DC-Tacho DCT 22, 0.52 Volt

Аналоговыми входами являются 4 оптических датчика позиционирования, 6 каналов силомоментного датчика, датчики положения и скорости гидроприводов.

Определение полосы пропускания для оптических датчиков:

Оптические датчики, как видно из приведенных характеристик, обладают и аналоговыми, и цифровыми выходами. Они излучают свет с длиной волны 632 нм и получают отраженное излучение этой же длины волны.

Аналоговый выход может выдать сигналы разной формы в зависимости от траектории движения кисти. Если система находится в режиме коррекции угла наклона кисти, сигналы имеют форму последовательности трапеций, а в режиме коррекции положения - релейную характеристику.

Выдвинем условия и требования:

1. В режиме коррекции угла наклона оптические датчики передают информацию каждый 1 градус.

2. Скорость движения штока гидроцилиндра в этом режиме

3. Человек-оператор грубо подводит кисть манипулятора не ближе чем на 50 мм и не дальше чем на 175 мм от рабочей поверхности; угол наклона к ней должен быть не более 15^о

4. Показатель преломления воды n = 1,33

5. Излучение передается импульсами длиной 10 мкс с периодичностью раз в =100 мкс

Монохромное излучение имеет синусоидальную форму с частотой

, где - длина волны излучения, V - скорость света в воде

Скорость света в воде V = , где с = 3*10^8 - скорость света в вакууме, n = 1,33 - показатель преломления.

Следовательно,

V = (3*10^8)/1,33 = 2,31*10^8 м/с,

Гц

Рассчитаем требуемую частоту подачи сигналов в режиме корректировки угла наклона схвата и убедимся, что заявленной частоты достаточно для этого. Рассчитаем скорость качания. При скорости движения штока гидроцилиндра и радиусе неподвижного зубчатого колеса угловая скорость колеса следовательно

- время полного поворота.

Тогда время поворота на 1 градус для одного датчика

с

Учитывая, что датчики срабатывают последовательно, общее требуемое время

с

Тогда требуемая частота подачи импульсов по первому условию

кГц

рад/с

Найдем максимальную частоту сигнала для режима коррекции положения кисти. Тогда расстояние, потребное для приема-передачи излучения, составить l = 100 мм. Время приема-передачи

c

Если излучение передается импульсами длиной 10 мкс, то длина импульса

c.

По 5 условию импульсы подаются раз в 100 мкс, то есть . Во время задержки между импульсами будут работать другие три датчика, поэтому задержка между сигналами четырех датчиков составит

c.

Максимальная частота периодического сигнала

КГц

Из расчетов следует, что текущие параметры не удовлетворяют 1 условию. Для получения информации от каждого градуса поворота нужна максимальная частота не менее 30 кГц. Чтобы 1 условие удовлетворялось, изменим условие 2. Мы вправе это сделать, так как ТЗ не предъявляет жестких требований к скорости работы системы. Понижаем скорость штока гидроцилиндра в 4 раза до 2.5 см/с. Повторив приведенные расчеты, можно убедиться, что требуемая частота удовлетворяет условию и составила

кГц

рад/с

Определение полосы пропускания для каналов силомоментного датчика:

График величины момента закрутки в различные моменты времени имеет типичный вид, который показан на рис.1

Очевидно, это не периодическая функция. Как известно, аналоговый фильтр применяется для периодических высокочастотных сигналов, чего здесь нет. Но для отсечения высокочастотных помех можно поставить RC-цепочку.

Выбор частоты дискретизации:

Найдем требуемую частоту дискретизации для оптических датчиков, исходя из полученных частотных параметров сигнала. Как известно из теоремы Котельникова, для того, чтобы аналоговый сигнал мог быть оцифрован и восстановлен, необходимо и достаточно, чтобы частота дискретизации была больше удвоенной верхней частоты аналогового сигнала, то есть выше кГц.

Но при этом нужно учесть, что сигналы будут приходить с четырех датчиков, а АЦП, обслуживающий их, может преобразовывать лишь один канал. И нам важно получать информацию не со всего периода сигнала, а с той части, в которой этот сигнал есть. Как мы определили, полезный сигнал занимает первые 10 мкс периода. Из теоремы Котельникова следует, что для полного восстановления сигнала нужно снять сэмпл как минимум один раз за этот период. Тогда кГц.

АЦП выбранного микроконтроллера позволяют делать миллионы сэмплов в секунду, поэтому они легко перекрывают это требование. Тем не менее, не стоит делать частоту дискретизации слишком большой, так как это нагружает вычислительные мощности микропроцессора. Выбираем частоту дискретизации 250 кГц.

Выбор фильтра для оптических датчиков:

Аналоговые каналы оптических датчиков могут формировать периодические сигналы достаточно высокой частоты, поэтому для них целесообразно спроектировать аналоговый фильтр низких частот. После АЦП потребуется цифровая фильтрация. В данном случае хороший результат даст метод вычитания спектров.

В нашем случае наибольшую роль играет амплитуда полученного сигнала. Среди типовых аналоговых фильтров наиболее плоская характеристика АЧХ на полосе пропускания у ФНЧ Баттерворта. Так как характеристики сигнала у всех четырех каналов абсолютно одинаковы, логично, что предпочтительным способом подключения является подключение всех каналов к одному аналоговому фильтру.

