Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих средств контроля параметров движения подвижных элементов линейных электрических машин 11
1.1 Конструктивные особенности линейных электрических машин 11
1.2 Современное состояние вопроса разработки линейных электрических машин 18
1.3 Методы и средства контроля параметров движения подвижных элементов линейных непосредственных машин . 22
1.4 Характер изменения ЭДС в обмотке статора в зависимости от характера движения индуктора синхронного линейного генератора . 29
1.5 Обзор контрольно-измерительных стендов для измерений параметров ЭМВПД 31
1.6 Анализ применяемых приборов, средств контроля, приборов автоматизации в контрольно-измерительных стендах для измерений параметров ЭМВПД 46
1.7 Постановка задачи исследования 48
1.8 Выводы 49
2. Разработка косвенного метода контроля параметров движения индуктора синхронного линейного генератора . 51
2.1 Обоснование создания косвенного метода контроля параметров движения индуктора синхронного линейного генератора 51
2.2 Косвенный метод контроля параметров движения индуктора СЛГ 54
2.3 Выводы 68
3. Разработка контрольно-измерительного стенда для определения параметров обратимых ЭМВПД и АПК, реализующего косвенный метод контроля параметров движения индуктора СЛГ 69
3.1 План проведения эксперимента . 69
3.2 Контрольно-измерительный стенд для определения параметров обратимых электрических машин возвратно-поступательного действия, работающих в тяжелых условиях 70
3.2.1 Описание составных частей стенда . 71
3.2.1.1 Система сбора информации и управления стендом 71
3.2.1.2 Система привода и нагружения 75
3.2.1.3 Система силового электропитания . 78
3.2.2 Работа составных частей стенда 80
3.2.3 Расчет основных элементов стенда . 85
3.2.3.1 Расчет элементов системы охлаждения 85
3.2.3.1.1 Расчет параметров водяного насоса . 87
3.2.3.1.2 Расчет параметров водяного радиатора . 87
3.2.3.1.3 Расчет трубопроводов . 89
3.2.3.2 Расчет привода кривошипно-шатунного механизма . 90
3.3 Обоснование создания АПК управления процессом контроля параметров движения индуктора СЛГ. 93
3.4 Разработка АПК управления процессом контроля параметров движения индуктора СЛГ 95
3.4.1 Принцип аппаратной реализации АПК на основе программируемого шасси CompactRIO 95
3.5 Выводы 107
4 Экспериментальная проверка косвенного метода контроля параметров движения индуктора СЛГ и практические рекомендации по его применению 108
4.1 Экспериментальная проверка метода . 108
4.2 Практические рекомендации по применению косвенного метода контроля параметров движения индуктора СЛГ . 119
4.3 Выводы . 123
Заключение . 125
Перечень сокращений 127
Список работ автора, отражающих основное содержание диссертации 128
Список литературы 131
Приложение А 139
- Методы и средства контроля параметров движения подвижных элементов линейных непосредственных машин
- Косвенный метод контроля параметров движения индуктора СЛГ
- Принцип аппаратной реализации АПК на основе программируемого шасси CompactRIO
- Практические рекомендации по применению косвенного метода контроля параметров движения индуктора СЛГ
Методы и средства контроля параметров движения подвижных элементов линейных непосредственных машин
Из-за специфических конструктивных особенностей, ЛМ требуют для своей работы применения сложных систем управления, контроля и позиционирования.
В качестве измерительной системы, как правило, используется линейный магнитный энкодер. Энкодер состоит из магнитной ленты, наклеенной на основании, и считывающей головки, закрепленной на каретке. Он выполняет функцию измерения текущего положения и скорости. Эти данные, обрабатываемые системой управления, используются для организации внутренних законов управления (замыкания контуров тока, скорости, положения), а также для достижения высоких показателей по повторяемости перемещений [16, 20].
