы с выходных обмоток считывались при помощи 10 битного АЦП (встронное у ATmega8535).
3) На один период сигнала возбуждения приходилось 48 точек всех каналов (8 по каждому из грубых и 16 по каждому из точных).
4) Отсчеты соответствующих каналов умножались с накоплением на значения сигнала возбуждения по следующей формуле: sum(A*sinF*sinWt*sinWt) и sum(A*cosF*sinWt*sinWt).
5) Из полученных значений вычислялся тангенс: tanF=sum(A*sinF*sinWt*sinWt)/sum(A*cosF*sinWt*sinWt) и угол F=atan(tan(F)).
Используя точный и грубый каналы достигли точности датчика (порядка 30 угл.сек.) плюс погрешность алгоритма (в сумме не более 40 угл.сек.). Правда на всю систему с алгоритмом возможно уже оформили патент

Сообщение отредактировал Yura_K - Sep 20 2006, 16:25

[labfab]

Мы исползуем готовую микросхемку от Аналог Деваис (там в Application Note все хорошо расписано)

-сигнал возбуждения 10кГц. (зависит от применяемого датчика) с микросхемы, толко мы его есче через аудио-усилитель пропускаем и на датчик.
-вычисления угла черес полученный синус и косинус с датчика тож там же просчитывается, угол готов (12 бит)

а вычисления угла уж больно много мороки, мы пробовали тож два АЦП к синусы и косинусу и черес Xilinx - CPLD вычисляли - в итоги не получалось ничего, тогда шеф наш сказал, что нам ето не надо- 3 месядца коту под хвост.

[Волощенко]

Спасибо, интересная информация!
К Yura_K,
1. Вы в алгоритме применяете "взвешивание с использованием функции окна" , как я понял, функцией синуса. Это практикуется в БПФ для уменьшения эффекта расширения спектра, а Вы - для устранения ошибок (я хотел просто суммировать N отсчетов на одной полуволне перед вычислением угла). Буду теперь применять Ваш прием.
2. Какой у Вас СКВТ? Если там две обмотки возбуждения для ГО и ТО, то используется одна или обе сразу? Здесь не понятно.

К Oldring,
1. В документации на микроконтроллер C8051F064 сказано (см. http://www.dito97.narod.ru/document.htm ), что его модуль АЦП состоит из двух 16-разрядных АЦП последовательного приближения с производительностью до 1 млн. преобразований в секунду и устройства выборки-хранения. При изготовлении МК модули АЦП калибруются по нелинейности, смещению и усилению. Эти калибровка позволяют компенсировать ошибки данных параметров в диапазоне примерно ±3,125% полной шкалы. Пользователь может также программировать их сам. Также указано, что:
Интегральная нелинейность - не более 2 от МЗР
Дифференциальная нелинейность - не более 0.75 от МЗР
Погрешность полной шкалы - 0.008 %
2. Вы пишете, что "Сигма-дельта АЦП обладают рядом привлекательных для этой задачи свойств". Если можно, раскройте эту мысль.

К Labfab,
Уточните, что за специализированная микросхема Вами использовалась. Дайте, пожалуйста, ссылку.

[Oldring]

Используя точный и грубый каналы достигли точности датчика (порядка 30 угл.сек.) плюс погрешность алгоритма (в сумме не более 40 угл.сек.).

Интересно, что при измерении 10-битным АЦП на основе R-2R цепи и дальнейшем сравнении амплитуд удалось получить такую точность. Эта погрешность подтверждена рассчетом или испытаниями?

[Oldring]

1. В документации на микроконтроллер C8051F064 сказано (см. http://www.dito97.narod.ru/document.htm ), что его модуль АЦП состоит из двух 16-разрядных АЦП последовательного приближения с производительностью до 1 млн. преобразований в секунду и устройства выборки-хранения. При изготовлении МК модули АЦП калибруются по нелинейности, смещению и усилению. Эти калибровка позволяют компенсировать ошибки данных параметров в диапазоне примерно ±3,125% полной шкалы. Пользователь может также программировать их сам. Также указано, что:
Интегральная нелинейность - не более 2 от МЗР
Дифференциальная нелинейность - не более 0.75 от МЗР
Погрешность полной шкалы - 0.008 %

Что-ж, неплохие АЦП. Я его не пробовал - так что ничего больше сказать не могу. Не понял совсем про компенсацию параметров в диапазоне примерно ±3,125% полной шкалы

2. Вы пишете, что "Сигма-дельта АЦП обладают рядом привлекательных для этой задачи свойств". Если можно, раскройте эту мысль.

