Поворотний пристрій для камери зовнішнього спостереження

2.3 Обґрунтування елементної бази

Основним недоліком цього пристрою є низька надійність запуску поворотного пристрою в умовах наднизьких (нижче -35°С) температур.

Завдання, на рішення якої спрямоване пропонований винахід, полягає в розширенні можливостей використання камер вуличного спостереження у високих широтах у зимовий період.

Поставлене завдання вирішується завдяки досягненню технічного результату, що полягає в підвищенні надійності запуску поворотного пристрою в умовах наднизьких (нижче -35°С) температур.

При реалізації зазначений технічний результат досягається тим, що в поворотному пристрої для камери зовнішнього спостереження, що включає платформу, привод і кроковий двигун, сполучений із блоком живлення й керування, що включає контролер, перший термостат для температури Т1, другий термостат для температури Т2<Т1 і нагрівач, кожний з яких з'єднаний з контролером, зазначений контролер включає схему запуску крокового двигуна при низьких температурах, вхід якої з'єднаний із другим термостатом, а вихід - з обмоткою крокового двигуна.

Крім того, модуль запуску крокового двигуна при низьких температурах може бути виконаний у вигляді генератора постійного струму.

Крім того, контролер може додатково включати таймер, вихід якого електрично з'єднаний з модулем запуску крокового двигуна при низьких температурах.

Сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому представлена схема пропонованого поворотного пристрою для камери зовнішнього спостереження в найкращому виконанні.

2.4 Принцип роботи блоку

Платформа 1 для кріплення камери через привод 2 кінематично з'єднана із кроковим двигуном 3, що має принаймні одну обмотку. Ця обмотка електрично з'єднана із блоком живлення й керування, що включає контролер 4, перший термостат 5 для температури Т1, другий термостат 6 для температури Т2<Т1 і нагрівач 7, кожний з яких з'єднаний з контролером 4. Термостати можуть бути виконані у вигляді спеціалізованого датчика температури на мікросхемі AD22105. Контролер 4 включає схему запуску крокового двигуна при низьких температурах 8, електрично з'єднану із другим термостатом 6 і виконану, наприклад, у вигляді генератора постійного струму. Контролер 4 може включати таймер 9, електрично з'єднаний зі схемою запуску крокового двигуна при низьких температурах 8.

Пристрій працює таким чином. Попередньо встановлюють температури Т1 і Т2 включення термостатів 5 і 6. Звичайне значення Т1 вибирають рівним -5°С, тому що при температурах навколишнього середовища вище зазначеного значення запуск кінематичної схеми крокового двигуна 3 не представляє проблеми з погляду надійності. Значення Т2 вибирають рівним -35°С. У діапазоні температур -35<Т°З<-5 запуск кінематичної схеми крокового двигуна 3 вимагає попереднього прогріву, що може бути здійснений за допомогою нагрівача 7, розташованого в безпосередньої близькості до обмоток крокового двигуна 3. При температурах нижче -35°С електронні й кінематичні схеми живлення й керування кроковим двигуном 3 не забезпечують його нормальне функціонування при запуску. Для включення поворотного пристрою відповідно до технічних умов його експлуатації необхідно забезпечити попередній прогрів обмоток крокового двигуна. Застосування зовнішнього нагрівача 7 для рішення цього завдання неефективно.

При надходженні команди включення поворотного пристрою контролер 4 опитує термостати 5 і 6 з метою визначення діапазону температур навколишнього середовища. У тому випадку, якщо обидва термостати 5 і 6 відключені, температура навколишнього середовища й обмоток крокового двигуна 3, відповідно, перевищує Т1 і керуюча напруга подається на обмотки крокового двигуна 3. Поворотний пристрій починає працювати, повертаючи камеру зовнішнього спостереження в заданому напрямку. У тому випадку, якщо термостат 5 включений, а термостат 6 відключений, температура навколишнього середовища й обмоток крокового двигуна 3, відповідно, не досягає Т1, але перевищує Т2. При цьому керуюча напруга подається на обмотки крокового двигуна 3 і на нагрівач 7. У тому випадку, якщо обидва термостати 5 і 6 включені, температура навколишнього середовища й обмоток крокового двигуна 3 відповідно не досягає Т2. При цьому керуюча напруга подається на нагрівач 7. Контролер 4 включає схему запуску крокового двигуна при низьких температурах 8 і через обмотки крокового двигуна 3 пропускає постійний струм. У результаті цього обмотки нагріваються й кроковий двигун 3 підготовляється до запуску. Тривалість роботи схеми запуску крокового двигуна при низьких температурах 8 визначається або часом, що задається таймером 9, наприклад 10 мінут, або часом, протягом якого температура поблизу термостата 6 підніметься вище значення Т2 у результаті роботи нагрівача 7. По закінченні роботи схеми запуску крокового двигуна при низьких температурах 8 контролер 4 подає керуюча напруга на обмотки крокового двигуна 3 і поворотний пристрій починає працювати, повертаючи камеру зовнішнього спостереження в заданому напрямку.

