Космпютеризована вимірювальна система вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

З вище сказаного слідує, що змінюючи число штрихів модулятору, тобто змінюючи розрізнювальну здатність ДПУ, можна мінімізувати похибку вимірювання для будь якого значення кутової швидкості.

 

У роботах [8] запропоновано алгоритм зміни розрізнювальної здатності Z_i+1 за умов, коли відоме попереднє значення Z_i, а також з використанням інформації, що несе код N_т. Використання такого алгоритму роботи цифрового тахометру зменьшує надлишковість інформації, що, в свою чергу дає змогу більш раціонально використовувати пам’ять комп’ютеру.

 

Для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах також часто використовують тахогенератори. Найбільш точне первинне перетворення кутової швидкості в напругу здійснюють тахогенератори постійного струму, але їх використання обмежено за рядом причин. Залежність вихідної напруги тахогенератора постійного струму від кутової швидкості описується виразом [9]

 

, (1.5)

 

де U - вихідна напруга тахогенератора, U_Щ - напруга на щітковому контакті, - кутова швидкість, k_Е - постійна машини, k - конструктивний коефіцієнт, k_p - коефіцієнт пропорційності між струмом якоря та потоком, R_Я - опір обмотки якорю, R_нав - опір навантаження.

 

Із аналізу виразу (1.4) випливає, що вихідна напруга тахогенератора нелінійно залежить від кутової швидкості і при нульовій кутовій швидкості не дорівнює нулю, тобто присутня зона нечутливості.

 

Окрім того вихідна напруга тахогенератора постійного струму має пульсуючу складову, яка обумовлює виникнення додаткової похибки первинного перетворення. Наявність щіткового контакту підвищує момент опору на валу тахогенератора, що робить недоцільним їх застосуваня для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малої потужності [10].

 

Найбільш перспективними для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малої потужності є фотоелектричні сенсори з безперервним вихідним сигналом. Відомий фотоелектричний сенсор кутової швидкості [11], у якому використовуються два лінійних фотоприймача, вихідна напруга яких з високою точністю прямо пропорційна світловому потоку. Схемотехнічно такі фотоприймачі достатньо легко реалізуються на основі пари фотодіод - операційний підсилювач [12]. Модулятор сенсора має прорізі у вигляді кільцевих секторів. Діафрагма, яка розташована перед кожним з лінійних фотоприймачів, має теж таку форму. При такій формі прорізей та діафрагми площа отвору, через який світловий потік падає на фоточутливий шар фотоприймача лінійно залежить від кута повороту модулятора. Оскількі світловий потік прямо пропорційний площі отвору, а вихідна напруга лінійного фотоприймача прямо пропорційна світловому потоку, матиме вихідну напругу, яка прямо пропорційно залежить від кута повороту модулятора. Для уникнення похибки первинного перетворення, що обумовлена неточністю виконання діафрагми та прорізей модулятора, проводиться послідовне підключення до виходу сенсора вихідних сигналів лінійних фотоприймачів, які рознесені між собою на певний кут. При цьому на виході сенсора формується сигнал складної форми, крутизна фронтів якого прямо пропорційна кутовій швидкості. Шляхом обчислення першої похідної вихідного сигналу сенсору отримується напруга, що прямо пропорційна миттєвому значенню кутової швидкості.

 

За допомогою цього сенсору можливе вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малої потужності, але він має погані частотні властивості. Вихідний сигнал сенсора є періодичним, і його частота дорівнює добутку кількості прорізів модулятора на усталену частоту обертання модулятора. Оскількі смуга пропускання лінійних фотоприймачів обмежена, то при певній частоті обертання модулятора похибка первинного перетворення, що обумовлена частотними властивостями фотоприймачів, значно підвищується. Крім того складна форма вихідного сигналу обумовлює складний алгоритм обчислення його похідної.

 

Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок про доцільність розробки тахометра на основі фотоелектричного сенсора з безперервним вихідним сигналом. Однак для покращення його технічних характеристик необхідно використати сенсор кутової швидкості на виході якого за один оберт валу формується тільки один імпульс пилоподібної форми, за рахунок чого зменьшується частота вихідного синалу та покращуються частотні властивості перетворювача. Це дасть змогу значно розширити частотний діапазон вимірюємих кутових швидкостей у порівняння з існуючими аналогами.

 

2 Розробка структурної схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

До складу розроблюємого пристрою входить первинний тахометричний перетворювач. Доцільно використати такий ТП, який буде мати аналоговий вихідний сигнал, прямо пропорційний куту повороту. Шляхом обчислення його першої похідной визначається кутова швидкість.

 

Аналогові диференціюючи пристрої мають велику похибку та вузький частотний діапазон, що не може задовільнити вимоги технічного завдання. Тому необхідно використати цифрове диференціювання вихідного сигналу ТП. Існують три види цифрового диференціювання [16]:

 

Перший тип - це дискретний диференціатор з усередненням. Принцип його дії полягає у відніманні через однакові інтервали часу миттєвих значень вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора першого типу описується виразом

 

 (2.1)

 

де - інтервал дискретності.

 

Другий тип - це дискретний диференціатор з осередненням. У цьому диференціаторі віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на цих інтервалах значення вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора другого типу

 

, (2.2)

 

Цифровий диференціатор третього типу - це диференціатор з усередненням на частині інтервалу. У ньому віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на частині цих інтервалів значення вхідного сигналу. Вихідний сигнал описується виразом

 

, (2.3)

 

Імпульсні характеристики диференціаторів першого, другого та третього типів описуються відповідно виразами

 

, (2.4)

 

 (2.5)

 

, (2.6)

 

де - дельта-функція Дирака,

 

Провівши пряме перетворення Фур’є від імпульсних характеристик та відокремивши дійсну та мниму частини отримуємо частотні та фазові характеристики диференціаторів.

 

Для диференціатора першого типу

 

, (2.7)

 

. (2.8)

 

Для диференціаторів другого типу

 

, (2.9)

 

. (2.10)

 

Для диференціаторів третього типу

 

, (2.11)

 

. (2.12)

 

Вибір одного з цих трьох видів залежить від конкретного випадку, але кожен з них обумовлює необхідність використання аналого-цифрового перетворювача.

 

Розроблюємий пристрій призначен для високоточного вимірювання та контролю кутової швидкості та інших параметрів руху ЕМПЕ у динамічному режимі. Тобто він повинен працювати як в режимі реального часу так і обчислювати залежності кутової швидкості, кутового прискорення, кута повороту валу від часу. Це обумовлює необхідність реалізації пристрою на основі персональної ЕОМ.

 

Таким чином, пристрій буде складатись з двох структурних блоків :

 

- тахометричного перетворювача;

 

- блоку зпряження тахометричного перетворювача з ПЕОМ.

 

Для узгодження роботи аналого-цифрового перетворювача та мікропроцесора ПЕОМ необхідно використати порт уведення-виведення та схему його ініціалізації.

 

Для запуску аналого-цифрового перетворювача використовується генератор з кварцевою стабілізацією частоти. При відомому періоді частоти цього генератору можливе вимірювання залежностей параметрів руху від часу, не проводячи сумісних вимірювань часу.

 

Данні та керуючі сигнали порту уведення-виведення передаються на системну шину та ОЗУ ПЕОМ. Після проведення вимірювань необхідні залежності обчислюються у відповідності з схемою роботи пристрою.