Приятных свойств несколько. Во-первых, конструкция однобитного сигма-дельта модулятора предполагает очень высокую линейность. Правда, чтобы обесечивать малые погрешности нуля и полной шкалы его все-таки нужно калибровать. Во-вторых, в АЦП встроен цифровой фильтр, эффективно отфильтровывающий частоты от границы полосы пропускания до частоты модулятора. Соответственно, снижаются требования к входному аналоговому антиалиасинговому фильтру - проще добиться от него приемлемых параметров. В третьих, если брать _последовательные_ измерения одного АЦП, их шум будет коррелированным с энергией, сосредоточенной в районе высоких частот - это остатки шума сигма-дельта модулятора, попавшие в полосу пропускания цифрового фильтра АЦП. После статистической обработки рассчетные значения будут точнее, чем после такой же обработки отсчетов других АЦП со сравнимым уровнем шума на выходе.

Главная неприятность при использовании сигма-дельта АЦП - это наводки на частотах, кратных частоте модулятора, пролезающие в аналоговые сигналы. Такие наводки отображаются в нулевую частоту - постоянное смещение. Реально конечно смещение получается не очень постоянным. Главная такая помеха - сам клок, подаваемый на АЦП. Впрочем, и с обычными АЦП будут аналогичные неприятности, если, например, сигнал разрешения выборки данных пролезет в аналоговый сигнал. Эти эффекты очень хорошо заметны при работе с точностью больше 16 бит. Поэтому аккуратная разводка платы с соблюдением всех магических ритуалов критична.

В общем, выбирайте сами, что в данном случае лучше

[rat]

Используя точный и грубый каналы достигли точности датчика (порядка 30 угл.сек.) плюс погрешность алгоритма (в сумме не более 40 угл.сек.).

Интересно, что при измерении 10-битным АЦП на основе R-2R цепи и дальнейшем сравнении амплитуд удалось получить такую точность. Эта погрешность подтверждена рассчетом или испытаниями?

Там же 2 отсчета - грубый и точный, точный сужает диапазон в ВТ-100 в 32 раза, а в ВТ-71 вроде в 16, поэтому 10 бит вполне может хватить.

[Oldring]

Там же 2 отсчета - грубый и точный, точный сужает диапазон в ВТ-100 в 32 раза, а в ВТ-71 вроде в 16, поэтому 10 бит вполне может хватить.

Сорри, не знал. Я мыслил по старинке - две обмотки - и делай с ними что хошь Тогда все конечно еще проще - прошу аннулировать мое утверждение про 1/43200 периода сигнала возбуждения.

[Волощенко]

К Oldring, спасибо за ответ и разъяснения!
Думаю, что ±3,125%, это разрешаемый нам размах для возможных корректировок, учитывая обвязку и внешние элементы. С микроконтроллерами этого семейства работал, а этот его скоростные АЦП тоже придется осваивать в первый раз.

К rat, по поводу обмоток ТО и ГО.
По моему представлению в ВТ71 обмотки ГО имеют один полюс, а ТО - 16 магнитных полюсов. То есть при полном обороте ротора на выходах ГО синус и косинус изменятся (перевернутся) один раз, а на выходах ТО - 16 раз. Обмотка ГО нужна для того, чтобы знать в какой из 16 частей полного кругового угла находится условный ноль ротора, а обмотка ТО для измерения внутри этой части, на одном периоде синуса и косинуса. При дальнейшем повороте ротора, сигналы в выходных обмотках ТО переходят на следующий период. Этому я не нашел нигде письменного подтверждения, а знаю только, что ГО дает погрешность до 20 минут, а ТО - до 18 секунд. Разъяснений и руководства по эксплуатации, где описана физика процессов, тоже пока не нашел (для начала разработки это важно). Может у Вас что-то есть в этом плане?

