12
Оглавление
Введение
1. Обзорно-аналитическая часть
1.1 Анализ электромагнитных датчиков угловых перемещений вала
1.1.1 Емкостные датчики
1.1.2 Фотоэлектрические датчики
1.1.3 Электромагнитные датчики
1.1.4 Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)
1.2 Анализ способов преобразования сдвига фаз сигналов в код
2. Сравнение амплитудного и фазового методов измерения
1.3 Анализ способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз
1.3.1 Метод бегущей стробирующей метки
1.3.2 Импульсный метод
1.3.3 Интегрированное преобразование сдвига фазы в код
1.3.4 Однократное измерение значения сдвига фаз
2. Функциональная часть
2.1 Расчет метрологических параметров
2.1.1 Диапазон преобразований
2.1.2 Способ представления выходной информации
2.1.3 Разрешающая способность
2.1.4 Максимальное время преобразования
2.1.5 Максимальная частота вращения вала
2.2 Разработка функциональной схемы преобразователя
2.3 Моделирование преобразователя
2.4 Разработка принципиальной схемы преобразователя на микроконтроллере
2.4.1 Типы программируемых плат
2.4.2 Особенности микроконтроллера Atmega 328
2.4.3 Схемотехническое моделирование преобразователя на микроконтроллере
2.4.4 Разработка программного модуля индикации угла для микроконтроллера
2.4.5 Разработка программного модуля преобразования фазы в код для микроконтроллера
2.4.6 Сборка и настройка макетного образца преобразователя
3. Экспериментальные исследования преобразователя
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Введение
Устройства промышленной автоматики и робототехники строят на основе цифровых вычислительных систем, которые обеспечивают высокую точность и быстродействие обработки информации. Их параметры развиваются высокими темпами. Растут также и требования к точности данных и скорости работы для подобных систем.
Электронные устройства, схемы и алгоритмы для индикации поворота вала, созданные еще в прошлом веке, до сих пор используются и усовершенствуются с применением более современных компонентов. Потребность в таких устройствах обусловлена широкой областью применения и многообразием особенностей приборов и систем, где используются измерительные системы. Измерительные преобразователи классифицируют по месту в измерительной цепи:
· Первичный измерительный преобразователь испытывает прямые воздействия измеряемых физических величин;
· Датчик является первичным преобразователем, предназначенным для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи и дальнейшего преобразования;
· Детектор используется при измерениях ионизирующих излучений;
· Промежуточный измерительный преобразователь занимает место в цепи после первичного преобразователя [1].
Для измерения угла поворота вала и его преобразования в электрический сигнал используют различные датчики, в том числе электромагнитные.
Датчики такого типа обладают рядом преимуществ: относительная простота конструкции, механическая прочность, возможность работать как в малых, так и в больших диапазонах, что расширяет области применения электромагнитных датчиков.
Электромагнитные датчики находят применение в областях, где требуется точное измерение угловых перемещений: машиностроение, авиация, энергетика, измерительные комплексы.
Анализ существующих на рынке моделей и схем для преобразования сигналов электромагнитного датчика в код привел к выводу о целесообразности разработки преобразователя, являющегося универсальным для различных типов первичных преобразователей и предоставляющим возможность дальнейшего изменения параметров в программном коде.
Изменяемыми параметрами преобразователя могут быть коэффициент электрической редукции, разрешающая способность, количество каналов системы, режимы грубого и точного отсчета, режимы работы синусно-косинусного вращающегося трансформатора. Преобразователь, соответствующий таким требованиям, должен быть разработан на основе микроконтроллерной системы.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка циклического преобразователя модулированных по фазе выходных сигналов электромагнитного датчика угловых перемещений вала в код. Преобразователь должен соответствовать следующим техническим требованиям:
Выходной код: 16-разрядный с фиксированной точкой;
Частота сигналов: 100 Гц;
Диапазон сдвига фазы 0..360 угловых градусов;
Элементная база для моделирования - из библиотеки MicroCAP;
Предоставление результатов работы преобразователя на LCD экране.
На основании поставленной цели, задачами дипломной работы являются:
Анализ способов преобразования сдвига фаз сигналов в код;
Анализ способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз;
Расчет метрологических параметров преобразователя;
Разработка функциональной схемы преобразователя;
Моделирование преобразователя;
Разработка принципиальной схемы преобразователя на микроконтроллере;
Разработка программного модуля преобразования фазы в код для микроконтроллера;
Разработка программного модуля индикации угла для микроконтроллера;
Сборка и настройка макетного образца преобразователя;
Экспериментальные исследования преобразователя.
Результатами данной работы является модель в программе MicroCAP, электрическая схема подключения макетной платы с микроконтроллером, функциональная схема преобразователя в программе MicroCAP, алгоритм преобразования сигналов в код, программа на языке C++.
1. Обзорно-аналитическая часть
1.1 Анализ электромагнитных датчиков угловых перемещений вала
В настоящее время выпускаются датчики угловых перемещений, основанные на емкостном, фотоэлектрическом, электромагнитном способах преобразования угла поворота вала в электрические сигналы.
1.1.1 Емкостные датчики
Одним из распространенных видов датчиков измерения угла являются датчики, работающие по принципу преобразования измеряемых величин в емкость между электродами конденсатора. Причина широкого использования датчиков такого типа в их повышенной чувствительности к измеряемому параметру и малой стоимости. Первичный преобразователь емкостного датчика состоит из двух металлических электродов, которые являются обкладками конденсатора. Также частью конструкции является автогенератор высокой частоты. При изменении углового положения вала меняется емкость конденсатора, а генератор в свою очередь формирует колебания с амплитудой частотой, которые зависят от положения объекта. Изменение амплитуды обрабатывается электронной схемой и создается выходной сигнал.
