CC BY
17
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly
УДК 62-529
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ
СТЕНДОМ
Д.В. Сладков
В статье рассмотрены ключевые аспекты и процесс проектирования ме-хатронного модуля, представляющего собой электрическую схему с различными интерфейсами и каскадами обработки сигналов на базе микроконтроллера, системы управления пневматическим стендом.
Ключевые слова: микроконтроллер, интерфейс, цифро-аналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, датчик, сигнал.
Объектом исследования является пневматический экспериментальный учебный стенд кафедры САУ ТулГУ, предназначенный для снятия статических характеристик пневматических рулевых приводов ЛА. В опубликованной ранее статье [1] было выделено несколько ключевых задач, требующих решения при модернизации исследуемого стенда. Многие из них связаны с инженерным проектированием мехатронного модуля на базе микроконтроллера, процесс которого рассматривается в данной статье.
Проектирование произведено в программном пакете Altium Designer [2], поскольку он является одним из наиболее удобных для разработки электрических схем и дальнейшего проектирования печатных плат, конвертации файлов в другие программные пакеты, а также в свободном доступе имеется большое количество библиотек элементов.
Разработка системы питания микроконтроллера (МК), а также реализация и подключение всех необходимых портов и интерфейсов проведена в соответствии с рекомендациями технической спецификации изделия (Datasheet).
Питание всей системы принято осуществлять от лабораторного блока питания напряжением 15 В. Использование такого источника питания позволяет также реализовать выходной каскад системы управления электромеханическим преобразователем рулевой машинки на базе двух операционных усилителей, входным сигналом которых является импульсный сигнал с цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) микроконтроллера.
Питание МК осуществляется напряжением до 3.6 В, а остальных элементов системы напряжением 5 В, что требует установки вторичных источников питания (DC/DC преобразователи) для понижения питающего напряжения. Помимо прочего, требуется осуществлять питание выходной цепи управления в диапазоне ±15 В.
Используемые в стенде датчики давления, на выходе имеют аналоговый сигнал, который требует проведения преобразований для возможности его обработки микроконтроллером.
Далее подробно описаны примененные технические решения, необходимые для достижения поставленной цели. Также приведена выбранная элементная база и рассмотрены основные аспекты, на основании которых приняты приведенные инженерные решения.
1. Выходной сигнал датчиков находится в диапазоне 10-250 мВ, что является крайне малыми величинами и не позволяет обеспечить необходимую точность при обработке сигнала, а также затрудняет его фильтрацию. В этой связи выходные сигналы датчиков давления необходимо усилить, для чего принято использовать инструментальные усилители AD8236 фирмы Analog Devices. Использование готового корпусного решения значительно упрощает монтаж платы, уменьшает габариты схемы, повышает точность преобразований и сокращает временные затраты на подбор требуемых элементов по сравнению с проектированием данного узла схемы.
2. Так же сигнал с датчиков требует фильтрации, поскольку в значительной близости с каналом, по которому передается сигнал, расположен микроконтроллер. МК является высокочастотным устройством и при функционировании создает высокочастотные помехи, искажающие сигнал с датчиков. В качестве фильтра нижних частот используем RC-фильтр первого порядка на основе операционного усилителя, что позволяет достичь необходимой чистоты сигнала с относительно небольшими временными затратами на его фильтрацию и как следствие - минимальным запаздыванием по фазе.
3. На следующем этапе подготовки выходных сигналов датчиков для их обработки МК необходимо преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Для осуществления преобразования сигнала на базе самого микроконтроллера используются три 12-битных аналого-цифровых преобразователя (АЦП), имеющих различное количество входов. Для обеспечения наибольшей скорости вычислений в данной системе целесообразно организовать параллельную обработку сигналов с датчиков на всех трех АЦП.
Используемый датчик угловых перемещений, на выходе имеет цифровой дифференцированный сигнал, который требует преобразования для возможности его обработки микроконтроллером.
