CC BY
25
УДК 53.084.2
ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
КВАРЦЕВЫМ МАЯТНИКОВЫМ АКСЕЛЕРОМЕТРОМ
А.Ю. Николаенко
Рассмотрены результаты разработки программно-математического обеспечения для управляющего процессора в цепи обратной связи кварцевого маятникового акселерометра с цифровой системой управления, применяющегося в составе неортогонально ориентированного шестиосного блока измерителей линейного ускорения (БИЛУ) для системы управления КК «Союз - МС» и «Прогресс - МС». Модернизированный прибор БИЛУ разработан в рамках проведения государственной политики им-портозамещения. В контроллере выполнена алгоритмическая компенсация температурных погрешностей акселерометра, за счёт цифровой системы управления существенно расширены функциональные возможности прибора.
Ключевые слова: кварцевый маятниковый акселерометр, цифровая система управления, цифровой усилитель обратной связи, масштабный коэффициент, нулевой сигнал, программно-математическое обеспечение.
Введение. На предприятии «ПО «Корпус» завершена разработка кварцевого маятникового акселерометра (КМА) с цифровым усилителем обратной связи (ЦУОС), являющегося инерциальным чувствительным элементом (ЧЭ) в шестиосном блоке измерителей линейных ускорений (БИЛУ) с неортогональной ориентацией осей чувствительности прибора, разработанном для системы управления космическим кораблём «Союз-ТМА» в 2002 году и посадке спускаемого аппарата на землю. Прибор БИЛУ имел канал измерения линейного ускорения, состоящий из КМА с аналоговой обратной связью, вторичного источника питания (ВИП) и блока преобразования информации (БПИ) для преобразования аналогового сигнала из цепи обратной связи акселерометра в унитарный код, который поступал в бортовую вычислительную машину.
Поставленная в 2015 году Правительством РФ задача выполнения импортозамещения в приборах для систем управления изделием «Союз-МС» не могла быть решена путем простой замены импортной элементной базы на отечественные аналоги при сохранении реализованных в приборе БИЛУ технических решений. Поэтому было принято решение разработать акселерометр с цифровой системой управления в цепи обратной связи прибора на отечественном микроконтроллере 1986ВЕ93У. ЦУОС позволяет не только решать те задачи, которые решал БИЛУ с аналоговым УОС в измерительном канале прибора, но и значительно расширить его функциональные возможности [1, 2], а именно: позволяет изменять такие параметры прибора, как диапазон измеряемых ускорений, полосу пропускания, температурный диапазон, только за счет изменения
66
управляющей программы микроконтроллера. При этом конструкция маятника - ЧЭ акселерометра и функциональная электроника в случае применения КМА с ЦУОС в каком-либо ином объекте управления остаются без изменений. В настоящей статье подробно рассматривается структура программно-математического обеспечения (ПМО) микроконтроллера цифрового усилителя обратной связи, основным назначением которого является обеспечение совместной работы ЦУОС и чувствительного элемента в качестве измерителя линейного ускорения.
1. Устройство цифрового усилителя обратной связи. Цифровой усилитель обратной для КМА связи построен на отечественной элементной базе и представляет собой совокупность аналогового предварительного усилителя, цифрового вычислительного устройства и переключателя тока датчика момента [1]. В качестве цифрового вычислительного устройства применяется микроконтроллер 1986ВЕ93У производства ПКК «Ми-ландр» (г. Зеленоград), в состав которого в том числе входят два АЦП и три таймера-счетчика с возможностью работы в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Работа цифрового усилителя организована следующим образом: сигнал датчика угла (ДУ) после предварительного усиления поступает на вход АЦП микроконтроллера, на основе показания АЦП дискретный регулятор вычисляет управление, которое затем в блоке ШИМ преобразуется в длительность стабилизированных по амплитуде широтно-модулированных импульсов тока датчика момента, формируемых переключателем тока.
2. Структура ПМО. Управляющая программа контроллера цифрового усилителя обратной связи разработана на языке «С», предназначена для работы в составе отечественного микроконтроллера 1986ВЕ93У и выполняет следующие функции:
- производит инициализацию аналоговых модулей и периферии контроллера, в том числе таймера 1 для формирования сигнала питания датчика угла, таймера 2 для обеспечения работы ЦУОС в заданном режиме («ШТАТНЫЙ», «НАСТРОЙКА», «ПРОВЕРКА»), таймера 3 для формирования импульсов интерфейса «Унитарный код» и сторожевого таймера, предназначенного для перезагрузки контроллера в случае «зависания» программы;
- обеспечивает работу обратной связи - измерение сигнала ДУ, вычисление управления, конфигурирование таймера 2 для формирования ШИМ сигнала управления;
- принимает и передает данные посредством модуля универсального асинхронного приемопередатчика (ИЛЕТ), логические уровни которого могут быть преобразованы, например, в уровни стандарта Я8-232 для связи с компьютером;
- считывает и записывает данные в ПЗУ контроллера.