Рис. 1. Типовая схема емкостного датчика
Как правило, в разных реализациях таких датчиков используется только один из вышеперечисленных изменяемых параметров. Емкостные датчики ввиду своей конструкции обладают серьезным недостатком -- высокая чувствительность к изменениям влажности и воздействию статического электричества.
1.1.2 Фотоэлектрические датчики
Наибольшую точность преобразования перемещений вала обеспечивают фотоэлектрические датчики угла поворота. Такие датчики используются в оптико-электронных приборах для высокоточных измерений угловых или линейных перемещений. Принцип работы фотоэлектрических датчиков заключается в использовании фотоэффекта для измерения необходимых параметров. В конструкцию датчика входят источник излучения, оптический модулятор и фотоприемник. Чувствительность датчиков такого типа зависит от растров, которые модулируют поток излучения.
Рис. 2. Принцип работы фотоэлектрического датчика отражений объекта
Несмотря на свою универсальность и точность, фотоэлектрические датчики обладают также и рядом недостатков: нестабильная работа в среде с повышенным уровнем влажности, чувствительность к вибрациям. Использование таких датчиков может быть мотивированно спецификой решаемой задачи, например, если точности датчиков другого типа недостаточно, а условия среды позволяют избежать помех.
1.1.3 Электромагнитные датчики
В системах автоматики наиболее часто применяют электромагнитные датчики измерения угла. Модуляция выходных сигналов осуществляется за счет изменения взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора. Электромагнитные датчики уступают емкостным в чувствительности, но превосходят в показателях надежности и выходной мощности. Конструкция датчика состоит из элементов магнитной цепи (сердечника или якоря) и элементов электрической цепи (обмотки). Принцип работы таких датчиков обеспечивает высокую чувствительность к изменениям углового положения ротора. К достоинствам электромагнитных датчиков следует отнести их вибропрочность и надежность. Выпускаются датчики следующих типов: сельсины, синусно-косинусные двухполюсные вращающиеся трансформаторы, многополюсные вращающиеся трансформаторы (редуктосины), многополюсные воздушные вращающиеся трансформаторы (индуктосины).
1.1.4 Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)
Среди электромагнитных датчиков измерения угла поворота стоит выделить синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ). Такие датчики наиболее распространены в навигационных и измерительных системах передачи угла высокой точности. СКВТ способен вырабатывать напряжение по определенной функциональной зависимости от угла поворота (в зависимости от режима работы).
СКВТ имеет малую чувствительность к паразитным емкостям и внешним электрическим полям в сравнении с емкостными преобразователями.
Конструкция представляет собой трансформатор, состоящий из корпуса 1, шихтованного сердечника статора 2 с обмотками 3, шихтованного сердечника ротора 4 с обмотками 5, контактных колец 6 и щеток 7.
Рис. 3. Конструкция СКВТ
Статор состоит из обмотки возбуждения и компенсационной обмотки. Обмотка возбуждения подключается к источнику переменного тока, Схема включения компенсационной обмотки может отличаться в зависимости от разных реализаций СКВТ.
При повороте ротора меняется взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора по определенной функциональной зависимости.
Контакт с обмотками ротора происходит при помощи щеток и контактных колец, либо при помощи спиральных пружин в зависимости от режима поворота СКВТ.
В настоящее время наиболее распространены бесконтактные СКВТ. Для передачи сигнала с ротора в них используются кольцевые трансформаторы.
Различают два режима работы СКВТ:
Режим пульсирующего поля;
Режим вращающегося поля.
В режиме пульсирующего поля используется только одна из двух обмоток статора. На нее подается ток, создающий магнитный поток. Магнитный поток сцепляется со вторичной обмоткой, расположенной на статоре и происходит индукция. Положение вторничной обмотки зависит от угла поворота. Возникающая при этом э.д.с. -- параметр, зависящий от положения вторничной обмотки и, следовательно, от угла поворота. При холостом режиме работы индуцируется напряжение на одной из роторных обмоток
,
где U--выходное напряжение,
-- максимальное значение напряжения (при угле в 90),-- круговая частота тока питания,
-- время,
-- угол поворота.
На второй обмотке ротора индуцируется напряжение
.
В режиме вращающегося поля питание подается на обе обмотки статора, пространственно сдвинутые на 90. В первой обмотке ротора индуцируется э.д.с., вызванное электромагнитными полями первой и второй обмоток статора. Получение фазомодулированного сигнала в режиме вращающегося поля можно описать формулой:
Таким образом, напряжение при изменении угла поворота происходит фазовая модуляция выходного напряжения роторной обмотки относительно любого из напряжений, питающих обмотки статора.
Важно уточнить, что в идеальном случае выходные напряжения трансформатора изменяются по синусоидальному и косинусоидальному законам, но в реальных условиях возникают отклонения напряжений от номинальных значений. Процесс преобразования угла поворота в сдвиг фазы сопровождается погрешностями, которые зависят от технологических погрешностей изготовления деталей электромагнитной системы СКВТ (инструментальные погрешности).
1.2 Анализ способов преобразования сдвига фаз сигналов в код
Преобразование сдвига фазы в код является промежуточным преобразованием между датчиком поворота и вычислительным устройством. Для таких преобразований существуют различные методы реализации, отличающиеся динамической и статической точностью преобразования, скоростью преобразования и совместимостью с другими компонентами системы преобразования. При разработке преобразователя сигналов датчика в код необходимо выбрать оптимальный метод преобразования сдвига фаз сигналов в код в зависимости от технических и функциональных требований к разрабатываемой системе.