При операциях с такими сигналами, то есть противофазными, передаваемыми по двум проводам, необходимо выбирать соответствующую схемотехнику, необходимую для преобразования сигнала. В связи с этим следует использовать дифференциальный приемник, преобразующий диф-
ференциальный сигнал в однофазный. В данном случае выбран дифференциальный приемник AM26C32CD фирмы Texas Instruments. Использование готового корпусного решения значительно упрощает монтаж платы, уменьшает габариты схемы, повышает точность преобразований и сокращает временные затраты на подбор требуемых элементов по сравнению с проектированием данного узла схемы.
Для реализации управления рулевой машинки требуется подача напряжения на обмотки ЭМП. Управляющие сигналы подаются с двух ЦАП микроконтроллера, но по причине невозможности подачи с ЦАП напряжения более 3.3 В, требуется формирование выходного каскада управления. Принято подавать сигналы с ЦАП в диапазоне 0-1.65 В, в связи с чем требуется усиливать сигнал в 9.1 раз перед подачей на ЭМП. Соответственно, были выбраны операционный усилитель (ОУ), соответствующий данным требованиям по входному сигналу и коэффициенту усиления. Вокруг усилителей сформирована обвязка в виде делителя напряжения, формирующего необходимый коэффициент усиления напряжения, и пассивного RC-фильтра нижних частот на выходе усилителей. Номиналы элементов обвязки ОУ получены путем теоретического расчета.
Помимо соединения с датчиками экспериментального стенда, требуется подключение системы управления к персональному компьютеру. Данное соединение реализовано посредством порта USB 1.1, что позволяет повысить скорость передачи информации до 24 Мбит/с по сравнению с 12 Мбит/с в случае использования USB 1.0.
Также одной из важнейших задач разработки системы управления является отладка разработанного программного обеспечения микроконтроллера, для чего на плате требуется установить соответствующий разъем, связывающий МК с платформой, на которой выполняется программирование и отладка. Для этих задач принято использовать отладочный интерфейс SWD по причине того, что он отличается значительной простотой подключения по сравнению с интерфейсом JTAG.
Номиналы таких элементов, как резисторы, конденсаторы, диоды и катушки индуктивности выбирались в соответствии с приведенными рекомендациями в технических описаниях (datasheet) приборов. Принято использовать элементную базу стандарта SMD во всех блоках печатной платы, кроме выходного каскада управления, поскольку в цепях отсутствуют большие токи и напряжения, следовательно, на элементах отсутствует значительное выделение тепловой мощности. Данный выбор обусловлен стремлением к минимизации габаритов создаваемой печатной платы.
Электрическая схема системы сбора данных и управления пневматическим экспериментальным стендом приведена на рисунке.
Таким образом в данной работе подробно описан ход проектирования мехатронного модуля системы управления пневматическим экспериментальным стендом. Рассмотрен выбор необходимой элементной базы, а также описан принцип преобразования основных сигналов, обрабатываемых МК данного модуля. Приведена разработанная электрическая схема мехатронного модуля.
Отдельная благодарность за помощь в написании данной работы выражается научному руководителю к.т.н., доценту кафедры САУ Тульского государственного университета Морозову О. О.
Список литературы
1. Сладков Д.В. Модернизация пневматического экспериментального стенда // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. Вып. 2. С. 401-405.
2. Изучение Altium Designer. // Altium [Электронный ресурс] URL: https://www. altium.com/ ru/ documentation/ altium-designer/ exploring- al-tium-designer?version=18. 1 (дата обращения: 09.07.2020).
Сладков Дмитрий Валерьевич, студент, sladckov.d@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DESIGN OF THEMECHATRONIC MODULE OF THE PNEUMATIC EXPERIMENTAL
STAND CONTROL SYSTEM
D. V. Sladkov
The article considers the key aspects and design process of a mechatronic module, which is an electrical circuit with various interfaces and stages of signal processing based on a microcontroller, a pneumatic stand control system.
Key words: microcontroller (MC), interface, digital-to-analog Converter (DAC), analog-to-digital Converter (ADC), sensor, signal.
Sladkov Dmitri Valeryevich, student, sladckov. d@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
