CC BY
21
УДК 621.503
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ПОДДЕРЖАНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ
Д. А. Урядов, В. В. Скотников
DEVELOPMENT MAINTAINING MEANS INCREASING THE ACCURACY OF THE ANGULAR VELOCITY
D. A. Urjadov, V. V. Skotnikov
Аннотация. Актуальность и цели. В настоящее время к инерционным приборам, используемым в изделиях военной и ракетно-авиационной техники, повышаются требования, в частности к их метрологическим характеристикам, что в свою очередь влечет улучшение точностных характеристик оборудования, на котором проводят настройку, проверку, калибровку в процессе производства данных приборов. Существующие механические устройства для задания угловой скорости, выполненные на базе вариаторов с отсчетом показаний по лимбам, уже не удовлетворяют требованиям производства из-за сложности изготовления и недостаточной точности. В связи с этим разработка устройств поддержания угловой скорости повышенной точности является актуальной к решению задачей. Материалы и методы. При проведении работ были использованы управляемый привод МУКД110, энкодер ЛИР350А, датчик Холла. Результаты. В ходе проведенных исследований с учетом требований производства разработаны два устройства: стол вращающийся и малогабаритная поворотная установка повышенной точности. Выводы. Разработанные устройства поддержания угловой скорости позволили вывести испытания, производимые с датчиками угловых скоростей, на новый качественный уровень, соответствующий современным требованиям.
Ключевые слова: инерционный прибор, датчик угловой скорости, поворотная установка, управляемый привод, метрологические характеристики.
Abstract. Background. At the moment of inertia to the devices used in military products, rocket and aircraft, increased demands on their metrological characteristics, which in turn implies an improvement of accuracy characteristics of the equipment, which is used to set, inspection, calibration during the manufacturing process of these devices. Existing mechanical device for setting an angular velocity formed based variators a readout on the limbs, no longer meet the requirements of production due to manufacturing complexity and insufficient accuracy. In this regard, the development of devices maintain the increased accuracy of the angular velocity is relevant to the solution of the problem. Materials and methods. At work were used: controlled drive MUKD110, LIR350A encoder, Hall sensor. Results. In the course of research, taking into account the requirements of production, developed two devices: a table and small rotating turret increased accuracy. Conclusions. The developed devices maintain the angular velocity allowed to withdraw tests made with an angular velocity sensor, a new qualitative level corresponding to modern requirements.
Key words: inertial unit, an angular velocity sensor, turret, controlled drive, the met-rological characteristics.
Для обеспечения штатного режима работы современной техники специального назначения в таких областях, как авиационная техника, ракетостроение и автомобилестроение, используются разнообразные инерционные приборы, в том числе датчики угловых скоростей. С целью их настройки,
проверки, калибровки необходимо использовать высокоточные устройства поддержания угловой скорости.
В ходе проведения исследований методов и конструкций устройств поддержания угловой скорости были разработаны два устройства: стол вращающийся и малогабаритная поворотная установка повышенной точности.
Стол вращающийся (рис. 1) предназначен для воспроизведения вращения в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в направлении по часовой стрелке с постоянной угловой скоростью 120 °/с. Вращение стола обеспечивается двигателем постоянного тока. Стол представляет собой сборную конструкцию, состоящую из основания 1 с коллектором 4 и платформы 2 с токосъемником 5.
Рис. 1. Стол вращающийся: 1 - основание; 2 - стол; 3 - двигатель; 4 - коллектор; 5 - токосъемник; 6 - муфта; 7 - червячное колесо; 8 - диск; 9 - магнит; 10 - датчик Холла; 11 - плата
Вращение от двигателя 3 через упругую муфту 6 и червячную передачу 7 с передаточным числом 1:50 передается платформе 2. Электрическая связь между разъемом ХБ1, установленным на платформе, и выходным разъемом ХР1 осуществляется через коллектор и щетки. На поверхности платформы имеется два присоединительных резьбовых отверстия М10*1,5, а на конце выходного вала стола установлен диск 8 с тремя магнитами 9, расположенными в одной плоскости под углом 120° друг относительно друга. Формирователь импульсов и диск с магнитами образуют датчик числа оборотов, при вращении стола выдающий электрический сигнал на контакты разъема СР-50ФВ.