Кратко работу программы можно описать следующим образом: после запуска микроконтроллера управляющая программа считывает из его ПЗУ настройки, которые применяются для последующей инициализации периферии контроллера (АЦП, таймеров, контроллера ИЛЕТ) и модулей программы, например, модуля коррекции температурных зависимостей прибора. Следует отметить, что указанные операции выполняются один раз после подачи питания на микроконтроллер, а работа прибора начинается после разрешения прерываний. Алгоритм работы программы выполняется циклически и состоит из двух частей - асинхронной и синхронной. Асинхронная часть алгоритма выполняется в свободное процессорное время и включает в себя вычисление температурных поправок. Синхронная часть, в свою очередь, выполняется в обработчике прерывания от таймера и необходима для поддержки одного из трех режимов работы цифрового усилителя: «ШТАТНЫЙ», «ПРОВЕРКА» или «НАСТРОЙКА», которые представлены на блок-схеме (рис. 1) в виде подпрограмм. Перед выходом из обработчика прерывания производится перезагрузка сторожевого таймера.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма работы программы контроллера ЦУОС
2.1. Настройки программы. Управляющая программа микроконтроллера ЦУОС поддерживает несколько режимов работы и обеспечивает коррекцию температурных зависимостей параметров чувствительного элемента, с которым стыкуется цифровой усилитель. При этом сами зависимости параметров индивидуальны для каждого ЧЭ. Это позволяет рабо-
68
тать с ЦУОС на разных этапах регулировки и испытаний, например, на этапах проверки работоспособности электроники цифрового усилителя или коррекции температурных зависимостей параметров ЧЭ, без изменения самой управляющей программы контроллера. Однако такая универсальность программы потребовала введения настроек.
Настройки программы записываются во встроенное в микроконтроллер ПЗУ и включают в себя:
- заводской номер цифрового усилителя;
- режим работы ЦУОС (0 - режим «ШТАТНЫЙ», 1 - режим «НАСТРОЙКА», 2 - режим «ПРОВЕРКА»);
- коэффициенты квадратичных полиномов, описывающих температурные зависимости поправок систематической составляющей нулевого сигнала и масштабных коэффициентов для положительных и отрицательных ускорений;
- разрешение температурной коррекции выхода прибора: 0 - коррекция выключена, 1 - коррекция включена.
Внесение настроек в память контроллера ЦУОС может быть осуществлено с другого цифрового устройства (например, компьютера) посредством контроллера иЛЯТ по схеме передачи данных «запрос - ответ».
2.2. Периферия микроконтроллера. В качестве источника тактовой синхронизации контроллера цифрового усилителя используется внешний кварцевый генератор частотой 8 МГц. Умножитель частоты микроконтроллера настроен на коэффициент умножения 10, за счет чего достигается максимальная рекомендованная частота тактовой синхронизации ядра микроконтроллера величиной 80 МГц. Эта синхрочастота тактирует все задействованные устройства микроконтроллера.
Для управления переключателем тока задействуются два канала таймера 2, один для формирования тока датчика момента положительной полярности, другой - для отрицательной полярности. Длительность управляющих импульсов определяется порогом срабатывания компаратора таймера-счетчика 2, величина которого выставляется в зависимости от вычисленного управления. Величина вычисленного управляющего воздействия на текущем такте работы обратной связи равна среднему току датчика момента за период ШИМ. Период счета таймера 2 подобран таким образом, чтобы обеспечить частоту ШИМ-сигнала на уровне 5 кГц.
На базе таймера 3 реализован интерфейс «Унитарный код», представляющий собой последовательность импульсов, количество которых за определенный интервал времени пропорционально измеренной величине ускорения. В ЦУОС данный интерфейс состоит из двух каналов: один для передачи импульсов, соответствующих положительному ускорению, другой - для импульсов, соответствующих отрицательному ускорению.
Скорость передачи данных контроллера ПАЯТ задается равной 115200 бит/с. Для обеспечения связи с компьютером с целью отладки и регулирования акселерометра с ЦУОС логические уровни ПАЯТ преобразуются к уровням стандарта Я8-232 с помощью преобразователя уровней, входящего в состав специального кабеля.
