В таком случае
Коэффициент , определяющий долю заданной погрешности - по критерию пренебрежимых погрешностей .
В соответствии с выбранными параметрами, рассчитаем допустимое значение погрешности вычисления управляющего воздействия как
.3)
При получим .
По требуемой точности и диапазону измерения угла отклонения от положения равновесия выберем однооборотный шифратор FHVS 58.
Рассчитаем разрядность АЦП:
. (4)
Следовательно, АЦП должен иметь не менее 10 разрядов.
Величина младшего разряда АЦП:
(5)
Находим разрядность ЦАП:
(6)
Следовательно, ЦАП должен иметь не менее 6 разрядов.
4.3 Выбор датчика угла поворота зонда
В качестве датчика угла поворота руки манипулятора, несущей датчик термозонда, выберем потенциометрический датчик модели 8820, так как он является точным и недорогим и применим практически во всех случаях, где требуется аналоговое измерением углов поворота до 350°.
Внешний вид датчика модели 8820 показан на рисунке рис. 18, а его технические характеристики приводятся ниже.
Рисунок 18 - Потенциометрический датчик модели 8820
Чувствительный элемент потенциометрических датчиков угла поворота выполнен с высокой точностью, износостойкий резистивный элемент изготовлен из пластика. Благодаря высокой стойкости к истиранию, данные датчики угла поворота являются особенно подходящими для измерений с целью контроля качества в длительных производственных процессах, где требуется большой ресурс и большое число циклов поворота. В потенциометрическом чувствительном элементе угла поворота применены многоточечные ползунки с контактами из драгоценного металла. Это гарантирует хороший контакт, высокие скорости поворота и стойкость к вибрации.
Резистивный элемент высокой точности изготовлен с использованием технологий лазерного контроля и имеет превосходную однородность. Это обеспечивает идеальные условия большого ресурса датчиков угла поворота. Вал из нержавеющей стали имеет узкие пределы допуска, шарикоподшипники с малым трением из нержавеющей стали с двойными уплотнителями.
Типичные области применения датчиков данного типа:
· обратная связь по положению в следящих системах;
· маятниковые взвешивающие машины;
· положение при нарезании резьбы;
· регуляторы направляющих шкивов
· измерение напряжения нитей и лент
· тригонометрические измерения в соединениях
· Измерительный диапазон 350°
· Нелинейность 0.5%
· Ресурс 100 x 106 циклов
· Малый момент реакции
· Доступны продолжительные повороты
· Невысокая стоимость
· Опции: класс защиты IP65, нелинейность 0.05%
4.4 Технические данные датчика модели 8820
o Сопротивление изоляции: > 100 M? при 500 В, 2 с
o Испытание на пробой: 500 В ~, 50 Гц, 2 с
o Условия окружающей среды
o Рабочий диапазон температур: - 55 °C ... +100 °C
o Температурный дрейф сопротивления: max. -200 ± 200 ppm/K
o Температурный дрейф выходного сигнала: < 1.5 ppm/K
Таблица 1. Электрические характеристики
|
Максимальное рабочее напряжение: |
50 В |
|
|
Сопротивление: |
4.7 k? |
|
|
Отклонение сопротивления: |
± 20 % |
|
|
Рекомендованный ток на ползунке (рис 1): |
< 0.1 µA |
|
|
Максимальный ток на ползунке: |
10 mA |
|
|
Потребляемая мощность при 40 °C (0 Вт при 125 °C): |
3 Вт |
Механические характеристики:
o Измерительный диапазон: 350° ± 4° Нелинейность: < ± 0.5 % п.ш.
o Гистерезис < 15" угла измерения
o Разрешение: 0.01°
o Область вращения: 360° по часовой стрелке, в диапазоне измерений -
o любом направлении
o Момент реакции: < 0.2 Н см
o Установившееся скорость: max. 600 об/мин
o Осевая нагрузка на вал:max. 2.5 Н
o Радиальная нагрузка на вал: max. 2.5 Н
o Вибрация:5 Гц ... 2 кГц, max. 20 g / max. 0.75 мм
o Ударостойкость: 50 g, 11 mс
o Ресурс: > 100 x 106циклов при токе на ползунке < 0.1 µA
o Подшипники: прецизионные, с двойной защитой,
o изготовлены из нержавеющей стали
o Материал корпуса: анодированный алюминий
o Вал: нержавеющая сталь AISI 316
o Электрическое подключение (см. рис 19.):
o 3 позолоченных контакта под пайку
o Класс защиты, согласно EN 60529: IP40
o Вес: 90 г
Рисунок - 19 Габаритные размеры датчика модели 8820
Аксессуары датчика модели 8820.
