Автоматизированная система управления автоподналадчика для бесцентрово-шлифовального станка

 

7. Выбор измерительной цепи

    Измерение измеряемой величины преобразуется в электрический сигнал с помощью чувствительных элементов (ЧЭ) датчика. ЧЭ включается в измерительную схему питания от генератора с мостом Вина.

  Измерительная схема вырабатывает на выходе амплитудно-модулируемый сигнал.

  Выбираем  параметрическую схему для включения ЧЭ. Схема характеризуется высокой точностью и малой чувствительностью к помехам являются мостовые схемы.

При использовании электромагнитных ЧЭ выбираем комбинированный мост с 2-мя рабочими ЧЭ (L1 и L2):

РАСЧЕТ:

Найдем индуктивность L:

_,

где N- число витков;

d - диаметр катушки;

l - длина намотки.

По справочнику берем: N= 3500,

 d = 0.004 см, I = 92.3 см.

L= L1= L2

R7 = R9 - реактивные (индуктивные) сопротивления - обусловлены возникновением ЭДС самоиндукции. Электрический ток создает магнитное поле. Изменение тока, и как следствие изменение магнитного поля, вызывает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока. Величина индуктивного сопротивления зависит от индуктивности элемента и частоты протекающего тока

R7= R9 = 2π_*f_n*L= 2*3,14*600*0,021;= 79 Ом

По ГОСТу (ряд Е24 принимаем R7= R9 =82 Ом

R6 = R8 - служат для балансировка моста. Примем R6 = R8 = 56 Ом.

Рассчитаем выходное напряжение:

L1 и L2 имеют высокую добротность (θ), а следовательно: _ΔR_n ≤ ΔL и поэтому:

, где Un = Uвых.г - напряжение питания моста.

Для индуктивного датчика:

Задаемся, исходя из перемещений  ферромагнитного сердечника, изменением индуктивности 

  

 

8. Расчет усилителя

Сигнал с выхода неуравновешенного  моста обычно усиливают с помощью дифференциальных усилителей.

При этом напряжение небаланса моста  должно быть усилено до величины, которая  соответствует максимальному входному напряжению аналого-цифрового преобразователя. Коэффициент усиления измерительной  цепи равен:

В современной электронике основным «строительным материалом» являются интегральные схемы. Для преобразования аналоговых сигналов, являющихся носителями информации, используются операционные усилители (ОУ). Характеристики ОУ таковы, что в большинстве практических схем можно придерживаться следующих предположений:

- коэффициент усиления напряжения  без обратной связи K_vou бесконечно велик ;

- входное сопротивление равно  бесконечности;

- выходное сопротивление равно  нулю;

Желательно, чтобы сопротивления между инвертирующим входом и землей и между неинвертирующим входом и  землей были одинаковы.

Верхний предел для сопротивления  резисторов, включаемых между каждым из входов и землей, ограничивается значением около 10 кОм. Верхний предел резистора R₂ желательно ограничить значением порядка 1 МОм.

В справочных данных на ОУ К140УД20 напряжение питания U_и.п.=±15 В.

Рис.6 Типовая схема инструментального  усилителя на К140УД20

 

Положим:

  тогда

Принимаем R2=1МОм, R1=10кОм, R3=10кОм

Таким образом 

По ГОСТу принимаем 

 

Напряжение на выходе усилителя  .

       9. Выбор демодулятора

 

Демодулятор обычно устанавливают на выходе усилителя. Поэтому приведенный ко входу усилителя дрейф нуля пренебрежимо мал. Демодулятор обеспечивает получение постоянного (медленно меняющегося) напряжения или тока. В зависимости от того, какой параметр переменного напряжения надо измерить, различают демодуляторы среднего значения, амплитудные, действующего значения, фазовые и частотные. Ограничимся демодуляторами среднего значения. Активные демодуляторы среднего значения содержат в своём составе усилитель.

Фазочувствительные демодуляторы применяют для получения постоянного  напряжения, величина и знак которого зависят не только от входного напряжения, но и от фазного сдвига между входным  и опорным (коммутирующим) напряжениями.

Фазочувствительный выпрямитель  имеет два входа: сигнальный и управляющий( коммутирующий).Если на сигнальный вход подано гармоническое переменно напряжение Uвх, а на управляющий – напряжение той же частоты Uу, то напряжение на выходе выпрямителя определяется соотношением

 

Uвых=а*|Uвх| *cosφ

Где:   а- постоянный коэффициент;

φ – фазовый сдвиг между напряжениями Uвx и Uy.