Сторожевой таймер применяется для отслеживания нарушений в работе и «зависаний» управляющей программы и автоматически восстанавливает работу микроконтроллера путем его перезапуска. В микроконтроллере цифрового усилителя сторожевой таймер тактируется встроенным генератором, частота которого с помощью делителя снижена до 10 кГц. Перезагрузка сторожевого таймера происходит в обработчике прерывания от таймера 2. Перезагружаемое значение таймера подобрано таким образом, что в случае, если перезагрузка таймера не произойдет за время равное 4 периодам работы обратной связи, то сторожевой таймер перезапустит контроллер. Сторожевой таймер активен в режимах «ПРОВЕРКА» и «ШТАТНЫЙ» и неактивен в режиме «НАСТРОЙКА», поскольку в данном режиме за счет выполнения поступающих с ПК команд может увеличиться время выполнения синхронной части алгоритма работы программы.
Инициализация задействованных модулей микроконтроллера производится параметрами, соответствующими заданному режиму работы ЦУОС, который, в свою очередь, определяется управляющей программой и считывается вместе с другими настройками из ПЗУ.
2.3. Режимы работы ЦУОС. Выполнение заданного режима работы происходит в синхронной части алгоритма программы - в обработчике прерывания от таймера 2, что обеспечивает частоту выполнения подпрограмм режимов на уровне 5 кГц.
2.3.1. Режим «ПРОВЕРКА». Режим работы управляющей программы «ПРОВЕРКА» предназначен для обеспечения условий выполнения проверки работоспособности электроники цифрового усилителя на этапе проведения его испытаний, при этом совместная работа ЦУОС и чувствительного элемента в качестве измерителя кажущегося линейного ускорения невозможна. В режиме «ПРОВЕРКА» алгоритм работы управляющей программы выполняется циклически и состоит только из синхронной части, выполняемой в обработчике прерываний от таймера-счетчика 2.
В режиме «ПРОВЕРКА» контроллер осуществляет преобразование постоянного сигнала, подаваемого на вход АПЦ 1, в длительность широт-но-модулированных импульсов сигнала управления переключателем тока цифрового усилителя. При этом за период ШИМ подается импульс только одной полярности, а его длительность определяется в модуле формирования ШИМ-сигнала. Вместе с тем, оцифрованное с помощью АЦП 1 значение постоянного сигнала передается в модули формирования выходных интерфейсов: Я8-232 и «Унитарный код», а оцифрованное с помощью
АЦП 2 значение другого постоянного сигнала передается только в модуль иЛЯТ. Это дает возможность контроля показаний каждого из АЦП контроллера цифрового усилителя при проведении его испытаний. Структурная схема управляющей программы контроллера ЦУОС в режиме «ПРОВЕРКА» приведена на рис. 2.
Постоянный сигнал г Показание АЦП 1 ШИМ-сигнал
АЦП 1 шим
Постоянный сигнал Унитарный код
УК 11АМ"
Цифровой код
АЦП 2
Показание АЦП 2 Микроконтроллер 1986ВЕ93У
Рис. 2. Структурная схема управляющей программы контроллера ЦУОС в режиме «ПРОВЕРКА»
2.3.2. Режим «ШТАТНЫЙ». Режим работы управляющей программы «ШТАТНЫЙ» предназначен для обеспечения совместного функционирования ЦУОС и чувствительного элемента в качестве измерителя кажущегося линейного ускорения.
Алгоритм работы управляющей программы в режиме «ШТАТНЫЙ» выполняется циклически и состоит из двух частей - асинхронной и синхронной, блок-схема которой представлена на рис. 3. В асинхронной части алгоритма в зависимости от оцифрованного с помощью АЦП 2 значения сигнала термодатчика и в соответствии с принятыми коэффициентами полиномов температурной коррекции вычисляются температурные поправки выходной информации об измеренном ускорении. Включение данных операций именно в асинхронную часть алгоритма работы программы обусловлено тем, что изменение температуры является медленно меняющимся процессом, поэтому нет необходимости в синхронном с основным алгоритмом вычислении температурных поправок. Все асинхронные операции включены в так называемый бесконечный цикл, работа которого прерывается на выполнение синхронных операций, поэтому вычисление температурных поправок происходит в свободное от основного алгоритма процессорное время.