[Yura_K]

2. Какой у Вас СКВТ? Если там две обмотки возбуждения для ГО и ТО, то используется одна или обе сразу? Здесь не понятно.

В качестве датчика применялся ПТ-75 производства "Электроавтоматики" (вроде такое название ) г. Миасс.

Интересно, что при измерении 10-битным АЦП на основе R-2R цепи и дальнейшем сравнении амплитуд удалось получить такую точность. Эта погрешность подтверждена рассчетом или испытаниями?

Получались не совсем амплитуды. Производилось численное интегрирование произведения сигналов ПТ на сигнал возбуждения за период сигнала возбуждения (типа синхронного демодулятора как я понимаю ).

По моему представлению в ВТ71 обмотки ГО имеют один полюс, а ТО - 16 магнитных полюсов. То есть при полном обороте ротора на выходах ГО синус и косинус изменятся (перевернутся) один раз, а на выходах ТО - 16 раз. Обмотка ГО нужна для того, чтобы знать в какой из 16 частей полного кругового угла находится условный ноль ротора, а обмотка ТО для измерения внутри этой части, на одном периоде синуса и косинуса. При дальнейшем повороте ротора, сигналы в выходных обмотках ТО переходят на следующий период. Этому я не нашел нигде письменного подтверждения, а знаю только, что ГО дает погрешность до 20 минут, а ТО - до 18 секунд. Разъяснений и руководства по эксплуатации, где описана физика процессов, тоже пока не нашел (для начала разработки это важно). Может у Вас что-то есть в этом плане?

У нас это называлось "сшивка угла". Именно так и происходила как Вы описали, только ТО была в 32 раза точнее ГО. Программа рассчитывала два угла - точный и грубый и производила "сшивку" - 5 старших бит результата от грубого угла, остальные - скорректированный точный угол.

Сообщение отредактировал Yura_K - Sep 22 2006, 17:13

[Волощенко]

К Yura_K, спасибо за разъяснения! Еще, если можно, несколько вопросов
1. Используя Google не нашел информации по ПТ-75 (хотел разобраться в физике процессов). Может, есть ссылка или другая информация?
2. По поводу процесса "синхронного демодулятора", в качестве второго множителя в численном интегрировании взят измеренный сигнал с обмотки возбуждения или табличный синус?
3. Остался не решенным вопрос с использованием обмоток возбуждения ТО и ГО, как с ними работать, подавать возбуждение одновременно на обе или достаточно только на одну?
4. Процедура "сшивка угла" очень оригинальное техническое решение. Получается, что "средними" АЦП можно достичь высокой точности. Есть ли здесь еще какие-то "метрологические таинства", уж очень все просто?

[Yura_K]

К Yura_K, спасибо за разъяснения! Еще, если можно, несколько вопросов
1. Используя Google не нашел информации по ПТ-75 (хотел разобраться в физике процессов). Может, есть ссылка или другая информация?
2. По поводу процесса "синхронного демодулятора", в качестве второго множителя в численном интегрировании взят измеренный сигнал с обмотки возбуждения или табличный синус?
3. Остался не решенным вопрос с использованием обмоток возбуждения ТО и ГО, как с ними работать, подавать возбуждение одновременно на обе или достаточно только на одну?
4. Процедура "сшивка угла" очень оригинальное техническое решение. Получается, что "средними" АЦП можно достичь высокой точности. Есть ли здесь еще какие-то "метрологические таинства", уж очень все просто?