Таким чином, використання в заявляється изобретении, що, сукупності ознак, що заявляються, забезпечує досягнення зазначеного в заявці технічного результату, а саме підвищує надійність запуску поворотного пристрою при несприятливих погодних умовах наднизьких (нижче -35 С) температур.

1. Поворотний пристрій для камери зовнішнього спостереження, що включає платформу, привод і кроковий двигун, сполучений із блоком живлення й керування, що включає контролер, перший термостат для температури Т1, другий термостат для температури Т2<Т1 і нагрівач, кожний з яких з'єднаний з контролером, що відрізняється тим, що контролер включає схему запуску крокового двигуна при низьких температурах, виконану у вигляді генератора постійного струму, вхід якої з'єднаний із другим термостатом, а вихід - з обмотками крокового двигуна, для забезпечення їхнього попереднього прогріву.

3. Розрахункова частина

3.1 Розрахунок надійності редуктора

Для початку, розрахуємо модель камери. Камера - однорідний стрижень довжиною 0,3 м і масою 2 кг, що обертається навколо осі, що проходить через кінець стрижня. По формулі для такого випадку:

Jкам = ml2= 0,06 кг*м2

Тепер розглянемо навантаження, які повинен відпрацьовувати привод. Максимальне навантаження на привод буде у випадку максимального кутового прискорення нагору при дії моменту сили ваги Мт, що діє на вал привода. Цей момент можна знайти як добуток ваги камери mg на плече моменту .

Mт = mg = 2*9.8*0,3*0,5= 2,94 н*м

Це момент статичного навантаження, що діє на вал привода. Динамічний момент навантаження визначається як добуток інерції камери Jкам на кутове прискорення навантаження емакс.

Mд = Jкам * емакс = 0,436*0,06= 0,0262 кг*м = 0,26 н*м

Тоді необхідний момент навантаження на привод перебуває як сума цих моментів.

Mтреб = Mт + Mд = 2,94 + 0,26 = 3,2 н*м

Видно що отриманий Mтреб значно більше номінального моменту двигуна Mном, і отже необхідно використовувати редуктор.

Тепер розглянемо відносини швидкостей спостереження й обертання двигуна. Бажано щоб штатний режим роботи привода перебував у зоні номінальних характеристик двигуна. Знайдемо швидкість обертання вала двигуна. Nном = 3000 про/хв

щном = *Nном = 2*3,14*3000/60 = 314

При цьому максимальна швидкість спостереження дорівнює 0,262 радий/с. Отже передатне відношення редуктора iред:

iред = щном/щмакс = 314/0,262 = 1198

Тому що ми можемо заходити за рамки номінального режиму, візьмемо передатне відношення iред = 1000. При такому передатному відношенні й номінальному моменті двигуна Mном = 0,052 н*м момент на валу привода буде рівним 0,052*1000=52 н*м. Видно що цей момент більше необхідного моменту Mтреб.

3.2 Вибір редуктора

Виберемо прецизійний планетарний редуктор фірми Apex моделі AF 2-100-P2 з передатним відношенням 100.

У стандартному виконанні такі редуктори мають люфт ?7', у виконанні з мікролюфтом він становить КПД цих редукторів =94%. З огляду на високі вимоги по точності спостереження системи виберемо виконання з мікролюфтом. [1]

Типорозміри: 042.

Максимальний момент прискорення: 42-66 н*м.

Номінальна вхідна швидкість: 2000-5000 про/хв.

Гарантований термін служби: 30000 годин.

Матеріал корпуса - нержавіюча сталь.

Косозубі шестірні.

Конструкція, що не обслуговується, з ефективним консистентним змащенням (Nyogel 792D від -° 10 до +90 C).

Момент інерції редуктора: 0,03 кг*див2= 3* 10-6 кг*м2. [2]

Після редуктора додатково встановимо передачу шестірня-зк передатним відношенням 10. Люфтом і інерцією зневажимо. Отримана система буде мати передатне відношення в 1000.

3.3 Визначення передатної функції двигуна

Розглянемо двигун незалежного (паралельного) порушення з керуванням за рахунок зміни напруги на якорі. Для того, щоб одержати передатну функцію необхідно скласти диференціальне рівняння, що описує електричне коло двигуна в перехідному процесі й диференціальне рівняння руху вала двигуна (механіка процесу). У перехідному процесі обмотка якоря має два складові опори: активну Rя й реактивну, котра буде визначатися величиною індуктивності обмотки Lя. .Напруга U урівноважується ЕДС самоіндукції якоря ( ), спаданням напруги на активному опорі якоря (iяRя), що виникає в якорі при обертанні, тоді буде справедливо вираження виду

де Lя - індуктивність якірної обмотки.

