1. Техническое задание

Необходимо разработать систему автоматического управления, не позволяющую движущемуся автомобилю отклоняться от заданного маршрута, который указывается специальным направляющим кабелем с текущим по нему электрическим током.

Рассмотрим структурную схему возможной системы (Рисунок 1):

МП – микропроцессор – вычисляет разницу между заранее заданным (запрограммированным) значением напряженности магнитного поля и измеренным датчиком и выдает электрический сигнал рассогласования U_;

У – усилитель – усиливает мощность электрического сигнала с МП для использования его в качестве управляющего сигнала U;

Дв – электродвигатель, преобразующий входной электрический управляющий сигнал U, в выходную механическую величину перемещения – угол поворота вала электродвигателя - _дв;

Р – редуктор – уменьшает скорость и увеличивает момент на выходном валу для непосредственного управления рабочим органом;

Д – датчик электромагнитного поля – преобразует величину напряженности электромагнитного поля, исходящего от кабеля с протекающим по нему электрическим током в пропорциональный электрический сигнал.

Работает система следующим образом.

Датчик Д измеряет величину напряженности электромагнитного поля, исходящего от кабеля с током и передает получившееся значение в виде электрического сигнала U_Д на микропроцессор МП. Микропроцессор МП сравнивает это значение с запрограммированным “номинальным” и выдает соответствующий сигнал рассогласования. Этот сигнал, усиленный усилителем У, приводит в движение двигатель Дв, который вращает в нужную сторону через редуктор Р рулевой механизм автомобиля. В результате этого автомобиль поворачивает в направлении кабеля.

Параметры регулируемой системы:

1. Напряжение тока в кабеле U₀ = 220 В;

2. Тип тока в кабеле – переменный;

3. Максимальный интервал обновления данных (период дискретности)

T₀ = 0,2 с;

4. Угловое ускорение вращения нагрузки ε = 0,5 рад/с²;

5. Угловая скорость вращения нагрузки Ω = 0,25 рад/с.

Требования к проектируемому регулятору:

1. Время регулирования t_p  0,3 c;

2. Колебательность М  1,3;

3. Перерегулирование   30 – 40%;

4. Максимально допустимое отклонение регулируемой величины в установившемся режиме  2%;

5. Масса не более 20 кг;

6. Потребляемая мощность не более 15 Вт.

2. Определение элементной базы и расчет передаточных функций выбранных элементов

2.1 Выбор микропроцессора

Среди устройств автоматики наиболее широкое распространение получили микропроцессорные комплекты (МПК) серий К580, К583, К588. При выборе МПК следует руководствоваться следующими соображениями:

• высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

• возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени;

• возможность программной коррекции;

• малое энергопотребление;

• совместимость с другими микросхемами;

• доступность элементов;

• мощная и гибкая система команд МП;

• наличие встроенных ЦАП и АЦП.

На основании этих критериев выбираем МП серии К1813ВЕ1 [1]. Это однокристальный МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с 8-ю разрядным ПЗУ, ОЗУ (емкостью 40х25 слов), ALU, двумя входными и четырьмя выходными аналоговыми каналами.

Этот МП выполнен по высококачественной n-МОП–технологии, совместим с БИС серии К580. В нем реализована мощная и гибкая система команд с расширенными возможностями адресации памяти.

Выбранный микропроцессор обладает необходимой производительностью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информации, возможностью программной коррекции ЛСУ, совместим с БИС, и имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени благодаря встроенным АЦП и ЦАП.

Технические характеристики МП К583ВГ2:

• 25-ти разрядное АLU;

• 16-ти разрядные ОЗУ (192х24 бит) и ПЗУ (40х25 слов);

• время преобразования не более 50 мкс;

• нелинейность ЦАП и АЦП <0,1%;

• тактовая частота 5 МГц;

• напряжение питания 2 В;

• потребляемая мощность 1,0 В∙А;

• входное аналоговое напряжение не более 2 В;

• выходное сопротивление (хранение) не менее 100 кОм;

• выходной ток 0,4-2 мА;

• входной ток не более 2,0 мА;

• диапазон рабочих температур от –10 до 70 ⁰С.

Передаточную функцию МП принимаем равной единице.

W_МП(p)=1. (1)

2.2 Выбор двигателя и редуктора

Двигатель выбираем исходя из необходимой для поворота колес мощностью, наличием реверсивности и экономичностью.

Если для поворота рулевого механизма с угловой скоростью _н=1 рад/с к валу необходимо приложить усилие в виде вращающего момента T = 10 Н∙м, то требуемая мощность двигателя можно найти следующим образом:

Р_треб = Т∙_н = 10∙1 = 10 (Вт). (2)

Исходя из имеющихся источников питания (постоянный ток напряжением 12 В от аккумулятора в автомобиле) выбираем двигатель постоянного тока серии ДПМ-20-Н3-09, предназначенный для систем автоматики и управления с паспортными данными, [2]:

Мощность Р_ном = 92 Вт

Номинальное напряжение U_ном = 12 В

Номинальный момент М_ном = 1,96 Нм

Ток якоря I_a = 2 А

Сопротивление якоря R_a = 5,4 Ом

Индуктивность якоря L = 100 мГн

Скорость вращения двигателя n_ном = 1500 об/мин

Момент инерции двигателя J_д = 0,005 кгм³

Принимается:

Скорость вращения нагрузки n_н = 12 об/мин

Момент инерции нагрузки J_н = 12 кгм³

Масса двигателя m = 1,3 кг

Определяем оптимальное передаточное число редуктора:

= 60,88, (3)

где _н = 0,5 рад/с² - угловое ускорение вала нагрузки.

Округляем его до ближайшего по ГОСТ стандартного значения для редукторов 60.

Редуктор предназначен для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу системы и согласования скоростей вращения.

Так как передаточное число достаточно велико, то выбираем червячный редуктор Ч – 60 (как наиболее отвечающий массогабаритным требованиям к проектируемому регулятору при данном передаваемом моменте), [2].

Технический данные редуктора:

Допустимый крутящий момент - 8,5 кгсм

КПД - 50 %

Допустимая нагрузка - 280 кгс

Масса - 0,8 кг

Межосевое расстояние -0,1 м

Передаточное число - 60

Передаточная функция редуктора:

. (4)

Проверяем выбранный двигатель на соответствие по скорости:

= 157 рад/с; (5)

= 1,25 рад/с; (6)

= 75 рад/с. (7)

Т. к. _ном > _треб то выбранный двигатель по скорости проходит.

Проверяем выбранный двигатель по моменту:

= 0,1 Н∙м. (8)

Т. к. < 2, то выбранный двигатель по моменту проходит.

Определим механическую и электрическую постоянные электродвигателя.

; (9)

= 0,008 . (10)

Эквивалентный момент инерции

= 0,0052 кгм² . (11)

Постоянные времени (электрическая и механическая)

= 0,02 с; (12)

= 3,58 с. (13)

Коэффициент передачи двигателя

= 125. (14)

Передаточная функция ДПТ:

. (15)