Схема фазочувствительного выпрямителя

 

Фазочувствительный выпрямитель  имеет входы U1 и U2. Большее из поданных на эти входы напряжений является управляющим Uу и от него зависит знак Uвых. Модуль определяется меньшим входным напряжением. Целесообразно, чтобы R2>>R1.

Направление тока на выходе соответствует  направлению изменения измеряемой величины.

Характеристика:

Характеристика проходит через  нуль.

Напряжение Uост подавляется, схема не чувствительна к высокочастотным гармоникам в напряжении питания.

Фаза напряжения Uy=const

Изменение фазы Ux изменяет знак выходного напряжения (отклонение a). Поэтому в схему включают фазорегулятор для обеспечения φ =0 и φ=π, где R10 регулировочный резистор. Т.к. фазочувствительный фильтр выполнен на основе диодов D9В с малым сопротивлением Rд=0,1 Ом, то в схему целесообразно добавить эмиторный повторитель с огромным входным сопротивлением и малым выходным, со 100% отрицательной обратной связью.

 

 

10. Выбор и расчет фильтра

Для того, чтобы сигнал на выходе фазочувствительного  выпрямителя не содержал гармоник несущей  частоты, его пропускают через низкочастотный фильтр с границей полосы пропускания  равной максимальной частоте исследуемого сигнала. В нашем случае сигнал должен поступить в аналого-цифровой преобразователь с тем, чтобы в цифровой форме измеренные величины могли быть обработаны электронно-вычислительной машиной (ЭВМ). Проникновение высокочастотных помех в аналого-цифровой преобразователь недопустимо, поэтому для лучшей фильтрации необходимо применить активный фильтр.

Активные фильтры.

Название активный фильтр происходит потому, что в них используются активные элементы. В качестве активных элементов используются операционные усилители в интегральном исполнении. Схема простого активного фильтра низких частот второго порядка  рассмотрена на рисунке

 

 

Схема активного ФНЧ второго  порядка.

 

 

Операционный усилитель DA1 работает в линейном режиме. При расчете исходно задаются частота среза  f_ср = ω_ср/2π и коэффициент усиления К₀ в полосе пропускания, который не должен превышать 3.

Исходные данные.

fср. = 60 Гц.

Расчёт

Принимаем  R1 = R2 = R и C1́= C2́ = C, то граница полосы пропускания определится по формуле:

f_гр =  15,915 /  C,

Отсюда можно определить необходимую емкость конденсатора для заданной границы полосы пропускания f_гр =  60 Гц, которая в 10 раз меньше несущей частоты 6 Гц.

Рекомендуется емкость С определять по формуле:

С = 10/ f_ср = 10/60 = 22 нФ

R = 1/(2π f_ср С) = 1/(2π·60·16·10^-9) = 15900 Ом

Последовательно соединив табличные  конденсаторы с ёмкостью С1=С2=22 нФ  и получим С1́́=22 нФ, С2́=22 нФ.

Округляем до табличного значения R = R1  =R2  =15 кОм.

Для определения значений  R3 и R4 запишем формулу для определения   коэффициента усиления в полосе пропускания  К₀ = 1 + R3/R4 = 1,5 , откуда получим           R3/R4 = 1,5 – 1 = 0,5

Выбираем R3 = 27 кОм, R4 = 47 кОм.

 

 

 

 

11. Выбор аналого-цифрового преобразователя.

Выбор аналого-цифрового преобразователя (АЦП) определяется параметрами входных сигналов, а также требованиями, которым должны удовлетворять основные характеристики АЦП. Сущность аналого-цифрового преобразования сигнала состоит в быстром и  точном измерении величины аналогового сигнала и последующее представление его в цифровой форме - обычно в позиционный двоичный код (ПДК). Процессы квантования и кодирования представляют собой основную операцию аналого-цифрового преобразования. Приборы, в которых измеренная аналоговая величина преобразуется в дискретную (как правило, в код), называются аналого-цифровыми преобразователями.

К основным параметрам АЦП следует  отнести максимальное входное напряжение U_max, число разрядов кода n, разрешающую способность ∆ и погрешность преобразования.

Исходные данные.

Полный диапазон сигнала ПД =( Uвх) = -10÷10 В = 20 В

Приведенная погрешность АЦП  = 0,4 %

Расчёт

1)Разрядность АЦП определяется  как:

n= log₂ = log₂ = 7

Выбираем 8-ми разрядный АЦП в  соответствии с ГОСТ

2)Разрешающая способность АЦП:

∆ = В

3)Абсолютная погрешность квантования  составляет: 70 мВ

Чем больше n, тем меньше ∆ и тем точнее выходным кодом может быть представлено входное напряжение.