1 комплект зажимов с винтами модель 8820-Z001
Рисунок - 20 Схема подключения датчика модели 8820
Рисунок - 21 Схема установки датчика модели 8820
Примечание: Технические указанные данные действительны, если только датчики используются должным образом. Их качественные характеристики сохраняются при токе ползунка в делителе напряжения не более 0,1 µA. Если измерительная цепь имеет более высокий ток, необходимо использовать операционный усилитель со входным током не Iвх < 0,1 µA.
4.5 Алгоритм работы устройства управления
Управление приводом системы стабилизации предлагается осуществлять микроконтроллерным блоком (МКБ), в задачи которого входит опрос датчика угла крена маятника, выработка управляющего воздействия и непосредственное управление приводом угла крена.
Микроконтроллерный блок имеет в своем составе:
· микроконтроллер (МК);
· цифровой следящий привод (ЦСП).
Рисунок - 22 Функциональная схема системы управления приводом
На (рис. 22) приняты следующие обозначения: PORT - параллельный порт ввода-вывода; МП - микропроцессор; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; МК - микроконтроллер; ШИП - широтно-импульсный преобразователь; ЛПУ - логическое переключающее устройство; БУР - блок управления реверсом; УМППД - усилитель мощности правого плеча двигателя; УМЛПД - усилитель мощности левого плеча двигателя; М - привод управления углом крена маятника; Д - датчик угла крена маятника.
После включения устройства управления, режим запуска устанавливается по сигналу , микроконтроллер выполняет процедуру инициализации внутренних переменных, внутренних и периферийных устройств. Если оборудование неисправно, то вырабатывается сигнал неисправности и устройство управления (УУ) останавливается. При успешной инициализации разблокируется () прохождение сигнала от таймера и по условию, где в момент поступления сигнала синхронизации, УУ переходит в режим подготовки, т.е. выполняется настройка таймеров, настройка широтно-импульсного модулятора, инициализация UART-интерфейса, настройка портов. В этом режиме, посредством UART-интерфейса, В раз считывается и запоминается показания датчиков, привязанные ко времени . После считывания и запоминания показаний датчиков, УУ проверяет сигналы на достоверность. При выявлении недостоверных показаний вырабатывается сигнал внештатной ситуации , по которому принимаются решения о дальнейших действиях. Если сигналы достоверные, то принятые от датчиков данные расшифровываются и преобразуются таким образом, чтобы их можно было подать на вход регулятора. Вычисленные регулятором управляющие воздействия, кодируются в соответствии с размером разрядной сетки широтно-импульсного модулятора, и записываются в его регистр сравнения. Импульсы, сформированные на выходе ШИМ подаются на усилитель, что приводит к пуску привода стабилизации положения руки манипулятора. Далее происходит опрос датчиков, и цикл повторяется.
.
Рисунок - 23 Схема установки датчика угла поворота термозонда
4.6 Выбор микроконтроллера
Микроконтролер Atmega2560 [11]
Формирование управляющего воздействия согласно ранее синтезированному закону управления будем осуществлять при помощи микроконтроллера. Для этого необходимо выбрать микроконтроллер.
В качестве критериев выбора определим следующие:
· Доступность. От этого критерия на прямую зависит скорость разработки конечного устройства, а также возможности его модернизации и оперативного ремонта.
· Стоимость. Т.к. микроконтроллер является основным вычислительным элементом устройства, от его стоимости будет напрямую зависеть себестоимость конечного устройства.
· Функциональные возможности. Широта функциональных возможностей выбираемого микроконтроллера должна: во-первых, удовлетворять требованиям синтезируемого устройства. Во-вторых, должна иметь некоторый запас, позволяющий в дальнейшем производить модернизацию оборудования путем замены только лишь программы микроконтроллера.
· Достаточное быстродействие для выполнения всех необходимых вычислений.
Рисунок - 24 Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 построена на микроконтроллере ATmega2560. Платформа содержит 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. Arduino Mega 2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Duemilanove или Diecimila.
