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?