Микропроцессорная система определения динамических характеристик электромеханических устройств и аппаратов

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

1.1. Электродвигатели и их производственные механизмы

1.2. Электромагниты

1.3. Электрогидравлические силовые устройства

1.4. Магнитные усилители

1.5. Датчики механических величин

1.6 Логико-вычислительные устройства

2 РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Определение метода и частотного диапазона измерений

Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электро¬механических систем регулирования

Выбор номинальных значений сигналов измерительной части устройства

Определение состава измерительной системы и принципов определения частотных характеристик

Предварительное рассмотрение методов определения частотных характеристик

Технические требования на измерительный блок

МЕТОДИКИ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХАРАКТЕРНОЙ ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ САР

Выбор характерной группы элементов САР для построения системы измерения

Разработка принципов схемотехнической реализации измерений

Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов

Методика определения динамических коэффициентов передачи

Определение передаточных функций путем подачи на вход

элемента ступенчатого сигнала

Представление результатов эксперимента

РАЗРАБОТКА СТРУКТУР ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И

ПРОГРАММНОЙ ПОДДЕРЖКИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Микропроцессорный блок 81

Функциональный генератор 85

Общая структура приборно-программного модуля для

измерения частотных характеристик 91

Разработка интерфейса и программ для управления

внешним задающим генератором 94

Разработка программы первичной обработки данных 97

Разработка программы для определения модулей и фаз

передаточных функций. 100

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 103

Испытания устройства для определения частотных характеристик 103 5.2.Определение передаточных функций электромагнита со сплошным

магнитопроводом 105

П-образный электромагнит 111

Кольцевой электромагнит высокочастотного

электродвигателя 118

Кольцевой электромагнит Nuovo-Pignone 127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 139

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Технические требования и принципиальные схемы блока процессора 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Описание принципиальной схемы и расчет элементов генератора 160

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Исходные тексты программ определения частотных характеристик. 170

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Исходный текст программы расчета погрешностей определения дифференциальных коэффициентов передачи 186

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует значительное многообразие систем регулирования, включающих электромеханические элементы (электродвигатели, электромагниты, датчики электрических и неэлектрических величин, релейные регуляторы и т.д.). В соответствии с [33], обобщенная схема такой системы управления (в одномерном исполнении) имеет вид, представленный на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная схема одномерной СУ.

Здесь Xy(t) — управляющий сигнал; X(t) — сигнал обратной связи; Y(t)- регулируемая переменная: R(t) — регулирующее воздействие; F(t) — возмущение.

Система управления (СУ) — замкнутый динамический комплекс, состоящий из управляемых объектов и трех подсистем: информационной, логико-вычислительной и исполнительной.

Объектом управления называют управляемую часть системы, т е, агрегат, машину или установку, требуемый режим функционирования которых должен поддерживаться управляющей частью системы в соответствии с выбранной или заданной целью управления.

Информационной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для получения, передачи и представления информации. К средствам, предназначенным для получения и преобразования первичной информации о внешних и внутренних факторах работы управляемых объектов, относятся следующие элементы СУ: датчики первичной информации, чувствительные и измерительные элементы, анализаторы, преобразователи, вычислительные устройства для первичной обработки информации и др., а также средства для передачи и представления информации в форме, удобной для управления, — передатчики, каналы связи, кодирующие и декодирующие устройства, преобразователи информации, приемники и т. д.

Логико-вычислительной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для обработки информации. К техническим средствам для переработки информации относятся разнообразные вычислительные средства, построенные на базе как аналоговой, так и цифровой техники.

Исполнительную подсистему образуют технические средства для формирования управляющих воздействий, осуществляющие непосредственное управление объектами в соответствии с целью управления. Техническими средствами исполнительной подсистемы являются разнообразные регуляторы, следящие системы, автоматические приводы и сервомеханизмы регуляторов. Следует также отметить, что в соответствии с классификацией [33], отражающей современный подход к структуризации системы управления,

усилительные устройства, непосредственно управляющие электромеханическими исполнительными элементами, входят, в основном, в комплекс исполнительной подсистемы.

Анализ устойчивости и динамических характеристик таких систем часто затрудняется тем, что получение выражений для передаточных функций ряда элементов расчетным путем является весьма сложным. Как правило, наибольшие трудности встречаются при теоретическом описании электромеханических устройств исполнительных подсистем и САР в целом. Это связано со следующими особенностями электромеханических элементов:

-такие элементы, как правило, являются полноразмерными четырехполюсниками, не обладающими “детектирующими” свойствами, то есть однонаправленностью передачи входного сигнала. Так, например, для исполнительных элементов типа двигателей и электромагнитов передаточная функция представляет собой матрицу, элементы которой определяются характером преобразования электромагнитной энергии [21];

-большинство таких элементов имеет более или менее явно выраженную нелинейность характеристик. Это объясняется, во-первых, тем, что сам характер электромеханических преобразований в таких элементах носит нелинейный характер (например, усилие, развиваемое магнитом, пропорционально квадрату тока) и, во вторых, нелинейностью характеристик магнитных материалов, применяемых для изготовления магнитопровода;

-теоретическое описание некоторых элементов приводит к сложным выражениям для их передаточных функций, причем определение параметров этих передаточных функций часто оказывается затруднительным. Это связано, в первую очередь, со сложными процессами, происходящими при преобразовании электромагнитной энергии. Так, например, усилие, развиваемое электромагнитом со сплошным токопроводящим магнитопроводом, зависит в значительной степени от конфигурации контуров вихревого тока, возникающих при изменении питающих токов или напряжений. Теоретическое описание такого рода процессов для магнитопровода произвольной формы оказывается крайне сложным [26];

Наладка таких систем также существенно облегчается, если имеется возможность оперативного определения динамических (частотных) характеристик элементов системы непосредственно на месте ее установки [14].

Практика проектирования, наладки и исследования сложных систем регулирования, описанная в литературе, подтверждает необходимость построения устройств для надежного экспериментального определения передаточных функций таких систем и их элементов [14,26,36].

В настоящее время существуют две основные группы промышленных приборов, пригодные для указанной цели.

К первой группе следует отнести частотные анализаторы (сигнал-процессоры), одной из функций которых является определение передаточных функций, Основным недостатком этих приборов является их чрезвычайно высокая стоимость (анализатор типа 2034 фирмы В&К — 35-40 тыс. долларов, аналогичный анализатор фирмы HP — 40-50 тыс. долларов). Кроме того, практически все анализаторы такого типа являются двухканальными, что затрудняет определение передаточных функций элементов, имеющих характеристики четырехполюсника.

Ко второй группе могут быть отнесены устройства, представляющие собой платы расширения для ПК. Эти устройства являются, как правило, многоканальными, Однако, большинство таких плат предназначено для использования в стационарных ПК и не включает в себя элементы генератора измерительных сигналов. Устройство такого типа, выпускаемое известными фирмами также имеют стоимость в пределах 1200…2500 $US и требуют для своей работы пакетов прикладных программ стоимостью 2500 ..4000 $US.

Такие цены обусловлены стремлением разработчиков этих систем сделать их максимально универсальными, то есть пригодными для вибрационных, акустических, механических, электрических и прочих измерений, что значительно усложняет их конструкцию и требования к математическому обеспечению [50,51]. Высокие цены, большие

габариты и излишняя универсальность таких систем в значительной степени затрудняет их применение при разработках, исследованиях и, особенно, при наладке систем в процессе производства и пусконаладочных работах непосредственно на объектах.

Актуальность настоящей работы определяется, с одной стороны, постоянно возрастающим объемом внедрения электромеханических систем регулирования во все области техники (общее машиностроение, газо- и нефтехимическая промышленность, средства связи, пищевая промышленность и др.), и с другой стороны, практическим отсутствием портативных и доступных измерительных устройств, требующихся для разработки, производства и наладки таких систем.

Целью работы является определение принципов построения и основных схемотехнических решений (на базе анализа параметров элементов электромеханических систем и экспериментальных исследований) универсального устройства, предназначенного для определения динамических характеристик электромеханических элементов систем управления.

Основные задачи, которые решались для достижения поставленной цели, можно сформулировать следующим образом:

— анализ статических и динамических характеристик электромеханических элементов систем автоматического регулирования и систематизация элементов по характеру передаточных функций, а также входных и выходных параметров;

-выбор оптимальных методов определения частотных характеристик электромеханических элементов и общих принципов построения устройств для их измерения;

-разработка методик определения частотных характеристик элементов, представляемых характеристиками как двух-, так и четырехполюсников; разработка алгоритмов определения передаточных функций элементов электромеханических систем;

-анализ схемотехнических решений по построению основных узлов измерительного устройства и разработка оптимального варианта схемотехнических решений;

-разработка программного обеспечения для измерительного устройства, включая собственно измерительный блок и управляющий ПК.

Научная новизна работы состоит в том, что проведенные при выполнении исследования позволили впервые получить следующие научные результаты:

-впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем;

-разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик элементов электромеханических систем.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в следующем:

-сформулированы технические требования на универсальное измерительное устройство для определение динамических характеристик элементов электромеханических систем и функциональных групп элементов, использующее прямой метод измерения частотных характеристик;

-построен на основании разработанных технических требований макетный вариант измерительного устройства и математическое обеспечение для его функционирования;

-проведены, с использованием разработанного измерительного устройства, исследования по адекватности математических моделей электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов;

результаты исследований позволили уточнить параметры передаточных функций электромагнитов со сплошным магнитопроводом и предложить упрощенную феноменологическую модель для осевого электромагнита систем магнитного подвеса.

Результаты проведенных исследований внедрены в НПП ВНИИ Электромеханики.

Работа состоит из пяти разделов, заключения и четырех приложений.

Первый раздел посвящен анализу характеристик элементов электромеханических систем регулирования и классификации элементов по характерным параметрам.

Во втором разделе приводится обоснование выбора оптимального метода определения частотных характеристик элементов электромеханических систем и основных технических требований на измерительное устройство.

Третий раздел посвящен выбору типичной группы элементов электромеханических САР и разработке методик и алгоритмов определения частотных характеристик элементов для двух- и четырехполюсного представления их передаточных функций.

В четвертом разделе приведен анализ схемотехнических решений по элементам измерительного блока — процессорному блоку и блоку функционального генератора. Предложен алгоритм программ определения частотных характеристик объекта, включающего как программное обеспечение измерительного блока, так и программы для управляющего ПК.

В пятом разделе приведены экспериментальные исследования макетного образца разработанного измерительного блока и результаты экспериментально-расчетных

исследований электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов.

В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приводятся технические требования на разработку

процессорного блока, а также принципиальные схемы и краткое описание этого блока.

В ПРИЛОЖЕНИИ 2 приводятся принципиальные схемы блока программно управляемого функционального генератора и расчет элементов схемы.

В ПРИЛОЖЕНИИ 3 приводятся исходные тексты программ определения частотных характеристик и их графического отображения для процессорного блока и управляющего ПК.

В ПРИЛОЖЕНИИ 4 приводится текст программы сравнительного расчета

зависимости погрешностей от параметров сигнала для гармонического и шумового сигналов.

1.АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Обзор литературы по системам автоматического регулирования позволяет выделить основные группы объектов, для которых является актуальным экспериментальное определение динамических характеристик. При этом необходимо учесть, что параметры электромеханических устройств, применяемых в системах электромеханического регулирования имеют очень широкий спектр динамических характеристик и входных/выходных сигналов. При выборе основной группы электромеханических элементов, экспериментальные характеристики которых должны определяться с помощью разрабатываемого устройства идентификации динамических характеристик, были приняты следующие ограничения:

рассматриваются только аналоговые электромеханические элементы, для которых существует понятие передаточной функции в форме частотной передаточной функции [3];

рассматриваются элементы, входными параметрами которых являются ток и/или напряжение в полосе частот, соответствующей рабочим частотам системы или элемента (для элементов, работающих на несущей частоте в качестве входного сигнала может приниматься лишь амплитуда напряжения или тока несущей частоты);

-рассматриваются элементы, выходными параметрами которых являются механические величины (усилие, перемещение и скорость для элементов линейного движения и момент, угол поворота и угловая скорость для элементов роторного движения);

-в качестве основных динамических характеристик элемента принимаем значения характерных постоянных времени линеаризованных передаточных функций элемента;

-диапазоны изменения электрических и механических параметров элементов, предполагаемых к анализу, будут уточнены в дальнейшем

Элементы исполнительных подсистем [21,33,34].

а) Электродвигатели и их рабочие (производственные) механизмы [43], в том числе:

-постоянного тока (с управлением по цепи якоря или обмотки возбуждения);

-переменного тока: -асинхронные (однофазные, двухфазные, трехфазные)

-коллекторные;

-синхронные (шаговые);

б) Электромагниты:

-нейтральные (силовые, исполнительные);

-поляризованные;

-магнитоэлектрические преобразователи (линейные и угловые);

в) Электростатические и пьезоэлектрические преобразователи

Преобразователи этих типов имеют особые динамические и рабочие характеристики и в настоящее время применяются, в основном, либо как высокочастотные акустические преобразователи, либо как датчики механических величин, поэтому в настоящем разделе они не рассматриваются,

г) Электрогидравлические силовые устройства (гидроцилиндры и гидромоторы с электрическим управлением) [6,12].

Собственно электрогидравлические устройства не относятся к электромеханическим системам автоматического регулирования (САР), однако по своим динамическим характеристикам исполнительные элементы таких систем являются практически аналогичными электромеханическим САР и имеют те же входные и выходные сигналы (входной сигнал — электрический ток или напряжение, выходной сигнал- перемещение, усилие или угол поворота). Поэтому разрабатываемое устройство, пригодное для определения динамических характеристик электромеханических САР, будет полностью пригодно для тех же измерений в электрогидравлических САР.

д) Усилительные устройства.

В соответствии с классификацией подсистем [33] такие устройства следует отнести к устройствам исполнительной подсистемы. Такие устройства включают в себя полупроводниковые тиристорные и транзисторные усилители, магнитные усилители, а также редко применяемые сейчас электромашинные усилители [5,29,34].

Однако следует принять во внимание, что в этих устройствах не происходит преобразования электромагнитной энергии в механическую (кроме электромашинных преобразователей), поэтому эти устройства не обладают спецификой электромеханического элемента и не являются собственно исполнительным механизмом.

В этой связи в проводимом анализе не рассматриваются полупроводниковые усилители мощности, как имеющие характерные постоянные времени много меньше, чем в электромеханических органах. Представляется целесообразным включение в анализ группы исполнительных устройств только магнитных усилителей, поскольку в настоящее время устройства такого рода широко применяются в судовых системах регулирования, а также в системах регулирования возбуждения синхронных генераторов различной мощности, а также в стабилизированных выпрямительных установках средней мощности (до десятков киловатт) [5,31,32,33].

Элементы логико-вычислительной подсистемы.

К ним относятся в основном устройства, формирующие закон регулирования (П-, ПИ-, ПИД- регуляторы, устройства перемножения, деления, ограничения и т.д.).

Как правило, в современных электромеханических САР эти элементы выполняются либо с использованием аналоговых формирующих устройств, либо с использованием элементов цифровой техники. В обоих случаях динамические характеристики таких подсистем и их элементов с достаточной точностью могут быть рассчитаны без существенных трудностей и с достаточной точностью с использованием стандартных пакетов моделирования. Однако, экспериментальная проверка динамических характеристик таких устройств при заводских испытаниях, наладке или поиске неисправностей в системе представляет собой важную задачу.

Элементы информационной подсистемы.

К ним относятся датчики, преобразующие электрический или механический сигнал на выходе элемента системы в электрический сигнал, воспринимаемый логико-вычислительной подсистемой.

Современная тенденция построения датчиковых систем направлена на объединение собственно датчика (преобразователя) с нормирующим усилителем, приводящим выходной сигнал элемента информационной системы к стандартному (нормированному) уровню и виду [13,35,51].

В связи с этими требованиями для стандартных типов датчиков, выпускаемых промышленностью, оказывается непринципиальным принцип действия первичного преобразователя, и для них нормируются и приводятся в паспорте пределы изменения входной величины, коэффициенты преобразования, точности и динамические параметры. Такие датчики пригодны в пределах, обусловленных их параметрами, как для применения непосредственно в системах регулирования, так и для использования в качестве измерительных преобразователей при экспериментальных исследованиях систем [49].

В ряде случаев, в системах регулирования могут применяться специально разработанные датчики, характеристики которых должны экспериментально проверяться при изготовлении системы.

В качестве таких датчиков можно выделить следующие датчики механических величин:

-индуктивные, индуктивно-трансформаторные, индукционные (перемещения, скорости, угла поворота):

тензометрические (деформации, давления, усилия);

пьезоэлектрические (ускорения, усилия);

оптические (перемещения, угла поворота);

электромашинные (угловой скорости);

потенциометрические (перемещения, угла поворота);

Экспериментальное определение динамических характеристик датчиков требует, как

правило, применения устройств, позволяющих создавать переменные по частоте калиброванные динамические воздействия, соответствующие характеру входной величины датчика (перемещения, угла поворота, давления, усилия). В ряде случаев для этой цели можно воспользоваться промышленными приборами, позволяющими в известных диапазонах осуществлять указанные воздействия [51,52].

Для рассмотренных выше основных групп элементов электромеханических систем представляется актуальным экспериментальное определение их динамических характеристик.

Более подробный анализ этих элементов проводится ниже.

Электродвигатели и их производственные механизмы.

В соответствии с [5,33,43], передаточные функции электродвигателей практически всегда определяются совместно с присоединенным рабочим (производственным) механизмом. Это объясняется тем, что момент инерции такого механизма оказывается, как минимум, такого же порядка что и момент инерции ротора электродвигателя, а чаще всего и значительно больше. При этом в качестве типовой нагрузки на вал электродвигателя принимается нагрузка с механической характеристикой

Mн(р) = (Ао +А1р + А2/р)*Ω(р) (1.1)

где А0, Ai.Ai — постоянные коэффициенты, характеризующие физические параметры механического сопротивления (вязкое трение, присоединенный момент инерции, присоединенное упругое сопротивление);

Ω — угловая скорость вращения;

Мн — нагрузочный момент.

Электродвигатели постоянного тока.

Электродвигатели постоянного тока разделяются на две большие группы: электродвигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Электродвигатели с электромагнитным возбуждением, в свою очередь, подразделяют на двигатели с независимым, последовательным и смешанным возбуждением. На практике применяются три способа регулирования угловой скорости электродвигателя:

за счет изменения тока (напряжения) якоря (независимое возбуждение);

за счет изменения потока возбуждения (полюсное);

за счет изменения сопротивления в цепи якоря.

Основным способом управления угловой скоростью (и вращающим моментом) двигателя постоянного тока является якорное управление. Этот метод позволяет получить широкий диапазон регулирования, плавность регулирования и минимальные электрические постоянные времени системы. При таком способе управления динамические характеристики двигателей с независимым возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов оказываются практически одинаковыми. Характеристики таких устройств, в большинстве случаев, являются слабо нелинейными и обычно линеаризуются при анализе [33,34].

При управлении двигателем постоянного тока по обмотке возбуждения можно получить существенно большие значения модуля коэффициента передачи привода за счет существенного ухудшения его динамических свойств. Кроме того, линейность коэффициента передачи в этом случае, как правило, хуже, чем при якорном управлении [43]. Этот способ управления применяется реже, чем якорное управление.

