УДК 621.316.7

Белова Дениса Владимировича

Факультет магистратуры, второй курс, группа АУ-1-М-09

Кафедра Автоматики и управления в технических системах

wrathangels@gmail.com

Научный руководитель: Грошев Валерий Александрович

Доцент кафедры Автоматики и управления в технических системах, кандидат технических наук

Цифровой преобразователь угловых перемещений для определения координат положения ковша экскаватора-драглайна.

Digitizer of angular movings for definition of coordinates of position of a ladle of a dredge- dragline

Растущий уровень автоматизации управления и контроля различными объектами и массовое применение при этом микропроцессорных систем и ПК определили широкое развитие цифровых преобразователей угла (ЦПУ) одного из ведущих классов аналого-цифровых преобразователей информации, От качества ЦПУ во многом зависит уровень технических характеристик и эффективность функционирования автоматических систем, в которых они применяются, например, в системах числового программного управления металлорежущими станками, координатно-отсчетных устройствах для аварийной системы защиты рабочего оборудования экскаватора-драглайна и роботизированных системах.

Одним из наиболее перспективных и широко применяемых в настоящее время типов ЦПУ являются ЦПУ с прямым преобразованием фазы в код (ЦПУ ППФК), в которых в качестве первичных преобразователей угла используются фазовращатели на основе сельсинов, вращающихся трансформаторов, индуктосинов, растровых решеток и др [1].

В настоящее время известны три разновидности классического ЦПУ ППФК:

• с преобразованием фазового сдвига между двумя синусоидальными напряжениями во временной интервал и заполнением его импульсами эталонной частоты с последующим их подсчетом счетчиком в определенной системе счисления;

• с получением временного сигнала кодовой маски и считыванием кода в определенные моменты времени;

• с преобразованием фазового сдвига во временной интервал и квантованием приращений этого интервала с помощью временной импульсной последовательности.

Для разработки цифрового преобразователя угла вала во временной интервал использовался метод с преобразованием фазового сдвига во временной интервал и квантованием приращений этого интервала с помощью временной импульсной последовательности, который обладает следующими преимуществам:

• простота осуществления многоканального преобразования;

• простота соединения первичного преобразователя угла с электронной схемой;

• возможность создания для электронной схемы комфортных условий;

• высокий уровень унификации и технологичности;

• высокая помехозащищённость и точность преимущественно за счёт фазового параметра;

Для повышения статической точности отсчетной части ЦПУ ППФК использовался метод автоматической коррекции систематических и случайных погрешностей. Суть данного алгоритма состоит в обработки сигнала методом цифрового интегрирования для которого используются q_в выборок из результатов преобразования ЦПУ ППФК, в каждой из которых получается некоторое значение выходного кода N_к. При цифровом интегрировании на выходе ЦПУ ППФК происходит суммирование этих кодов, и деление этой суммы на q_в. Известно, что дисперсия погрешности при цифровом интегрировании в q_в раз меньше дисперсии единичного результата [1] .

Н а рис.1 приведена структурная схема разработанного цифрового преобразователя угла поворота вала во временной интервал с усреднением результатов измерения методом цифрового интегрирования.

