Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 - Анализ существующих методов и средств измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя 10
1.1 Анализ эксплуатируемой в настоящее время информационно-измерительной системы для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя 10
1.2 Исследование датчиков частоты вращения
1.3 Результаты экспериментального исследования индукционных датчиков для измерения частоты вращения 18
1.4 Основные результаты и выводы 27
Глава 2- Разработка информационно-измерительной системы для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя 28
2.1 Разработка структурной схемы информационно-измерительной системы 29
2.2 Разработка алгоритма обработки результатов измерений 30
2.3 Расчет надежности системы 34
2.4 Основные результаты и выводы 52
Глава 3 - Разработка средств измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения с повышенной помехоустойчивостью 53
3.1 Систематизация помех, сопровождающих сигнал датчика 53
3.2 Разработка структуры помехоустойчивых средств измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения и методов обработки сигналовиндукционных датчиков частоты вращения 61
3.3 Перспективы дальнейшего повышения помехоустойчивости информационно-измерительной системы 71
3.4 Основные результаты и выводы 79
Глава 4 - Результаты разработки и испытаний средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя з
4.1 Реализация средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения на импортной элементной базе 81
4.2 Реализация средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения на отечественной элементной базе 91
4.3 Испытания средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения «Магнит 7Л» 98
4.4 Основные результаты и выводы 113
Основные результаты и выводы 114
Заключение 116
Список сокращений 117
Список литературы 118
- Исследование датчиков частоты вращения
- Разработка алгоритма обработки результатов измерений
- Разработка структуры помехоустойчивых средств измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения и методов обработки сигналовиндукционных датчиков частоты вращения
- Реализация средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения на отечественной элементной базе
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важных задач, решаемых информационно-измерительными и управляющими системами ракет-носителей, является измерение частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя. Эта же задача возникает при наземных стендовых испытаниях ракетных двигателей. Задача измерения усложнена тем, что вблизи двигателя находятся электрические кабели систем управления, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя (пироклапанами, электропневмоклапанами и др.), являющихся наряду с цепями питания бортовой электроники источниками мощных электромагнитных помех.
Вопросами разработки информационно-измерительных и управляющих систем, совершенствованием их аппаратной части и алгоритмов обработки сигналов занимались отечественные ученые А. А. Афонский, Л. М. Гольденберг, В. П. Дьяконов, Л. Ф. Куликовский, Е. А. Ломтев, Н. В. Мясникова, А. Б. Сергиенко, А. В. Фремке, Б. В. Цыпин, Э. К. Шахов, М. А. Щербаков, В. М. Шляндин и др. Заметный вклад внесли зарубежные ученые А. Гроссман, Дж. Макклелан, Ж. Макс и С. Л. Марпл-мл., А. В. Оп-пенгейм, Р. В. Хемминг, Р. В. Шафер.
Полученные ими результаты широко применяются в теории и практике построения информационно-измерительных систем (ИИС). Однако используемые в настоящее время ИИС для измерения частоты вращения в ракетной технике разработаны в конце 80-х гг. прошлого века. Надежность, быстродействие, помехоустойчивость и динамическая погрешность этих ИИС не удовлетворяет требованиям современной ракетно-космической техники.
Объектом исследования являются ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя и средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения (СИ ПВС).
Предметом исследования являются алгоритмы обработки результатов измерений и схемно-технические решения СИ ПВС.
Целью диссертационного исследования является повышение надежности ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя, повышение быстродействия, помехоустойчивости и снижение динамической погрешности СИ ПВС.
Основные задачи исследования:
1. Анализ существующих ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя и СИ ПВС, выбор и обоснование путей их совершенствования.
-
Разработка алгоритмов обработки выходных сигналов датчиков частоты вращения для улучшения технических и метрологических характеристик ИИС.
-
Разработка структуры ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя c улучшенными характеристиками.
-
Разработка СИ ПВС выходного сигнала датчиков частоты вращения с повышенной помехоустойчивостью и быстродействием.