Измерение угловой скорости вращения стола осуществляется датчиком оборотов (датчик Холла). При прохождении магнита возле датчика Холла формируется прямоугольный импульс. За один оборот выходного вала фор-
мируются три импульса, поступающие на частотомер, по показаниям которого и определяется период следования импульсов.
Изменение угловой скорости вращения осуществляется изменением напряжения питания двигателя в большую или в меньшую сторону соответственно.
Формирователь импульсов выполнен на основе магнитоуправляемой микросхемы 10 (датчик Холла). Питание двигателя и датчика осуществляется от одного источника стабилизированного напряжения постоянного тока.
Малогабаритная поворотная установка повышенной точности представляет собой систему управления реального времени с обратной связью и предназначена для задания угловой скорости в горизонтальной плоскости с правым и левым вращением в следующих единицах измерения: °/с, рад/с, об/мин. Диапазон задания угловой скорости (5-150)°/с
Пределы допускаемой погрешности задания угловой скорости во всем диапазоне ± 1 %.
Структурная схема установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема малогабаритной поворотной установки
Вращение стола осуществляется двигателем постоянного тока, управляемым приводом МУКД110. Привод МКУД110 осуществляет преобразование управляющего сигнала в частоту широко-импульсной модуляции (ШИМ). Использование широко-импульсной модуляции позволяет добиться большого диапазона регулирования, малого температурного дрейфа и малой дискреты управления.
Текущая угловая скорость отслеживается посредством обратной связи между устройством управления и объектом регулирования через энкодер ЛИР350А, обеспечивающий формирование выходного сигнала, частота которого зависит от скорости вращения. Число импульсов на оборот у данного энкодера равна 10 000, что позволяет добиться высокой точности измерения угловой скорости, а следовательно, и высокой точности управления.
Угловая скорость вычисляется по формуле
V = 360° 1 ) изм 10000 ' Т ( с) ()
где Т - период следования импульсов с энкодера ЛИР350А в секундах.
Функцией блока управления является выработка требуемой величины управляющего воздействия для корректировки регулируемой величины (угловой скорости) в зависимости от введенного и измеренного значения угловой скорости.
Устройство управления представляет собой интеллектуальный блок, реализованный на базе высокоскоростного микроконтроллера (ATMega16) с возможностью ввода (клавиатура) и отображения вводимой и хранящейся информации (жидкокристаллический индикатор). С клавиатуры задаются направление вращения (вправо или влево), единицы измерения (°/с, рад/с, об/мин) и устанавливаемая угловая скорость. Ввод с клавиатуры контролируется по индикатору. Во время вращения индикатор показывает текущее значение угловой скорости в установленных единицах измерения.
Формирователь осуществляет фильтрацию сигнала энкодера от высокочастотной помехи. Цифроаналоговый преобразователь переводит код управляющего воздействия в напряжение.
Процесс поддержания угловой скорости отслеживается посредством главной обратной связи между устройством управления и объектом регулирования через энкодер, обеспечивающий формирование выходного сигнала, частота которого зависит от скорости вращения.
В соответствии с результатом вычисления процессор по определенному алгоритму [1, 2] определяет отклонение измеряемой величины и, принимая его во внимание, рассчитывает управляющее воздействие на объект регулирования для компенсации ошибки между идеальным рассчитанным и реальным измеренным значением.
Код управляющего воздействия вычисляется по формуле
Uуnр = Y (AVy + B), (2)
где Vy - устанавливаемая угловая скорость; А, В - коэффициенты линейной зависимости угловой скорости от напряжения, снятые в процессе настройки
поворотной установки; У - управляющее воздействие, которое вычисляется по формуле
У = 1 - Кр
-1
Л )
(3)
где Уш - измеренное текущее значение угловой скорости; Уу - устанавливаемое значение угловой скорости; Кр - коэффициент обратной связи, который определяется в процессе настройки установки опытным путем таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить максимальную точность, а с другой -устойчивость системы и отсутствие перерегулировки.