Измерительные датчики, основанные на оптическом методе считывания, имеют шкалу с равномерной текстурой – так называемые штрихи. В качестве носителей для штрихов служит стекло или сталь. В линейных датчиках больших длин в качестве носителя шкалы служит стальная лента. Высокоточные штрихи наносятся на носитель различными фотолитографическими методами. Шкалы изготавливаются, например, по следующим принципам: штрихи из хрома на носителе из стекла, вытравленные матовые штрихи на позолоченной стальной ленте, трехмерные структурные решетки на стекле или стали.
Фотолитографические методы нанесения штрихов позволяют добиваться периода сигнала 40…4 мкм. Помимо очень точного периода шкала, изготовленная такими методами, имеет профиль с очень четкими и ровными краями. В сочетании с фотоэлектрическим методом считывания эти шкалы позволяют получать высококачественный выходной сигнал. Шкалы и эталоны изготавливаются на прецизионных станках [55, 56].
При инкрементальном методе измерения шкала состоит только из одного ряда равномерных штрихов. Данные о положении получаются путем подсчета отдельных инкрементов (шагов измерения) относительно выбранной нулевой точки. Для определения положения требуется абсолютная точка отсчета, в качестве которой на шкале используется отдельный ряд штрихов, несущий референтную метку (РМ). РМ имеет такой же период сигнала, как и инкрементальный сигнал. Чтобы восстановить или установить заново нулевую точку необходимо проехать РМ. В самом невыгодном случае, чтобы пересечь РМ, придется проехать большую часть измеряемого пути. Чтобы уменьшить этот участок, многие измерительные системы имеют кодированные РМ: дополнительный ряд штрихов с нанесенными РМ на различном расстоянии друг от друга. Электроника определяет абсолютное положение уже после пересечения двух РМ, то есть всего через несколько миллиметров пройденного пути [60]. При абсолютном методе измерения после включения аппаратуры сразу же становится доступным абсолютное значение положения оси в данный момент, которое может быть считано измерительной электроникой. Прохождение какого-то участка пути для определения положения в данном случае не требуется. Информация об актуальном положении считывается с закодированной специальным образом шкалы. Для генерации выходного инкрементального сигнала используется отдельная дорожка со штрихами.
Работа большинства измерительных систем основана на фотоэлектрическом методе считывания. Фотоэлектрическое считывание производится без контакта, поэтому отсутствуют изнашиваемые элементы. Этот способ позволяет распознавать штрихи шириной в несколько микрометров и генерировать выходной сигнал с очень маленьким периодом. Чем меньше период штрихов шкалы, тем большее влияние оказывает дифракция на фотоэлектрическое считывание [41].
В линейных датчиках используются два метода считывания:
- отображающий метод для периодов штрихов шкалы 20…40 мкм;
- интерферентный метод для очень маленьких периодов штрихов, например, 8 мкм.
В упрощенном виде отображающий метод – это генерирование сигнала на основе значений свет/тень: две шкалы со штрихами одинакового или похожего периода (шкала и шаблон) двигаются друг относительно друга (рисунок 1.9). Носитель штрихов шаблона делается из прозрачного материала, носитель самой шкалы тоже может быть прозрачным или иметь металлическую рефлектирующую поверхность. После прохождения параллельных лучей света через шаблон образуется определенная свето-теневая последовательность. Далее прошедшее излучение попадает на шкалу. При движении шаблона вдоль шкалы штрихи на шаблоне могут совпадать со штрихами на шкале, образуя в местах просветов на выходе «свет», либо штрихи накладываются на просветы и на выходе получается «тень». Ряд фотоэлементов преобразует этот световой сигнал в электрический. Штрихи на шаблоне, структурированные специальным образом, фильтруют световой поток так, чтобы он приближался к синусоидальной форме. Чем меньше расстояние между штрихами, тем меньше и точнее должно быть расстояние между шкалой и считывающим элементом.