4)Относительное значение разрешающей  способности:

        θ = = = 0,0039 В – определяет минимально представимое напряжение при дискретизации аналогового сигнала.

5)Полная относительная статическая  погрешность:

100/N = 100/125 = 0,8%

N = = = 125

Относительное значение статической  погрешности позволяет судить об информации, которая может быть утеряна, т.е. о точности преобразования.

В результате расчета выходной код - 8-ми разрядный.

 Число уровней квантования составляет 2ⁿ = 2⁸ = 256, следовательно диапазон изменения входного сигнала разбит на 256 уровней, отстоящих друг от друга на 70 мВ.

Абсолютная погрешность квантования  составляет ±70 мВ.

Таким образом, ∆ - наименьшая различимая ступенька входного сигнала. Сигнал меньшего уровня АЦП не зарегистрирует. В соответствии с этим разрешающую способность отождествляют с чувствительностью АЦП.

Динамическая составляющая погрешности  связана с быстродействием преобразователя (с временем преобразования t_пр) и скоростью изменения входного сигнала (v). Чем меньше t_пр и v, тем меньше эта составляющая. Для АЦП период Т_оп, с которым осуществляется опрос входного напряжения (подключение к нему АЦП), следует выбирать больше t_пр: Т_оп > t_пр т.е. между скоростью преобразования 1/t_пр и частотой опроса (f_оп > 1/Т_оп) должно соблюдаться соотношение 1/ t_пр > f_оп.  С другой стороны, по теореме Котельникова, f_оп связана с наивысшей частотой f_max, в спектре непрерывного входного сигнала неравенством  f_оп  ≥ 2f_max. Поэтому АЦП должен обладать скоростью преобразования 1/t_пр > 2f_max. При большом t_пр нужно будет увеличивать период опроса, чтобы избежать больших динамических искажений. Для их уменьшения обычно выбирают АЦП с таким временем преобразования t_пр, за которое входной сигнал изменяется не более чем на разрешающую способность ∆.

6)Время преобразования:

Гц

7)Определяем шаг дискретизации  :

8)Определяем время преобразования

9)Тактовая частота (частота взятия выборок):

10)Определяем шаг квантования:

В

11)Методическая погрешность квантования:

В

12)Проверим, выполняется ли условие минимизации апертурной погрешности АЦП:

Условие минимизации выполняется, следовательно АЦП обладает достаточным  быстродействием и не требует  подключения устройства выборки  и хранения (УВХ).

В соответствии с полученными параметрами, выбираем восьмиразрядный АЦП последовательного приближения К572ПВ3. Находим его данные по справочнику.

Микросхема К572ПВ3 представляет собой 8-ми разрядный АЦП последовательного  приближения, сопрягаемый с микропроцессором. Связь с микропроцессорами осуществляется в режиме записи и преобразования данных. В качестве управляющих сигналов используется сигнал адресации СS, выдаваемый всеми микропроцессорами, и сигнал считывание/запись RD.

 

Разрешающая способность:

В состав ИС входят 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, компаратор напряжения, регистр последовательного приближения, логическая схема управления и синхронизации, выходные схемы с тремя состояниями для согласования с внешней шиной.

 АЦП имеет два одинаковых входа АI1и AI2, соединенных внутренними резисторами с одним и тем же входом компаратора. На этот же вход компаратора подается выходной ток цифро-аналогового преобразователя, управляемого регистром последовательного приближения.

Микросхема К572ПВ3 обладает достаточным быстродействием и не требует подключения устройства выборки и хранения (УВХ).

 

12. Выбор мультиплексора.

В тех случаях, когда требуется  последовательно опросить логические состояния многих устройств и  передать их на один выход применяют устройство, называемое мультиплексор. Мультиплексоры бывают цифровые и аналоговые. Выбираем аналоговый мультиплексор.

Мультиплексор имеет три информационных канала х1, x2 и х3, так как 3 датчика. Число адресных входов определяется из формулы:

N=2ⁿ, где N=3 – число информационных каналов → n = 2. Два адресных входа.

T – шаг квантования

γ – приведённая погрешность квантования.

Таблица истинности:

Адресные входы
А0	А1	А2	Выход,Y
0	0	0	X1
0	0	1	X2
0	1	0	X3
0	1	1	X4
1	0	0	X5
1	0	1	X6
1	1	0	X7
1	1	1	X8