ея=kэм.

де kэм=сеФ - електромагнітний коефіцієнт.

Диференціальне рівняння руху вала двигуна має вигляд

де J момент інерції обертових частин, наведений до вала двигуна,

Мс статичний момент або момент опору (у загальному випадку дорівнює сумі навантажувального моменту й моменту тертя двигуна).

Розрахуємо передатну функцію по входу системи. Це відповідає випадку горизонтального привода, коли статичний момент сили ваги, що діє на камеру, скомпенсований кріпленням привода. З рівняння динаміки:

де

kэм=смФ - електромагнітний коефіцієнт.

Підставимо ці вираження у вихідне диференціальне рівняння електричного кола й одержимо

Тепер обидві частини цього рівняння розділимо на kэм, а коефіцієнт при другій похідній розділимо й помножимо на Rя. Рівняння прийме вид

Введемо наступні позначення: - електромеханічна постійна часу двигуна, - електромагнітна постійна часу якоря двигуна. Tя = 0,0018/2,28=7,9* 10-4 з

Тепер, з урахуванням прийнятих позначень можемо записати

Для одержання передатної функції потрібно дане рівняння записати щодо зображень по Лапласові вхідної напруги й кутової швидкості на виході двигуна

Тому що передатна функція являє собою відношення зображень вихідної й вхідної величин, то можна записати наступне:

де kдв=1/kэм - коефіцієнт передачі двигуна.

Залежно від співвідношення величин постійних часу двигуна, вид його передатної функції можна змінювати. Так, якщо 4Тя>Тм, що зустрічається досить рідко, двигун описується коливальною ланкою.

Найчастіше 4Тя<Тм і передатну функцію можна представити у вигляді

При аналізі систем автоматичного керування із двигуном постійного струму часто зневажають електромагнітної постійної, через її малість (Тя0), у порівнянні з іншими постійними часу системи, і використовують передатну функцію виду

Крім того, якщо вихідною величиною є не кутова швидкість, а кут повороту вала двигуна, які зв'язані співвідношенням , де (p) - зображення кута повороту вала двигуна, передатна функція приймає вид

Наведені передатні функції отримані для випадку, при якому немає досить значимих сил, що викликають статичний момент навантаження, і мають сенс, якщо характеристики двигуна вважати лінійними. Величина Мс не впливає на постійні часі й коефіцієнт передачі.

Якщо двигун розглядається разом з механічним навантаженням і редуктором на його валу, то при розрахунках Тм потрібно враховувати момент інерції редуктора й навантаження наведений до вала двигуна.

Тепер знайдемо невідомі з отриманої передатної функції двигуна.

Kдв = 1/kэм = Iя/Mном = 1,08/0,052 = 20,8 радий/з*В

[4]

J = Jрот+Jред+Jкам = 7,7* 10-6 + 3* 10-6 + 0,06* 10-6=10,76* 10-6 кг*м2

Tм = = 1,1*10-2=0,01с

Таким чином, передатна функція двигуна має вигляд:

Wдв (p) =

4. Експлуатаційна частина

Тепер проведемо симуляцію системи в MatLab Simulink. Схема системи показана на рисунку 6.

Рисунок 6. Схема симулюємої системи

На графіках будуть відображатися вхідний вплив і величина помилки системи.

Проведемо симуляцію при 3 різних вхідних сигналах.

Вхідний сигнал - кутова координата мети, що змінюється з постійною швидкістю щмакс = 0,262 радий/с. Це режим спостереження за метою. Результат показаний на рисунку 7.

Із графіка видно, що через 0,6з помилка встановилася. Величина сталої помилки = 0,0008 радий, що нижче, ніж припустима помилка в 0,002 радий. Розрахунковий результат: E=w/k=0.262/316=0.00083.

Вхідний сигнал - східчастий вплив завбільшки 0,005 радіан. Результат показаний на рисунку 8.

Із графіка видно, що приблизно за 0,2 секунди система захопила мету й помилка кинулася в нуль. Система успішно відробила невелике (у межах лінійної зони) зсув мети.

Вхідний сигнал змінюється гармонічно по синусі з робочою частотою й амплітудою системи. Результат показаний на рисунку 9.

Видно, що помилка коливається в межах 0,0011 радий, що в межах

припустимого. Розрахункова величина амплітуди помилки:

A=ap/|W (jw) |=0,157/10 (42,6/20) =0,157/102,13=0,157/135=0,00117.

Рисунок 7. Результат симуляції СУ горизонтального привода при максимальній швидкості спостереження

Рисунок 8. Результат симуляції СУ горизонтального привода при впливі сходинкою

Рисунок 9. Результат симуляції СУ горизонтального привода при взаємодії змінюється гармонічно

Тепер необхідно перевірити, чи може ця система керування використовуватися для вертикального привода з діючим статичним навантаженням на вал. Для цього розглянемо докладніше внутрішню будову двигуна.