-
Испытания и внедрение СИ ПВС и ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя в ракетную технику.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись математическое и схемно-техническое моделирование, методы математического анализа, теории измерений и обработки сигналов, теории электрических цепей.
Научная новизна работы По специальности 05.11.16:
-
Разработан алгоритм функционирования ИИС, обеспечивающий повышение помехоустойчивости ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя за счет усреднения результатов измерения при исключении промахов и снижении составляющей динамической погрешности, обусловленной задержкой выдачи результатов измерения на время подсчета числа импульсов датчика, за счет экстраполяции результатов на момент получения результата измерения.
-
Разработана структура ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя, отличающаяся введением самодиагностики и цифровой обработкой измерительной информации при сохранении конструктивной преемственности.
По специальности 05.11.01:
-
Исследованы и разработаны структуры помехоустойчивых СИ ПВС, основанные на анализе двух полуволн противоположной полярности выходного сигнала датчика частоты вращения с использованием амплитудной и временной селекции, позволяющие исключить влияние помех на результат измерения при отношениях амплитуд сигнала и помехи более двух.
-
Использовано применение скользящего окна для подсчета числа импульсов выходного сигнала датчика, что позволило повысить быстродействие СИ ПВС.
-
Предложено совместное применение методов авторегрессионного и модального анализов выходного сигнала датчиков частоты вращения
в СИ ПВС, позволяющее обеспечить помехоустойчивость при значениях амплитуд сигнала, превышающих амплитуду помехи на единицы процентов.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Разработаны и реализованы алгоритмы функционирования и структура ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя.
-
Разработана методика испытаний ИИС для индукционных датчиков частоты вращения на помехоустойчивость.
-
Разработаны, изготовлены и прошли приемо-сдаточные, доводочные, предварительные и межведомственные испытания опытные образцы системы «Магнит 7Л» для измерения частоты вращения с помощью индукционных датчиков, изготовленные на отечественной элементной базе.
-
По результатам межведомственных испытаний присвоена литера «О1» конструкторской документации «Магнит 7Л».
Положения, выносимые на защиту По специальности 05.11.16:
-
Алгоритм обработки выходных сигналов датчиков частоты вращения, обеспечивающий улучшение технических характеристик и снижение динамической погрешности ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя.
-
Структурная схема ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя, обеспечивающая повышение технических характеристик, надежности, уменьшение динамической погрешности и преемственность конструктивных решений.
По специальности 05.11.01:
-
Варианты структуры СИ ПВС и способы формирования счетных импульсов из выходного сигнала индукционного датчика частоты вращения с использованием сочетания методов амплитудной и временной селекции. Применение скользящего окна для подсчета числа импульсов датчика.
-
Реализация совместного применения методов авторегрессионного и модального анализов сигналов для повышения помехоустойчивости при измерении частоты вращения.
-
Результаты испытаний и внедрения СИ ПВС и ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя в ракетной технике.
Соответствие паспорту научной специальности. Область исследования соответствует:
1. Паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)» по пунктам 1, 6: с ис-5
пользованием созданных при проведении работы новых алгоритмов обработки и научно-технических решений повышена вероятность безотказной работы до 0,99, уменьшена составляющая динамической погрешности измерения, обусловленная временем задержки выдачи результата измерения на 5 мс для времени накопления импульсов 10 мс и на 20 мс для времени накопления 40 мс.
2. Паспорту специальности 05.11.01 «Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)» по пунктам 1, 3: с использованием созданных при проведении работы новых научно-технических решений исключено влияние помех на результат измерений при отношениях амплитуд сигнала и помехи более двух, снижена погрешность измерения частоты в два раза, повышено быстродействие до 100 измерений в секунду при времени накопления 40 мс и до 250 измерений в секунду при времени накопления 10 мс (или в 4 раза).