В соответствии с [33,43] передаточные функции электродвигателя постоянного тока с якорным управлением могут быть описаны следующими выражениями:

1.2

В приведенных формулах:

значения электрических постоянных времени T3=La/Ra (для различных электрических двигателей находится в пределах — 0,01…0,1 с); при якорном управлении от источника тока электрическая постоянная времени принимается равной нулю; при управлении приводом по цепи возбуждения электродвигателя значения электрических постоянных времени значительно выше, чем при якорном управлении и могут достигать десятков секунд [34];

значения электромеханической постоянной времени T3M=J/CB пропорционально суммарному моменту инерции вращающихся частей и зависит от приведенного коэффициента вязкого трения в механизме;

См — коэффициент вращающего момента электродвигателя См=Мвр/1я;

Се — коэффициент, определяющий противоЭДС (Ея) Ce=E/’w.

Значения электромеханических постоянных времени для приводов различных типов колеблются в широких пределах. Для мощных двигателей с присоединенными к ним малоинерционными механизмами эта величина находится в пределах — 10…500 мс [43], а для маломощных двигателей с инерционной нагрузкой (гироскопы, центрифуги) постоянная времени может достигать значений 10… 100 с и более [34,43].

Значения напряжений Ua и токов 1я, являющихся входными величинами для электродвигателя на практике колеблются в очень широких пределах: 1…220 В и 10 мА…10 А для двигателей малой и средней мощности [34,43]. Поэтому очевидно, что для генерации таких управляющих сигналов устройство определения динамических характеристик, должно включать согласующие усилители с соответствующими параметрами.

Измерение скорости вращения двигателя производится либо устройством типа тахогенератора, либо непосредственно цифровым датчиком оптического или индукционного типа [33.34]. Для согласования сигнала тахометра с входом устройства определения динамических параметров может потребоваться согласующий усилитель-преобразователь. Цифровой датчик также требует специфического устройства согласования, включающего цепи питания и преобразователь выходного сигнала (усилитель, декодер, цифроаналоговый преобразователь).

Электродвигатели переменного тока

Среди электродвигателей переменного тока в системах регулирования чаще всего находят применение двухфазные асинхронные двигатели как в качестве приводных двигателей, так и в качестве моментных [33,34]. В последнее время, в связи с развитием силовой электроники, также широко применяются трехфазные асинхронные двигатели с питанием от электронных преобразователей частоты [22]. Коллекторные асинхронные двигатели в настоящее время практически не применяются в автоматических системах регулирования [43]. Проходные характеристики асинхронных двигателей существенно более нелинейных, чем характеристики двигателей постоянного тока [33,38]. Однако при регулировании таких двигателей в узком диапазоне скольжений или при использовании их в качестве моментных, их характеристики принимаются линеаризованными.

В соответствии с литературой [33] передаточные функции асинхронных двигателей в значительной степени аналогичны передаточным функциям двигателей постоянного тока. Например, передаточная функция двухфазного асинхронного двигателя по [33]:

1.3

a(p) U. Tp +1где а — значение огибающей входного напряжения;

Т- электромеханическая постоянная времени нагруженного электродвигателя;

соо — частота питающей сети;

Um — амплитуда напряжения несущей частоты;

(р) — угол между напряжением возбуждения и напряжением управления;

Величины постоянных времени двухфазных асинхронных двигателей имеют различные значения в зависимости от исполнения двигателя. Для двигателей с полым ротором ее значение составляет 0,01…0,15 с в зависимости от мощности электродвигателя. Двигатели традиционного исполнения с ротором типа “беличья клетка” при прочих равных условиях имеют электромеханическую постоянную времени в пределах 0,1… 1,5 с [33].

Динамические характеристики асинхронных двигателей, работающих совместно с электронными преобразователями частоты, в значительной степени зависят от мощности преобразователя. Эта мощность, как правило, выбирается равной или несколько большей номинальной мощности электродвигателя. В этом случае, электродвигатель, работающий в такой схеме, имеет динамические характеристики, зависящие от выходного импеданса преобразователя. Передаточная функция такого двигателя в общем случае описывается соотношением вида (по [38]

(1.4)

где КуД=W*I — коэффициент передачи усилитель-электродвигатель по угловой скорости, зависящей от параметров асинхронного двигателя и преобразователя;

Т — электромеханическая постоянная времени нагруженного двигателя;

— электрическая постоянная времени;

— коэффициент демпфирования в электрических цепях.

Значения электромеханических постоянных времени для двигателей малой и средней мощности находятся в пределах 0,1… Юс в зависимости от мощности двигателя, преобразователя и нагрузки на валу [33,38].

Значения рабочих параметров управления асинхронными двигателями практически находятся в тех же пределах, что и для двигателей постоянного тока равной мощности. Отличие состоит в том, что управление двигателями ведется практически по огибающей переменного напряжения или тока [38]. Поэтому при построении устройства определения динамических характеристик в его состав может потребоваться включение устройств, преобразующих выходные сигналы управления в форму, воспринимаемую приводом (модулирующие преобразователи).

Синхронные электродвигатели

В системах регулирования скорости или угла поворота вала, практически из синхронных двигателей применяются лишь шаговые двигатели, из которых наибольшее распространение получили реактивные шаговые двигатели.

Фактически такой двигатель является не аналоговым, а дискретным элементом системы управления и нарушение устойчивости его работы определяется не частотной характеристикой, а зонами статической и динамической устойчивости. Для таких устройств возможным является определение частотных характеристик лишь при работе их совместно с входными усилителями-преобразователями и штатной нагрузкой, которая может быть представлена в виде интерполятора нулевого или более высокого порядка.

Для типичных систем такого рода результирующие постоянные времени находятся в пределах 0,01… 1с (для двигателей малой мощности, так как обычная мощность таких двигателей не превышает десятков ватт).

Электромагниты.

Электромагниты, применяемые в системах автоматического регулирования, можно разделить на две группы. К первой группе относятся электромагниты, у которых выходная величина (перемещение якоря, замыкание контактов) изменяется дискретно при аналоговом или дискретном изменении входной величины (ток, напряжение). Ко второй группе можно отнести электромагниты, у которых и входная и выходная величины при работе их в системе регулирования являются аналоговыми.

Такое разделение в значительной степени условно, поскольку электромагнит одной и той же конструкции в разных системах может применяться как аналоговый или дискретный элемент [34,38].

Для электромагнитов первой группы в качестве динамических характеристик можно назвать время срабатывания и отпускания такого элемента. Эти времена зависят как от параметров собственно обмотки электромагнита, так и от величины и характера механической нагрузки на якорь. Для определения таких динамических характеристик достаточно иметь устройства для подачи на обмотку электромагнита ступенчатого сигнала напряжения и определения временной характеристики переходного процесса. Понятие аналоговой передаточной функции (частотной характеристики) к такого рода устройствам не применимо из-за существенной нелинейности их проходных характеристик. Однако, в ряде случаев при работе таких устройств в системах регулирования аналоговых величин совместно с аналоговыми устройствами с достаточно большими постоянными времени характеристики такого комплекта линеаризуемых с использованием метода гармонической линеаризации, и его динамические параметры могут быть определены экспериментально [3,30].

Электромагниты второй группы, как сказано, являются аналоговыми преобразователями величины входного тока или напряжения в механическую величину (сила, ускорение, скорость). Несмотря на то, что в общем случае проходные характеристики таких элементов являются нелинейными (с характеристикой типа квадратичной и/или типа насыщения), они, как правило, допускают линеаризацию в окрестностях рабочей точки или определенной рабочей области. В этом случае, можно считать, что для этой рабочей точки или области, для такого элемента могут быть определены передаточные функции (частотные характеристики).

Нейтральные электромагниты.

К сожалению, в литературе, как правило, не приводится конкретных значений постоянных времени электромагнитов (очевидно, вследствие многообразия их конструкции

и характеристик). Поэтому, в соответствии с литературой [22,36] можно получить

упрощенное выражение для определения постоянной времени электромагнита в зависимости от его тягового усилия. Усилие Р, развиваемое электромагнитом, можно вычислить в соответствии с выражением

(1.5)

учитывая, что I =iN = J * * k3 (1.6)

где В — индукция в зазоре электромагнита (B=Uo*H);

S- эффективная площадь полюса;

J — плотность тока в обмотке электромагнита;

— сечение окна, заполняемого обмоткой;

К3 — коэффициент заполнения окна;

— величина воздушного зазора;

Электрическую постоянную времени электромагнита Т (при неподвижном якоре и номинальном зазоре) можно вычислить из соотношения

1.7

где — средняя длина витка обмотки;

— удельное сопротивление провода;

Отношение тягового усилия электромагнита к постоянной времени определится как

(1,8)

с учетом того, что средняя длина витка Lср=8

величина постоянной времени Т определится как

(1.9)

При получении этой формулы вводились следующие допущения:

магнитопровод электромагнита не насыщен;

поля рассеяния электромагнита отсутствуют;

полюс имеет форму, близкую к квадратной;

высота окна равна, приблизительно, толщине полюса;

электромагнит питается от источника с нулевым выходным сопротивлением.

Эти допущения справедливы, очевидно, не для всех конструкций электромагнитов. Для оценки применимости формулы (1.9) было произведено сравнение рассчитанных в соответствии с ней постоянных времени с экспериментальными данными для нескольких электромагнитов систем магнитного подвеса ротора [27], (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Электромагнит Ррасч., Ж Ьэксп., Гн Эксп,, Ом Тэксп., с Трасч., с

ГПА-16 6000 0.085 0.25 0,34 0.32

NP 6000 0.13 0.426 0.305 0.32

ТДА-700 1000 0,055 1.0 0,055 0.04

Примечания:

Расчетные значения усилия электромагнитов Fрасч. получены для значения индукции в зазоре В=1 Тл;

Значения индуктивности Lэксп измерены при закрепленном якоре и номинальном

значении зазора.

Значения Rэксп представляют сопротивления собственно обмотки электромагнита без учета цепей источников питания.

Значения Трасч получены по выражению (1.9), где J=3 А /мм2;

Совпадение экспериментальных и расчетных данных позволяет считать выражение (1.9) пригодным для ориентировочной оценки постоянных времени различных электромагнитов.

Для обеих групп элементов существуют общие соотношения, связывающие напряжение на обмотке электромагнита, ток обмотки и движение якоря

1.10

Как уже указывалось, суммарная передаточная функция электромагнита совместно с производственным (рабочим) механизмом является нелинейной, так как даже при отсутствии насыщения магнитопровода коэффициент KF квадратично зависит от величины тока магнита, а передаточная функция WP представляет собой произведение двух переменных системы (ток и перемещение), то есть также нелинейна. Однако, если принять в качестве допущения, что коэффициент KF для какой-то рабочей точки является вполне определенным и ток I мало изменяется при значительных перемещениях X и напряжениях U, то выражение для суммарной передаточной функции такой системы мы можем представить в следующем виде

где KF — коэффициент передачи электромагнита от тока к силе;

WM — передаточная функция механической части системы, связанной с якорем;

WP — передаточная функция цепи обратной связи по положению ротора;

Этому выражению соответствует схема замещения, приведенная на рис. 1.1, где WE — передаточная функция обмотки электромагнита от напряжения к току при неподвижном якоре.

Рис. 1.1 Схема замещения

В соответствии с выражением для эффективной постоянной времени такой системы можно считать, что при инерционной нагрузке на ротор электромагнита при

(1.12)

электромеханическая постоянная времени Т’ будет меньше, чем постоянная времени Т

обмотки электромагнита при закреплении его якоря в исходном положении. При упругой нагрузке якоря

наоборот, >Т. Очевидно, что это выражение дает крайне приблизительную оценку электромеханической постоянной времени электромагнита с нагруженным якорем, но позволяет приближенно оценить ее значение и характер его изменения при изменении нагрузки. Данные расчета, полученные по этому выражению удовлетворительно согласуются с данными литературы [47],

1.2.2 Поляризованные электромагниты (преобразователи).

Поляризованные электромагнитные преобразователи (реле), в отличие от нейтральных, чувствительны к полярности входного сигнала. Кроме того, они имеют значительно большую чувствительность и быстродействие. В соответствии с [21,34,44,47] поляризованные электромагнитные преобразователи имеют быстродействие, приблизительно на порядок большие, чем у нейтральных электромагнитных преобразователей. В соответствии с [47] постоянные времени такого преобразователя доходят до 0,01с (без учета присоединенного механизма), а по данным [44] типовым значением постоянной времени маломощного поляризованного преобразователя является значение 0,005с. Мощность, потребляемая поляризованным преобразователем, находится в пределах 0,001… 0,1 мощности, потребляемой нейтральным электромагнитным преобразователем при прочих равных условиях [34,47].

В соответствии с [33], передаточная функция поляризованного электромагнитного преобразователя имеет вид

(1.14)

где Тм — механическая постоянная времени (подвижных частей электромагнитного преобразователя и связанных с ними элементов нагрузки);

Тэ — электрическая постоянная времени обмотки преобразователя;

В соответствии с [38] ТМ~5…10ТЭ, где значение Тэ для такого преобразователя указано выше. Линейность поляризованных электромагнитных преобразователей, как правило, существенно выше, чем у нейтральных, что достигается специально выбором конструкции электромагнита и наличием поляризующего магнитного поля. В большинстве случаев, в рабочем диапазоне параметров их проходные характеристики можно считать линейными[33,38].

1.2.3 Магнитоэлектрические (электродинамические) преобразователи.

В настоящее время, в соответствии с [33,38], линейные магнитоэлектрические преобразователи применяются, в основном, в системах дисковых накопителей цифровых

ЭВМ и являются, по сути, устройствами линейного электропривода. Собственно такое устройство (солеыоидального типа) можно рассматривать как элемент, для которого справедливо соотношение между входным током и перемещением катушки вида

Поэтому, такого рода устройства, работающие в режиме позиционирования, всегда имеют обратные связи, превращающие такой элемент в апериодическое звено. Постоянная времени такого устройства определяется, в основном, коэффициентом передачи соленоида по силе и массой присоединенного рабочего органа (например, блока магнитных головок) и составляет величину порядка единиц или десятков миллисекунд, причем проходные характеристики такой системы являются практически линейными [38]. Параметрами управления такой системы является ток порядка 1… 100 мА или напряжение 1…10 В.

Как уже указывалось, приведенные выше передаточные функции электромеханических исполнительных устройств являются упрощенными. Фактически передаточная функция электромагнита представляет собой матрицу формата 2×2, связывающую пару входных величин (ток-напряжение) с парой выходных величин (усилие-перемещение или момент-угол поворота). Поэтому при точном определении динамических характеристик таких элементов должны использоваться методы теории четырехполюсников [19,33]. Такие методы будут рассмотрены в разделе 3.

1.3 Электрогидравлические силовые устройства.

Такие устройства (рис. 1.2) составляют широкий класс следящих электроприводов, аналогичный по динамическим характеристикам электромеханическим приводам. Входным сигналом таких устройств является напряжение или ток, подаваемый на электродинамический или электромеханический преобразователь (п. 1.2.2, 1.2.3).Дальнейшее преобразование энергии производится с помощью гидравлических устройств, однако

Рис 1.2 Электрогидравлический преобразователь

выходным сигналом является механическая величина — угол поворота вала или перемещение штока цилиндра. В соответствии с [6,34,45] передаточные функции таких устройств имеют характер апериодических звеньев первого или второго порядка с постоянньши времени в пределах 0,05…5 с (ориентировочно). Входные величины этих устройств имеют те же параметры, что и магнитоэлектрические и электромагнитные поляризованные преобразователи. Выходными величинами являются, однако, перемещения в пределах 1…1000 мм, усилия 100… 10000 Н, и крутящие моменты до тысяч Н*м, что значительно выше, чем для большинства электромеханических исполнительных устройств. Устройства такого типа также можно считать линейными в рабочем диапазоне изменения параметров даже с учетом исходной нелинейности преобразования перемещений якоря электромеханического преобразователя в расход рабочей жидкости [6].

1.4Магнитные усилители.

В настоящее время магнитные усилители применяются в устройствах автоматики наряду с усилительными устройствами других типов. В соответствии с [33,38], широкое применение магнитных усилителей в автоматике определяется следующими свойствами: высокой эксплуатационной надежностью и стабильностью параметров; значительным по величине коэффициентом мощности на один каскад (до 10′); высокой чувствительностью

(порог чувствительности 10″ — 10” А); питанием непосредственно от сети переменного тока; возможностью суммирования нескольких управляющих (входных) сигналов на гальванически развязанных обмотках; большой перегрузочной способностью по входу и выходу; возможностью объединения функций усиления с амплитудной, фазовой или ШИ- модуляцией и др.

В системах автоматического регулирования магнитные усилители выполняют следующие функции: усиление слабых электрических сигналов, поступающих от различных датчиков первичной информации; преобразования инфранизкочастотных сигналов в модулированные колебания с целью их дальнейшего усиления. При этом они могут быть использованы в качестве усилителей промышленных регуляторов, следящих систем, исполнительных механизмов, решающих элементов, выполняющих операции алгебраического суммирования, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д.

Существенным недостатком магнитного усилителя является его инерционность, обусловленная индуктивностью обмоток управления.

В ряде случаев, высокая надежность таких усилителей и практически неограниченный срок службы определяют специфические области их применения. Это, прежде всего, устройства судовой автоматики, в особенности системы регулирования напряжения и частоты судовых электрогенераторов и преобразователей [5], а также устройства быстродействующего компаундирования и регулирования возбуждения у турбогенераторов средней мощности [31,32], а также в системах регулирования напряжения стабилизированных выпрямительных установок средней мощности.

В соответствии с [33,29] передаточная функция магнитного усилителя (дроссельного типа) имеет вид

W=Iy/Uy=Ky/i(Тр+1), где Ky=l/Ry;

T=Ly/Ry;

Для идеального магнитного усилителя T=Kp/D, где Кр — коэффициент усиления по мощности;

D=4f*n — добротность электромагнитного усилителя [29, 38].

Для реальных дроссельных усилителей величина Т колеблется в пределах 0,01…10 с.

Для быстродействующих электромагнитных усилителей с самонасыщением передаточная функция имеет вид:

1.16

В этом случае величина постоянной времени Т определяется также, как и для дроссельного магнитного усилителя, однако сама величина этой постоянной времени при равных коэффициентах усиления может быть меньше из-за наличия глубокой внутренней обратной связи. Величина чистого запаздывания, вносимого таким усилителем (T=l/2f) может оказываться существенной при больших сопротивлениях цепи управляющей обмотки. Результирующая постоянная времени такого усилителя также находится в пределах 0,01…1с, а время чистого запаздывания в пределах 1…20мс. Как дроссельные, так и магнитные усилители с самонасыгцением, в рабочем диапазоне изменения входных и выходных сигналов, имеют практически линейную проходную характеристику. При превышении уровней этих сигналов, усилитель, как и практически все усилительные устройства имеет проходную характеристику с нелинейностью типа ограничения или насыщения.

На базе магнитных усилителей сконструировано много самостоятельных устройств автоматики, таких, как: магнитные модуляторы, операционные (решающие) магнитные усилители, функциональные преобразователи и др. Однако динамические характеристики таких устройств аналогичны описанным выше. Для магнитных усилителей характерным является широкий диапазон изменения входных и выходных токов и напряжений (токи — 10’’… 10 А и более, напряжения -10»…380В).

Для обобщения характеристик исполнительных механизмов, встречающихся в электромеханических системах регулирования, целесообразно представление их в виде таблицы 1.2

Таблица 1.2.