Интерферентный метод основан на дифракции и интерференции света при прохождении его сквозь прецизионные штрихи шаблона (рисунок 1.10). Из полученного сигнала впоследствии можно вычислить пройденный путь. В качестве шкалы используется дифракционная ступенчатая решетка – на рефлектирующую поверхность наносятся рефлектирующие штрихи высотой 0,2 мкм. Перед ней находится пропускающий излучение шаблон с фазовой решеткой такого же периода, как и у шкалы. При попадании световой волны на шаблон, она разделяется на три волны 1, 0 и -1 порядков, с примерно равной интенсивностью. От шкалы с фазовой решеткой они отражаются таким образом, что наибольшая интенсивность оказывается у волн 1 и -1 порядков. Эти волны снова встречаются на шаблоне и, накладываясь друг на друга, огибают его штрихи. При этом образуются две группы волн, которые покидают шаблон под разными углами. Фотоэлементы преобразуют интенсивность волн в электрический сигнал.
Точность измерения длины зависит от качества следующих параметров: точность штрихов шкалы; качество считывания; качество электроники, обрабатывающей сигнал; погрешность взаимного расположения считывающей головки и шкалы.
Важно понимать различия между погрешностью шкалы, отнесенной ко всей длине шкалы, и погрешностью шкалы, отнесенной к одному периоду сигнала [22].
Погрешность измерения, отнесенная ко всей длине шкалы. Например, точность датчиков линейных перемещений задается в классах, которые имеют следующее определение:
Предельные значения ± F кривой погрешности измерений для любого пути измерения (максимум 1 м) лежат в пределах класса точности ± a. Они определяются при заключительном контроле датчика и заносятся в протокол измерений.
В закрытых линейных датчиках эти величины задаются для всей измерительной системы, включая считывающую головку, и называются точностью системы. Точность круговых датчиков подразумевает точность системы на один оборот. Погрешность измерения, отнесенная к одному периоду сигнала, определяется как величиной периода сигнала шкалы, так и качеством штрихов и качеством их считывания. В любой точке измерения по всей длине шкалы она не превышает ±1…2%. Погрешность измерения уменьшается с уменьшением периода сигнала шкалы.
Датчики линейных перемещений определяют положение линейной оси без дополнительных механических передаточных элементов. Если определение положения производится при помощи датчика линейного перемещения, то контур регулирования охватывает механику приводов. Таким образом, датчиком линейного перемещения определяется ошибка передачи механики оси и компенсируется в управляющей электронике. Данный способ помогает исключить целый ряд источников погрешностей. Для оборудования с высокими требованиями к точности позиционирования и к скорости обработки использование линейных датчиков считается необходимым [39].
Для определения величин линейных перемещений многие компании производят датчики закрытого, открытого типа и измерительные щупы. Датчики открытого типа применяются в условиях, где нет смазывающих охлаждающих жидкостей, пыли и стружки. Измерительные щупы применяются в тех случаях, где есть высокие требования к точности при малых длинах перемещения. Датчики закрытого типа применяются в основном в пыльной среде, так как они защищены от попадания внутрь влаги и пыли. Шкала и считывающий элемент закрытых датчиков защищены алюминиевым корпусом от пыли, мелких объектов и воды. Уплотнение защищает корпус снизу. Считывающий элемент передвигается вдоль шкалы без контакта с ней. Подвеска соединяет считывающий элемент с корпусом считывающей головки, компенсируя таким образом непараллельность между шкалой и оборудованием.
Косвенный метод контроля параметров движения индуктора СЛГ
В отличие от вращающихся электрических машин, форма сигнала напряжения ЭМВПД имеет сложный характер (рисунок 2.3). Это связано с тем, что индуктор то ускоряется, то замедляется. Соответственно, меняются и амплитуда сигнала, и его период. Рассматривать такого рода сигнал как синусоидальный не представляется возможным.
Напряжения, токи, потокосцепления электрических машин переменного тока можно представить как векторы в некоторой системе координат. Выбор системы координат влечет за собой изменение вида соотношений, которые описывают процессы, происходящие в машине.