Спецификация:
*Микроконтроллер ATmega2560
* Напряжение питания 5В
* Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12В
* Входное напряжение (предельное) 6-20В
* Цифровой ввод-вывод 54 линии (14 из них = ШИМ)
* Аналоговый ввод 16 линий
* Постоянный ток на линиях ввода-вывода 40мА
* Постоянный ток на линии 3.3В 50мА
* Flash-память 256КВ, 4 КВ из них использованы для загрузчика
* SRAM-память 8КВ
* EEPROM-память 4КВ
* Тактовая частота 16МГц
Рисунок - 25 Диаграмма контроллера Atmega2560
Особенности:
По datasheet (описанию), все контроллеры Atmega обладают следующими особенностями:
· Низкомощным высокопроизводительным 8-зарядным микроконтроллером типа AVR (причем, и у моделей класса Atmega168 20au, и Atmega168 20au).
· Усовершенствованной архитектурой типа RISC (плата всегда ей соответствует).
· Микроконтроллером. Datasheet (описание) говорит, что их 135 у каждой модели.
· Платой и распиновкой, которые обеспечивают выполнение практически всех инструкций в течение 1 цикла.
· Каждый микроконтроллер серии, от самых первых, например, Atmegar3, до наиболее современных (Atmega328 или Atmega2561 rev3), характеризуется полностью статическими темпами работы.
· Огромной производительностью, как утверждает datasheet (описание). При частоте в 16 мегагерц производительность будет равняться 16 миллионам операций за 1 секунду.
Рисунок - 26 микроконтроллер
Контроллер Atmega2560
Встроенным 2-тактным устройством для умножения.
· Платой и распиновкой, позволяющими содержание опционального сектора для загрузки с раздельными защитными битами.
· Внутрисистемно программируемой флеш-памятью. Согласно информации из datasheet (описанию), ее объем может равняться 64, 128 или 256 килобайтам.
· Износостойкостью памяти, составляющей 10 000 циклов типа «запись/уничтожение».
· Возможностью платы самопрограммироваться любой другой программой, которая находится в загрузочном секторе.
· Способностью микропроцессора поддерживать режим чтения во время записи.
· Ёмкостью внешнего пространства для программирования одного микропроцессора -- 64 килобайта.
· Микрочипом, позволяющим пользователю самостоятельно программировать его защиту (актуально для всех версий: от первых, например, Atmegar3, до современных: Atmega328 или Atmega2561 rev3).
Рисунок - 27 Блок схема микроконтроллера Atmega2560
Общее описание
ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 - маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, выполненный на основе AVR-ядра с RISC-архитектурой. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 достигает производительности 1 млн. операций в секунду при тактовой частоте 1 МГц.
AVR ядро объединяет богатый набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к АЛУ (арифметико-логическое устройство), что позволяет указывать два регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода и в 10 раз большей производительностью по сравнению с CISC микроконтроллерами.
ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 содержит следующие узлы: 64/128/256 кбайт внутрисхемно-программируемой флэш-памяти с возможностью чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 8 кбайт статического ОЗУ, 54/86 линий ввода-вывода, 32 рабочих регистра общего назначения, часы реального времени, шесть гибких таймеров-счетчиков с режимами сравнения и ШИМ , 4 УСАПП, 2-проводной последовательный интерфейс с побайтной передачей, 16-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входным каскадом и программируемым усилением, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, JTAG интерфейс для сканирования адресного пространства, реально-временной отладки и программирования, а также шесть программно настраиваемых режимов управления энергопотреблением. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но оставляет в работе статическое ОЗУ, таймеры-счетчики, порт SPI и систему прерываний. Режим пониженного потребления (Power-down) сохраняет содержимое регистров, но останавливает генератор, выключает все встроенные функции до появления следующего запроса на прерывание или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работать, позволяя пользователю его использовать, а остальные устройства отключены. В режиме снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливается ЦПУ и все модули ввода-вывода, за исключением асинхронного таймера и АЦП, тем самым минимизируется влияние цифрового шума на результат преобразования В дежурном режиме (Standby) генератор на кварцевом резонаторе запущен, а остальная часть отключена. Данный режим позволяет реализовать быстрый запуск в комбинации с малым потреблением. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) и основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.