1.5 Датчики механических величин.

В электромеханических системах регулирования применяются, как правило, датчики, входной величиной которых является какое-либо механическое воздействие, а выходной — электрический сигнал. Для перечисленных во введении типов датчиков, применяемых обычно в такой системе, постоянные времени собственно преобразователя имеют значения, существенно меньшие, чем постоянные времени исполнительных элементов и промежуточных логико-вычислительных устройств. Часто устройства преобразования

сигнала первичного датчика (нормирующий преобразователь) имеют внутренние постоянные времени большие, чем собственно датчик [41,51,52].

Многие датчики из числа применяемых в электромеханических системах имеют выходной сигнал с параметрами, неудобными для непосредственного использования в системе управления. Например, пьезоэлектрический датчик ускорения или усилия имеет выходной сигнал в виде заряда, пропорционального ускорению или усилию; индуктивный или индуктивно-трансформаторный датчик перемещения имеет выходной сигнал несущей частоты, модулированной рабочим сигналом; фотоэлектрический датчик часто имеет выходной сигнал постоянного тока (рабочей частоты) порядка нескольких микроампер и т.д.

Поэтому при анализе частотных характеристик датчиков желательно проводить испытания собственно датчика с принадлежащим ему нормирующим преобразователем.

Ниже приведен краткий анализ характеристик датчиков, наиболее часто применяемых в электромеханических системах регулирования. При этом не выделяются особо группы пассивных и активных датчиков.

1.5.1 Индуктивные, индуктивно-трансформаторные и индукционные датчики.

Датчики этого типа используют преобразование входной величины путем модуляции несущей частоты питания датчика. Значения несущей частоты для различных типов датчиков по данным [41,52] находятся, как правило, 50…5000 Гц. Для выделения из общего сигнала датчика модулирующей (рабочей) частоты применяются обычно фазочувствительные выпрямители с фильтрами. Эти устройства, являющиеся как бы составной частью датчика, обычно и определяют общую постоянную времени датчикового устройства [52].

Поэтому, для определения динамических свойств такого датчика представляется целесообразным определение его частотных амплитудных и фазовых характеристик в указанной полосе частот совместно со вторичным (нормирующим) преобразователем.

Прямых данных по постоянным времени собственно первичного преобразователя в доступной литературе не найдено. Однако косвенно можно определить значения таких постоянных времени в 0,01…0,0001 с, то есть на порядок и более меньших, чем у нормирующего преобразователя (с фильтром) [52].

Токовихревые датчики.

Датчики этого типа используют эффект взаимодействия вихревых токов с основным электромагнитным элементом датчика. Поэтому, схемы их включения и основные параметры аналогичны датчикам индуктивного типа, за исключением рабочего диапазона измеряемых перемещений и несущей частоты. Измеряемые перемещения составляют обычно всего 3-5 мм а несущая частота выбирается в пределах 10…100 Кгц. В связи с этим частотный диапазон вторичного преобразователя такого датчика расширяется до десятков кГц, то есть существенно превышает рабочий диапазон частот исполнительных элементов системы.

Тензорезисторные датчики.

Первичный преобразователь такого датчика измеряет непосредственно лишь деформацию поверхности, на которую он наклеен, поэтому, как правило, такие датчики в электромеханических системах регулирования применяются в качестве датчиков усилия или крутящего момента. Питание датчика может производиться либо постоянным напряжением в пределах 1…24 В, либо напряжением с несущей частотой 50…5000 Гц. Собственно тензорезисторный преобразователь имеет очень высокую частоту линейного преобразования, доходящую до сотен Кгц, однако, при использовании такого преобразователя в составе датчика усилия или момента, его максимальная рабочая частота определяется частотой механических колебаний упругого элемента, на который наклеен датчик. Эта частота существенно ниже, чем у собственно преобразователя и обычно находится в пределах от десятков до сотен Гц. Кроме того, при питании датчика переменным напряжением его усилитель (фазочувствительный выпрямитель) должен иметь на выходе фильтр с постоянной времени, равной 3-5 периодам несущей частоты [52].

Пьезоэлектрические датчики.

Пьезоэлектрический датчик является в значительной степени универсальным, позволяющим с помощью одного и того же вторичного преобразователя проводить измерения механических ускорений, скоростей, перемещений и усилий. Диапазон измерений этих параметров может быть очень широким при применении различных типов пьезодатчиков. В качестве выходного сигнала такого датчика используется значение заряда, возникающего на электродах при возникновении напряжений в теле пьезоэлемента или, реже, напряжение на электродах. Поскольку пьезоэлемент обладает высокой жесткостью, частотные характеристики таких датчиков могут быть весьма высокими. Так, датчики ускорения имеют диапазон частот, в котором их амплитудно-частотная характеристика линейна, вплоть до нескольких десятков Кгц. Значения нижней измеряемой частоты определяются входным сопротивлением вторичного преобразователя и электрической цепи пьезоэлемента и могут достигать значений 0,01 Гц и ниже.

При использовании в качестве вторичного (нормирующего) преобразователя усилителя с интегратором, с помощью таких датчиков возможно измерение виброскоростей и виброперемещений в широких пределах.

Пьезоэлектрические датчики усилия, вследствие высокой жесткости пьезоэлемента, также имеют очень высокую верхнюю частоту измерений, достигающую десятка Кгц для датчиков малых усилий (до 5000 Н) [10, 51 ].

Пьезоэлектрический датчик, в отличии от перечисленных выше, является датчиком активного типа

Оптические датчики.

Оптические датчики, включающие светоизлучающий элемент (светодиод, полупроводниковый лазер) и светоприемник (фотодиод, фототранзистор), могут применяться как для измерений малых перемещений, так и для измерений угла поворота.

При измерении малых перемещений, между светоизлучателем и светоприемником располагается экран, связанный с непосредственно движущейся частью системы. При перемещении элементов системы изменяется световой поток, воспринимаемый приемником и соответственно его выходной ток или напряжение. Рабочий диапазон измерений такого датчика не превышает обычно нескольких миллиметров, а его динамические свойства целиком определяются динамическими свойствами светоприемника. В зависимости от типа применяемого приемника, постоянная времени такого датчика имеет значения в пределах единиц миллисекунд и менее. Вторичный преобразователь такого датчика представляет собой усилитель, как правило, не ограничивающий быстродействие датчиковой системы.

Оптические датчики угла поворота или скорости, которые широко применяются для регулирования скорости электропривода, фактически представляют собой преобразователи угол-код и используются, в основном, в цифровых системах обработки сигналов.

При использовании такого датчика в аналоговой системе регулирования скорости он должен иметь вторичный преобразователь, постоянная времени которого, в основном и определяет быстродействие датчиковой системы. Эта постоянная времени зависит от вида кодирования и требуемой минимальной частоты вращения вала, причем ее наименьшее значение может определяться как

T=(3…5)*N/f, где N — число делений фотооптического диска;

f — частота вращения вала [38].

Оптический датчик, включающий в качестве светоприемника фотодиод или транзистор, может работать как в активном, так и в пассивном режиме [33].

Электромашинные датчики.

Электромашинные датчики (тахометры) применяются для измерения скорости вращения валов систем электропривода. Чаще всего встречаются датчики двух основных типов: датчик на основе электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами и на основе такой же машины переменного тока. Эти датчики оказываются удобными для применения в системах регулирования, поскольку они, как правило, не требуют вторичных преобразователей. Величина выходного сигнала такого датчика достигает сотни Вольт (и более), а собственные постоянные времени такого элемента составляют единицы миллисекунд [34].

Датчики таких типов являются активными и могут быть отнесены к датчикам индукционного типа.

Потенциометрические датчики.

Датчики этого типа также, как правило, не требуют применения вторичных преобразователей. Эти датчики имеют существенный недостаток, заключающийся в низкой износостойкости, поэтому они применяются на рабочих частотах, не превышающих нескольких Гц, в то время как собственные динамические характеристики датчика позволяют им работать на частотах в сотни Гц.

Выходной сигнал таких датчиков может иметь значения от единиц до десятков Вольт при токах до десятков миллиампер [33].

В таблице 1.3 приведены основные параметры датчиков, применяемых обычно в электромеханических системах, по данным [1,10,48,49,51,52].

Таблица 1.3.

1.6 Логико-вычислительные устройства.

Логико-вычислительные устройства электромеханических САР применяются, в основном, двух типов:

-устройство на аналоговых элементах формирования закона регулирования (операционные усилители, аналоговые перемножители, функциональные преобразователи и т.д.;

-устройство на базе микропроцессоров с применением входных аналогово-цифровых и выходных цифро-аналоговых преобразователей, причем во многих случаях выходной сигнал логико-вычислительного устройства может также являться просто цифровым (импульсным).

Для аналоговых устройств в настоящее время фактическим стандартом является применение входных и выходных уровней сигналов, соответствующих сигналам стандартных операционных усилителей, то есть Ubx, 11вых=± 10 В, I вх, 1вых-1…Ю мА [33,46].

Для цифровых логико-вычислительных устройств, включающих АЦП и ЦАП, в настоящее время не существует общепринятого стандарта на параметры входных и выходных сигналов, однако в большинстве случаев их значения приблизительно соответствуют значениям входных и выходных сигналов аналоговых логико-¬вычислительных систем.

По результатам анализа характеристик элементов исполнительных, информационных и логико-вычислительных подсистем, проведенному выше, можно сказать следующее.

Выше приведенный анализ дает представление о средних значениях параметров, характерных для наиболее часто встречающихся элементов электромеханических систем.

Однако, этот анализ позволяет сделать некоторые выводы, на основании которых можно сформулировать группу общих принципов построения системы измерения динамических характеристик таких элементов.

Во-первых, диапазон изменения коэффициентов передачи и постоянных времени элементов, применяемых в электромеханических системах очень широк. Различия в значениях этих параметрах достигают нескольких порядков (типичные значения — 0,01..Л Ос). Диапазон изменения величин входных и выходных сигналов также очень широк (входные токи — 10°,.ЛО2 А, входные напряжения — 0,01…100 В, выходные перемещения 10 … 102 мм, усилия — 0,1.. Л 0000 Н).

Во-вторых, передаточная функция большинства электромеханических исполнительных устройств описывается полными уравнениями четырехполюсника. Передаточные функции датчиковых систем и элементов логико-вычислительных подсистем описываются, обычно, в виде типовых звеньев САР, имеющих однонаправленную передачу сигнала от входа к выходу.

В третьих, практически все элементы исполнительной подсистемы имеют более или менее выраженную нелинейность проходной характеристики. Характеристики элементов измерительных и логико-вычислительных подсистем, в большинстве случаев, можно считать линейными.

Выводы:

По результатам анализа, проведенного в этой главе, определены параметры основных групп элементов, применяемых в электромеханических системах регулирования, что позволило сформулировать группу общих принципов построения системы (устройства) определения динамических характеристик.

Для обеспечения универсальности такого устройства оно должно удовлетворять следующим основным требованиям.

Устройство должно быть выполнено по агрегатно-блочному принципу и должно включать:

-измерительную часть, имеющую в своем составе генератор сигналов (функциональный генератор), измерительно-вычислительный блок и устройство отображения информации;

-датчики и вторичные преобразователи для приведения выходных сигналов элементов к виду и значениям, воспринимаемым измерительной частью;

-усилительные устройства для согласования выходного сигнала генератора измерительной части со входом испытуемого элемента. В ряде случаев может потребоваться также наличие датчиков тока или напряжения для согласования уровней входных сигналов элемента со входами измерительной части устройства.

Для обеспечения согласования датчиковых и усилительных устройств с измерительной частью, уровни ее входных и выходных сигналов должны соответствовать фактическим и нормативным стандартам на информационные сигналы измерительных систем. Выполнение этого требования дает возможность использовать измерительную часть устройства для работы с большинством промышленных измерительных преобразователей, а также включать в состав всей системы промышленные измерительные устройства (генераторы, фильтры, самописцы), имеющие стандартные входные и выходные сигналы.

Для определения коэффициентов четырехполюсников, представляющих передаточные функции большинства электромеханических исполнительных элементов, измерительная устройство должно иметь не менее трех раздельных входов [4,11].Для определения характеристик измерительных и логико-вычислительных подсистем желательно иметь два независимых входа измерительного устройства.

Для определения дифференциальных коэффициентов передачи элементов с нелинейными проходными характеристиками, функциональный генератор устройства должен иметь возможность формирования выходного сигнала с регулируемыми раздельно постоянной и переменной составляющими

РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Наряду с перечисленными в разделе 1 общими требованиями к устройству необходимо дополнительно рассмотреть группу частных технических вопросов. Это позволит с учетом рекомендаций по обеим группам сформулировать общие технические требования на устройство. В качестве основных вопросов такого рода необходимо назвать следующие:

-определение метода, частотного диапазона измерения и диапазона автоматической перестройки частоты функционального генератора;

-определение требуемого динамического диапазона измерения входных и выходных сигналов:

-предварительное определение принципов идентификации динамических характеристик;

-определение номинальных значений сигналов измерения и возмущения для измерительной части устройства.

2.1 Определение метода и частотного диапазона измерений

На основании анализа, проведенного в предыдущей главе, минимальным значением постоянной времени элемент а электромеханической системы регулирования можно принять значение Т=10 мс. Отдельные электромеханические преобразователи (маломощные электромагниты устройств «сопло-заслонка», высокочастотные электродинамические преобразователи) также могут иметь постоянные времени порядка единиц миллисекунд

Большинство элементов электромеханических систем имеет передаточную функцию типа апериодического или колебательного звена с частотой, определяемой как частота среза (для апериодического звена) или резонансной частотой (для колебательного звена).

Диапазон измерений по данным литературы [1,52] должен превышать частоту среза не менее чем на декаду. Для апериодического звена частота среза fs=l/2/71/Т, где Т — постоянная времени звена. Значение частоты среза для Т 1 мс — fs—1 /2/зт/10’3 = 150 Гц.

Для колебательного звена можно принять частоту среза равной f = 0.7*fo, где f0 — первая собственная частота колебательного звена.

Таким образом, верхняя граница измерения устройства для определения динамических характеристик исполнительных элементов электромеханических систем может быть принята равной 1500.. .2000 Гц.

Максимальные значения постоянных времени элементов электромеханических систем достигают 10…50с, то есть эти элементы имеют частоту среза Ј,=1/2/я/50 = 3*10’’ Гц. Исходя из этого, а также и рекомендаций [1,52], нижняя граница частотого диапазона о устройства должна иметь значение не более 10″ Гц.

Однако, в соответствии с [2,40] непосредственные измерения частотных

характеристик целесообразно проводить на частотах не ниже 0,5 1 Гц. На более низких

частотах рекомендуется использовать вычисления частотной характеристики по экспериментально определенной переходной характеристике элемента [8,41]. Это позволяет сократить время измерения. Частота условного раздела, при которой время прямого измерения частотных характеристик приблизительно равно времени вычисления частотных характеристик по переходной характеристике, находится в пределах 1…5 Гц [10]. Поэтому измерение динамических характеристик элементов, характерные частоты которых находятся вблизи указанного выше диапазона, можно проводить любым из этих методов.

Таким образом, представляется очевидно необходимым организовать в устройстве определения частотных характеристик две возможности подачи возмущающего сигнала:

синусоидального сигнала с частотой, изменяемой в диапазоне 0,2…2000 Гц для непосредственного определения частотных характеристик; ступенчатого сигнала для определения переходных характеристик.

Измерительная часть устройства также должна реализовывать два режима определения частотных характеристик:

непосредственное измерения модуля и фазы передаточной функции при возбуждении элемента синусоидальным сигналом;

вычисление модуля и фазы передаточной функции по измеренной переходной характеристике объекта.

Отдельного рассмотрения требует вопрос о применении спектрального частотного метода для определения передаточных функций элементов электромеханических систем путем возбуждения элемента сигналом белого шума и определения спектра выходного сигнала с последующим определением частотных характеристик. На этом принципе работает большинство промышленных анализаторов (например, типа 2032 и 2034 фирмы Bruel&Kjaer и аналогичные им анализаторы других фирм). Применение такого метода исторически вытекало из необходимости решения задач акустических измерений и было механически перенесено на измерения характеристик электрических и электромеханических устройств.

В литературе, посвященной измерению частотных характеристик [2,10,40,48], высказывается мнение, что этот метод создает затруднения при определении дифференциальных коэффициентов передачи элементов с нелинейными проходными характеристиками. Однако анализа этих затруднений и точности измерений в литературе не приводится.

Анализ характеристик электромеханических элементов, проведенный в разделе 1, показывает, что многие электромеханические элементов обладают нелинейными характеристиками. Поэтому вопрос о погрешностях определения дифференциальных коэффициентов передачи таких элементов является весьма существенным.

Преобразование одномерного шумового сигнала у= x(t) при прохождении через нелинейный элемент в общем случае по [3] определяется двумя выражениями:

где g(x) — нелинейная функция;

— дифференциальная плотность распределения вероятности входного сигнала;

— математическое ожидание выходного сигнала;

а у — среднеквадратичное отклонение.

Учитывая, что для “белого” шума:

можно записать общие выражения для определения математического ожидания и дисперсии выходного шумового сигнала:

(2.1)

Эти выражения для достаточно произвольных значений g(x) и не приводятся к

элементарным функциям. Очевидно, поэтому в литературе приводятся результаты аналитических вычислений такого рода только для функций g(x), представленных в виде кусочно-линейных аппроксимаций [3,34], либо для функции рх, представленной в виде равномерного распределения.

Большинство нелинейных электромеханических элементов имеют проходную характеристику, близкую к квадратичной или кубической (рис.2.1).

Рис.2.1. Проходная характеристика нелинейного элемента

Для этого случая выражения (2.1) приобретают вид:

,n=2,3 (2.2)

В случае возбуждения такого нелинейного элемента синусоидальным сигналом выражение для выходного сигнала элемента с квадратичной и кубической проходной характеристикой имеют следующий вид:

(n=2)

Где

В этих выражениях можно выделить следующие составляющие: величина /гау

соответствует постоянной составляющей выходного сигнала, включающей и продетектированное значение входного сигнала; величина представляет собой

линеаризованную составляющую выходного сигнала с частотой возбуждения, характеризующую дифференциальный коэффициент передачи элемента в точке х0, а

величина у2 характеризует погрешность определения дифференциального коэффициента передачи. Строго говоря, в погрешность дифференциального коэффициента передачи должнавключаться также продетектированная постоянная составляющая входного сигнала, однако этого можно избежать программными или схемотехническими методами.

Для численного определения значений ту и оу был разработан алгоритм и

программа, приведенная в Приложении 4 работы

На рис.2.2 приведены зависимости погрешности определения динамического коэффициента передачи элементов с квадратичной и кубической проходными

характеристиками в зависимости от отношения и для случаев возбуждения

синусоидальным сигналом и сигналом белого шума

Рис.2.2. Погрешность определения коэффициента передачи

Эти характеристики позволяют сделать следующие выводы

погрешность определения дифференциального коэффициента передачи как для шумового, так и для синусоидального сигнала возбуждения практически монотонно

возрастает с увеличением отношения ;

-погрешности измерения дифференциального коэффициента передачи для элемента с квадратичной проходной характеристикой практически одинаковы при равных значениях

-погрешность измерения дифференциального коэффициента передачи для элемента с кубической проходной характеристикой оказывается существенно выше при возбуждении шумовым сигналом, чем при возбуждении синусоидальным сигналом при равных .