Для наглядности приведем реальный сигнал напряжения синхронного линейного генератора, разработанного учеными кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Казанский государственный энергетический университет» под руководством доктора технических наук профессора Ившина И.В. Сигнал получен при помощи цифрового осциллографа FLUKE 123 (рисунок 2.4).
Неподвижная трехфазная система координат имеет три оси, расположенные на плоскости под углом в 120 градусов, пересекающиеся в начале координат. Данная система позволяет перенести процессы, происходящие в машине, на плоскость при представлении токов, напряжений и потокосцеплений в виде вращающихся векторов (рисунок 2.5).
Например, трехфазный ток в обмотках статора двигателя можно представить в виде вектора IS, имеющего следующие свойства:
- амплитуда вектора равна амплитуде тока в фазе (IS);
- начало вектора совпадает с началом координат;
- вектор вращается на плоскости вокруг начала координат с угловой скоростью .
Таким образом, три связанные скалярные величины фазных токов характеризуются в данной системе координат обобщенным вектором тока. Аналогично, в виде обобщенных векторов, в данной системе координат могут быть представлены фазные напряжения и потокосцепления электрических машин.
Для определения угла необходимо перейти с неподвижной трехфазной системы координат на неподвижную Декартову систему координат. Система имеет две взаимно перпендикулярные оси и (рисунок 2.6). Удобно выбирать оси так, чтобы одна из них совпадала с одной из трехфазных осей. Начало координат совпадает с началом координат описанной выше трехфазной системы.
Переход из трехфазной системы в Декартову (двухфазную) часто называют переходом от реальной трехфазной машины к абстрактной, обобщенной двухфазной.
Получим формулы перехода из трехфазной системы в Декартову. В зарубежной литературе этот переход называют преобразованием Кларк [59].
Глядя на рисунок 2.6, воспользовавшись соотношениями прямоугольных треугольников, а также формулой для косинуса разности углов, запишем:
В итоге формулы преобразований координат при переходе из трехфазной системы в двухфазную выглядят следующим образом:
После определения проекций обобщенного вектора на оси и (ISa и Isp) можно определить угол между обобщенным вектором и осью :
При проведении данной операции стоит учесть то, что угол будет определяться в пределах 90 с соответствующим знаком в зависимости от четверти. Следовательно, необходимо преобразовать полученное значение угла для I, II, III четвертей (если обобщенный вектор вращается по часовой стрелке).
Методика измерения напряжения на обмотках СЛГ позволяет с высокой точностью и, что не менее важно, частотой измерять мгновенные значения напряжений в каждой из фаз. Полученные данные можно использовать как координаты обобщенного вектора, находящегося в неподвижной трехфазной системе координат. Далее по описанному способу определяется значение угла .
Для реализации вышеуказанного алгоритма определения угла была выбрана среда Microsoft Excel.
Приращение (уменьшение) угла соответствует изменению положения индуктора, значение которого зависит от конкретного исполнения СЛГ.
Угол определен, но для того чтобы измерительная система «понимала», на сколько сдвинулся обобщенный вектор, необходимо преобразовать полученное значение так, чтобы при достижении магнитом крайнего положения паза угол был равен 360 [49]. Для этого воспользуемся следующим алгоритмом:
Следует отметить тот факт, что программная среда Microsoft Excel определяет углы в радианах. Поэтому сначала нужно найти значение угла в радианах, лишь затем перевести итоговое число в градусы.
Применение вышеописанного способа позволяет достаточно точно контролировать перемещение индуктора, но не решает задачу определения его изначального положения. Мы предлагаем следующее решение.