Реализация работы и внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в Акционерном обществе «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза) при изготовлении и настройке опытных образцов ИИС для измерения частоты вращения вала турбоагрегата ракетных двигателей «Магнит 7Л», разработанного в рамках Федеральной целевой космической программы России на 2006-2015 гг. по опытно-конструкторской работе (ОКР) «Возрождение». Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Приборостроение» (профиль подготовки «Информационно-измерительная техника и технологии») и межфакультетской кафедры «Ракетно-космическое и авиационное приборостроение» на базе АО «НИИФИ» для целевой подготовки бакалавров, магистров и аспирантов по направлению 12.03.01 «Приборостроение».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Шляндинские чтения - 2010» (Пенза, 2010); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2012); ежегодных межрегиональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов ОАО «НИИФИ» «Датчики и системы» (Пенза, 2010, 2011); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2011» (Пенза, 2011); V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, приведенные в диссертации и сформулированные в положениях, выносимых на защиту, получены автором лично. Лично автором разработаны алгоритмы обработки информации в ИИС, схемно-конструктивные решения СИ ПВС для датчиков частоты вращения с повышенной помехоустойчивостью, проведены испытания и внедрение СИ ПВС и ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя в ракетную технику. Постановка задач и целей исследования принадлежат научному руководителю и научному консультанту в работах, опубликованных совместно с автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений. Объем работы с приложениями 145 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков и 16 таблиц. В приложении приведены текст рабочей программы микроконтроллера, спецификации к электрическим принципиальным схемам СИ ПВС на отечественной и импортной элементных базах, копия совместного решения от 02.11.2015 № МХ-502-р о присвоении документации «Магнит 7Л» литеры «О1», а также копия акта о внедрении результатов диссертационной работы. Список литературы содержит 56 наименований.
Исследование датчиков частоты вращения
Однако уровень полезного сигнала на входе «Магнит 2Л» снизился более чем в 2 раза до 200 мВ, что привело к появлению ложных срабатываний при случайной импульсной помехе от цепей управления. Также введение фильтра резко снижает предельные максимальные значения измеряемой частоты вращения, ограниченные частотой среза фильтра.
В случае обнаружения по вольт-секундной площади сигнала помеха сглаживается за счет интегрирования, и случаи ложного обнаружения встречаются намного реже.
Использование двух полуволн сигнала в сочетании с временной селекцией и изменением порога обнаружения в зависимости от результатов измерения частоты позволит полностью исключить ложное обнаружение для таких сигналов. Действительно, после первого обнаружения первой полуволны на уровне половины минимально возможной на данной скорости вращения амплитуды сигнала решение не принимается до того момента, пока в заданном интервале времени не будет обнаружена вторая полуволна противоположной полярности. Таким образом, изменение текущего значения первой полуволны сигнала под действием периодической помехи не будет вызывать какой-либо реакции входного формирователя. Основные результаты и выводы 1. Проведен анализ работы эксплуатируемой в настоящее время ИИС для измерения частоты вращения ротора турбоагрегата маршевого двигателя ракеты-носителя и обоснована необходимость ее совершенствования с соблюдением требований конструктивной преемственности. 2. Эксплуатируемая в настоящее время ИИС выполнена на интегральных схемах малой степени интеграции и имеет только аналоговый выход. Вероятность безотказной работы в нормальных условиях эксплуатации ИИС составляет 0,95, что не удовлетворяет современным требованиям космической техники. 3.В работе эксплуатируемых ИИС наблюдались сбои, вызванные нарушением целостности линии связи «датчик - СИ ПВС». 4. Проведен анализ реальных сигналов датчиков частоты вращения. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований «Магнит 2Л», полученные при огневых стендовых испытаниях двигателя в ОАО КБХА (г. Воронеж). При проведении испытаний установлено, что введение гистерезиса в порог срабатывания компаратора позволяет исключить ложное обнаружение импульсов только при отношении амплитуд сигнала и помехи более десяти. 5. Установлено, что наличие ложных срабатываний обусловлено способом установки датчика, характеризующимся появлением периодической помехи, коррелированной с полезным сигналом. 6. Показано, что в условиях возможного пропуска и ложного обнаружения импульсов датчика, наибольшую помехоустойчивость обеспечивает метод измерения частоты, основанный на подсчете сформированных из выходного сигнала датчика счетных импульсов за определенной время.