Можно считать, что для характеристик со степенями не выше квадратичной, определение коэффициента передачи путем возбуждения синусоидальным и шумовым сигналом является равноценным с точки зрения погрешности измерения. Это, на первый взгляд, противоречит устойчивому мнению, что погрешности при определении характеристик нелинейных элементов при возбуждении шумовым сигналом оказываются большими.

Это мнение, очевидно, объясняется следующим обстоятельством. При выводе выражений (2), среднеквадратичное значение шумового сигнала в заданной полосе измерения две декады принималось равным среднеквадратичному значению детерминированного синусоидального сигнала. Такое допущение предполагает, фактически, равную мощность детерминированного синусоидального сигнала и шумового сигнала в полосе измерений (две декады). Мощность шумового сигнала по [40] определяется, как

Для сигнала белого шума это выражение можно записать, как

Цифровой анализатор, построенный на базе преобразований Фурье, измеряет амплитудное или среднеквадратичное значение шумового сигнала в элементарной полосе анализа. Общая мощность шумового процесса в полосе анализа определяется по [40] выражением:

где G=const — спектральная плотность мощности Dw — общий диапазон измерений.

Таким образом, величина среднеквадратичного значения белого шума в элементарной полосе анализа

Так как где n-число элементарных частотных полос анализа

таким образом,

Например, для числа элементарных полос N=100 в общей полосе анализа, среднеквадратичное значение сигнала, приходящееся на элементарную полосу, будет в десять раз меньше. Это не имеет значения при идеальных условиях измерения, однако, при ограниченной чувствительности анализатора, потребуется определенное увеличение входного шумового сигнала для обеспечения его нормальной работы. Однако при этом возрастут и погрешности измерения сигнала, определяемые выражением (2.3).

Очевидно, что указанное явление и объясняет существующее мнение о большей погрешности измерения проходных нелинейных характеристик элементов при шумовом возмущающем сигнале. Для определения динамических характеристик элементов, работающих в системах с высокими уровнями шумов, статистический метод возможно даст более достоверные результаты. Поэтому в измерительной части проектируемого устройства предусмотрена возможность использования данного метода (при наличии генератора «белого шума»).

Следующим важным вопросом является определение требуемого диапазона автоматического сканирования частоты в процессе измерения частотной характеристики. В разных источниках приводятся различные требования по ширине этого диапазона, который колеблется от одной декады [34] до трех декад [10]. Измерительные приборы фирмы В&К работают в полосе частот шириной в три декады, однако эти приборы предназначались первоначально и, в большинстве случаев, используются для измерения частотных характеристик звуковоспроизводящей аппаратуры в стандартной для этой аппаратуры полосе частот [5]. В примерах [8] основные особенности передаточных функций анализируются в основном в полосе частот — две декады.

Стандартные функциональные генераторы с внешним управлением частотой имеют диапазон сканирования частоты 1…100, то есть две декады. Такой же диапазон имеют приборы, построенные на специализированных микросхемах (например, МАХ 038 фирмы MAXIM). По данным фирм, расширение диапазона сканирования частоты более двух декад приводит к возможности появления паразитной частотной модуляции выходного сигнала из- за наличия помех в цепях управления.

Исходя из сказанного, можно считать приемлемой ширину диапазона автоматического сканирования частоты функционального генератора устройства в две декады при общей ширине частотного диапазона функционального генератора и измерителя в пределах 0,2…2000 Гц, то есть четыре декады.

Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электромеханических систем регулирования

Анализ реальных частотных характеристик звеньев раздела 1 позволяет сделать некоторые заключения о требуемом общем диапазоне измерения их выходных сигналов.

Крутизна частотных характеристик апериодического звена составляет в высокочастотной области 20 дБ/дек, поэтому при измерении в автоматическом режиме необходимо иметь динамический диапазон измерителя не менее 20 дБ. Колебательные звенья, используемые в электромеханических САР, как правило, имеют коэффициент динамичности не более 20 дБ [25]. При измерении передаточных характеристик звеньев типа интегрирующих в диапазоне изменения частот в две декады необходимо иметь динамический диапазон измерителя в 40 дБ. Аналоговые измерительные приборы анализаторов 1022 фирмы RFT обладают динамическим диапазоном 30-40 дБ, а самописцы уровня фирмы В&К до 50 дБ [51].

Такое измерение возможно при использовании в измерительном устройстве АЦП с разрядностью не менее 10 бит (при максимальной погрешности порядка 1 дБ). Погрешность измерения А (при учете только погрешности квантования) составляет 1 единицу младшего разряда АЦП. Относительная погрешность измерения составляет:

где — минимальное значение измеряемого сигнала в единицах АЦП;

где — максимальное значение измеряемого сигнала в единицах АЦП

S — динамический диапазон изменения сигнала.

В случае применения 10-битного АЦП и диапазона изменения сигнала 40 дБ, погрешность измерения составит:

В действительности погрешность измерения отношения двух величин при указанных выше условиях может достигать 2 дБ. Поэтому для уменьшения этой погрешности в программе должно быть предусмотрено усреднение результатов по нескольким измерениям, или применение АЦП более высокой разрядности. В разрабатываемом устройстве был принят первый способ.

Поэтому желательным динамическим диапазоном для проектируемого устройства можно считать диапазон порядка 40 дБ, который обеспечивается достаточно доступными

АЦП с разрядностью 10-12 бит. Получение общего диапазона измерения 80-100 дБ, который принят в качестве типового в большинстве промышленных анализаторов, должно обеспечиваться аттенюаторами измерительного блока или датчиковых систем.

Поэтому, желательным динамическим диапазоном для проектируемого устройства можно считать диапазон порядка 40 дБ, который обеспечивается достаточно доступными АЦП с разрядностью 10…12 бит. Получение общего диапазона измерения 80…100 дБ, который принят в качестве типового в большинстве промышленных анализаторов, должно обеспечиваться аттенюаторами измерительного блока или датчиковых систем.

Определение номинальных значений сигналов измерительной части

устройства

В соответствии с принятым в разделе 1 принципом блочно-агрегатного построения устройства, реальные уровни входных и выходных сигналов испытуемого элемента должны приводиться к стандартному уровню, единому для всех датчиков и усилительных устройств. В соответствии с мировыми стандартами DIN, ISO и других, наиболее часто применяемыми уровнями входных и выходных сигналов измерительных цепей и цепей автоматики являются значения -10…+10 и 0…10 В. Сигналы такого уровня хорошо совместимы с устройствами на стандартных операционных усилителях в измерительных и логико-вычислительных подсистемах.

Стандартные измерительные приборы фирм В&К и HP также имеют входные сигналы с уровнями до ±10 В и управляющие сигналы 0…10 В. С целью максимальной унификации разрабатываемого устройства с наиболее распространенными промышленными приборами, в нем также целесообразно иметь входные и выходные уровни управляющих и измерительных сигналов, указанные выше.

Определение состава измерительной системы и принципов определения частотных характеристик

Полный состав системы, построенный в соответствии с принципами, сформулированными в разделах 1 и 2, представлен на рис.2.3.

Основой устройства является измерительный блок, состоящий из микропроцессорного ядра и функционального генератора. Управление частотой генератора, микропроцессорным ядром и отображение результатов измерения производится внешней ПК. Поскольку основная обработка результатов измерения производится микропроцессором, в качестве ПК может использоваться машина класса РС486 и выше, имеющая стандартные интерфейсы CENTRONICS и RS-232. Для отображения результатов и управления генератором возможно использование самописца (например, 2305, 2306, 2307 фирмы В&К или аналогичного), имеющего выход напряжения развертки по оси X. Для этого в состав микропроцессорного ядра включен ЦАП, а функциональный генератор имеет вход для управления частотой сигналом постоянного тока 0…10 В.

В качестве датчиков, преобразующих выходные (и/или входные) сигналы испытуемого элемента в сигналы, воспринимаемым измерительным блоком, используются стандартные датчики со вторичными преобразователями. Достаточно широкая номенклатура таких датчиков и преобразователей фирм В&К, RFT, PRODERA, Kistler, НВМ и др. [1,34,49,51], а также отечественных производителей “Виброприбор”, КЗПА и др. находится в пользовании на предприятиях. Вторичные преобразователи большинства этих датчиков имеют стандартный выходной сигнал 0…. 10 В.

Усилители, необходимые для согласования выходного сигнала функционального генератора со входным сигналом испытуемого элемента также выпускаются многими фирмами, как отечественными, так и зарубежными в широком наборе типоразмеров от 10 до 600 Вт (и более) для работы на нагрузке 1…6000 Ом (2706, 2707, 2708, 2712, 2713 фирмы В&К; LV50, LV100 фирм RFT, УМ50, ТУ 100, ТУ600) [51]

Блок процессора

Функциональный генератор

ВХОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ

Рис.2.3 Функциональная схема измерительного блока

Учитывая сказанное выше, можно считать, что как датчики, так и усилительные устройства, входящие в состав полной системы измерения частотных характеристик не требуют специальной разработки, поскольку номенклатура промышленных устройств такого рода достаточно широка.

Предварительное рассмотрение методов определения частотных

характеристик

Как уже указывалось, определение частотных характеристик САР с помощью разрабатываемого устройства, предполагается производить двумя методами:

прямое измерение частотных характеристик предполагает возбуждение элемента по входу синусоидальным сигналом функционального генератора, запись значений входных и выходных сигналов элемента, микропроцессорным блоком, вычисление точной частоты сигнала возмущения, амплитуд и фаз выходных сигналов по отношению ко входным и определение коэффициентов четырехполюсника, описывающих передаточные функции элементов;

косвенное определение частотных характеристик производится путем измерения сигналов отклика на выходах элемента при подаче на его вход ступенчатого сигнала и последующей обработки этих сигналов по одному из стандартных методов [8].

В обоих случаях вычисления проводятся в микропроцессорном блоке, то есть при выборе той или иной методики определения частотных характеристик изменяются только программа обработки результатов измерений, загруженная в память микропроцессорного блока, и вид сигналов генератора (без изменения общего состава системы). Методика определения передаточной функции конкретного элемента должна разрабатываться в зависимости от вида входных и выходных сигналов, передаточной функции, нагрузки и т.п. и для элемента, выбранного в качестве примера, будет приведена в разделе 3.

Исходя из сформулированных в разделе 1 общих принципов построения системы измерения и рассмотрения ее технических особенностей, проведенных в настоящем разделе, можно считать, что целью работы должна являться разработка измерительного блока системы, включающего в себя блоки функционального генератора и процессора, и осуществляющего генерацию сигналов возбуждения элемента и обработку измерительного сигнала (рис.2.3). Остальные составляющие части системы являются сменными и будут выбираться из ряда существующих промышленных устройств в зависимости от вида конкретного испытуемого элемента. Поэтому ниже приводятся предварительные технические требования на измерительный блок устройства, определенные по результатам анализа по разделам 1 и 2.

2.6. Технические требования на измерительный блок

Измерительный блок устройства определения частотных характеристик должен иметь в своем составе функциональный генератор для выработки сигналов возбуждения испытуемого элемента и микропроцессорный блок, осуществляющий прием и обработку сигналов по входам и выходам испытуемого элемента.

Общий диапазон изменения частоты

синусоидального сигнала генератора, Гц 0,2…2000

Виды выходного сигнала генератора синусоидальный сигнал; ступенчатый сигнал

Диапазон изменения частоты генератора

при управлении внешним сигналом, декад 2

Сигналы управления частотой генератора:

TTL-сигнал по порту CENTRONICS;

TTL-сигнал по порту RS-232;

В генераторе необходимо предусмотреть также ручное управление частотой.

Предел регулирования амплитуды выходного напряжения генератора при синусоидальном сигнале. В 0… 10

Пределы регулирования выходного

напряжения генератора при ступенчатом сигнале, В 0… ± 10 В

Пределы регулирования постоянной составляющей

выходного сигнала генератора, В -10…+10

Сопротивление нагрузки выхода генератора,

кОм, не менее 10

Количество входных аналоговых сигналов

микропроцессорного блока 4

Номинальные значения входных сигналов

микропроцессорного блока, В ±10

Динамический диапазон измерения модуля коэффициента передачи, при погрешности

не более 1 Дб, децибел 40

Общий диапазон измерения входного сигнала

(ступенями по 20 Дб), децибел 80

Пределы измерения углов между входными

сигналами микропроцессорного блока, эл.град. -180…+180

Формат выходного сигнала микропроцессорного

блока для трансляции данных на ПК по стандарту RS-232

Приведенные выше технические требования определяют характеристики измерительной части устройств для измерения частотных характеристик большинства элементов электромеханических САР.

Для разработки устройства в целом, предназначенного для определения частотных характеристик группы конкретных объектов необходимо, как уже упоминалось выше, выбрать датчиковые и усилительные блоки устройства и разработать методики измерения.

Определение группы элементов электромеханических САР, для которых производится разработка конкретного устройства, производится в разделе 3

Выводы:

При построения системы (устройства) определения динамических характеристик основной целью является разработка измерительного блока системы, генерирующего и воспринимающего нормированные электрические сигналы. Г енерирование реальных физических воздействий на объект измерений и обработка его выходных сигналов должны производиться специализированными устройствами с нормированными входными (усилители, преобразователи) и выходными (датчики) сигналами.

. Устройство должно иметь возможность как прямого измерения частотных характеристик элемента, так и косвенного определения этих характеристик путем измерения переходных характеристик элементов. В конкретном случае выбор метода измерения должен производиться на программном уровне

МЕТОДИКИ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХАРАКТЕРНОЙ

ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ САР

Выбор характерной группы элементов САР для построения системы измерения

При построении полной системы измерения представляется целесообразным выбрать в качестве объекта исследования элемент электромеханической системы регулирования, для которого экспериментальное определение частотных характеристик представляет собой наиболее сложную задачу. В этом случае, такую систему можно без затруднений приспособить для определения характеристик других элементов, позволяющих применение более простых методик измерения. При этом при переходе к измерениям характеристик более простых элементов, в системе потребуется изменить лишь согласование уровней входных и выходных сигналов элемента и системы измерения, что обеспечивается либо переключениями пределов измерения, либо заменой датчиков и согласующих усилителей (при изменении вида входных и выходных сигналов).

Анализ характеристик элементов электромеханических систем регулирования, проведенный в разделе 1, позволяет считать, что определение частотных характеристик оказывается наиболее сложным для элементов типа электромагнитов, работающих в электромеханических системах регулирования в качестве аналогового исполнительного органа. Такими элементами являются, например, электромагнитные подшипники или электромагниты транспорта на электромагнитной подушке. Эти элементы обладают рядом особенностей, практически не встречающихся в совокупности в других группах элементов:

проходные характеристики электромагнитов описываются полными уравнениями четырехполюсника [21];

типичные значения постоянных времени таких электромагнитов находятся в пределах от единиц секунд до десятков миллисекунд, то есть для определения частотных характеристик может потребоваться как прямое измерение, так и расчет по экспериментальной проходной характеристике;

типичные величины усилий, развиваемых такими электромагнитами, находятся в пределах от десятков до десятков тысяч ньютонов, а соответствующие значения токов электромагнитов — от десятков миллиампер до десятков ампер. Это приводит к необходимости применения датчиков, рассчитанных на различные диапазоны измерения как для согласования входных, так и выходных сигналов электромагнита со входами измерительной системы;

проходная характеристика (ток-усилие) является существенно нелинейной (квадратичная с зоной насыщения), что может потребовать определения дифференциальных характеристик;

электромагнит (в совокупности с якорем) обладает внутренней положительной обратной связью по положению (т.е. отрицательной жесткостью), ухудшающей устойчивость системы, в которой он работает и затрудняющей измерение соответствующих характеристик.

Разработка принципов схемотехнической реализации измерений

С учетом перечисленных выше особенностей, система измерений частотных характеристик электромагнитов представлена на рис.3.1 для случая испытания упорного электромагнитного подшипника [18].

Испытуемый электромагнит состоит из собственно электромагнита 1, установленного на жестком фундаменте и якоря 2 (ротора), установленного на тот же фундамент через упругий элемент 3 и датчики усилий 4. На якоре установлены акселерометры 5 для измерения совместно с интегрирующими усилителями, входящими в состав устройства

Рис 3.1 схема испытательной установки

измерения частотных характеристик, перемещения якоря. Для устранения ошибок из-за возможной несимметрии или несоосности установки ротора и статора, используются группы из трех датчиков силы и трех акселерометров, сигналы которых суммируются в каждой из групп. Применение пьезоэлектрических датчиков и усилителей заряда позволяют суммировать сигналы датчиков непосредственным соединением их выходных цепей.

Для измерения усилий используются датчики типа 8001 или 8002 фирмы В&К или серии 9250 фирмы Kistler в сочетании со вторичными преобразователями типа 2635 фирмы В&К. Это позволяет осуществить надежное измерение усилий от единиц Ньютонов до десятков тысяч ньютонов [1,10,51,52].

Измерение перемещений якоря производится акселерометрами пьезоэлектрического типа 4370, 4371 фирмы В&К с теми же типами вторичных преобразователей, позволяющих производить однократное или двукратное интегрирование сигнала ускорения для получения сигналов скорости и перемещения. Такое построение системы измерений позволяет производить надежное измерение перемещений и скоростей в диапазоне 0,2…2000 Гц.

Применение пьезоэлектрических датчиков указанных типов для измерения усилия и перемещений обуславливается двумя особенностями. Во-первых, такие датчики могут применяться с одними и теми же усилителями-преобразователями, которые имеют к тому же внутренние схемы интегрирования для преобразования сигналов. Во-вторых, датчики, например, фирмы В&К, и соответствующие усилители-преобразователи имеют очень точную калибровку в рабочем диапазоне частот, что позволяет в большинстве случаев их использование в измерительных системах без дополнительной калибровки. Благодаря этим особенностям эти датчики в настоящее время являются как бы неофициальным промышленным стандартом для виброметрических измерений. В качестве другого такого же стандарта можно назвать серию токовихревых датчиков фирмы Bentley-Nevada. Однако эти датчики и многочисленные их видоизменения обладают одним существенным недостатком, а именно они оказываются чувствительными к первоначальной установке зазора между датчиком и измеряемой поверхностью. Несмотря на частичное устранение этого недостатка в современных системах таких датчиков, при их применении требуется их первоначальная калибровка. Кроме того, эти датчики оказываются чувствительными к материалу поверхности, по которой производится измерение. Различные типы контактных датчиков (реостатные, индуктивно-трансформаторные с подвижным штоком) как правило, плохо работают на частотах порядка сотен герц и выше.

Питание обмотки электромагнита производится через усилители (серии 2700 фирмы В&К, LV50 фирмы RFT или соответствующим усилителем постоянного тока любого другого типа. Для согласования сигнала тока электромагнита со входом измерительного устройства используются датчики тока, из которых наиболее подходящими являются датчики серии HY фирмы LEM, имеющие номинальные значения токов в пределах 5…25 А и выходной сигнал напряжения, пропорциональный току с номинальным значением 4 В. При измерениях параметров маломощных электромеханических элементов для тех же целей возможно также применение шунтов. Однако в случае испытания достаточно мощных электромагнитов (на десятки ампер с питанием от ШИМ усилителей) применение гальванически развязанных датчиков тока является необходимым.

Согласование значений входного напряжения электромагнита со входом измерительного блока осуществляется с помощью делителя напряжения.