Сигнал плавно меняющегося переменного напряжения, естественно, имеет точки экстремумов. Данные точки соответствуют положению индуктора, при котором один из полюсов постоянных магнитов перекрывает конкретный паз статорных обмоток на максимальную площадь. Это означает, что при каждом прохождении пар полюсов постоянных магнитов под одним из пазов статорной обмотки возникает ЭДС, сигнал которой имеет две точки экстремума (максимум и минимум), соответствующие определенным положениям индуктора. Зная эту закономерность, можно с высокой точностью определить положение индуктора в те моменты времени, когда сигналы напряжений достигают экстремумов. При этом следует учитывать индуктивность L и активное сопротивление R статорной обмотки СЛГ. В нашем случае L = 15,154 мкГн, R = 0,037 Ом. Постоянная времени составит:
При частотах колебаний индуктора до 20 Гц практически не влияет на угол поворота , поскольку она, даже при столь высокой частоте, в 125 раз меньше времени рабочего хода индуктора [23].
Если бы СЛГ работал на одной и той же частоте, этого было бы достаточно, но при повышении частоты колебаний индуктора повышается и напряжение на обмотках. Возникает ситуация, когда в одном и том же положении индуктора сигнал напряжения имеет абсолютно разные значения. В таких условиях невозможно понять, какой именно паз проходит индуктор.
Индуктор СЛГ имеет две мертвые точки (определение которых необходимо для управления приводом), отсюда следует, что подвижный элемент движется не с одинаковой скоростью, а то ускоряет, то замедляет свой ход. Причем максимальная скорость приходится на среднее положение. Соответственно, данная особенность влияет на частоту появления точек экстремумов (чем чаще появляются точки, тем ближе к середине индуктора, и наоборот). Следовательно, можно определить, к какому пазу относится данный экстремум, независимо от величины напряжения в данной точке.
После синхронизации запускается алгоритм определения положения, скорости и направления движения индуктора. Алгоритм расчета сводится к следующей блок-схеме (рисунок 2.7).
Принцип аппаратной реализации АПК на основе программируемого шасси CompactRIO
Как уже утверждалось ранее, разработка АПК для организации сбора данных, обработки и формирования воздействий на исполнительные механизмы стенда реализовано на основе быстродействующего контроллера NI cRIO-9066, исполненном на базе программируемого шасси CompactRIO.
NI cRIO-9066 – это реконфигурируемое встраиваемое шасси со встроенным контроллером реального времени для CompactRIO [11]
CompactRIO – промышленная реконфигурируемая встраиваемая система, содержащая три компонента: контроллер реального времени, реконфигурируемый программируемый массив вентилей (FPGA) и промышленные модули ввода-вывода (рисунок 3.10).
На рисунке 3.10: Processor – процессор реального времени, High-Speed Bus – высокоскоростная шина, Reconfigurable FPGA – реконфигурируемая FPGA, Digitizers and Isolation – дискретизаторы и устройства изоляции, Attenuation and Filters – аттенюаторы и фильтры, Connector block – коннекторный блок, Sensors and Actuators – датчики и актюаторы , PCI Bus – шина PCI, ADC – АЦП , DAC – ЦАП, DI – цифровой ввод , DO – цифровой вывод, Signal Conditioning – преобразование (согласование) сигналов, Screw Terminals – терминалы с винтовыми клеммами, BNC, D-Sub и Custom – разъемы типа BNC, D-Sub и специальные.
Контроллер реального времени содержит промышленный процессор, который с высокой степенью надежности и детерминизма выполняет приложения LabVIEW Realime и обеспечивает управление с разными скоростями, трассировку выполнения, встроенную регистрацию данных и связь с периферийными устройствами (рисунок 3.11). Дополнительные возможности включают резервные входы питания от 9 до 30 В постоянного тока, таймер реального времени, аппаратные сторожевые таймеры, сдвоенной порт Ethernet, накопитель данных до 2 Гб и встроенные порты USB и RS232.