Для уменьшения нагрузки на двигатель и редуктор при старте или остановке в алгоритме управления предусмотрено плавное увеличение или снижение управляющего напряжения [1].
Еще одной особенностью алгоритма управления является программная фильтрация помех сигнала от энкодера.
В процессе поддержания угловой скорости устройство управления также отслеживает возникновение нештатных и аварийных ситуаций, своевременно выдавая персоналу сообщения о неисправностях, а при возникновении критических ситуаций полностью останавливает проведение испытаний.
Наличие выхода с установки в виде интерфейса ЯБ-232 позволяет использовать данную установку в составе измерительных комплексов, что существенно расширяет область ее применения, повышает объективность измерений и, как следствие, качество выпускаемой продукции.
Конструктивно установка представляет собой корпус, состоящий из двух частей: сварного каркаса и панелей. Внутри корпуса смонтированы шпиндельный узел, коллектор, щеточный узел, ведомый вал, преобразователь угловых перемещений ЛИР-350А, устройство натяжения ремня и двигатель. Ведомый вал вращается на подшипниках, смонтированных в корпусе шпиндельного узла, и осевого перемещения не имеет.
На среднюю часть ведомого вала посажен коллектор с двадцатью кольцами, от которых через отверстия в ведомом валу и фланце провода проходят к штепсельному разъему платформы. Платформа привернута к фланцу, посаженному на верхний конец ведомого вала. На платформе находится встроенная ампула уровня, предназначенная для предварительной установки платформы в горизонтальное положение. С правой стороны от платформы установлен блок управления, в котором размещены клавиатура и жидкокристаллический экран.
Щеточный узел крепится к корпусу шпиндельного узла и служит для соединения электрических цепей, идущих от штепсельного разъема платформы и штепсельного разъема, расположенного на корпусе.
Мотор-редуктор (двигатель) через устройство натяжения ремня и амортизаторы крепится к корпусу шпиндельного узла. Установка двигателя на амортизаторы уменьшает влияние вибрации [3]. Вращение двигателя осуществляется генератором широтно-импульсной модуляции, который встроен в привод. Передача вращающего момента от двигателя к ведомому валу осуществляется посредством ременной передачи с передаточным отношением 1:1.
На нижнем конце ведомого вала через встроенную муфту установлен преобразователь угловых перемещений ЛИР-350А.
Внешний вид установки приведен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид малогабаритной поворотной установки
Разработанные устройства поддержания угловой скорости позволили вывести все испытания, производимые с датчиками угловых скоростей, на новый технический и качественный уровень, соответствующий современным требованиям, без вложения больших денежных средств.
Список литературы
1. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов / под ред. В. Ф. Казмиренко. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.
2. Следящие приводы. Т. 1. Теория и проектирование следящих приводов / под ред. Б. К. Чемоданова. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. - 904 с.
3. Беляев, Н. И. Выбор двигателя и редуктора следящих систем / Н. И. Беляев, В. Д. Нагорский. - М. : Машиностроение, 1972. - 216 с.
Урядов Дмитрий Александрович
заместитель главного конструктора, ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» E-mail: sko_val@mail.ru
Скотников Валерий Владимирович начальник конструкторского отдела, ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» E-mail: sko_val@mail.ru
Uryadov Dmitriy Aleksandrovich deputy chief designer , Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex "Start" named after M. V. Protsenko
Skotnikov Valeriy Vladimirovich head of engineering department, Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex "Start" named after M. V. Protsenko
УДК 621.503 Урядов, Д. А.
Разработка устройств поддержания угловой скорости повышенной точности / Д. А. Урядов, В. В. Скотников // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 3 (15). - С. 159-165.