Современная высокоинтегрированная электронная база открывает широкие перспективы к совершенствованию ИИС. Мощные микроконтроллеры, в том числе и отечественного производства, имеют в своем составе аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, коммутационные элементы, встроенную память и т.п., то есть по сути дела представляют собой ядро измерительной системы. Благодаря этому, при создании ИИС, усилия разработчиков переносятся от разработки схемотехнических решений к разработке алгоритмов обработки сигналов. Обработка и преобразование сигналов осуществляется в цифровом виде.
Основные задачи, решаемые при модернизации ИИС для измерения частоты вращения - повышение надежности и снижение динамической погрешности при сохранении конструктивной преемственности.
Для обеспечения конструктивной преемственности использованы индукционные датчики частоты вращения того же типа, что и в предыдущей системе, сохранена четырехканальная структура ИИС, сохранен аналоговый выход и введен дополнительный цифровой выход по интерфейсу RS-485 [18]. Повышение надежности достигается введением самодиагностики линии связи датчика с СИ ПВС, совершенствованием алгоритма обработки результатов измерений по отдельным каналам и использованием современной элементной базы высокой степени интеграции.
Разработка алгоритма обработки результатов измерений
Основной проблемой при измерении частоты вращения на основе индукционных датчиков в энергонасыщенных объектах, таких как жидкостные ракетные и газотурбинные авиационные двигатели, является наличие различного рода шумов и помех. В данном разделе проведена систематизация помех, сопровождающих сигнал датчика. Ее результаты позволят в дальнейшем (глава 4) синтезировать наиболее близкий к реальному сигналу, который можно использовать для испытаний СИ ПВС на помехоустойчивость. Так как основные задачи, решаемые при измерении частоты вращения рассмотрены в главе 2 и относятся к функциям ИИС в целом, в данном разделе рассмотрим только формирование счетных импульсов. Рассмотрены варианты структуры СИ ПВС и алгоритмов обработки информации в нем.
В реальной ИИС на полезный сигнал индукционных датчиков частоты вращения накладываются помехи различного вида [40]. Все помехи, действующие на систему измерения частоты вращения, можно разделить на четыре больших вида: - помехи, обусловленные взаимодействием датчика и возбудителя; - помеха типа белый шум; - помеха в виде периодического двухполярного непрерывного напряжения; - импульсные помехи [10, 19, 20, 22]. При этом одним из источников помех являются электрические цепи (кабели) систем управления двигателем, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя (пироклапанами, электропневмоклапанами и др.) [10]. Другим источником помех являются цепи питания переменного тока бортовой электроники [12, 25].
Задачу формирования счетных импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения можно считать разновидностью классической задачи обнаружения сигналов на фоне помех [3, 51]. Наличие помех может приводить к появлению двух характерных для задачи обнаружения сигналов ошибок -пропуску импульсов, когда из-за помех импульс не будет обнаружен, и ложному обнаружению, когда помеха будет принята за импульс датчика.
Обнаруженные импульсы являются исходной информацией для определения частоты вращения. Пропуск хотя бы одного из импульсов может приводить к погрешности в одну единицу младшего разряда, если расчет частоты производится по числу обнаруженных импульсов за заданное время измерения, или к уменьшению в два раза результата измерения, если расчет частоты производится по значению интервала времени между импульсами. В случае ложного обнаружения погрешность может составить одну единицу младшего разряда, если расчет частоты производится по числу обнаруженных импульсов за заданное время измерения, или к увеличению в несколько раз результата измерения, если расчет частоты производится по значению интервала времени между импульсами [11, 21].
Приведенные соображения позволяют сделать вывод о том, что в системах измерения частоты вращения с точки зрения минимизации погрешности измерения, наиболее предпочтительно использовать расчет частоты по числу обнаруженных импульсов за заданное время измерения.