Реконфигурируемое шасси с FPGA – сердце архитектуры встраиваемых систем (рисунок 3.12). Реконфигурируемые каналы ввода-вывода (RIO) на основе FPGA напрямую подключены к модулям ввода-вывода, что обеспечивает высокопроизводительный доступ к цепям ввода-вывода каждого модуля и неограниченную гибкость синхронизации и запуска. Поскольку каждый модуль подключен к FPGA непосредственно (в отличие от прочих промышленных контроллеров), а не через шину, задержки, связанные с реакцией системы, практически отсутствуют. По умолчанию FPGA автоматически связываются с модулями ввода-вывода и предоставляют детерминированный ввод-вывод для процессора реального времени. FPGA обеспечивает программе или контроллеру реального времени доступ к вводу-выводу с джиттером между циклами менее 500 нс. При этом существует возможность перепрограммирования FPGA для выполнения пользовательского кода. Благодаря быстродействию FPGA это шасси позволяет создать управляющие системы, включающие высокоскоростной буферизированный ввод-вывод, очень быстрые контуры регулирования или пользовательскую фильтрацию сигналов. Например, при использовании FPGA в одном шасси можно одновременно реализовать более 20 аналоговых пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) контуров регулирования с частотой 100 кГц. Кроме того, поскольку в FPGA весь код выполняется на аппаратном уровне, это обеспечивает высокую надежность и детерминизм, которые идеально подходят для аппаратных блокировок, пользовательской синхронизации и запуска, или для исключения специализированных схем, обычно необходимых вместе со специальными сенсорами.
Модули ввода-вывода содержат схемы гальванической развязки и преобразований, согласования сигналов и встроенные средства для прямого подключения к промышленным сенсорам и актюаторам. Благодаря широкому набору вариантов подключения и интеграции коннекторного блока в модули система CompactRIO значительно снижает требования к размерам и уменьшает стоимость подключения. Имеется возможность использования более чем 50 модулей ввода-вывода C-серии для CompactRIO с возможностью подключения практически любого сенсора или актюатора (рисунок 3.13).
Различные типы модулей позволяют подключать термопары; выполнять одновременную дискретизацию сигналов в диапазоне ±10 В, 24-битный аналоговый ввод-вывод; цифровой ввод-вывод сигналов промышленных уровней 24 В с током нагрузки до 1 A; принимать цифровые дифференциальные l/ТТЛ сигналы; проводить измерения сигналов от IEPE акселерометров с разрешением 24 разряда, измерения деформаций; измерения температуры с помощью резистивных датчиков; измерение мощности, формировать сигналы на аналоговых выходах; подключаться к сети контроллеров (CAN); использовать SD-карты цифровой защиты при регистрации.
Кроме того, это открытая платформа, то есть существует возможность создавать собственные модули или покупать модули других производителей. С помощью комплекта разработчика модулей NI cRIO-9951 CompactRIO можно создавать собственные модули под нужды конкретного приложения. Комплект разработчика предоставляет доступ к архитектуре нижнего, электрического уровня встраиваемых систем CompactRIO для разработки специализированного ввода-вывода, коммуникаций и модулей управления. Он включает также библиотеки LabVIEW FPGA для интерфейса со схемами специализированного модуля.
При реализации АПК были использованы модули ввода вывода C-серии следующих типов и характеристик [27-30].
Для обработки сигнала от датчика положения применен модуль NI 9215. NI 9215 – 4-канальный, 16-разрядный модуль аналогового ввода, ±10 В с возможностью одновременной оцифровки. Данное оборудование является измерительным оборудованием стандарта EEx nC IIC T4 и имеет сертификат DEMKO Certificate No. 03 ATEX 0324020X.
Приводимые здесь характеристики справедливы для температуры окружающей среды от -40С до +70С, другое оговаривается особо.
Тип АЦП – АЦП последовательного приближения (SAR).
Диапазон входных напряжений: ±10 В.
Характеристики модуля, отражающие точность измерений, представлены в таблице 3.4.
Характеристики модуля, отражающие точность измерений, представлены в таблице 3.5.
Характеристики модуля, отражающие его точность, представлены в таблице 3.6.
Для измерения температуры объекта исследования, применен модуль NI 9217. NI 9217 – 4-канальный модуль аналогового ввода сигналов с резистивных 100-омных датчиков температуры и разрядностью АЦП в 24 бит. Данное оборудование является измерительным оборудованием стандарта EEx nC IIC T4 и имеет сертификат DE MKO Certificate No. 03 ATEX 0324020X.
Приводимые здесь характеристики справедливы для температуры окружающей среды от -40С до +70С, другое оговаривается особо.
Тип АЦП – дельта-сигма.
Диапазон измерения: температура от -200 до +850С, сопротивление от 0 до 400 Ом.
Характеристики модуля, отражающие точность измерений, представлены в таблице 3.7.
Для создания сигналов управления посредствам широтно-импульсной модуляции (ШИМ), применен модуль NI 9401. NI 9401 – 8-канальный цифровой TTL модуль ввода/вывода. Данное оборудование является измерительным оборудованием стандарта EEx nC IIC T4 и имеет сертификат DEMKO Certificate No. 03 ATEX 0324020X.
Приводимые здесь характеристики справедливы для температуры окружающей среды от -40С до +70С, другое оговаривается особо.
Тип интерфейса ввода/вывода – TTL, несимметричный.
Напряжение при вводе: не выше 5,25 В.
Программируемое шасси CompactRIO, включает мощную программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) для индивидуального тактирования, запуска и обработки входных/выходных сигналов. Среда разработки LabVIEW FPGA позволяет реконфигурировать ввод/вывод сигналов с помощью простых функций. Каждый модуль C-серии имеет прямой доступ к ПЛИС, благодаря этому ввод/вывод сигналов точно синхронизирован.
АПК позволяет осуществлять управление процессом измерений параметров ЭМВПД в режиме «генератор» и «двигатель». Комплекс, на основе заложенного в него алгоритма и данных, полученных от датчиков, интегрированных в стенд и объект исследования, вырабатывает управляющие сигналы для исполнительных механизмов. Комплекс осуществляет сбор и хранение информации о параметрах, развитых объектом исследования, а также вводит ограничения на воздействие с целью недопущения повреждения узлов и механизмов.
Функциональная схема АПК показана на рисунке 3.14.
Практические рекомендации по применению косвенного метода контроля параметров движения индуктора СЛГ
Для практической реализации метода контроля необходимо построить контроллер, выполняющий функции измерения, обработки сигнала, вычисления и формирования сигналов о направлении, скорости и положении индуктора линейной машины. Основой контроллера может стать микросхема отечественного исполнения 32-разрядного однокристального микро-ЭВМ с памятью Flash-типа серии К1986ВЕ9ху, которая может применяться взамен контроллера NI CompactRIO 9066. В состав микросхемы входят два 12-разрядных АЦП (до 16 каналов); температурный датчик; двухканальный 12-разрядный ЦАП; встроенный компаратор.
В отдельных случаях применения предлагаемого метода контроля может возникнуть необходимость применения устройств и решений, направленных на понижение напряжения подаваемого на входы АЦП.
Микросхемы 1272ПН1Т, 1272ПН2Т, 1272ПН3Т производства ФГУП «НЗПП с ОКБ» представляют собой двухканальные цифровые потенциометры сопротивлением 10, 50 и 100 кОм соответственно. Они выполнены в 16-выводном металлокерамическом корпусе типа 402.16-39 и по расположению выводов аналогичны микросхемам DS1267-10, DS1267-50 и DS1267-100 [19].
Являясь функциональными аналогами микросхем фирмы Dallas, микросхемы 1272ПНхТ имеют оригинальную принципиальную электрическую схему и топологию.