Попробуем реализовать такую схему для ФНЧ Баттерворта 6-го порядка, построенного по схеме Саллена-Кея. В качестве способа переключения используем мультиплексоры, способные поочередно выбирать один подключенный канал и соединять его с фильтром. Предложенная схема показана на рис.?

К сожалению, такая схема не является работоспособной. Переходные процессы в фильтре занимают достаточно большое время. К тому времени, когда потребуется переключение на другой канал, переходной процесс в результате прошлого воздействия будет еще далек от завершения. На рис.? представлены графики переходных процессов ФНЧ Баттерворта для разных порядков.

Отсюда очевидно, что при скорости переключения каналов раз в 25 мкс, когда будет пора переключаться на следующий канал, ФНЧ будет только в начале процесса отработки сигнала от предыдущего.

Поэтому приходится ставить фильтр на каждый канал. Чтобы схема не становилась слишком громоздкой, приходится обойтись ФНЧ низкого порядка, так как на каждые два порядка приходится ставить новое звено, причем на каждом канале. Поэтому мы ограничимся ФНЧ Баттерворта 2-го порядка, а более тщательную фильтрацию возложим на цифровые фильтры микроконтроллера.

Выбор выходных транзисторов

В качестве выходных транзисторов будем применять МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник, англ. MOSFET, или metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Такие транзисторы оптимальны при работе с низкими напряжениями и на сравнительно высоких частотах (а для двигателей, применяемых в КП это U = 27…80 В и fШИМ 20кГц ).

Подавляющее большинство приборов по МОП технологии выполняется так, что образуется так называемый паразитный диод между истоком и стоком (показан на рисунке). Избавление от этого диода сопряжено со значительными технологическими трудностями, поэтому с ним научились мириться и даже использовать в схемотехнических решениях. Такой паразитный диод называют антипараллельным ввиду его способа включения относительно выводов транзистора. Транзисторы оконечного каскада выбираются по следующим параметрам:

1. максимальный ток стока ICmax;

2. максимальное напряжение сток-исток UСИmax ;

3. максимальное значение мощности рассеяния PРmax.

Выбираем транзисторы AUIRF2907ZS-7P, Auto Q101 Nкан 75В 180А [D2PAK-7] и IRLZ44n с параметрами:

,

,

После выбора транзистора по максимальному току и напряжению следует проверить максимальную рассеиваемую мощность транзистора (мощность потерь)

Выбор драйвера

При выборе драйвера следует ориентироваться на следующие параметры:

номинальное выходное напряжение драйвера

номинальный выходной ток драйвера

максимальное напряжение смещения сигнала верхнего уровня

Выходное напряжение драйвера должно соответствовать напряжению открытия транзистора, приводимому в документации на него.

Диапазон допустимых напряжений затвор-сток в документации на транзистор называется .

;

Максимальный требуемый выходной ток управления рассчитывается по формуле

Где полный заряд затвора,

Параметр в документации на транзистор называется

Для транзистора AUIRF2907ZS-7Pн

Тогда для управления транзистором потребуется ток драйвера:

;

Выбираем драйвер ключей нижнего и верхнего уровней IRS2186SPBF с параметрами:

;

;

;

Максимальное напряжение смещения сигнала верхнего уровня драйвера должно удовлетворять условию

Для драйвера IRS2186SPBF

Диод выбирается по следующим параметрам:

тип диода -- с барьером Шоттки;

обратное напряжение на диоде

прямой ток через диод

Выбираем диод 1N5711.

Выбор микроконтроллера

Для управления гидроприводами микроконтроллер должен обеспечивать:

1. связь с задающим устройством верхнего уровня (например, с ПК);

2. цифровая фильтрация сигналов с датчиков и скорости;

3. расчет управляющих сигналов 4. формирование двух- или трехфазных ШИМ-сигналов частотой 20 кГц и скважностью

0…4095 (как минимум);

Основные маркетинговые требования, предъявляемые к микроконтроллеру:

1. разрядность -- 32 бита;

2. частота тактирования -- не менее 72 МГц;

3. наличие таймера с двумя или тремя (в зависимости от числа фаз двигателя) каналами ШИМ;

4. наличие независимых интерфейсов, на основе которых будет подключен датчик положения (интерфейс RS-485) и задающее устройство верхнего уровня (интерфейс CAN)

Выберем 32-разрядный микроконтроллер STM32F429VGT6. Он способен поддерживать необходимую периферию, и имеет максимальную частоту тактирования 168 МГц, что удовлетворяет требованиям курсового проекта.

Заключение

Для создания системы управления были сделаны необходимые функциональные схемы, позволившие определить требования, предъявляемые к системе управления. Было написано техническое задание, определена конфигурация системы управления кисти манипулятора, выбраны составные части системы и сделаны необходимые расчеты.

Основной частью работы является система управления, взаимодействующая с подобранным оборудованием. В программе Altium Designer была спроектирована и рассчитана электронная плата. Была выполнена трассировка и получена трехмерная модель платы.

Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для дипломной работы магистра.

Список литературы

1. «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем»;сост. Н. С. Слободзян. 33 с.

3. Усатенко С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: справочник / С.Т.Усатенко, Т.К.Каченюк, М.В.Терехова. М.: Изд-во стандартов, 1989. 325 с.

4. Положение по содержанию, оформлению, организации выполнения и защиты курсовых проектов и курсовых работ.

5. Веб сайт chipdip.ru; ЗАО «ЧИП и ДИП» -- Приборы, Радиодетали и Электронные компоненты.

Приложение 1