В синхронной части алгоритма подпрограммы режима «ШТАТНЫЙ» поддерживается работа цифровой обратной связи. Так, при действии ускорения относительно оси торсиона маятника чувствительного
71
элемента создается момент, стремящийся отклонить маятник. Отклонение маятника приводит к изменению сигнала датчика угла, который поступает на предварительный усилитель, а с выхода предварительного усилителя -на вход АЦП 1. Положение импульсов синхронизации от таймера 2 настроено таким образом, чтобы они приходились точно на вершины синусоидального сигнала от датчика угла на входе АЦП 1 с учетом времени его опроса (рис. 4). В процедуре обработки прерывания таймера 2 с помощью АЦП 1 сначала измеряется величина первой полуволны входного синусоидального сигнала, поступающего от датчика угла акселерометра, затем второй полуволны. Две полученные путем измерения с помощью АПЦ 1 величины вычитаются одна из другой, и в результате получается удвоенная величина амплитуды входного сигнала. Эта величина считается ошибкой регулирования.
Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы подпрограммы режима «ШТАТНЫЙ.»
Входными данными алгоритма вычисления управляющего воздействия являются: величины ошибки регулирования на текущем п, п-1 и п-2 тактах работы обратной связи, а также величины управляющего воздействия, вычисленные на п-1 и п-2 тактах работы обратной связи. Вычисленное управляющее воздействие передается в модуль формирования ШИМ-сигнала, в котором определяются пороги срабатывания компараторов для получения необходимой длительности управляющих импульсов. Данные величины загружаются в регистры таймера-счетчика 2. После этого управ-
72
ляющее воздействие корректируется в соответствии с алгоритмом температурной коррекции и передается в модули формирования выходных интерфейсов: контроллер ИЛЕТ и «Унитарный код».
Рис. 4. Временная диаграмма цикла обратной связи
Таким образом, в режиме «ШТАТНЫЙ» микроконтроллер поддерживает работу цифровой обратной связи, основная задача которой состоит в стабилизации маятника ЧЭ в нулевом положении. Структурная схема управляющей программы контроллера ЦУОС в режиме «ШТАТНЫЙ» приведена на рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема управляющей программы контроллера ЦУОС в режиме «ШТАТНЫЙ»
В режимах «ШТАТНЫЙ» и «НАСТРОЙКА» ШИМ-сигнал управления переключателем тока датчика момента имеет некоторые особенности: в связи с тем, что импульсы, формируемые переключателем тока ЦУОС, имеют достаточно существенные фронты, определяемые неидеаль-
73
ностью транзисторов и индуктивностью обмотки датчика момента, были введены так называемые вспомогательные импульсы. Если в течение периода ШИМ подавать по одному положительному и отрицательному вспомогательному импульсу одинаковой длительности, то средняя величина тока за период будет равна нулю с точностью, определяемой неодинаковостью фронтов вспомогательных импульсов. Если же длительность одного из импульсов увеличить на некоторую величину, то очевидно, средний ток за период ШИМ будет пропорционален этой самой величине. Следовательно, требуемая линейность преобразования может быть достигнута, если в течение периода ШИМ подавать два импульса разной полярности, а цифровой код на входе ШИМ преобразователя будет определять разницу длительностей этих импульсов. При этом минимальная длительность импульсов должна быть равна длительности вспомогательных импульсов и включать в себя время нарастающего и спадающего фронтов. Для того чтобы фронты положительного и отрицательного импульсов не накладывались друг на друга и не вызывали сквозных токов в переключающем мосту, а также, для завершения переходных процессов в обмотке датчика момента между импульсами вводится пауза (см. рис. 4).
2.3.3. Режим «НАСТРОЙКА». Режим работы управляющей программы «НАСТРОЙКА» предназначен для обеспечения возможности обмена данными между ЦУОС и другим цифровым устройством (например, компьютером) посредством контроллера ИЛЕТ по схеме «запрос - ответ» с целью внесения в память микроконтроллера ЦУОС настроек.
Алгоритм работы управляющей программы в режиме «НАСТРОЙКА» полностью совпадает с алгоритмом работы в режиме «ШТАТНЫЙ» за исключением того, что вместо потоковой передачи данных задействованы кольцевые буферы с целью обеспечения обмена данными по схеме «запрос - ответ». Кроме того, в режиме «НАСТРОЙКА» стабилизация маятника ЧЭ в нулевом положении не гарантируется, поскольку контроллер ЦУОС выполняет принятые команды и отвечает на принятую посредством ИЛЕТ информацию, что может привести к увеличению времени выполнения синхронной части алгоритма и, как следствие, периода обратной связи.