Рис.1

Преобразователь работает следующим образом. Генератор импу­льсов (ГИ) вырабатывает прямоугольные импульсы типа "меандр" с частотой 1МГц, поступающие на входы делителей частоты (ДЧ) ДЧ1 и ДЧ2. ДЧ 1 осуществляет деление этой частота на 256, а ДЧ2 на 3. С выхода ДЧ1 на вход фазорасщепителя (ФР) поступают прямоугольные импульсы с частотой 1МГц/256. ФР. также осуществляет деление час­тоты этих импульсов на 6, и на его трех выходах образуется трех­фазная система прямоугольных импульсов типа "меандр", сдвинутых друг относительно друга на треть периода, с частотой 1 МГц/1536. С помощью усилителя мощности (УМ) импульсы на выходе ФР усилива­ются и записываются в роторные обмотки фазовращателей (ФВ) ФВ1 и ФВ2. В качестве ФB1 и ФВ2 используются стандартнее бесконтактные сильсины типа БД404Н Кл. 1, работающие в режиме фазовравщателей с кру­говым вращающимся магнитив полем. На выходах ФВ1 и ФВ2 образу­ется "квазигармонические" сигналы. Фильтры (Ф) Ф1 и Ф2, включен­ные к статорным обмоткам сельсинов, выделяет первые гармоники "квазигармонические" сигналов, несущие информацию об угловых по­ложениях роторов ФВ1 и ФВ2. Нуль-органы (НО) Н01 и Н02 выделяют переходы гармонических сигналов с Ф1 и Ф2 при переходе их через нулевые положения с положительным градиентом). Частота гармонических сигналов на выходах Ф1 и Ф2 равна 651 Гц. Прямоугольные импульсы типа "меандр" с выходов H01 и Н02 поступают на вторые входы преобразователей фазы во временной интервал (ПФВИ) ПФВИ1 и ПФВИ2, на первые «входы которых поступают прямоугольные опорные импульсы с выхода ДЧ2 с частотой 1 МГц/3. На третьи входы ПФВИ1 и ПФВИ2 по­ступают прямоугольные опорные импульсы с третьего выхода ФР час­тота которых равна 651 Гц. На четвертые входы ПФВИ1 и ПФВИ2 по­ступают импульсы "Запрет" с выхода схемы управления (СУ). С выхо­дов ПФВИ1 и ПФВИ2 на входы двоичных счетчиков импульсов СТ21 я СТ22 поступают на восемь пачек прямоугольных импульсов с частотой 1 МГц/3. Число импульсов в каждой пачке пропорционально угловым положениям роторов ФВ1 и ФВ2 ( α1 и α2 ). CT21 и СТ22 подсчиты­вают число импульсов в восьми пачках, после этого под воздействи­ем сигнала "Запись" СУ происходит запись результатов измерения из СТ21 и СТ22 в регистры (Per.) Per.1 и Per.2.При этом результаты переписываются без учета трех младших разрядов CT21 и СТ22, что автоматически приводит к делению (усреднению) результатов измере­ния за восемь циклов на восемь. Блоки индикации (БИ) БИ1 и БИ2 осу­ществляют индикацию Per.1 и Per,2 в двоичном коде.

При создании новых типов ЦПУ ППФК важнейшей задачей является выбор наиболее рациональной структурной схемы из большого числа существующих или вновь предлагаемых. Для решения этой важнейшей задачи были разработаны удобные для практики модели оценки статической точности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования.

Под статической погрешностью ЦПУ ППФК будем понимать полную погрешность преобразования E= E₁+E₂, выраженную в единицах входной угловой величины, E₁- погрешность квантования по уровню, E₂- погрешность воспроизведения уровней квантования. Статическая точность ЦПУ ППФК характеризуется величиной погрешности. Эта погрешность образуется из различных составляющих как систематических, так и случайных. Исключать систематическую составляющую погрешности с помощью коррекции можно лишь тогда, когда она намного превышает случайную составляющую[3].

На основе проведённого анализа были получены следующие соотношения:

1. установлены аналитические зависимости, связывающие между собой среднеквадратичные случайные погрешности основных узлов и всего ЦДУ ППФК в целом, позволяющие на этапе структурного проектирования ЦПУ ППФК определить его статическую точность, если известны точностные параметры его основных узлов, либо определить требования к точности его основных узлов, если задана точность всего ЦПУ ППФК;

накопительного типа;

последовательного типа;

- период частоты генератора

- суммарная фазовая погрешность БП, ФВ, фильтров, линии связи и др;

- коэффициент деления делителя частоты;

– временная погрешность соответственно НО₁ и НО₂

2. получены зависимости СКП от СКП рис.2

– для ЦПУ ППФК последовательного типа;

для ЦПУ ППФК параллельного и накопительного типа;

3. установлена теоретическая зависимость P(E) от рис.3;

Рис.2 Рис.3

Разработанный двухканальный цифровой преобразователь угла поворота вала в код, может использоваться в составе системы аварийной защиты рабочего оборудования экскаватора-драглайна, как первичный преобразователь для измерения длин подъёмных и тяговых канатов.

Аналитические зависимости полученные в результате исследования могут применяться на практике для оценки статической точности ЦПУ ППФК на этапе структурного проектирования, что позволит определить статическую точность ЦПУ ППФК в целом, если известны точностные параметры его основных узлов, либо определить требования к их точности.