Такое построение системы позволяет производить одновременные измерения и запись в память как двух входных (ток и напряжение), так и двух выходных (усилие, перемещение) сигналов испытуемого электромагнита. Это дает возможность выбрать любую тройку сигналов для построения матрицы передаточной функции электромагнита.

Измерение входного сигнала испытуемого элемента (вместо прямого его задания) необходимо, поскольку применяемые для питания электромагнита усилители мощности указанных выше типов (как и большинство других), не имеют калиброванных коэффициентов усиления, что не дает возможности точно задать величину входного сигнала электромагнита.

Следует отметить, что при измерении по схеме рис.3.1 а будет определяться передаточная функция электромагнита, нагруженного на жесткость упругого элемента, на котором установлен ротор и жесткость датчиков усилия. Однако, для датчиков пьезоэлектрического типа жесткость существенно выше, чем для датчиков усилия других типов. При этом выбором жесткости упругого элемента для испытуемого электромагнита может быть создан режим, соответствующий “холостому ходу” четырехполюсника (перемещение Z=0) или режим “короткого замыкания” (усилие F=0).

Пример использования системы для тарировки и проверки датчиков ускорения и усилия приведены на рис.3.1б [51,52].

При тарировке датчиков ускорения проверяемый датчик устанавливается на столе электродинамического возбудителя (ЭДВ) в непосредственной близости с образцовым датчиком. Возбуждение ЭДВ производится от измерительной системы через соответствующий усилитель. Микропроцессорный блок измерительной части устройства осуществляет сравнение сигналов образцового и проверяемого (рабочего) датчика и вычисляет параметры градуировочной кривой рабочего датчика

где

и — амплитуды сигналов рабочего и образцового датчика соответственно. Фазовая погрешность ф рабочего датчика определяется аналогично.

При тарировке датчиков усилия рабочий датчик устанавливается и возбуждается также, как и в предыдущем случае, но с нагружением дополнительной массой т. Измерительное устройство считывает сигналы ускорения с образцового датчика ускорения и сигнал усилия с рабочего датчика усилия и вычисляет градуировочную кривую рабочего датчика

где

— сигнал рабочего датчика усилия;

— сигнал образцового датчика ускорения

Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов

3.2. Схема пассивного четырехполюсника

В соответствии с [21], передаточные функции электромагнитного преобразователя представляют собой уравнение несимметричного пассивного четырехполюсника (рис.3.2). В соответствие с [21], уравнения (17) описывают передаточную функцию электромагнита (без учета насыщения, рассеяния, вихревых токов). Учет этих особенностей приводит к усложнению выражений для коэффициентов этих уравнений, однако их общая структура остается неизменной.

(3.1)

В этих уравнениях i, u, v и F — соответственно значения входного тока, напряжения на обмотке электромагнита, скорости перемещения якоря и усилия, развиваемого якорем на внешней нагрузке, a Lo, То, G — соответственно индуктивность электромагнита при начальном зазоре, коэффициент связи и проводимость (механическая податливость) на выходе электромагнита.

Для определения коэффициентов передаточных функций электромагнита его уравнения можно представить в G-форме:

(3.2)

В этих уравнениях коэффициенты G определяют характеристики реального электромагнита и могут быть определены экспериментально. При этом можно считать, что коэффициенты G с определенной степенью точности соответствуют коэффициентам уравнения (3.1):

(3.3)

В соответствие с [35,36], коэффициенты таких уравнений можно определить, измеряя входные и выходные сигналы четырехполюсника при опытах короткого замыкания и холостого хода. В нашем случае опыт холостого хода соответствует значению выходной величины v=0. Из этого опыта коэффициенты Gl 1 и G22 могут быть легко определены как: i

(3.4)

Опыт короткого замыкания соответствует усилию, развиваемому электромагнитом на внешней нагрузке F =0. При этом:

U*G21=-G’22V

|█(i@@F)|=G|█(U@@V)|

G’22= -G21U/V [Н*с/м]

(3.5)

При проведении опыта короткого замыкания следует иметь в виду, что основной составляющей коэффициента G22 является так называемая “отрицательная жесткость”. Это явление связано с изменением потоков в зазоре электромагнита при постоянном токе в обмотке при изменении зазора между якорем и полюсом электромагнита. Поскольку при приближении якоря к полюсу (уменьшении зазора) увеличивается поток в зазоре, то усилие, развиваемое электромагнитом в этом случае также увеличивается [21]. Это явление может быть моделировано так называемой “отрицательной жесткостью”, то есть механическим звеном, имеющим характеристику F=cx (с- отрицательная жесткость).

Поскольку из-за наличия отрицательной жесткости при испытаниях электромагнита крайне затруднительно создать режим F=0, такое испытание следует проводить при нагружении якоря электромагнита на жесткость gH. несколько превышающую величину отрицательной жесткости электромагнита при заданных значениях u, i и рабочем зазоре А

При этом вместо собственного коэффициента электромагнита G22 определяется коэффициент G22’, а затем можно определить коэффициент G22:

G22=G22’-gH. (3.6)

Такой опыт не вполне корректно называть опытом короткого замыкания, поскольку при этом осуществляется режим работы четырехполюсника на заданную нагрузку. Однако, используя приведенную выше методику, можно вычислить реальный коэффициент G22 для четырехполюсника.

При испытаниях электромагнитов в соответствии с 3.1а, опыт холостого хода (v=0) проводится при установке якоря электромагнита на жесткое основание через датчики усилия F. В качестве датчиков усилия применяются пьезоэлектрические датчики фирмы В&К с весьма большой жесткостью. Поэтому в диапазоне до первой резонансной частоты (соответствующей колебаниям массы якоря на жесткостях датчиков) систему можно считать удовлетворяющей условиям холостого хода.

При установке между датчиком и основанием упругого элемента с жесткостью, превышающей отрицательную жесткость, создаваемую электромагнитом, можно осуществить режим нагрузки электромагнита элементом с заданной характеристикой для определения G22’, а затем G22. При этом следует учитывать, что при установке упругого элемента его жесткость должна превышать не только отрицательную жесткость в рабочей точке, но и превышать возможные изменения отрицательной жесткости при колебанияхякоря. Предположительно, величина жесткости упругого элемента должна в 1,5…2 раза превышать отрицательную жесткость электромагнита в рабочей точке. Следует также учитывать, что при применении упругого элемента с существенно большей жесткостью, снижается точность определения коэффициента G22. Этот вопрос будет детально исследован на следующем этапе работы.

Алгоритм вычислений, соответствующий описанной методике измерения, приведен на рис.3.3. В дополнение к приведенной выше методике в этом алгоритме добавлен блок вычислений частных передаточных функций элемента, который используется для определения передаточных функций в упрощенных режимах в виде отношений одной из выходных величин к одной из входных. Этот блок используется также при определении передаточных функций датчиков, усилительных устройств или передаточных функций систем регулирования в целом и их участков

Методика определения динамических коэффициентов передачи

При проведении экспериментов по определению передаточных функций электромагнитов (п.3.3) необходимо учитывать следующее:

во-первых, усилие, развиваемое электромагнитом, даже при учете абсолютной линейности характеристик магнитопровода, нелинейно (квадратично) зависит от величины протекающего по обмотке тока (приложенного напряжения);

во-вторых, характеристики магнитопровода являются существенно нелинейными как в области малых напряженностей магнитного поля, так и в области больших напряженностей.

В связи с этим, при экспериментальном определении характеристик электромагнитов обычно ставится задача определения передаточных функций электромагнита в окрестностях заранее заданной рабочей точки, соответствующей, например, рабочему току электромагнита Io

Рис 3.3 Алгоритм

Определение динамических характеристик электромагнита будет проводится следующим образом. Испытуемый электромагнит возбуждается одновременно двумя сигналами: рабочим током 1о и малым сигналом переменного тока (напряжения) с частотой, изменяемой в пределах, требуемых для измерения динамической характеристики. За сигнал возбуждения в этом случае принимается только сигнал переменного тока или напряжения, а в выходных величинах (перемещении, усилии) измеряются также только переменные составляющие. Принцип такого измерения показана на 3.4а, на рис.3.4б показано изменение модуля передаточной функции в зависимости от величины начального тока. На этом рисунке входные величины обозначены с индексом in, а выходные с индексом out. Значение динамического коэффициента передачи в точке (Х„,о, Хоию) обозначено коэффициентом а.

При организации такого эксперимента следует использовать функциональный генератор, имеющий возможность задания начального смещения выходного напряжения (п.2.6.8). Кроме того, используемые для эксперимента усилители мощности должны также являться усилителями постоянного тока

Определение передаточных функций путем подачи на вход элемента

ступенчатого сигнала

В соответствии с [8], для определения передаточных функций элемента по его переходной характеристике выбран метод аппроксимации переходной функции ступенчатой функцией с интервалом т (3.5). Такой метод естественным образом сочетается с применением аналогового-цифрового преобразования результатов измерения и при достаточно малых т обладает высокой точностью. Минимальные значения х при этом определяются практически только быстродействием АЦП и для выбранного типа контроллера С166 (С167) составляют около 10 мкс. Таким образом, представляется возможным с помощью этого метода произвести точные измерения переходной функции с характерной постоянной времени порядка единиц или десятых долей миллисекунд

Аппроксимация непрерывной функции ступенчатой функцией

Поскольку интервал между считываниями АЦП в указанном микроконтроллере можно увеличивать практически без ограничений, этот способ вполне применим для измерений характеристик элементов с постоянными времени в десятки секунд и более.

Преобразования измеренных значений переходной функции производятся далее по алгоритму (в соответствии с 3.5) следующим образом:

. (3.7)

и отсюда

(3.8)

следовательно,так как

W(p) = pL[h(t)] (3.9)

то

(3.10)

По вычисленному значению передаточной функции подстановкой p=j определяются частотные характеристики элемента. Алгоритм вычислений приведен на рис.3.6

Рис. 3.6. Алгоритм определения частотных характеристик по переходной функции

Представление результатов эксперимента

Результаты измерений передаточных функций в соответствие с алгоритмами рис.3.3 и рис.3.6 записываются в файлы в виде таблиц. В первой колонке таблиц записываются значения переменной частоты, во второй и третьей — соответствующие им значения модулей и аргументов коэффициентов G или частных передаточных функций W. Эти таблицы могут использоваться как таблично заданные значения передаточных функций элемента для расчета систем регулирования, а также представляться на экране сопряженной с устройством ПК в виде графиков частотных зависимостей коэффициентов. В последнем случае для графического представления результатов можно использовать как существующие программы (MATCAD, GRAFER, EXCEL и др.), так и упрощенные программы собственной разработки (PLOT, FC).

Выводы:

Наиболее характерной группой элементов САР можно считать устройства типа электромагнитов, работающих в электромеханических системах регулирования в качестве аналогового исполнительного органа. В таких элементах проявляется ряд свойств, характерных для других групп элементов.

Непосредственное определение коэффициентов четырехполюсника передаточной функции для элементов, обладающих характеристикой “отрицательной жесткости” оказывается затруднительным. В этом случае, для определения всех коэффициентов четырехполюсника может быть применен предложенный в этом разделе метод работы четырехполюсника на заданную нагрузку.

РАЗРАБОТКА СТРУКТУР ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ПРОГРАММНОЙ ПОДДЕРЖКИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

ИНФОРМАЦИИ(3) часть

В соответствие с разделом 2, измерительный блок устройства должен состоять из двух основных частей:

функционального генератора, управляемого от ПК и

микропроцессорного блока, осуществляющего прием и обработку измерительных сигналов.

Микропроцессорный блок

В качестве микропроцессорного блока предполагается использовать устройство на основе микроконтроллера SAB С166 (С 167) AG SIEMENS. Этот контроллер имеет развитую периферию, включающую встроенный АЦП разрядностью 10 бит, устройство последовательного ввода-вывода, устройство типа САРСОМ и др. На базе этого контроллера можно с добавлением минимального количества внешних элементов (блок питания, внешняя память) построить систему сбора и обработки данных. Такие системы уже построены и широко применяются в промышленности. Кроме указанного контроллера в таких системах используются также контроллеры серии 196 фирмы INTEL, имеющие, правда, несколько худшие характеристики.

В настоящей работе поставлена цель — разработать специализированный микропроцессорный блок для устройства измерений динамических характеристик электромеханических систем автоматического регулирования и их элементов. Поскольку проектируемое устройство предназначено для широкого использования на практике, основной задачей можно считать обеспечение минимальной стоимости блока при условии реализации им поставленной задачи [17]

На рис.4.1 Д приведена функциональная схема блока процессора, разработанного для применения в измерительной системе. В качестве основы блока выбран процессор SAB С167 фирмы Siemens, обладающий уникальным набором характеристик при относительно низкой стоимости. К его особеностям следует отнести:

наличие 10-битного АЦП со входным мультиплексором на 16 каналов; наличие встроенного устройства US ART, реализующего функции последовательной передачи данных по синхронному каналу и по стандарту RS- 232, а также CAN-интерфейс;

возможность адресации внешней памяти объемом 16 Мб.

Кроме указанных особенностей этот контроллер обладает развитой системой прерываний, встроенными каналами ШИМ и САРСОМ и рядом других полезных особенностей, которые могут быть использованы при расширении функций измерительного устройства. Общая структурная схема контроллера приведена на рис.4.1.

Для обеспечения работы контроллера в блоке процессора необходимо добавление к нему ряда внешних устройств, перечень которых может быть определен с учетом основных функций, выполняемых процессором. В число этих функций входят:

прием внешних сигналов по четырем однополярным или дифференциальным каналам;

работа с внешней памятью объемом, определяемым программой обработки сигнала и, при необходимости, хранением результатов измерений;

выдача и прием сигналов по каналу RS-232 для загрузки и отладки устройства;

передача результатов измерений по гальванически развязанному каналу RS-232;

возможность выдачи 10… 12 бит управляющих сигналов для внешних устройств (функциональный генератор, система управления экспериментом);

генерация сигналов реального времени и выдача их совместно с результатами измерений.

Рис. 4.1 Блок-схемa микроконтроллера С167

Для реализации этих особенностей в блок процессора, кроме собственно контроллера, необходимо включить следующие элементы:

источник образцового напряжения для АЦП. Поскольку, максимальное значение входного сигнала АЦП С167 составляет 5В, представляется наиболее удобным использование в качестве источника опорного напряжения микросхему AD901 с напряжением питания 5В (напряжение питания SAB С167) и выходным напряжением 4,096 В;

внешняя оперативная память процессора, общий объем которой определяется, в основном, объемом рабочей программы и объемом данных одного цикла измерений.

Объем рабочей программы (исполняемый модуль) составляет, по предварительным проработкам, не более 4 Кб. Объем данных измерений определяется следующим образом. В цикле измерений записываются три канала по 4096 точек с объемом результата измерений по каждой точке 2 байта. Таким образом, общий объем памяти для записи одного цикла измерений составит 24576 байт.

Общий объем памяти с учетом служебных адресов составит не более 32 Кб. Это позволяет использовать в блоке процессора наиболее распространенные и дешевые микросхемы ПЗУ с объемом 32… 128 Кб;

передатчик совместно с элементами гальванической развязки для изолированного выхода RS-232. В качестве этих элементов выбраны приемопередатчик 8051, оптронные элементы типа АОТ128Д, а также линейные усилители на транзисторах КТ630, КТ815.

буферные элементы для защиты цифровых выходов (и входов) SAB С167. Эти элементы необходимо выполнить на наиболее распространенных микросхемах 555АП6 двунаправленных буферов

дополнительные элементы, обеспечивающие защиту входов АЦП, согласование уровней и усиление, при необходимости, входных сигналов АЦП. Эти элементы (защита на диодах D901 и усилители AD822 с однополярным питанием 5В) предполагается установить на отдельную выносную плату, поскольку количество и тип этих элементов могут изменяться для различных вариантов применения процессора.

Кроме перечисленных, блок процессор должен содержать ряд служебных элементов, необходимых для поддержания его работоспособности и обеспечения надежной работы (микросхема часов реального времени, тактовый генератор, дешифраторы адреса, микросхему вторичного источника питания, супервизор питания, аккумулятор для обеспечения энергонезависимости памяти.

На основании перечисленных функций и требуемого состава блока процессора было разработано техническое задание на блок и принципиальные схемы блока (ПРИЛОЖЕНИЕ 1)

Функциональный генератор

Функциональный генератор, примененный в измерительном блоке, должен обладать рядом специфических характеристик. К числу основных характеристик генератора необходимо отнести следующие:

Приведенные выше характеристики позволяют реализовать требования к измерительному блоку, сформулированные в разделе 3. Дополнительное требования по управлению частотой генератора аналоговым сигналом 0,1… 10 В было выдвинуто при проработке системы. Выполнение этого требования обеспечивает полную совместимость проектируемого генератора с промышленной виброизмерительной аппаратурой фирм Bruel&Kjaer, RFT, Hewlett-Packard и др., что позволяет включить в дальнейшем в состав измерительной системы приборы упомянуты фирм. Большое количество таких приборов находится в настоящее время в эксплуатации на предприятиях и обеспечение возможности работы измерительного блока совместно с этими приборами существенно расширяет область применения проектируемой системы.

В номенклатуре ведущих фирм не обнаружено функционального генератора, подходящего по характеристикам для проектируемой измерительной системы, в особенности в части универсальности управления и требуемого диапазона выходных сигналов.

Кроме того, промышленные функциональные генераторы (фирма Н&Р, ESCORT, В&К), имеющие более или менее приемлемые технические характеристики для применения

в разрабатываемом устройстве, обладают неприемлемыми для переносной аппаратуры габаритами и высокой стоимостью (минимально порядка тысячи долларов).

К настоящему времени существуют технические решения, позволяющие построить подобный упрощенный функциональный генератор.

Построение такого генератора может быть осуществлено как на базе аналоговой, так и цифровой техники. Рассмотрение обоих методов построения функциональных генераторов приводит к следующим выводам.

Цифровая генерация испытательных сигналов с требуемыми параметрами требует применения довольно сложных технических решений. Основное затруднение состоит в получении сигнала с малыми шагами по амплитуде в широком диапазоне частот (две декады) и связанными с этим трудностями выполнения выходных фильтров генератора. Для получения такого устройства с приемлемыми характеристиками приходится прибегать к существенному усложнению схемы и алгоритмов управления (разбиение сигнала на большое количество узких поддиапазонов с соответствующими каждому диапазону постоянными времени выходных фильтров генератора) [7,37].

Кроме указанного оказывается также затруднительным построение цифрового генератора с требуемой дискретностью перестройки по частоте. В частности, при использовании микроконтроллера с тактовой частотой 20 МГц, дискретность изменения длительности шага задания частоты генерируемого сигнала составляет в лучшем случае 400 не. При использовании на выходе контроллера ЦАП разрядностью всего 8 бит кривая генерируемого напряжения имеет 256 участков. При верхней частоте сигнала 2000 Гц, то есть его периоде Т=500 мкс, каждый шаг АЦП будет производиться за время АТ=2 мкс. Таким образом, дискретность изменения частоты 5-t/AT на верхнем пределе диапазона частоты генератора будет составлять около 20% от генерируемой частоты, что недопустимо. Даже при частоте генерируемого сигнала 200 Гц, дискретность перестройки по частоте будет составлять около 2%, то есть 4 Гц, что также может оказаться неприемлемым, например при исследовании элементов, имеющих проходную характеристику типа колебательного звена с малым коэффициентом демпфирования.

Некоторое улучшение характеристик такого генератора может быть получено при использовании высокочастотных ШИМ-модуляторов, входящих в состав микросхемы С167. Дискретность перемещения фронта ШИМ составляет для этой микросхемы 50 не, что позволит получить разрешение по частоте порядка 5% (для частоты 2000 Гц). Одновременно такое решение упрощает построение выходных фильтров генератора. Однако, при таком построении генератора, кроме ЦАП с элементами формирования выходного напряжения и фильтрации, потребуется также входной АЦП с дискретностью не менее 12 разрядов (для обеспечения ручной или автоматической перестройки частоты аналоговым сигналом с дискретностью порядка 5%).

Применение готовых схем генераторов на базе вставных ISA-плат или готовых звуковых плат позволяет построить генератор с требуемыми характеристиками, однако требует сложных конструкций интерфейса и оказывается в конечном итоге весьма дорогим.

В аналоговой технике стандартным решением при построении таких устройств является применение замкнутой схемы двойного интегратора, образующей так называемое “консервативное” звено с управлением постоянными времени интегрирования от внешнего источника управляющего сигнала (с использованием схем перемножения в качестве управляемых резисторов). Такие устройства сложны сами по себе и требуют, кроме того, дополнительных систем стабилизации амплитуды [23].

Проверка готовой микросхемы генератора (МАХ038) показала, что она имеет значительные искажения выходного синусоидального сигнала, в особенности на низких частотах, и не допускает автоматического перекрытия частотного диапазона больше, чем на 1,5 декады.

Для проектируемого генератора был выбран простой и отработанный на практике метод генерации треугольного сигнала с последующим его преобразованием.

Устройство использует метод генерирования испытательного сигнала, основанный на непосредственном интегрировании управляющего сигнала постоянного тока. Такое устройство должно содержать инвертор для образования симметричного отрицательного значения входного сигнала, интегрирующий элемент и компаратор, сравнивающий значения выходного сигнала интегратора с заданным значением амплитуды. Компаратор должен действовать на перебрасывание электронного переключателя, поочередно подающего на вход интегратора управляющие сигналы противоположной полярности [37].

Такая схема позволяет генерировать сигналы треугольной формы (на выходе интегратора) или прямоугольной формы (на выходе компаратора), причем частота генерации при правильно выбранных элементах схемы будет прямо пропорциональна напряжению управляющего сигнала.

Для построения функционально законченного устройства к такой схеме следует добавить формирователь синусоидального напряжения (из треугольного), а также устройство, преобразующее сигналы стандартного интерфейса ПЭВМ в постоянное управляющее напряжение. Блок-схема такого генератора приведена на 4.2.

Такое исполнение генератора оказывается схемотехнически гораздо более простым,

чем описанные выше стандартные схемы выполнения генераторов. Вместе с тем такая схема гарантирует высокую линейность управления частотой генератора, а также стабильность его выходного напряжения при изменении частоты. При этом диапазон автоматической перестройки частоты в этой схеме может быть достигнут равным 2-3 декады без особых сложностей. Некоторым недостатком такой схемы можно считать более высокий коэффициент гармоник измерительного напряжения, чем в аналоговой схеме с двойным интегрированием (порядка нескольких процентов). Однако, для целей измерений частотных характеристик, содержание высших гармоник, обычно третьей, в пределах 3-5 процентов оказывается вполне допустимым.

Общая структура программного модуля для измерения частотных характеристик.

Блок-схема ядра измерительного комплекса для измерения частотных характеристик электромеханических систем регулирования и их элементов представлена на 4,3.

Блок-схема измерительного комплекса.

В общем случае, измерения проводятся при возбуждении объекта сигналом, подаваемым в произвольную точку системы автоматического регулирования. Как указывалось выше, это позволяет определять передаточные функции элементов и узлов системы регулирования, неустойчивых в разомкнутом состоянии. На рис.4.3 система регулирования представлена в виде соединения трех звеньев, причем звенья Win и Wout,

включают все элементы системы, внешние по отношению к объекту измерения (по I), характеристики которого подлежат измерению [9,16].

Измерительная система в общем случае связывается с объектом через согласующие устройства. В качестве таких устройств могут выступать датчики различных физических величин, соответствующих входным и выходным сигналам ОИ, а также в усилителе мощности или преобразователе для подачи сигнала возбуждения на элемент или систему. Сигнал возбуждения вырабатывается генератором, управление которым производится общим управляющим персональным компьютером (ПК) измерительного устройства. Входной и выходной сигналы ОИ подаются на блок предварительной подготовки сигналов (БПС), в котором эти сигналы приводятся к уровню, соответствующему динамическому диапазону АЦП микропроцессорной части.

В этом же блоке, при необходимости, производится предварительная фильтрация измерительных сигналов для устранения влияния собственных шумов системы управления на измерительный блок.

Фильтрованный и подготовленный сигнал с блока БПС поступает на микропроцессорный контроллер (МП), производящий оцифровку измерительных сигналов, их предварительное преобразование и передачу результатов на общий управляющий ПК комплекса.

Управляющий ПК осуществляет управление частотой генератора измерительного сигнала, прием информации об измерительных сигналах от блока МП, а также управление или считывание сигналов блока БПС. Управление генератором производится с использованием стандартного параллельного ПК.

Для уменьшения объема приемной части устройства управления генератором используется нестандартный параллельный код, включающий как сигналы данных, так и квитирующие сигналы параллельного порта ПК.

Программа управления частотой генератора в ПК формирует 12-битный код, непосредственно управляющий цифро-аналоговым преобразователем генератора сигналов. Такое использование параллельного порта дает возможность уменьшить время передачи кода управления частотой и исключить приемные регистры памяти и логические схемы формирования квитирующих сигналов в генераторе.

Блок подготовки сигналов построен на базе операционных усилителей с переменным коэффициентом усиления и аналоговых фильтров на базе переключаемых конденсаторов. Управление коэффициентом передачи измерительного тракта БПС может осуществляться двояким образом. В первом случае, управление коэффициентами передачи производится от блока МП, который определяет в процессе измерения необходимость такого переключения при снижении или увеличении уровня измерительных сигналов. Во втором случае, управление коэффициентом передачи может производиться вручную непосредственно на блоке БПС. Тогда по той же линии связи на блок МП передается сигнал о коэффициенте передачи измерительных каналов БПС.

Управление частотой среза фильтров нижних частот, расположенных в БПС и предназначенных для устранения влияния собственных шумов объекта на точность измерения производится вручную.

Блок микропроцессора осуществляет прием измерительных сигналов от БПС, их оцифровку с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя и проводит ряд операций по вычислению параметров передаточной функции объекта измерения. Подготовленные такимобразом данные по стандартному интерфейсу RS-232 передаются на ПК, где вычисляются частотные характеристики, формируется файл типа матрицы передаточной функции объекта и проводится графическое отображение амплитуды и фазы частных передаточных функций объекта на дисплей.

Разработка интерфейса и программ для управления внешним задающим

генератором.

Связь между управляющим ПК и генератором для задания частоты осуществляется с помощью стандартного интерфейса Centronics, который благодаря простоте сопряжения и удобству программирования широко используется для подключения к компьютеру нестандартных внешних устройств [24,39]. При этом, однако, нужно учитывать некоторые ограничивающие особенности этого интерфейса. Это, во-первых, ограничение на длину линии связи устройства, подключенного к интерфейсу Centronics (в данном случае, генератору) — не более 1,5-2 м от компьютера. При разработке модуля для измерения частотных характеристик предполагалось, что все составные части его располагаются компактно, поэтому данное ограничение не является существенным.

Кроме того, так как интерфейс Centronics является программно-управляемым, скорость информационного обмена не может быть особенно велика и оказывается напрямую связанной с быстродействием компьютера. Поэтому не имеет смысла сопряжение через параллельный порт устройств, требующих обработки или передачи информации в реальном масштабе времени. Задача измерения частотных характеристик как раз не относится к таким задачам, поэтому и это ограничение не влияет на выбор интерфейса.

Среди достоинств интерфейса Centronics можно отметить его стандартность — он есть на каждом компьютере, и на всех компьютерах работает одинаково. Большое значение имеет также простота программирования на любом уровне. В большинстве языков программирования имеются процедура взаимодействия с принтером, которые легко использовать и для программирования нестандартного устройства. А так как с точки зрения программирования Centronics представляет собой три программно доступных регистра, не вызывает затруднений и написание программ нижнего уровня.

Подключение нестандартных устройств.

Интерфейс Centronics и, соответственно, параллельный порт компьютера ориентированы на подключение принтера. Однако при разработке нестандартных устройств для подключению к интерфейсу Centronics его сигналы могут быть использованы произвольно.

Все сигналы рассматриваемого интерфейса представлены в таблице 4.1

Таблица 4.1

1 -STROBE 0 1 1

2 DO 0 2

3 D1 0 3

4 D2 0 4

5 D3 0 5 j

Г 6 D4 о 6 ;

7 D5 0 7

8 D6 о 8

9 D7 о 9

10 -АСК I 10

11 BUSY I 11

12 РЕ I 12

13 SLCT I 13

14 -AUTO FD 0 14

15 -ERROR I 32 1

16 -INIT 0 31

17 -SLCT IN 0 36

18…25 GND — 16,17,19…30,33

Все сигналы интерфейса можно разделить на три группы:

— восьмиразрядная шина данных для записи из компьютер (D0…D7);

— четырехразрядная шина управления для записи из компьютера

(-STROBE — сигнал стробирования данных; -AUTO FD — сигнал автоматического перевода строки; -INIT — сигнал сброса принтера; -SLCT IN — сигнал принтеру о том, что он выбран и последует передача данных;

— пятиразрядная шина состояния для чтения в компьютер

(-АСК — сигнал: подтверждения принятия данных и готовности принтера принять следующие данные; BUZY — сигнал занятости принтера обработкой и неготовности принять следующие данные; РЕ — сигнал конца бумаги; SLCT — сигнал готовности приемника; -ERROR — сигнал ошибки принтера.

Все сигналы программно доступны. Основная проблема при сопряжении устройств с интерфейсом Centronics состоит в том, что шина данных является однонаправленной, что позволяет использовать ее только на вывод, для ввода данных необходимо использовать сигналы пятиразрядной шины состояния. Таким образом, разрядность информационного обмена по записи ограничена двенадцатью, а по чтению — пятью линиями.

Реализация передачи частоты.

Г енератор частоты в модуле измерения частотных характеристик является нестандартным внешним устройством для интерфейса Centronics. На входе генератора установлен 12-битовый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), трансформирующий полученный от компьютера код в частоту опорного сигнала, подаваемого на объект. Таким образом, для полного использования диапазона ЦАП можно передавать 12-битовый код. Для этого можно использовать два аппаратных регистра вывода параллельного порта:

BASE — регистр данных:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DO

BASE + 2 — регистр управления:

0 0 0 0 SLCTIN INIT AUTO FD STROBE

Первый байт (регистр данных) может служить младшим байтом передаваемого кода частоты, вторые полбайта (регистр управления) — старшим байтом. То есть, передаваемый код может быть любым числом от 0 до 4095 (2|3-1). Учитывая, что диапазон изменения частоты генератора равен двум октавам (0.2 -20 Гц = N1.2- 200 Гц — N2, 20 — 2000 Гц = N3), можно связать эти величины:

, Гц

Здесь N — выбранный диапазон изменения генератора, Гц;

n — величина передаваемого на генератор кода частоты (12 бит);

f — значение частоты опорного сигнала, выдаваемого генератором.

Изменяя, таким образом, передаваемый на управляющий генератор числовой код, можно получить выходное значение опорной частоты в заданном диапазоне, воздействие которой на измеряемый объект дает возможность рассчитать его передаточную функцию и, следовательно, амплитудную и фазную частотные характеристики.

Разработка программ первичной обработки данных.

Опорный измерительный сигнал от генератора, проходя через испытуемый объект, трансформируется во входной и выходной сигналы, которые и являются основой для определения частотных характеристик. Блоком подготовки сигнала они усиливаются, фильтруются, а опорный синусоидальный сигнал преобразуется в прямоугольный для последующей более точной его обработки в микропроцессоре. Контроллер через встроенные АЦП принимает входной и выходной сигналы, а через обычный цифровой порт — опорный сигнал, после чего производит первичную обработку данных.

Целью первичной обработки данных является получение двух выборок входного и выходного сигналов, которые затем будут переданы в ПК для определения частотных характеристик, а также величины частоты опорного сигнала и сдвига фаз между входным и выходным сигналами. Эти величины также передаются в ПК через последовательный интерфейс RS-232.

Алгоритм определения частоты опорного сигнала состоит в следующем (4.4.)

Рис.4.4. Диаграмма определения частоты опорного сигнала.

Здесь 1 — возможная начальная точка опроса;

— возможная начальная точка опроса;

— начало отсчета таймера;

— период;

Микроконтроллер непрерывно опрашивает соответствующий цифровой вход порта, на который приходит прямоугольный опорный сигнал. В момент обнаружения падающего фронта включаются таймеры с разрешением 200 мс, которые суммируют время до следующего падающего фронта. Один таймер работает в режиме счетчика по переполнению другого. Таким образом, максимально возможное число, накопленное в таймерах, определяется следующим соотношением:

(T5, T6- соответствующие таймеры),

и тогда период опорного сигнала определяется формулой:

Возможность использования 32 бит ( два таймера) для определения периода опорного сигнала позволяет включать в рассмотрение процессы достаточно низкой частоты. Например, для получения сигнала с частотой 0.1 Гц, то есть с периодом 10 с, достаточно 24 разряда таймеров.

При определении периода опорного сигнала программно учитываются возможные искажения его фронта. Погрешность определения периода самого быстрого сигнала (2000 Гц) составляет 0,4%.

Реализация передачи сдвига фаз

Для определения сдвига фаз между входным и выходным сигналами использовался почти тот же алгоритм, что и для определения периода опорного сигнала (рис.4.5).

Рис.4.5 Диаграмма определения сдвига фаз

Определяется первый падающий фронт входного сигнала. В этот момент включаются измерительные таймеры Т5, Тб. Далее определяется падающий фронт второго сигнала, и таймеры останавливаются. Содержимое таймеров с учетом их разрешения и будет являться искомым сдвигом фаз двух сигналов.

Основная проблема при получении выборок входного и выходного сигналов состоит в том, что, во-первых, для корректного последующего определения амплитуды периодического временного процесса необходимо по крайней мере 10 периодов, во-вторых, при разрешении АЦП, равном 10-5 с, выборка 10 периодов низкочастотный процессов имеет очень большой размер. Это весьма неудобно при передаче выборки в ПК по последовательному интерфейсу (невысокая скорость передачи).

Проблема решалась следующим образом. Для корректного определения амплитуды синусоидального сигнала достаточно иметь 40 точек выборки на один период. Таким образом, необходимо 400 точек на 10 периодов. Поэтому при считывании АЦП в массив выборки записывалось не каждое преобразованное значение, а некоторые значения через определенное количество, зависящее от частоты принимаемого сигнала. Чем выше частота сигнала, тем чаще происходит запись в массив выборки.

Полученные значения периода опорного сигнала и два массива значений входного и выходного сигналов передаются через RS-232 на компьютер для дальнейшей обработки (ПРИЛОЖЕНИЕ 3, текст программы fc. 167).

Разработка программы для определения модулей и фаз передаточных функций.

Обработанные в микроконтроллере массивы выборок входных и выходных сигналов со значениями периода опорного сигнала и сдвига фаз между сигналами передаются в компьютер через стандартный последовательный интерфейс RS-232 для окончательной обработки, определения амплитуды передаточной функции и построения графиков частотных характеристик объекта.

Для устранения постоянной составляющей выходного сигнала, которая может присутствовать при измерении в цепях, не имеющих гальванической или электрической развязки выходного сигнала по постоянному току, производится выделение симметричной части сигналов следующим образом:

где BfO[i], Bfl [i] — элементы массивов соответственно входного и выходного сигналов (массивы состоят из 400 элементов);

АА, ВВ — средние значения этих массивов.

Переменная часть массивов определяется по формуле:

B0[i] = Bf0[i] — АА,

В1 [i] = Bfl [i] — ВВ,

где B0[i], Bl[i] — элементы переменной части массивов входного и выходного сигналов, i =

0,1,…,399.

Для этих массивов определяются абсолютные максимумы каждого полупериода (из 10 периодов) после чего определяются средние значения амплитуды для каждой выборки

где В0mах[j], Blmax[j] — значения абсолютного максимума]-го полупериода,

n — количество полупериодов в выборке;

АВ0,АВ1 — средние значения амплитуд для каждой выборки.

И, наконец, последняя операция — определение амплитуды передаточной функции объекта в децибелах

Текст программы для отображения модуля и сдвига фазы передаточной функции представлен в ПРИЛОЖЕНИИ 3 (fc.cpp).

Выводы:

. Для разработки процессорной части специализированного процессорного блока, наиболее подходящим по соотношению цена-качество можно считать микроконтроллер SAB С167 фирмы Siemens AG, обладающий развитой периферией и высокой рабочей скоростью по сравнению с микроконтроллерами других типов.

. Существенное упрощение программного обеспечения и интерфейсных устройств функционального генератора и блока процессора может быть достигнуто при использовании двух внешних каналов передачи данных — CENTRONICS для управления функциональным генератором и RS-232 для передачи результатов измерения в ПК.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Устройства, построенные на принципах, сформулированных в настоящей работе, использовалось для проведения ряда экспериментов по двум направлениям исследования.

Целью первой группы исследований было определение эксплуатационных и некоторых метрологических характеристик разработанного устройства,

Целью второй группы исследований являлось использование разработанного устройства для анализа характеристик электромагнитов со сплошным магнитопроводом, применяемым в ряде устройств автоматики, в том числе в системах магнитного подвеса роторов.

Исследование устройства для определения частотных характеристик.

Трудности калибровки разработанного измерительного устройства и проверки его характеристик связаны с практическим отсутствием оборудования, предназначенного для поверки аналогичных устройств. Поэтому, проверка созданного измерительного устройства осуществлялась двумя способами.

Первый способ основывался на сравнении показаний измерительного устройства с показаниями приборов, обладающих определенными метрологическими характеристиками при измерениях напряжений и фаз. В качестве таких приборов использовались двухканальный анализатор типа 2034 фирмы Bruel&Kjaer и стенд, построенный на базе аналоговых приборов фирмы RFT, включающем фильтры типа 1023, генератор типа 30008 и самописец 2308 фирмы Bruel&Kjaer.

Измерение модуля и аргумента передаточной функции проводились этими приборами со следующими погрешностями (по паспортным данным):

анализатор 2034 ± 0,1 Дби ±1 Эл.0 соответственно;

стенд RFT ± 0,5 Дб и ± 5 Эл.° соответственно.

Второй способ поверки измерительного устройства заключался в определении модуля и аргумента передаточной функции специального эталонного калибратора, составленного из точного резистора 10 КОм с допуском ± 0,1% и образцового конденсатора 0,1 мкФ с погрешностью 0,3 %, Эти элементы образовывали апериодическое звено первого порядка, для которого определялись расчетные АЧХ и ФЧХ и сравнивались с такими же характеристиками, полученными экспериментально.

В связи с тем, что для аналогово-цифрового преобразования в измерительном устройстве использовались АЦП с разрешающей способностью 10 бит, проводились также исследования точности работы измерительного устройства при различных уровнях входных напряжений канаиов в пределах определенного ранее требуемого динамического диапазона 40 Дб.

На рис.5.1 показаны амплитудно-частотные характеристики апериодического звена, представляющего собой дроссель с сопротивлением 0,29 Ом и индуктивностью 0,068 Гн, измеренные указанными выше приборами и измерительным устройством, а на рис.5.2 — фазочастотные характеристики для того же случая.

Измерения проводились для значения входного сигнала апериодического звена, равного 4 В, то есть верхнего значения динамического диапазона измерения АЦП. Указанные характеристики дают основание предположить, что разработанное измерительное устройство в указанных выше условиях работает практически с точностью цифрового анализатора 2034 и превышает по точности определения АЧХ аналоговый измерительный стенд.

На рис.5.3 приведены амплитудные частотные характеристики, определенные с помощью измерительного устройства для упомянутого выше калибратора с постоянной времени 1 мс (R- 10 КОм С=0,1 мкФ) для двух значений входного напряжения калибратора (4 В, 0.4 В), а также расчетная АЧХ. На рис.5,4 приведены фазочастотные характеристики калибратора для тех же случаев.

Приведенные характеристики дают основание полагать, что измерительное устройство вполне работоспособно при изменении напряжений на входе АЦП в пределах до 40 Дб от верхнего значения диапазона измерений (4,096 В).

Определение передаточных функций электромагнита со сплошным сердечником.

Электромагниты со сплошным сердечником, используемые в контуре регулирования усилия, находят применение, например, в системах магнитного подвеса роторов. Использование шихтованных магнитопроводов в таких системах оказывается технологически оправданным для радиальных электромагнитных подшипников. Для осевых магнитных подшипников применение шихтованных ротора и статора оказывается практически не выполнимым по конструктивным соображениям. Поэтому такие электромагниты выполняются со сплошными магнитопроводами, как на статоре, так и на роторе, и их характеристики значительно отличаются от характеристик элементарного апериодического звена.

Возникновение вихревых токов при изменении управляющего тока и, соответственно, магнитного потока в магнитопроводе, обуславливает сложность идентификации динамических характеристик таких электромагнитов. Передаточная функция для такого электромагнита имеет более высокий порядок по сравнению со стандартным апериодическим звеном, причем параметры этой передаточной функции сложным образом зависят от геометрических размеров магнита и электрических и магнитных характеристик материала магнитопровода.

Как указано в [36], наличие вихревых токов в сплошном магнитопроводе приводит к снижению запасов устойчивости в системе регулирования, включающей такой

электромагнит в качестве исполнительного органа. Трудности расчетного определения передаточной функции такого электромагнита обусловили построение упрощенных математических моделей таких элементов, как базирующихся на теории электромагнитных явлений, так и основанных на простых феноменологических соображениях [28].

Использование тех или иных моделей при расчете устойчивости и динамических характеристик систем регулирования, включающих электромагнит со сплошным магнитопроводом предполагает предварительную оценку адекватности самих моделей. Поэтому, в настоящей работе сделана попытка использования разработанного устройства для оценки такой адекватности для двух видов математической модели электромагнита со сплошным магнитопроводом.

В работе экспериментально исследовались характеристики трех образцов электромагнитов со сплошным магнитопроводом:

П-образный электромагнит, являющийся моделью электромагнита вагона на магнитном подвесе (разработка “Транспрогресс”);

кольцевой электромагнит с номинальной грузоподъемностью 1000 Н осевого магнитного подшипника высокочастотного двигателя АЧМ;

кольцевой электромагнит осевого магнитного подшипника компрессора ГПА-16 “Волга”, мощностью 16 МВт (совместно со штатным ротором электромагнита).

Проведение экспериментов по испытаниям электромагнитов в режимах реальной нагрузки и “короткого замыкания” при нагрузке, равной нулю (раздел 3 работы), связано с разработкой нагрузочных устройств с калиброванными механическими характеристиками.

Разработка таких устройств является трудоемкой и требующей станочного оборудования, поэтому в данной работе экспериментальные исследования электромагнитов проводились в режиме, приближенном к режиму “холостого хода”, то есть нагрузкой электромагнита являлись датчики усилия с высокой жесткостью. Блок-схема установки, на которой проводилось определение частотных характеристик перечисленных выше электромагнитов приведена на рис.5.5. Ядром установки является разработанное устройство определения частотных характеристик ИЧХ, включающее функциональный генератор, управляемый ПК, и аналого-цифровой преобразователь с микропроцессорным управлением и периферией для связи с ПК. В качестве усилителя для возбуждения электромагнита использовался усилитель типа 2071 фирмы Bruel&Kjaer, обладающий линейной частотной характеристикой в диапазоне частот от долей герц до десяти-двенадцати килогерц. В качестве датчика тока использовался датчик типа HY-5 фирмы LEM. Измерение усилий производилось датчиками DI типа 8001 с кондиционирующим преобразователем типа 2635 фирмы Bruel&Kjaer. Ниже приводятся результаты исследований по каждому из электромагнитов

“П”-образный электромагнит (“Транспрогресс”)

Схематическое изображение модельного электромагнита “Транспрогресс” приведено на рис.5.6. Основные параметры электромагнита следующие:

длина полюса 0,125 м;

ширина полюса 0,01 м;

средняя длина силовой линии 0,3 м;

число витков обмотки 236;

сопротивление обмотки (в холодном состоянии) 0,36 Ом;

рабочий зазор между якорем электромагнита и магнитопроводом 2,5 мм.

При проведении эксперимента задавалось напряжение порядка 1В на обмотке с частотой, изменяемой в пределах 1…2000Гц, а также значения начального тока в обмотке (1о=4…4,5 А) и измерялись значения амплитуд и фазовых углов токов в обмотке электромагнита и усилий, развиваемых электромагнитом

Рис 5.5 схема измерительной установки.

Для расчетной оценки характеристик электромагнита использовалась модель, полученная в [26]. Исходное уравнение такой модели имеет вид:

(5.1)

Передаточные функции электромагнита от напряжения к току и от напряжения к силе, полученные из этой модели для случая “холостого хода” имеют вид:

Где

Значения и входящие в нее значения , , определяются по выражениям:

В этих выражениях приняты следующие обозначения:

-средняя длина магнитной линии в сердечнике;

— приведенная длина магнитной линии;

— относительная магнитная проницаемость конструкционной стали;

— удельное омическое сопротивление стали;

— магнитная проницаемость вакуума;

W — число витков катушки;

1р — длина полюса;

-индуктивность электромагнита при номинальном зазоре по потоку через зазор;

RE — сопротивление обмотки электромагнита;

-индуктивность рассеяния обмотки;

линеаризованный коэффициент передачи электромагнита по силе.

Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики модельного электромагнита приведены на рис.5.7 и рис.5.8 соответственно. Начальные значения расчетных АЧХ приведены к уровню “0” Дб. Ноль децибел по току соответствует значению 2 А, ноль децибел по силе соответствует значению 100 Н.

Расчетные значения амплитуд и фаз токов и усилий, полученные расчетом по модели (5.1), показаны на рисунке немаркированной линией, а экспериментальные значения обозначены знаком

Искажения АЧХ и ФЧХ по силе на частотах выше 200 Гц вызваны возбуждением собственных частот системы электромагнит-датчики усилия. На малость амплитуд этих перемещений указывает отсутствие искажений АЧХ и ФЧХ по току на этих частотах. Это подтверждает высокую общую жесткость системы, благодаря чему можно считать такой электромагнит работающим в режиме “холостого хода” (<5 х А =0).

Удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента дало основание считать модель (5.1) достаточно адекватной при описании электромагнита со сплошным П- образным магнитопроводом при рабочих зазорах порядка 0,1% от ширины полюса.

Очевидно, что эта модель может давать некорректные значения параметров в крайних случаях при зазоре 6=0 и б=<х>, поэтому были произведены дополнительные эксперименты по определению передаточной функции электромагнита по току при указанных выше значениях зазора. Эти характеристики приведены на рис.5.9 и рис.5.10 и дают представление о диапазонах изменения АЧХ и ФЧХ электромагнита по току при изменении зазора в максимально возможных пределах.

Электромагнит АЧМ

Исследование динамических характеристик кольцевого электромагнита осевого магнитного подшипника двигателя АЧМ предпринималось с двумя целями. Во-первых, проверялось адекватность математической модели (5.1) для систем с магнитных систем с кольцевым магнитопроводом, и, во-вторых, исследовалась надежность работы измерительного устройства в условиях помех, создаваемых ШИМ-усилителем мощности. Такие усилители применяются практически во всех устройствах магнитного подвеса, так как по сравнению с линейными усилителями они имеют значительно меньшие габариты и КПД. Поэтому, вместо использовавшегося ранее усилителя мощности типа 2071 рис.5.5, для питания электромагнита был применен ШИМ-усилитель с модулятором с несущей тактовой частотой 1,6 КГц. В остальном схема измерений соответствовала рис.5.5. Конструктивная схема электромагнита приведена на рис.5.11.

Проверка линейности частотной характеристики в диапазоне рабочих частот (0…1000 Гц) проводилась ранее при испытаниях собственно усилителя. Измеренные значения амплитудной погрешности в указанном частотном диапазоне не превышали 0,2 Дб, а фазовая погрешность — 5,5 эл.град (максимальные значения на частоте 4 Гц, рис.5.12 и 5.13). Поэтому, в качестве измерительного сигнала было принято использование сигнал (рис.5.5) с соответствующим коэффициентом приведения.

Экспериментальные частотные характеристики электромагнита при рабочем зазоре 6=0,8 мм и постоянном токе подмагничивания Iо=2 А приведены на рис.5.14. Значению “0” дБ соответствует амплитуда тока 1 А и амплитуда усилия 316 Н.

Расчетные значения АЧХ, полученные по модели (5.1), показаны на рисунке немаркированной линией.

Расчет характеристик был также проведен по модели (5.1) с учетом усредненных значений длины магнитной силовой линии в кольцевом сердечнике и длины полюса. При этом получено:

Фазочастотные характеристики токов электромагнита при различных величинах рабочего зазора в подшипнике приведены на рис.5.15.

В связи с различием экспериментальных и расчетных характеристик для решения вопроса о достоверности измерения были проведены дополнительные экспериментальные исследования с использованием аналогового измерительного комплекса [14]. Этот комплекс подвергался метрологической поверке и достоверность измерений, сделанных с его помощью не вызывала сомнений. Эти исследования подтвердили правильность экспериментального определения частотных характеристик электромагнита.

Отличие результатов расчетных и экспериментальных исследований электромагнита АЧМ показали, что модель (5.1) не вполне адекватно описывает характеристики кольцевого электромагнита и требует корректировки параметров модели по результатам эксперимента.

По результатам эксперимента можно также сделать выводы, что измерительное устройство вполне надежно работает при питании электромагнита от ШИМ-усилителя мощности, причем для измерения может быть использован входной аналоговый сигнал такого усилителя.

Электромагнит NP

Осевой электромагнитный подшипник такого размера применяется в ряде крупных машин (компрессор 16 МВт фирмы Nuovo-Pignone, компрессора ГПА-16 “Волга” и ГПА-12) и планируются к применению в ряде других машин. Конструктивная схема и параметры электромагнита приведены на рис.5.11. К сожалению, для электромагнита такой грузоподъемности (40000 Н) не удалось подобрать подходящего датчика усилия. Поэтому, для электромагнита этого типа проводилось экспериментальное и расчетное определение АЧХ и ФЧХ электромагнита по току.

На рис.5.16 и 5.17 приведены экспериментальные АЧХ и ФЧХ электромагнита при рабочем зазоре 6=1 мм и постоянном токе подмагничивания 1о=4,5 А (номинальные значение нулевого тока электромагнита). Расчетные значения АЧХ и ФЧХ показаны на рис.5.16 и 5.17 немаркированными линиями.

Рассчитанные в соответствии с моделью (5.1), значения постоянных врехмени передаточных функций электромагнита приведены ниже:

Экспериментально определенные характеристики электромагнита “Nuovo-Pignone” также, как и для электромагнита АЧМ имеют существенные расхождения с определенными по модели (5.1), особенно для фазочастотных характеристик.

Кроме того, по поводу применения расчетной модели (5.1) для определения частотных характеристик электромагнитов необходимо заметить следующее: выражение для передаточных функций электромагнита входят члены вида (Jp). Расчет собственно

частотных характеристик электромагнитов может быть проведен с помощью простой программы на любом из стандартных языков программирования. К сожалению, в большинстве стандартных пакетов для определения устойчивости и качества регулирования.

систем автоматического регулирования не предусмотрена возможность работы с дробными степенями р. Эго создает дополнительные трудности при анализе сложных систем регулирования, включающих электромагниты со сплошным магнитопроводов в качестве исполнительного элемента.

С учетом этих недостатков модели (5.1) при применении ее для расчета частотных характеристик электромагнита со сплошным магнитопроводом была сделана попытка построения упрощенной феноменологической модели такого электромагнита, для которой подбор параметров может быть проведен экспериментально с использованием разработанного измерительного устройства.

Упрощенная феноменологическая модель была построена из предположения о линейной зависимости омического сопротивления, эквивалентного сопротивлению контура вихревых токов, от частоты. Индуктивность эквивалентного контура вихревых токов была принята не зависящей от частоты. Предположить такую зависимость параметров контура вихревых токов от частоты можно было на основании вида фазочастотных характеристик рис.5.17.

Соответствующая схема замещения для этой модели приведена на рис.5.18, где обозначено:

Ls индуктивность рассеяния электромагнита;

RE омическое сопротивление обмотки электромагнита;

-индуктивность электромагнита по потоку через рабочий зазор;

L2 индуктивность контура вихревых токов;

r2 начальное сопротивление контура вихревых токов;

r0 коэффициент пропорциональности для сопротивления контура вихревых токов по частоте;

На рис.5.19 приведена расчетная АЧХ, на рис.5.20 — ФЧХ модели электромагнита (параметры модели приведены на рис.5.18). На этих же рисунках расчетные характеристики показаны немаркированными линиями. Приемлемое совпадение расчетных и экспериментальных характеристик дает возможность применять такую простую модель электромагнита для анализа устойчивости и качества систем регулирования, в состав которых входят электромагниты со сплошным магнитопроводом. Для примера на рис.5.21 приведены расчетная и экспериментальная АЧХ электромагнита NP, работающего совместно с ШИМ-усилителем мощности, охваченным цепью ООС по току глубиной 10 Дб. Расчетная

характеристика такого комплекса показана на рис. 5.21 немаркированной линией. Практическое совпадение экспериментальных и расчетных характеристик подтверждает возможность анализа динамики системы с использованием упрощенной феноменологической модели электромагнита со сплошным магнитопроводом.

Здесь следует отметить, что на первый взгляд, применение феноменологической модели не имеет особой перспективы, поскольку для каждого типоразмера сплошного магнитопровода необходимо подбирать ряд параметров такой модели по результатам эксперимента, то есть уже после изготовления электромагнита. Однако, с точки зрения инженера-конструктора такой путь может быть вполне оправдан. Дело в том, что, например, для систем магнитного подвеса применяется ограниченное количество типоразмеров осевых магнитных подшипников (3…5 типоразмеров), причем подшипник одного типоразмера может применяться в нескольких различных машинах. Такой подход обусловлен требованиями технологии производства, так как существование отлаженной технологии и наличие оснастки для изготовления электромагнита, существенно удешевляет изготовление системы.

Применение разработанного измерительного устройства позволяет без особых затруднений экспериментально подобрать параметры моделей для имеющихся типоразмеров магнитов и в дальнейшем применять эти модели при анализе конкретных систем магнитного подвеса (для примера модно отметить, что упомянутый выше электромагнит NP применяется в трех разработках систем и планируется еще в двух).

Выводы:

. Разработанное устройство измерения частотных характеристик позволяет в лабораторных, цеховых и полевых условиях определять частотные характеристики электромеханических систем регулирования и их элементов в автоматическом режиме в характерном диапазоне частот и сигналов;

. Точность работы устройства соответствует требованиям, сформулированным в главе 2 и достаточна для целей экспериментальных исследований наладки и испытаний широкого класса электромеханических систем регулирования;

. Применение разработанного устройства облегчает анализ адекватности математических моделей элементов электромеханических систем, в том числе и таких сложных для расчетного анализа, как электромагнит со сплошным магнитопроводом;

Экспериментальные исследования подтвердили удобство пользования, и универсальность устройства и целесообразность выбранных форматов вывода измерительной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе исследования позволили определить структуру и параметры специализированного устройства (измерительной системы) для определения динамических характеристик электромеханических систем регулирования, В процессе решения этой задачи был получен ряд результатов, имеющих самостоятельное значение, в том числе:

впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем;

разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик

электромеханических систем и их элементов;

на основании проведенного анализа динамических характеристик элементов электромеханических систем сформулированы основные требования к измерительной системе и определены общие принципы ее построения с разделением ее на спроектированный измерительный блок и внешние согласующие устройства;

в соответствии с требованиями к измерительной системе проведена детальная разработка микропроцессорного блока и блока универсального малогабаритного функционального генератора с цифровым управлением;

проведена проверка точности работы измерительной системы с использованием измерительных приборов высокого класса и эталонных элементов, подтвердившая запроектированные характеристики системы;

впервые проведено прямое сравнение экспериментальных характеристик электромагнитов кольцевой формы со сплошным магнитопроводом с расчетными характеристиками, полученными при непосредственном решении уравнений, описывающих процессы вихревых токов.

В результате проведенных исследований были подтверждены основные предпосылки, положенные в основу построения системы для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем регулирования. Полученные результаты позволили разработать малогабаритное устройство минимальной стоимости, пригодное для применения в лабораторной и цеховой практике и пусконаладочных работ на объектах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аш Ж, Андре П. и др. Датчики измерительных систем. Мир, М.: 1992.

2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. «Мир», М.: 1974.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. «Наука», М.: 1975.

4. Бессонов ДА. Теоретические основы электротехники. «Высшая школа», М.:1964.

5. Витюк К.Т. и др. Автоматическое управление судовыми электроприводами и установками.1. Транспорт», М.: 1968.

6. Гийон М. Исследование и расчет гидравлических систем. «Машиностроение», М.: 1964.

7. Гилмор Ч. Введение в микропроцессорную технику. М., «Мир»: 1984.

8. Гольдфарб JI.C. Конспект лекций по курсу «Теория автоматического регулирования». «МЭИ», М.: 1965.

9. Гризенко Н.Н., Кочетов Д.А., Кравцова Е.В., Кравцов Д.В. Программный комплекс управления системой магнитного подвеса роторов с дополнительными функциями. Промышленные контроллеры АСУ, 1999, N4.

10. Енс Трампе Брох. Применение измерительных систем фирмы «Брюль и Къер» для измерения механических колебаний и ударов. 1973.

11. Зевеке Г.В. и др. Основы теории цепей. «Энергия», М.:1965.

12. Испытательные машины, средства автоматизации, взвешивания и дозирования. Труды НИКИМПа, М.: 1975.

13. Каталог фирмы LEM. Датчики тока и напряжения. Тверь: 1996.

14. Кочетов Д.А., Кравцова Е.В. Методика и оборудование для экспериментального определения частотных характеристик систем регулирования. Труды ВНИИЭМ, том.84. Комплексное проектирование и исследование электрических машин. М.: 1987.

15. Кочетов Д.А. и др. Влияние внешних периодических воздействий на устойчивость ротора в электромагнитном подвесе активного типа. Труды ВНИИЭМ, том 86. Динамика, прочность и виброакустика электрических машин, М.: 1988.

16. Кочетов Д.А., Кравцов Д.В., Сарычев А.П. Цифровое управление и мониторинг системы магнитного подвеса для роторных машин. Конверсия в машиностроении, 1999, N1.

17. Кравцов Д.В. Принципы построения микропроцессорных устройств идентификации динамических параметров элементов электромеханических САР. Тезисы докладов на ежегодной научно-технической конференции «Радиоэлекроника, электротехника и энергетика», 1998, т.2.

18. Кузовков Н.Т. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах. «Оборонгиз», М.: 1960 .

19. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Киев, «Техника», 1973.

20. Ленк А. Электромеханические системы. «Мир», М.: 1978.

21. Магнитный подвес роторов электрических машин и механизмов. Труды ВНИИЭМ, том 89, 1989.

22. Нефедов А.В. и др. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры. Справочник. М.,» Энергоатомиздат», 1989.

23. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.,»ЭКОМ», 1997.

24. Применение силовых IGBT транзисторов. Сборник статей ф. Siemens, 1998.

25. Рабинович Б.И. и др. Вихревые процессы и динамика твердого тела. «Наука», М.: 1992.w

26. Разработка и исследование систем электромагнитного подвеса для газоперекачивающих агрегатов. Отчет по НИР, ВНИИЭМ, 1996.

27. Розанов Ю.К., Кравцов Д.В. Экспериментальное определение динамических характеристик элементов электромеханических систем с использованием частотных методов. Электротехника, 2000, N7.

28. Розенблатт М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. «Наука»: М.,1966.

29. Сидоров И.М., Тимофеев В.В. Многочастотные колебания в нелинейных системах управления. «Наука», М.: 1984.

30. Соловьев И.И. Автоматизация энергетических систем. «Энергия», М.:1964.

31. Соловьев А.И. Автоматизация ядерных реакторов. «Энергия», М.: 1988.

32. Солодовников В.В. и др. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. «Машиностроение», М.: 1985.

33. Статистическая радиотехника. Под редакцией Тихонова В.И. «Советское радио», М.: 1980.

34. Стандарты МЕК 184 и МЕК 222. IOS, Geneva, Switzerland, 1978.

35. Теоретические и экспериментальные исследования динамики скоростного транспорта на электромагнитной подвеске. Сборник трудов, «НПО Гидротрубопровод», М.: 1988-1989.

36. Титце К., Шенк У. Полупроводниковая схемотехника. М., «Мир»: 1982.

37. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Под редакцией В.В. Солодовникова, «Машиностроение», М.: 1976.

38. Фролов А.В., Фролов Г.В. Модемы и факс-модемы. Программирование для MS-DOS и Windows. М„ «ДИАЛОГ-МИФИ», 1995.

39. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: 1962.

40. Харченко и др. Электрические измерительные преобразователи, «Энергия», М.: 1966 г.

41. Цифровые и интегральные микросхемы. Справочник. Минск, «Беларусь», 1991.1. У2

42. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. «ГИ», М.: 1981.

43. Чунихин А.А. Электрические аппараты. «Энергоатомиздат», М.:1988

44. Шулемович A.M., Тер-Симонян А.Г. Амплитудно-частотные характеристики испытательных машин с гидроприводом ИНОВА. Труды НИКИМПа, выпуск 5, М.:1985.

45. Электрические и электронные аппараты. Под редакцией Ю.К. Розанова. «Энергоатомиздат», М.: 1998 г.

46. ЮревичЕ.И. Электомагнитные устройства автоматики. «Энергия», М.: 1964.

47. Янг С, Эллисон А. Измерение шума машин. «Энергоатомиздат», М.: 1988.

48. Instrument Transducer. Bentley-Nevada. Review: 1996.

49. Instrumentation Reference and Catalogue. F. National Instruments, 1995.

50. Katalog, Service Instructions. Bruel&Kjaer, Denmark, 1995-1996.

51. Rohrbach K. Elektrische Messen mechanicher GroSen. Leipzig, 1965 J.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

БЛОКА ПРОЦЕССОРА

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ НА РАЗРАБОТКУ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

НАИМЕНОВАНИЕ И ОСНОВАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Микропроцессорный контроллер дм устройства определения частотных характеристик.

Основание для разработок: инициативная разработка.

ЦЕЛЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЯ

Целью работы является проектирование и последующее изготовление функционального узла устройства для определения частотных характеристик электромеханических систем и их элементов, осуществляющего обработку аналоговых входных сигналов и формирование на основе алгоритмов измерений сигналов для связи с управляющим ПК. Предполагаемый тип микропроцессора — SAB С167. В объем разработки входит:

составление принципиальной схемы одноплатного контроллера, включающего микропроцессор, источник питания, источник опорного напряжения для АЦП, элементы защиты входов АЦП от перенапряжения, микросхемы оперативной и постоянной памяти, устройства передачи информационных сигналов по протоколу RS-232 и др.;

изготовление печатной платы микропроцессорного контроллера; сборка и наладка микропроцессорного контроллера; разработка инструментальной системы для контроллера.

Разработанный контроллер предлагается использовать в качестве составной части устройства для определения частотных характеристик, а при дополнении контроллера вспомогательными узлами (буферные элементы цифровых выходов и входов) в качестве универсального контроллера для решения задач измерения и управления

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ.

Питание системы

Напряжение питания регулятора, В, постоянного тока 27 ± 10%

Потребляемая мощность, Вт, не более 7,5

Величина пульсаций питающего напряжения, %, не более 10

Входные и выходные сигналы регулятора

Количество каналов входных аналоговых сигналов 4

Рабочий диапазон входных аналоговых сигналов, В 0.. .+5

предельно допустимые значения входных аналоговых сигналов на входной

соединителе регулятора, В ±14

Входное сопротивление аналоговых входов на входном соединителе, Ком, не

менее 10

Количество выходных дискретных сигналов для управления внешними

устройствами 5

Параметры выходных дискретных сигналов по стандарту ТТЛ

Нагрузочная способность выходов цифровых сигналов,

мА, не менее 10

Количество входных дискретных сигналов 5

Параметры входных дискретных сигналов по стандарту ТТЛ

Канады связи с ПК. Для обеспечения работы контроллера в системе должны быть предусмотрены два канала связи с управляющим ПК по интерфейсу RS-232:

полный канал RS-232, включающий основные сигналы квитирования, для загрузки и отладки программного обеспечения;

канал RS-232 с гальванически изолированным входом и выходом, обеспечивающий передачу сигналов TxD и RxD.

Собственные характеристики системы с микроконтроллером SAB С167.

Тактовая частота осциллятора МП, МГц 40

Объем внешней оперативной памяти контроллера, КБ, не менее 32

Объем flash-памяти контроллера, КБ, не менее 32

Напряжение питания внутреннего источника

опорного напряжения, В 5

Стабильность источника опорного напряжения, мВ, не хуже 10

УСЛОВИЯ РАБОТЫ

Окружающая среда — воздух с примесями вредных веществ, не выше общепромышленных ПДК.

Рабочий диапазон температур окружающей среды, ° С +5. ..+45

Относительная влажность воздуха при рабочем диапазоне температур окружающей

среды, %, не более 80

Максимальное понижение температуры помещения. В котором установлен контроллер, не ниже ° ,С -45

Примечание’, включение контроллера допускается после 2 часов пребывания контроллера при температуре воздуха в помещении + 5 “С.

Режим охлаждения контроллера естественная конвекция

Максимальный уровень вибрационного ускорения в месте установки регулятора относительно условного нулевого уровня, дБ, не более 60.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

Размер платы регулятора, мм 160×233.3

Количество слоев платы 4

Навесные элементы и соединители должны располагаться с одной стороны платы

Установочные размеры и типы соединителей выбираются из серии D-SUB.

Соединитель, предназначенный для. программирования и технологического контроля контроллера, должен располагаться с лицевой стороны платы.

На лицевой стороне платы должен быть расположен DIP-переключатель «проверка-работа» и кнопка RESET.

Входные усилители-ограничители аналоговых сигналов могут быть выполнены на плате-мезонине

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРА

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 1 ПРИЛОЖЕНИЯ 2.

П2.1.1 .Задающий генератор

Основным элементом генератора является интегратор на микросхеме DA.2. Переключатель SA3 предназначен для выбора диапазона изменения частоты. Внутри диапазона изменение частоты выбрано несколько больше двух декад для обеспечения большей гибкости в применении генератора. Компаратор генератора выполнен на микросхеме ВАЗ.2, поскольку, как показал эксперимент, такой компаратор работает в данной схеме лучше, чем обычный микросхемный компаратор (более быстрое переключение, меньшее потребление, меньшие импульсные помехи ). В качестве переключателя использована одна половина ключа К590КН4,

Усилитель и инвертор управляющего напряжения выполнены на микросхемах DA2.1 и DA3.1 типа AD822AN с высоким коэффициентом усиления и малым смещением нуля, что позволило установить входные сопротивления R11 и R13 с номинальными значениями 100 КОм. Высокое входное сопротивление усилителей облегчает согласование цепей управления генератором с внешними устройствами (например, при работе генератора совместно с самописцами фирмы В&К, генерирующими управляющее напряжение самостоятельно)

П2.1.2. Выходные цепи генератора

Напряжения с выхода интегратора (треугольной формы) и выхода компаратора (прямоугольной формы) подаются непосредственно на выходной усилитель генератора, собранный на микросхеме DA5 и транзисторах VT4, VT5 по стандартной схеме [46].

Напряжение треугольной формы через подстроенный резистор R23 подается на схему формирования синусоидального напряжения, собранную на транзисторах VT2, VT3, диодах VD3…VD10 и соответствующих им резисторах.

В схеме формирования синусоидального напряжения применено разбиение аппроксимирующей кривой на четыре участка вместо обычно применяемых трех. Это позволило получить коэффициент нелинейных искажений синусоиды менее 2%. Микросхема DA4 приводит амплитудное значение синусоидального напряжения к уровню ± 10 В.

Для имитации поведения испытуемых нелинейных звеньев систем регулирования, находящихся одновременно под воздействием больших сигналов постоянного уровня и небольших переменных сигналов, в схему введен потенциометр R44. Такое решение

позволяет определять дифференциальные коэффициенты передачи нелинейных звеньев в различных рабочих точках их характеристик.

П2.1.3. Схема управления генератором

В схеме предусмотрено три различных режима управления генератором. Выбор соответствующего режима производится переключателем SA2.

Для ручного управления частотой генератора используется резистор R6. При внешнем управлении генератором путем подачи постоянного управляющего напряжения используется гнездо ХЗ (величина управляющего напряжения 0…10 В ).

Для управления генератором с помощью стандартных интерфейсов ПК используется цифроаналоговый преобразователь (DD3), управляемый как непосредственно параллельным интерфейсом ПК, так и с помощью последовательного интерфейса RS-232. В обоих случаях эти интерфейсы программируются нестандартным образом.

При управлении от параллельного интерфейса для получения 12-битного кода используются как линии данных, так и линии квитирования (управляющие).

При управлении от интерфейса RS-232 используется только одна из квитирующих (управляющих) линий, по которой передаются одиночные управляющие импульсы. Эти импульсы усиливаются транзистором VT1 и передаются на счетчик импульсов DD1, DD2, на выходе которого формируется управляющий 12-разрядный код.

Выбор способа управления (параллельный или последовательный) осуществляется переключателями SA1.

Кнопка S1 служит для сброса счетчика.

Для подачи единичного импульса используется включение выходного сигнала потенциометра R44 (п.4.4.2) с помощью переключателя S2.

П2.2. Выбор и расчет элементов схемы генератора

П2.2.1. Выбор параметров интегратора

В качестве интегрирующего усилителя применяем сдвоенный операционный усилитель типа AD822, обладающий высокой временной и температурной стабильностью и высоким быстродействием [23 ].

Принимаем номинальное значение выходного напряжения интегратора равным 10В. Разбиваем требуемый диапазон изменения частоты генератора 0,2-2000 Гц на три поддиапазона:

0,2…20 Гц

.200 Гц

.2000 Гц,

с перекрытием по частоте в каждом диапазоне в две декады.

Для устранения дрейфа выходного напряжения из-за наличия входных токов выбираем входные сопротивления на входе интегратора (R17 и R18) равными ЮКОм. Выходное напряжение интегратора определяется по формуле:

Ущт.тах=1/Т f UBxdt (n.l)

При lJBX=const, это выражение принимает следующий вид:

ииНт-шах=1/Т Ubx t (п.2)

Отсюда требуемая постоянная времени определяется как:

Т=иВх/иИнт-пгах* t (п.З)

Принимая Ubx=5 В, максимальную частоту первого диапазона равной 20 Гц, получаем значение постоянной времени равным

Т=5/10* 12,5=6,25* 10‘3 мс, где 12,5 мс — время, равное четверти периода верхней частоты диапазона (20 Гц), в течение которого интегратор будет перезаряжаться от нуля вольт до десяти вольт.

T=R17*C6=10* 104*С6 Отсюда €6=6,25* 10‘3/104=0,625 мкФ

(п.4)

Для обеспечения запаса по перекрытию, выбираем значение конденсатора С6, равным ближайшему меньшему стандартному значению — С6=0,51 мкФ

Емкости времязадающих конденсаторов С7 и С8 для верхних значений частоты диапазонов 200 и 2000 Гд выбираем равными соответственно 51 нФ и 5,1 нФ.

В качестве компаратора ВАЗ.2 используем также половину микросхемы AD822.

Для установки уровня срабатывания компаратора, равном ± 10В, операционный усилитель охватывается положительной обратной связью через резисторы R20…R22. Отношения резисторов K=R20/(R20+R21+R22) должно выбираться равным отношению UHH,.max/UriHT, где Шит — напряжение питания компаратора, равное ±5В, а иинт.тах- напряжение переключения компаратора, равное ± 10В.

Выбрав R20=100 кОм, получаем значение R21 +R22-R20/K-R20.

Таким образом, R21+R22=l 00* 15/10-100=50 КОм

Для обеспечения подстройки выходного напряжения интегратора в качестве R22 принимаем подстроенный резистор.

Для коммутации входного напряжения интегратора применяем бесконтактный коммутатор К590КН4. Управляющее напряжение основной и инвертированной полярности подаются на переключатель через два инвертора, собранных по стандартной схеме на двойном операционном усилителе AD822 (DA2-DA3).

П2.2.2. Выбор разрядности ЦАП.

Номинальный диапазон изменения частоты генератора, то есть диапазон изменения управляющего напряжения составляет две декады. При работе генератора на верхнем диапазоне (20…2000 Гц) абсолютная дискретность изменения частоты генератора не должна превышать значения 0,5… 1 Гц. Это требование связано с необходимостью уверенного построения частотных характеристик и в особенности амплитудно-фазовых характеристик элементов и систем регулирования, имеющих высокодобротные колебательные звенья (например, электромеханические элементы, включающие механические колебательные системы, которые могут иметь коэффициент демпфирования порядка 0,005…0,1, то есть полосу пропускания — единицы герц).

В соответствии с этим диапазон изменения частоты должен иметь от двух до четырех тысяч шагов. Наиболее распространенные цифроаналоговые преобразователи типа ПА572 или аналогичные им зарубежные имеют разрядность 10 бит, то есть могут обеспечить число шагов по частоте N-21′-1024.

Поэтому в качестве цифроаналогового преобразователя выбран преобразователь К1108ПА1, имеющий 12 разрядов, что обеспечивает число шагов N=4096. [42]

П2.2.3. Расчет входного усилителя RS-232

Для управления этим преобразователем может использоваться специально запрограммированный параллельный порт ПК, позволяющий получить 12-разрядный выходной код. Для обеспечения возможности управления частотой генератора от последовательного порта (RS-232) ПК или внешнего генератора импульсов в схеме предусмотрены три счетчика типа 564ИЕ10, позволяющие преобразовать последовательный

1 л

прием 2 импульсов в параллельный 12-разрядный код для управления ЦАП.

Поскольку входные импульсные сигналы последовательного интерфейса могут иметь значительные отклонения по уровням выходных напряжений, на счетном входе первого регистра ИЕ10 предусмотрен формирователь импульсов, приводящий значения входных импульсов в пределах ± 15В к стандартному значению 0…5В. Формирователь выполнен на транзисторе VT1 типа 2Т312 [20], имеющем нормированный коэффициент усиления по току в пределах 40…80. Коллекторное сопротивление формирователя (R2) выбрано исходя из получения максимального коллекторного тока 0,5 мА.

R2=5/0,5=10 кОм

Входной базовый ток для обеспечения работы транзистора в режиме переключения должен составлять величину №=0,5/40=12,5 мкА (40 — минимальный коэффициент усилителя по току в схеме с общим эмиттером). Приняв минимальное значение входного сигнала равным 2В, определим величину входного сопротивления R1 =2/12,5=160 кОм. Поэтому для обеспечения достаточного запаса режима по переключению можем выбрать резистор R1 с сопротивлением не выше 100 кОм.

П2.2.4. Расчет параметров формирователя синусоидального сигнала

Расчет ведем в соответствии с литературой [37].

Выбираем погрешность аппроксимации равную 2%.

Схема преобразователя состоит из:

входного сопротивления R24;

двух источников напряжения на транзисторах YT2, VT3;

делителя опорного напряжения на резисторах R30…R33 и R37…R40;

резисторы R34…R36 определяют коэффициенты аппроксимации.

Принимаем для схемы (с учетом требуемого коэффициента нелинейности) четыре

участка аппроксимации (п=4). Определяем значения опорных напряжений в соответствии с формулой:

Uak=± 2/pi*UBX*sin(pi*k/(2n+l). (п.5)

При формировании синусоидального напряжения из треугольного следует выбирать амплитуду формируемого синусоидального напряжения в соответствии с выражением: Ua=2/pi*Ud (п. 6)

где Ш=10В — амплитуда исходного напряжения исходного треугольного напряжения, то есть Ua=0,636Ud=6,36B.

Для п=4 получим следующие значения напряжения Uak:

К Uak Uakr

1 3.68 3.18

2 5.27 4.77

3 6.33 5.83

4 6.86 6.36

Значения Uak в таблице соответствуют истинным значениям границ участков аппроксимации, а значения Uakr соответствуют требуемым значениям опорного напряжения с учетом падения напряжения на коммутирующих диодах (0,5В для германиевых диодов).

Номиналы сопротивлений делителя соответствующие выбранным опорным напряжениям приведены на принципиальной схеме.

Значения коэффициентов аппроксимации в соответствии с [37] рассчитываются по формуле:

(п.7)

Ue(Mr)-Uek 71 2П + 1 2/7 + 1

Вычисленные по этой формуле значения коэффициентов аппроксимации и соответствующие им значения сопротивлений R34…R36 при значении резистора R24=100 кОМ приведены в таблице.

К мк R, КОм

1 0.86 51

2 0.66 22

3 0.34 10

4 0 0

Амплитудные значения синусоидального и треугольного сигнала генератора равны 1ОВ, а амплитуда синусоидального напряжения на выходе функционального преобразователя равна 6,36В. Поэтому для согласования амплитудных значений синусоидального сигнала генератора с сигналами треугольной и прямоугольной формы на выходе формирователя синусоидального напряжения включен усилитель с коэффициентом передачи K=pi/2=1,57 на операционном усилителе DA4.