2.4. Коррекция температурной зависимости параметров прибора. Такие параметры прибора, как систематическая составляющая нулевого сигнала и масштабные коэффициенты для положительных и отрицательных ускорений, имеют температурные зависимости, форма которых в диапазоне от 0 до 60°С близка к параболической [1, 3], поэтому описание поправок данных величин осуществляется полиномами второй степени. Коэффициенты данных полиномов вычисляются с помощью специальной программы на этапе регулирования ЦУОС совместно с чувствительным элементом и загружаются в ПЗУ контроллера цифрового усилителя.
74
Поправки систематической составляющей нулевого сигнала и масштабных коэффициентов для положительных и отрицательных ускорений вычисляются в асинхронной части алгоритма работы обратной связи с использованием соответствующих полиномов и текущего показания термодатчика:
Я — 2
Ясист — а2^дт + а1^дт + а0;
к+ — Ъ2^'дт + Ъ1*дт + Ъ0;
2
к- — с21дт + с1^дт + ^ где 5сист, к+, к. - поправки систематической составляющей нулевого сигнала и масштабных коэффициентов для положительных и отрицательных ускорений соответственно; аг-, Ъ, с (/ = 0, 1, 2) - коэффициенты полиномов; ?дт - показания датчика температуры.
Информация об измеренном ускорении корректируется на каждом такте работы обратной связи по следующему закону:
ивъЫх — (ивых — Ясист )к+, ивых — 0;
ивъЫх — (ивых — Ясист )к—, ивых < 0
где ивы! - скорректированная информация об измеренном ускорении; ивых - информация об измеренном ускорении (вычисленное управление).
Реализованный в управляющей программе контроллера ЦУОС алгоритм термокоррекции на практике позволяет уменьшить температурные зависимости параметров прибора на порядок.
Заключение. Таким образом, программно-математическое обеспечение цифрового усилителя обратной связи КМА является составной частью его ЦУОС, без которого функционирование измерительного канала БИЛУ невозможно. В этом и состоит коренное отличие программного обеспечения от аналоговых систем, где ПМО, как правило, выполняло лишь контролирующие функции для инерциальных чувствительных элементов, являясь «мозгом» системы управления лишь для бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) в целом [4]. В цифровой системе управления измерительным каналом акселерометра его ПМО обеспечивает условия выполнения проверки работоспособности электроники цифрового усилителя на этапе проведения его испытаний, совместное функционирование ЦУОС и чувствительного элемента в качестве измерителя кажущегося линейного ускорения и коррекцию температурных зависимостей параметров акселерометра, разгружая, тем самым, центральный процессор БИНС. Дальнейшее развитие данного направления в инерци-альных навигационных системах видится в миниатюризации функциональной цифровой электроники и расширении возможностей ПМО измерительных каналов БИНС.
Список литературы
1. Скоробогатов В.В. Проблемы разработки широкодиапазонного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и пути их решения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 17 - 29.
2. Способ повышения стабильности масштабного коэффициента маятникового акселерометра с цифровой обратной связью / Д.М. Калих-ман, Л.Я. Калихман, В.И. Гребенников, В.В. Скоробогатов, А.Ю. Никола-енко, С.Ф. Нахов // 25-я Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2018. С. 331 - 333.
3. Компенсация температурных погрешностей измерителей угловой скорости с цифровым усилителем обратной связи / Д.М. Калихман, В.И. Гребенников, В.В. Скоробогатов, А.Ю. Николаенко // Сборник трудов VI Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (УОПИ-2017). Саратов: Изд-во СГТУ, 2017. С. 107 - 113.
4. Калихман Д.М., Скоробогатов В.В. Перспективы развития кварцевых маятниковых акселерометров в БИНС авиационного и космического применения // Труды МИЭА. Навигация и управление летательными аппаратами. 2018. № 20. С. 21 - 50.
Николаенко Артем Юрьевич, инженер-электроник, anikolaenkosstu@,gmail. com, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»
MATHEMATICAL SOFTWARE FOR DIGITAL CONTROL SYSTEM OF QARTZPENDULUMACCELEROMETER
A.Yu. Nikolaenko
The report considers the results of development of mathematical software for the control processor in the feedback circuit of a quartz pendulum accelerometer with digital control system, used as part of the non-orthogonally oriented six-axis unit of linear acceleration meters (the BILU device) for the control systems of Soyuz-MS and Progress-MS spaceships. The upgraded BILU device was developed within the framework of the state import substitution policy. Algorithmic compensation of temperature errors was performed in the controller of the accelerometer, while implementation of a digital control system has significantly expanded the functional capabilities of the device.
Key words: quartz pendulum accelerometer, digital control system, digital feedback amplifier, scale factor, zero signal, mathematical software.
Nikolaenko Artem Yurievich, electronics engineer, anikolaenkosstii agmail. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus "
