CC BY
409
GENERALIZED STRUCTURE OF THE COMPLEX INTELLECTUAL TRAINING OF
RESPIRATORY EFFECTS
N. V. Ivakhno
The basic circuit design solutions and intellectual fitness equipment, taking into account the impact of the interaction of components biotechnical system "breathing simulator -the patient."
Key words: breathing simulator, adjustable throttle, contour self, the adjustment
work.
Ivakhno Natalia Valerievna, candidat of technical science, docent, nata-lia_iv@list.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.518.3
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА В МАЛОГАБАРИТНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ
В.С. Ивахно С. А. Войтицкий
Рассмотрен пример реализации цифровой системы компенсационной типа цифрового преобразователя угла для двухотсчетного датчика углового положения антенны малогабаритной РЛС. Выполнено моделирование и синтез цифровой системы аналого-цифрового преобразователя угла на основе DSP-микроконтроллера.
Ключевые слова: синусно-косинусный датчик угла, система компенсации, цифровая система управления.
До последнего времени для осуществления перемещения луча антенны в малогабаритных РЛС применялось перемещение антенны с помощью антенного привода, к которому предъявлялись высокие требования к динамическим и точностным перемещениям. В настоящее время в малогабаритных РЛС широкое применение получило электронное сканирование луча антенны, что позволяет избежать высоких требований к приводу антенны и обладает большой гибкостью. Общеизвестно, что в точности определении азимутальных координат объекта значительную роль играет точность определения азимута биссектрисы поиска малогабаритной РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР) на которую действуют дестабилизирующие факторы. Это обстоятельство позволяет считать, что для достижения поставленной цели и обеспечения высокой точности определения координат объекта при снижении требований к приводу ФАР к цифровому преобразователю угла, построенному по принципу "угол-параметр-код" на
индукционном синусно-косинусном датчике угла типа синусно-косинусный вращающий трансформатор предъявляются высокие требования по точности и скорости определения углового положения ФАР. Уменьшение массогабаритных и энергетических показателей системы управления приводом и измерения азимутального положения биссектрисы поиска ФАР малогабаритной РЛС является актуальной задачей. Как правило, аналого-цифровые преобразователи угла компенсационного типа строятся на аналоговых элементах, коррекцию и преобразование в параллельный интерфейс выполняет низкопроизводительный микроконтроллер. В настоящее время производительность современных DSP микроконтроллеров достигла такого уровня, что позволяет на одном микроконтроллере выполнить сложное преобразование сигналов с датчика угла в цифровой код и решить задачу построения малогабаритной системы управления для привода антенны.
Для реализации азимутального электропривода ФАР малогабаритной РЛС были определены типовые технические требования:
- погрешность определения углового положения нагрузки - не более 3 угл. мин;
- погрешность выведения нагрузки в заданное угловое положение -не более 30 угл. мин при равномерном вращении со скоростью 10 град/с.
В качестве исполнительного устройства был выбран двигатель серии ДПР-42, датчика обратной связи - двухотсчетный вращающийся трансформатор ВТ-100, обеспечивающий погрешность определения углового положения не более 20 угл. сек.
Принцип работы датчика заключается в следующем: на обмотку возбуждения подается модулирующий сигнал sin(œt), на вторичных обмотках появляются два выходных сигнала (синусоидальный и косинусои-дальный). Преобразователь сигнала вращающего трансформатора (resolver-to-digital converter, RDC) декодирует информацию об угловом положении и скорости вращения вала вращающего трансформатора. Амплитуды напряжений с сигнальных обмоток пропорциональны синусу и косинусу угла a.
Usin = sin(a) sin(wt) ; (1)
Ur0s = cos(a) sin(wt) ; (2)
Для использования в составе цифровой системы управления необходима разработка компенсационной схемы определения углового положения согласно следующему алгоритму:
1) Определение компенсационного угла b ;
2) Вычисление синуса и косинуса компенсационного угла;
3) Перемножение тригонометрических функций угла b и сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), снятых с аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), следующим образом:
А = sin(a) ^(р) ; (3)
А = ^(а) sin(р) эт(а)0; (4)
4) Вычитание полученных сигналов для получения модулированного синуса ошибки между компенсационным и реальным углом:
А = sin(a) ^(р) cos(a) sin(р) sm(wí) = sin(a - р) sm(wí); (5)
5) Фазовое детектирование перемножением сигнала несущей:
А = sin(a - р) sm(wí); (6)
6) Фильтрация несущей частоты для получения синуса ошибки:
А4 = sin(a - р). (7)
7) В зависимости от знака и величины синуса ошибки определение компенсационного угла рр (интегрируем ошибку и охватываем всю систему обратной связью).