Для изготовления микросхем используется КМОП-технология с самосовмещенными 3-микронными поликремниевыми затворами и системой межсоединений, организованной на основе двухуровневой разводки. Размер кристаллов микросхем 5,053,1 мм (отличия микросхем 1272ПН1Т, 1272ПН2Т и 1272ПН3Т друг от друга состоят только в слое поликремния, с помощью которого и реализованы резистивные секции).
Микросхемы 1272ПНхТ (рисунок 4.12) содержат два цифровых полупроводниковых потенциометра, каждый из которых состоит из 256 резистивных секций (или элементарных резисторов). Между каждой резистивной секцией и выводами потенциометра существуют точки, к которым подсоединяется «движок» - средний перемещаемый вывод потенциометра.
Кроме того, структурная схема включает в себя:
2 дешифратора «8 на 256», выходы которых управляют работой ключей;
2 блока преобразователей уровня;
2 регистра, в которые переписывается конфигурация «движка» соответствующего потенциометра из сдвигового регистра;
17-разрядный сдвиговый регистр, в который по трехпроводному интерфейсу записывается конфигурация «движков» обоих потенциометров и «бит стыковки»;
схему управления;
триггер «бита стыковки», преобразователь уровня и аналоговые ключи по выходу Sout.
Принцип работы микросхемы основан на программировании положения «движка», позиция которого задается 8-битной величиной, то есть значением, определяющим, к какой именно точке «ленточного» резистора присоединен «движок».
Программирование микросхемы осуществляется посредством трехпроводного последовательного интерфейса, состоящего из трех входных сигналов: RST, CLK и DQ. В начале программирования сигнал RST должен иметь высокий уровень. Вход CLK используется для синхронизации программируемых данных. Вход DQ используется для записи данных о позиции «движков» и «бита стыковки» в 17-битный сдвиговый регистр. При программировании сначала записывается «бит стыковки», потом программируется байт для «потенциометра R1», начиная со старшего разряда, и последним программируется байт для «потенциометра R0», начиная со старшего разряда. Запись программируемых данных происходит по фронту сигнала CLK. После окончания программирования сигнал RST должен быть переведен в низкий уровень, в результате чего производится установка «движков» в заданное положение, а также блокируется запись в сдвиговый регистр.
Существует возможность подключить только один потенциометр на 256 положений (другой не будет использован). В этом случае рекомендуется использовать «потенциометр R0». Это позволит упростить, а значит, ускорить управление его «движком». Чтобы установить «движок» в требуемое положение, необходимо сигнал RST перевести в высокий уровень, записать только байт для «потенциометра R0», начиная со старшего разряда, а затем сигнал RST перевести в низкий уровень.
Если два потенциометра микросхемы соединить последовательно, как показано на рисунке 4.13, то такая конфигурация позволяет получить удвоенное полное сопротивление с 512 резистивными секциями. «Движком» этого удвоенного сопротивления будет мультиплексированный вывод сопротивления Sout, который является переключаемым выводом сопротивлений потенциометра R0 или потенциометра R1. Если «бит стыковки» установлен в «0», вывод Sout будет выводом сопротивлений с «движка» «потенциометра R0», если в «1» – с «движка» «потенциометра R1».
Особенностью микросхемы является возможность контроля нескольких последовательно соединенных микросхем 1272ПНхТ, как показано на рисунке 4.14, при помощи одного программирующего устройства, например процессора.
При таком подсоединении информация для второй от процессора микросхемы берется с выхода Cout первой микросхемы. Программирование второй микросхемы происходит через сдвиговый регистр первой микросхемы, и общее количество импульсов по входу CLK становится равным 34 (то есть удваивается). При использовании еще большего количества последовательно подсоединенных микросхем количество импульсов по входу CLK увеличивается на 17 на каждую дополнительно подсоединенную микросхему. Если между выводом Cout последней в цепочке микросхемы и входом DQ первой микросхемы подключен внешний токоограничивающий резистор, то у процессора появляется возможность не только программировать, но и считывать данные из микросхем. Сопротивление токоограничивающего резистора должно быть не менее 1 кОм.