Помехи, обусловленные взаимодействием датчика и возбудителя, выражаются в изменении амплитуды двухполярных импульсов выходного сигнала датчика за время одного оборота ротора. На рисунке 3.1 приведена осциллограмма выходного сигнала индукционных датчика частоты вращения, использующего ротор (возбудитель) с несколькими зубцами. Отклонение амплитуды двухполярных импульсов выходного сигнала датчика от номинального значения за время одного оборота ротора может составлять значительную величину. Оно зависит от неточности установки зазора между возбудителями сигналов и индукционным датчиком, от биений возбудителя относительно датчика, а также от разброса геометрических и магнитных параметров возбудителей.
Осциллограмма выходного сигнала индукционного датчика частоты вращения, использующего ротор с несколькими зубцами
Изменение амплитуды импульсов является детерминированным для каждого конкретного датчика, установленного на объект измерения, и случайным для всей группы датчиков. При установке датчика на объект измерения справедливо потребовать превышения априори заданного минимального значения амплитуды импульсов. Исходя из этого значения должна быть произведена настройка СИ ПВС и выбор порогов обнаружения.
Помеха типа «белый шум» вызывается достаточно большим числом различных, не коррелированных между собой факторов. Обычно интенсивность таких помех сравнительно невелика. Их влияние вызывает отклонение мгновенных значений сигнала датчика от своих номинальных значений.
Разработка структуры помехоустойчивых средств измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения и методов обработки сигналовиндукционных датчиков частоты вращения
Для задания временных интервалов ожидания сигнала, когда разрешена работа компараторов, используется результат измерения градиента частоты вращения, который может быть определен как разность количества импульсов, накопленных в двух предшествующих интервалах накопления щ—щ_1. Это позволяет существенно уменьшить длительность интервала разрешения работы компараторов [36]. Когда входной сигнал устройства становится больше порога срабатывания, на выходе компаратора 1 появляется импульс запуска таймера. Таймер вырабатывает импульс, длительность которого равна ожидаемому времени появления второй полуволны двухполярных импульсов индукционного датчика частоты вращения. Этот импульс поступает на управляющий вход компаратора 2, разрешая его работу. Если за время действия этого импульса вторая проинвертированная полуволна входного сигнала и(1) превысит половину своей минимально возможной амплитуды, компаратор 2 сработает, и на его выходе появится требуемый импульс, который запускает таймер. Таймер вырабатывает импульс, временное положение которого соответствует ожидаемому времени появления следующего двухполярного импульсов индукционного датчика частоты вращения. Этот импульс поступает на управляющий вход компаратора 1, разрешая его работу [36], [19, 21, 22].
По прошествии двух интервалов накопления импульсов в счетчиках на выходе / устройства появляется результат измерения частоты вращения, а на входе Л/ - результат измерения градиента частоты. При этом таймер начинает вырабатывать импульсы управления компараторами 1 и 2, время появления и длительности которых зависят от экстраполируемого времени появления следующей во времени полуволны импульса датчика. Одновременно в соответствии с результатами измерения частоты увеличивается значение опорного сигнала компараторов на выходе источника опорных сигналов 1 [36].
Пусть компаратор 1 устойчиво сработает от первой полуволны сигнала датчика в момент времени tt. Тогда срабатывание компаратора 2 от второй полуволны противоположной полярности можно ожидать не ранее чем % от общей длительности двухполярного импульса датчика. При возрастании частоты вращения длительность импульса датчика изменяется обратно пропорционально частоте вращения [36].
С учетом возможного уменьшения длительности импульса датчика при возрастании частоты вращения начало интервала ожидания второй полуволны необходимо задать чуть ранее % длительности импульса датчика, полученного в результате предыдущего измерения. В результате интервал времени ожидания второй полуволны противоположной полярности импульса датчика, вызванного тем же зубцом возбудителя, задается в пределах от tx + 0,25 -тИ - (1 - hl) Дд о + 0,75 т ти ( (і - hl) (3.3), где tt - момент обнаружения первой полуволны импульса датчика. Из сопоставления выражений 3.1. и 3.3 видно, что продолжительность времени готовности компаратора 2 к обнаружению второй полуволны сигнала датчика уменьшена более чем в два раза, что способствует повышению помехоустойчивости. Интервал времени ожидания следующего двухполярного импульса датчика, вызванного следующим зубцом возбудителя, задается в пределах от С2 + (7-и - Ти) - (1 - ! Ьі) до (2 + 7-и -(1 - =і) (3.4), где 12 - момент обнаружения второй полуволны импульса датчика. Из сопоставления выражений 3.2 и 3.4 видно, что продолжительность времени готовности компаратора 1 также уменьшена за счет учета градиента изменения частоты вращения на величину ти .