Последние достижения в области вычислительной техники позволяют выполнить обработку сигналов в цифровом виде, что имеет следующие преимущества:
- лучшие по сравнению с полностью аналоговой реализацией ана-логово-цифрового преобразователя вращающегося трансформатора (АЦПВТ) массогабаритные показатели в связи с отказом от целого ряда элементов - перемножающих цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), ключей, операционных усилителей. Учитывая в нашем случае использование двухотсчетного датчика, выигрыш будет еще более внушительным;
- защита сигналов синусной и косинусной обмотки вращающегося трансформатора от высокочастотных помех реализована с применением цифрового фильтра нижних частот с одинаковой АФЧХ для сигналов синуса и косинуса, что исключает ошибку определения углового положения нагрузки из-за различной фазовой задержки при применении аналоговых ФНЧ в цепях сигнальных обмоток СКВТ;
- возможность решения на том же контроллере прочих задач (в рассматриваемом случае - управления исполнительным устройством электропривода РЛС), что позволяет улучшить массогабаритные характеристики всей системы управления электропривода в целом;
Перемножение сигналов, формирование сигнала ошибки, фазовое детектирование и фильтрация реализуются программно.
Для реализации алгоритма применим Б8Р-микроконтроллер ТМ8320Б28335. Функциональная схема системы управления приводом примет вид (рис.1).
Выберем параметры схемы компенсации. Построим в вычислительной среде МАТЬАВ 8ти1тк линейную модель желаемой системы компенсации 2-ого порядка (рис. 2).
Передаточная функция модели:
5 + К
%ОМП ( 5) = -. (8)
Т52 + 5 + К
Коэффициент усиления K будет определять быстродействие контура, а постоянная времени T - его полосу пропускания, которая выбирается, исходя из частоты несущей (в нашем случае - 2.3 кГц) и динамической ошибки системы компенсации.
Возьмем T=0.0005, с полосой пропускания 1200 Гц.
Импульсный усилитель мощности
Двигатель ДПР-42---
Схема смещения и усиления сигналов
Микроконтроллер ТМ8320Р28335
ПФ
Пульт оператора
Рис. 1. Функциональная схема системы управления приводом РЛС
Рис. 2. Линейная модель системы преобразования сигналов ВТ
Система с передаточной функцией (8) не учитывает ряд нелинейно-стей, свойственных системам компенсации углового положения датчиков ВТ (дискредизацию цифровой системы по времени и по уровню, отработка системой компенсации синуса сигнала ошибки sm(a-p), возможность входа сигналов в ограничение [1]). Поэтому для выбора коэффициента усиления K целесообразно построить нелинейную модель, наиболее соответствующую реальной системе, и уже под нее найти оптимальный коэффициент усиления.
Построим нелинейную модель аналого-цифрового преобразователя сигналов СКВТ на основе DSP-микроконтроллера в вычислительной среде MATLAB Simulink (рис. 3).
Рис. 3. Модель алгоритма преобразования сигналов датчика
в одном канале
Алгоритм обработки сигналов для грубого и точного отсчета идентичен.
Отличия нелинейной модели:
- учтена работа по синусу ошибки;
- учтена дискретизация по времени и по уровню;
- фильтр нижних частот выполнен в виде вычислителя среднего арифметического за 64 отрезка времени дискретизации;
- для фильтрации помех, наводимых импульсным усилителем мощности при выведении нагрузки в заданное положение на АЦП контроллера, введены медианные фильтры по входным сигналам и зона нечувствительности по сигналу ошибки [2];
- при входе сигнала на входе АЦП в ограничение, сигнал ошибки обнуляется, т.к. в этом случае нарушается соотношение синусного и косинусного сигнала;
Общий коэффициент усиления системы будет выглядеть следующим образом:
_ ту ту ту ГГ__ту
ОБЩ - КНОРМ ■ КАЦП ■ К ■ КПРЕОБР ' КУГЛ;
Коэффициент схемы нормирования сигналов датчика к АЦП
КНОРМ -15;
Коэффициент передачи АЦП К дЦП - 4096/3;
Программируемый коэффициент усиления К;
2Р
Коэффициент преобразования код - радиан: Кпреобр --;
32768
Коэффициент углового преобразования Кугл -1/4;
Произведем подбор коэффициента усиления К (табл.1), исходя из
требуемого времени переходного процесса 10 град (<5мс).
Таблица 1
Зависимость времени переходного процесса от коэффициента усиления К
Коэффициент усиления К Время переходного процесса, мс
0,002 3
0,001 7
0,0005 20
При К>0.002 уменьшение времени переходного процесса не происходит, уменьшается устойчивость. Построим при К=0.002 выходные сигналы системы при ступенчатом входном сигнале аВХ = 1 (град) и подаче линейно-нарастающего сигнала V = 10(град / с) (рис. 4).
Максимальная ошибка при равномерном вращении со скоростью 10 град/с составляет 0.6 угл. мин. Таким образом, спроектирована система компенсации, точностные, динамические и массогабаритные характеристики которой полностью удовлетворяют заданным требованиям.
Рассматриваемая система, помимо АЦПВТ, включает в свой состав усилитель мощности полного моста на МОЗБЕТ-транзисторах для управления коллекторным двигателем постоянного тока. В результате воздействия импульсных сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), на входе АЦП микроконтроллера наводятся импульсные помехи, приводящие к определению ложного максимального или минимального кода, что, соответственно, приводит к ошибке определения углового положения. Учитывая, что длительность помехи меньше одного цикла программы, в рассматриваемой системе был применен медианный фильтр, позволивший устранить влияние помех.
Результаты моделирования представлены на рис. 4.
Как показано на рис. 4, применение цифровой фильтрации входных сигналов АЦП является необходимым условием для достижения требуемой погрешности системы компенсации, которая напрямую определяется не только разрядностью АЦП и точностью, с которой вычисляются (или берутся из готовой таблицы) в контроллере синус и косинус компенсированного угла, но и соотношением «сигнал-шум» сигналов на входах АЦП[3].
В табл. 2 приведены сравнительные характеристики разработанной системы управления с серийно-выпускаемыми АЦПВТ.
О И-1-1-«-1-1-1-1-1-1- л.1
О 0 005 0 01 0-015 0 02 0,025 0,03 0.015 0 0* 0 045 0 05 о 0.0О6 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.0* 0.045 0 06
Рис.4. Выход системы компенсации при ступенчатом и линейно-нарастающем сигналах (время дискретизации 0.4мс). (сверху - без медианной фильтрации входных сигналов, снизу - с медианной фильтрацией)
Таблица 2
Сравнительные характеристики АЦПВТ
Типы АЦПВТ
Характеристика Разработанная система 2602ПВ1ВП АЦПВТ-12П-О2
Кол-во отсчетов 2 1 2
Разрядность 12 12 12
Габариты 120x90x12 40x60x16 135x150x22
Масса, г 80 40 100
Потребляемая мощность 2,5 Вт 3,3 Вт 3 Вт
Как показано в табл. 2, разработанная система имеет значительные преимущества перед серийно изготавливаемыми отечественной промыш-леностью АЦПВТ по габаритам, потребляемой мощности и функциональности, поскольку обеспечивает не только определение углового положения нагрузки, но и содержит в себе замкнутый контур управления электроприводом РЛС.
Список литературы
1. Домрачеев В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. Блейз Е.С., Зимин А.В., Иванов Е.С. и др. Теория и проектирование следящих приводов, 1999.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.
3. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Техносфера, 2006.
Ивахно Валерий Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, vivakh-no@mail.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «Стрела»,
Войтицкий Станислав Андреевич, инженер второй категории, voitits-ki@mail.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «Стрела»
FEATURES OF DIGITAL ANGLE CONVERTER'S DEVELOPMENT IN SMALL-SIZED RADAR STA TIONS
V.S. Ivakhno, S.A. Voytitskiy
Digital compensation system of two-speed resolver's angle positioning has been examined. Modeling and synthesis control system with DSP-Microcontroller composed of small-sized radar station's electric drive was executed.
Key words: resolver, compensation system, control system.
Ivakhno Valeriy Sergeevich, candidat of technical science, head of departament, vi-vakhno@mail.ru, Russia, Tula, Open Society «NPO «Strela»,
Voytitskiy Stanislav Andreevich, engineer, voititski@mail.ru,, Russia, Tula, Open Society «NPO «Strela»