На вхід двигуна приходить напруга. Електромагнітною передатною функцією двигуна воно перетвориться в струм якоря. Він у свою чергу перетвориться в момент обертання вала коефіцієнтом передачі двигуна. Далі із цього моменту віднімається статичний момент, наведений до вала двигуна (= Мст/i = 2,93/1000 = 0,003). Отримана різниця перетвориться механічною передатною функцією в кутову швидкість, що ми й маємо на виході двигуна.

Отримана схема системи керування зображена на рисунок 10.

Рисунок 10. Схема СУ вертикального привода

Тепер проведемо ті ж симуляції що й для горизонтального привода.

Режим спостереження за метою зі швидкістю щмакс = 0,262 радий/с. Результат показаний на рисунку 11.

Із графіка видно, що через 0,7з помилка встановилася. Величина сталої помилки = 0,0015 радий, що помітно більше, ніж 0,0008 радий у випадку горизонтального привода.

Східчастий вплив завбільшки 0,005 радіан. Результат показаний на рисунку 12.

Система успішно відробила захвата мети за 0,3с. Помітна невелика (порядку 10-5) помилка системи, що виявилася до впливу на систему. Вона викликана дією статичного моменту.

Вхідний сигнал змінюється гармонічно по синусі з робочою частотою й амплітудою системи. Результат показаний на рисунку 13.

Видно, що помилка коливається в межах 0,0021 радий, що хоча й перевищує підвищену вимогу до помилки в 0,002 радий, що ми прийняли для горизонтальної системи, але усе ще укладається у вимогу до помилки по ТЗ (=0,0029 радий).

Рисунок 11. Результат симуляції СУ вертикального привода при максимальній швидкості спостереження

Рисунок 12. Результат симуляції СУ вертикального привода при впливі сходинкою

Рисунок 9. Результат симуляції СУ вертикального привода при взаємодії змінюється гармонічно

5. Охорона праці

Однією із характерних особливостей сучасного розвитку суспільства є зростання сфер діяльності людини, в яких використовуються інформаційні технології. Широке розповсюдження отримали персональні комп'ютери. Однак їх використання загострило проблеми збереження власного та суспільного здоров'я, вимагає удосконалення існуючих та розробки нових підходів до організації робочих місць, проведення профілактичних заходів для запобігання розвитку негативних наслідків впливу ПК на здоров'я користувачів.

Заходи з охорони праці користувачів ПК необхідно розглядати в трьох основних аспектах: соціальному, психологічному та медичному.

У соціальному плані розв'язання цих проблем пов'язане з оптимізацією- умов життя, праці, відпочинку, харчування, побуту, розвитком культури, транспорту.

Значне місце у профілактиці розладів здоров'я належить психології праці. Тому заходи, пов'язані з формуванням раціональних колективів, у яких відсутня психологічна несумісність, сприяють зменшенню нервово-психічного перенапруження, підвищенню працездатності та ефективності праці.

Особливої значущості у користувачів відеодисплейних терміналів набуває психоемоційний стрес, який більшою або меншою мірою проявляється у кожного з них.

Розміщення робочих місць з ВДТ ЕОМ і ПЕОМ у підвальних приміщеннях, на цокольних поверхах заборонено.

Площа на одне робоче місце становить не менше ніж 6,0 м, а об'єм - не менше ніж 20,0.м.

Приміщення для роботи з ВДТ повинні мати природне та штучне освітлення відповідно до СНиП ІІ-4-79.

Природне освітлення має здійснюватись через світлові прорізи, орієнтовані переважно на північ чи північний схід, і забезпечувати коефіцієнт природної освітленості (КПО) не нижче, ніж 1,5%.

Виробничі приміщення повинні обладнуватись шафами для зберігання документів, магнітних дисків, полицями, стелажами, тумбами тощо, з урахуванням вимог до площі приміщень.

У приміщеннях з ВДТ слід щоденно робити вологе прибирання.

Приміщення з ВДТ мають бути оснащені аптечками першої медичної допомоги.

При приміщеннях з ВДТ мають бути обладнані побутові приміщення для відпочинку під час роботи, кімната психологічного розвантаження. В кімнаті психологічного розвантаження слід передбачити встановлення пристроїв для приготування й роздачі тонізуючих напоїв, а також місця для занять фізичною культурою (СНиП 2.09.04.-87).

Гігієнічні вимоги до параметрів виробничого середовища приміщень з ВДТ.

Гігієнічні вимоги до параметрів виробничого середовища включають вимоги до параметрів мікроклімату, освітлення, шуму і вібрації, рівнів електромагнітного та іонізуючого випромінювання.