1. Обычный поворотный трансформатор. Я принцип работы изучал по книжке "Электрические микромашины" (точно название не помню, но могу посмотреть).
Cигналы с обмоток ГО:
sin(W_вращения*t)*sin(W_возбуждения*t+fi)
cos(W_вращения*t)*sin(W_возбуждения*t+fi)
Cигналы с обмоток TО:
sin(32*W_вращения*t)*sin(W_возбуждения*t+fi)
cos(32*W_вращения*t)*sin(W_возбуждения*t+fi)
В нашем узле W_возбуждения=800 Гц (по ТУ должно быть 1-2 кГц, вроде )
2. Взят табличный синус, который смещен на fi (см.выше) относительно таблицы синуса возбуждения.
3. У нас была общая обмотка, а так видимо одновременно на обе (вроде никаких сложностей не будет).
4. "Сшивка угла" не влияет на точность. Основная точность идет с угла ТО. БольшАя точность достигается, как я понимаю, использованием интегрирования произведения (мне назвали это синхронной демодуляцией), вместо измерения амплитуд (дело в том, что алгоритм демодуляции не мой, поэтому более точно сказать не могу). Есть еще одно "метрологическое таинство" . Съем сигнала с АЦП осуществляется следующим образом: sinТО, cosТО, sinГО, sinТО, cosТО, cosГО и так 48 точек. После этого меняется последовательность: cosТО, sinГО, sinТО, cosТО, cosГО, sinTO и так 48 точек, потом еще раз меняется на: sinГО, sinТО, cosТО, cosГО, sinTO, cosТО и так 48 точек. Эти три смены последовательностей названы фазами, повторяются 48/3=16 раз. По моим измерениям позволяют уменьшить шумы в расчетном коде угла, влияния на точность я не проверял.

[Волощенко]

К Yura_K, большое спасибо за ответы!
Еще несколько вопросов по пунктам последнего сообщения:
1. Если можно, уточните название книги (и если есть ссылка).
2. Как Вы вычисляете угол смещения fi, он всегда постоянный? Какое у Вас число произведений при интегрировании?
4. Необходимость перемешивания в порядке отсчетов:
sinТО, cosТО, sinГО, sinТО, cosТО, cosГО
cosТО, sinГО, sinТО, cosТО, cosГО, sinTO
sinГО, sinТО, cosТО, cosГО, sinTO, cosТО
связана с применением одноканального АЦП? Если работают два АЦП одновременно, то может этого не надо, а достаточно интегрирования произведений?

[Yura_K]

1. Название книжки уточню, в электронном виде не встречал.
2. fi в моем случае - это сдвиг фазы сигнала, поданного на обмотку возбуждения и является параметром, определяемым ТУ на поворотный трансформатор, соответственно является константой. Число произведений равно количеству снятых точек. Для точного отсчета - 16 произведений для синуса и 16 для косинуса, для грубого отсчета - по 8 произведений для синуса и косинуса.
3. Насколько я понимаю нет. Эффект от такого перемешивания - уменьшется уровня шума в выходном коде угла из-за уменьшения влияния синхронной (равной по частоте сигналу обмотки возбуждения) помехи по сигнальным линиям ПТ.

[DeVdistress]

Люди пожалуйста хоть какую либо схемку или исходники !!!
Если конечно не жалко
Заранее благодарен!!!

Сообщение отредактировал DeVdistress - May 16 2008, 13:04

[DeVdistress]

Название книжки уточню...

Хочу поделиться найденным ничтяком!! тут много о какой то книге говорилось, наверное об этой
Хрущев В.В.Электрические машины систем автоматики.1985
Вроде тут вся теория есть!!! Ща буду изучать

Сообщение отредактировал DeVdistress - May 19 2008, 06:54

[DeVdistress]

Помогите с схемой подключения ВТ100?
я нашёл такие схемы подключения! какие использовали вы и в каких случаях??



меня в основном интересует, что подавать на квадратурную обмотку если мы используем обыкновенное включение сквт!???

Сообщение отредактировал DeVdistress - May 21 2008, 07:44

[Dmitron]

как то работал с измерителем угла через косинусный транс....снимали и сразу на компаратор - а дальше время считали. Делали схему студенты а погрешность была единицы градусов из-за шума.

и зачем измерять качку корабля в штиль? может лучше проверить трезвость экипажа?

[BigRed]

Вот две ссылочки, особенно полезные тем, кому нужна приемка "5":
http://www.insu.ru/resisu.shtml
http://www.penza.com.ru/~niiemp/thinfilm/gisavt.pdf

[Jakob]

Извините, а Вы не пробовали применить готовый инклинометр? Здесь предложение и техническое описание Инклинометр

[Athlocatle]

Извините, а Вы не пробовали применить готовый инклинометр? Здесь предложение и техническое описание Инклинометр

Это всё равно, что у нефтяников спрашивать, не пробовали ли они купить нужное количество уже добытой нефти.
Ох уж эти коммерсанты...