CC BY
83
УДК 681.586.787, 681.5.033.23
С.А. Войтицкий, инженер, 8-919-084-81-98, voititski@mail.ru (Россия, Тула, ОАО «НПО «Стрела»),
В.С. Ивахно, канд. техн. наук, нач. отдела, (4872) 34-14-00, доб.136, vivakhno@mail.ru (Россия, Тула, ОАО «НПО «Стрела»), Н.В. Ивахно, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-52, natalia_iv@list.ru (Россия, Тула, ФГБОУ ВПО ТулГУ)
ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТРАНСФОРМАТОРА НА ОСНОВЕ DSP-МИКРОКОНТРОЛЛЕРА В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Разработана компенсационная система обработки сигналов двухотсчетного датчика углового положения типа вращающегося трансформатора. Выполнены моделирование и синтез преобразователя на основе DSP-микроконтроллера без включения в его состав аналоговых элементов.
Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, угловое положение датчиков, помехозащищенность.
Повышающиеся требования к точности работы приводов РЛС обуславливают постепенный отказ от обычных потенциометрических датчиков углового перемещения, обеспечивающих погрешность измерения не менее 30'. В случае, когда использование оптических датчиков ограничивается рядом климатических и механических факторов, рекомендуется применять индуктивные датчики перемещения, к которым относятся си-нусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (ВТ), комплектующиеся преобразователем типа «угол - параметр - код», состоящие из первичного трансформаторного датчика и аналого-цифрового преобразователя его сигналов (АЦПВТ).
Получение высоких точностей порядка 1' в настоящий момент обеспечивается широким применением двухотсчетных вращающихся трансформаторов с электрической редукцией, которые требуют, помимо собственно преобразователя, согласования кодов грубого и точного отсчета.
Выходными сигналами синусно-косинусного вращающегося трансформатора являются переменные напряжения сигнальных обмоток, модулированные несущей частой эт(^), амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора трансформатора а:
и^т^эт^); и2=соэ(а)эт(ю^.
Применяемые в настоящее время АЦПВТ имеют в своем составе большое число аналоговых элементов: активные фильтры на операционных усилителях, аналоговые ключи, перемножающие цифро-аналоговые преобразователи. Однако, последние достижения в области вычислитель-
Технологии и оборудование обработки металлов давлением
ной техники делают возможной реализацию алгоритма обработки сигналов ВТ в цифровом виде, что позволяет добиться лучших массогабаритных характеристик всей системы управления электропривода в целом.
Функциональная схема системы управления приводом с преобразователем сигналов ВТ имеет вид, приведенный на рис. 1.
Импульсный усилитель мощности Двигатель
Схема усиления сигналов
Микроконтроллер
ПФ - полосовой фильтр ОВ - обмотки возбуждения ВТ СО - сигнальные обмотки ВТ
Рис. 1. Функциональная схема системы управления приводом РЛС
Для определения параметров схемы компенсации было проведено математическое моделирование в вычислительной среде МАТЪАВ 8шш-1шк. Линейная модель желаемой системы компенсации 2-ого порядка представлена на рис. 2.
Рис. 2. Линейная модель системы преобразования сигналов ВТ
Передаточная функция преобразователя сигналов ВТ:
8+К
комп
(8)=
(1)
Тз'+в+К
Коэффициент усиления К будет определять быстродействие контура, а постоянная времени Т - его полосу пропускания и динамическую
ошибку системы компенсации.
Система с передаточной функцией (1) является абсолютно устойчивой, однако она не учитывает ряд нелинейностей, свойственных системам компенсации углового положения датчиков ВТ (дискретизацию цифровой системы по времени и по уровню [1], отработку системы компенсации синуса сигнала ошибки зт(а-Р), ограниченность сигналов). Поэтому для выбора коэффициента усиления К целесообразно построить нелинейную модель, наиболее соответствующую реальной системе, и для нее найти оптимальный коэффициент усиления.
Модель аналого-цифрового преобразователя сигналов ВТ на основе DSP-микроконтроллера, представленная на рис. 3, учитывает следующие нелинейности:
- работа по синусу сигнала ошибки;
- дискретизация по времени и по уровню цифровой системы.
Рис. 3. Модель алгоритма преобразования сигналов датчика
в одном канале
Фильтр нижних частот выполнен в виде цифрового фильтра 8-го порядка с конечной импульсной характеристикой. Для фильтрации помех, наводимых импульсным усилителем мощности на АЦП контроллера при выведении нагрузки в заданное положение, введены медианные фильтры по входным сигналам и зона нечувствительности по сигналу ошибки [2].
Алгоритм обработки сигналов для грубого и точного отсчета идентичен.
Общий коэффициент усиления системы:
К —К •К • К •К •К '
а^общ а^НОРМ а^АЦП а^ПРЕОБР а^УГЛ ?
Коэффициент схемы нормирования сигналов датчика КНОРМ=1.5; Коэффициент передачи АЦП КАЦП =4096/3 ; Коэффициент преобразования код - радиан: КАЦП=2 • п/32768; Коэффициент углового преобразования КУГЛ=1/4; Программируемый коэффициент усиления К, влияющий на время переходного процесса.
Зависимость времени переходного процесса от коэффициента усиления К приведена в таблице.
Зависимость времени переходного процесса от коэффициента усиления K
Коэффициент усиления К Время переходного процесса, мс
0,004 5
0,002 3
0,001 7
0,0005 20
При К>0.002 уменьшение времени переходного процесса не происходит, снижается устойчивость системы. Выходные сигналы системы при К=0.002 при ступенчатом входном сигнале аВХ=1(град) и подаче линейно-нарастающего сигнала ю=10(град/с) представлены на рис 4.
Рис. 4. Выход системы компенсации при ступенчатом и линейно-нарастающем сигналах (время дискретизации 0.4 мс)
В результате моделирования получено, что максимальная ошибка при равномерном вращении со скоростью 10 град/с составляет 0.6'. Таким образом, спроектированная система преобразования сигналов двухотсчет-ного вращающегося трансформатора обладает достаточно высокими точностными характеристиками по сравнению с потенциометрическими датчиками. Для данной системы необходимо обеспечивать высокий уровень помехозащищенности выходных сигналов ВТ. Погрешность системы ком-
пенсации напрямую определяется не только разрядностью АЦП и точностью, с которой вычисляются в контроллере синус и косинус компенсированного угла, но и соотношением «сигнал-шум» сигналов на входах АЦП [3].
Список литературы.
1. Домрачеев В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. Е.С. Блейз, А.В. Зимин, Е.С. Иванов 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.
S.A. Voytitsky, V.S. Ivakhno, N.V. Ivakhno
DIGITAL SIGNAL PROCESSING SYSTEM RESOLVER BASED DSPMICROCONTROLLER PART OF ELECTRIC
The article is devoted to the development of the compensation signal processing system dvuhotschetnogo angular position sensor such as a rotating transformer. Completed modeling and synthesis converter based on DSP-microcontroller without the inclusion of analog components.
Key words: analog-to-digital converter, the angular position sensors, noise immunity.
Получено 20.07.12