Рассмотренная схема устойчива к влиянию всех видов помех, если отношение амплитуд сигнала и суммарной помехи больше двух. Выработка сигналов управления компараторами 1 и 2 (стробирование) адаптивно к значению измеряемой частоты и градиента ее изменения позволяет исключить ложные срабатывания устройства в случае появления знакопеременной помехи любой амплитуды в паузах между сигналами индукционного датчика частоты вращения. Кроме того, с возрастанием частоты сигнала и(1) увеличивается значение выходного сигнала источника опорных сигналов, что также увеличивает помехоустойчивость устройства в области сигналов и(1) высокой частоты. 3.3 Перспективы дальнейшего повышения помехоустойчивости информационно-измерительной системы
Как было упомянуто ранее, помехоустойчивость ИИС зависит от принятого способа обработки выходного сигнала датчика в СИ ПВС [6]. Рассмотренные способы повышения помехоустойчивости ИИС основаны на формировании счетных импульсов из сигнала индукционного датчика частоты вращения с применением амплитудной, временной или комбинированной селекции [29, 34, 35,36].
Достигнутые к настоящему времени вычислительные возможности микроконтроллеров позволяют использовать более мощные способы анализа сигналов [20], основанные на аппроксимационных методах, методах регрессионного анализа и процедуре наименьших квадратов. Например, известен метод наименьших квадратов Прони, использующий для представления сигнала датчика x[t] выборочные данные (дискретные отсчеты сигнала, полученные аналого-цифровым преобразованием) [26]. Для описания сигнала используется наиболее естественная модель, представляющая собой сумму свободных и вынужденных затухающих колебательных составляющих разной частоты /t с соответствующими амплитудами t, фазами pt и затуханиями at [17]. В основе определения этих параметров лежит более общая аппроксимация данных авторегрессионным уравнением [27, 28, 43]: xt = IPj=1 aj хІЧ = lqj=1Aj expi-aj tt cosilnffr + Vj) (3.5), где Xj, і = 1,..., N - дискретные отсчеты сигнала в моменты времени tt; aj, у = 1,..., р - коэффициенты линейного предсказания; р - порядок аппроксимирующей модели, зависящий от числа колебательных составляющих. Система уравнений для определения параметров авторегрессионной модели запишется следующим образом:
Реализация средства измерения параметров выходного сигнала датчиков частоты вращения на отечественной элементной базе
В качестве выходных усилителей ВУ1 и ВУ2 использованы элементы DA2-1 и DA2-2 счетверенного малошумящего усилителя TL074AI с напряжением питания +12 В. Резисторами R18, R19 и R21, R22 задаются коэффициенты передачи усилителей, обеспечивающие требуемый уровень выходного аналогового сигнала. Интегрирующие цепочки R17 - С14 и R20 - С15 обеспечивают преобразование выходных ШИМ-сигналов микроконтроллера в напряжение постоянного тока. Перемычки jl и j2 предназначены для задания времени передачи информации по цифровому выходу (частоты опроса) Тпер1=(40±0,1) мс и 7пер2=(10±0,1) мс. На остальных элементах схемы выполнен источник питания, вырабатывающий напряжения 3,3 В, 12 В и 5 В.
Работа устройства начинается с подачи напряжения питания 27 В на вход устройства. Данное напряжение преобразуется в гальванически развязанное напряжение +12 В, которое служит для питания выходных усилителей и из которого формируется, с помощью стабилизаторов напряжения +3,3 В для питания микроконтроллера, +3,3 В для питания дифференциальных усилителей и +5 В для питания интерфейса RS-485.
После поступления питания на микроконтроллер, он формирует временную задержку для запуска и стабилизации кварцевого высокостабильного генератора тактирующей частоты и начинает выполнять команды программы с нулевой ячейки ПЗУ. Спецификация к схеме рисунка 4.2 приведена в приложении Б.
В связи с введением импортозамещения был разработан СИ ПВС полностью на отечественных элементах. Функциональная схема СИ ПВС на отечественной элементной базе приведена на рисунке 4.3. Конструктивно СИ ПВС выполнен на двух печатных платах, помещенных в герметичный корпус. На одной печатной плате размещена схема двух измерительных каналов, на другой плате - схема вторичного питания блок питания (БП). "1ST
Электронные ключи 1-го и 2-го измерительных каналов (ЭК1) и (ЭК2) (встроенные соответственно в микроконтроллеры (МК1) и (МК2)), управляют работой входных формирователей по заданному алгоритму в режиме диагностики. Оцифрованные значения сигналов с датчика обрабатываются МК1 и МК2 1-го и 2-го каналов в соответствии с алгоритмом преобразования. Каждый микроконтроллер МК1 и МК2, реализованные на отечественной микросхеме 1986ВЕ93У, включает в себя компаратор (КОМП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), центральный процессор (ЦП), последовательный адаптер (ПА).
Результатом обработки являются значения частоты датчика по 1-му и 2-му измерительным каналам. Эти значения выводятся одним пакетом в последовательном формате через блок гальванической изоляции (БГИ) и драйвер в канал связи стандарта RS-485.
Передача данных по интерфейсу RS-485 производится на скорости 19200 бит/с пакетами по 6 байт. Период между пакетами может составлять 10 мс или 40 мс в зависимости от наложенной кроссировки в разъеме Х4 «КРОСС».
Изоляция выходного цифрового канала обеспечивается оптопарами и питанием выходного драйвера от отдельного источника напряжения +5 В.
Также значение частоты по каждому измерительному каналу нормируются по напряжению в нормирующих выходных усилителях НУ1 и НУ2 в диапазоне от 0 до 6 В постоянного тока.
Для обеспечения требуемой точности по аналоговому выходу (погрешность не более ±0,2 %) в каждом канале применен дополнительный источник опорного напряжения (ИОН) напряжением 3 В. В СИ ПВС реализован режим диагностирования целостности цепи «датчик - кабель - СИ ПВС» по каждому измерительному каналу: а) сигнал диагностики по аналоговому выходу соответствует временной диаграмме, представленной на рисунке 4.4: участок «а» соответствует исправной цепи; участок «б» - обрыву цепи. 0,2±0,2 Lc
Временная диаграмма сигнала диагностики по аналоговому выходу б) сигнал диагностики по цифровому выходу отображается в разряде В1 (информация о диагностике) и в разряде ВО (номер канала) рисунка 4.5: исправной цепи должен соответствовать код - 00 по 1-му измерительному каналу и код - 01 по 2-му измерительному каналу; неисправной цепи должен соответствовать код - 10 по 1-му измерительному каналу и код - 11 по 2-му измерительному каналу. Т пер В1 - информация о диагностике; ВО - номер канала; G - признак экстремума; S - знак градиента Рисунок 4.5 - Формат передачи цифрового кода по последовательному интерфейсу Режим диагностирования включается по команде МК в случае нулевого значения частоты на входе СИ ПВС. При появлении сигнала датчика с амплитудой напряжения более (60±15) мВ при частоте до 400 Гц и более (110±15)мВ при частоте выше 400 Гц СИ ПВС автоматически переходит из режима диагностики в режим измерения частоты.
Блок питания СИ ПВС преобразует входное напряжение ±27 В в стабилизированные напряжения 9В, 5В, 5В.1 для питания узлов двух измерительных каналов.
Описание работы отечественной микросхемы 1986ВЕ93У приведено в технических условиях АЕЯР.431290.711ТУ «Микросхемы интегральные 1986ВЕ91Т, 1986ВЕ92У, 1986ВЕ93У» [55]. Электрическая принципиальная схема СИ ПВС на отечественной элементной базе приведена на рисунке 4.6. Спецификация к схеме рисунка 4.6 приведена в приложении Б.