Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет Кафедра Автоматики

Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу «Технология проектирования и производства АС»

по теме «Система управления плавающим подводным роботом»

1. Техническое задание на разработку СУ

1.1 Общие требования

Полное наименование системы: “Система управления плавающим подводным роботом”.

Система создается на основании статей и Internet сайтов, а так же литературы указанной в перечне.

Результаты проделанной работы по созданию системы (её частей), оформляется в качестве курсовой работы по предмету ” Технология проектирования и производства аппаратуры систем управления ”.

Внимание!

Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №3477, цена оригинала 1000 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты.

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение системы. Разрабатываемая система управления плавающим подводным роботом (именуемая в дальнейшем – система) относится к классу бортовых систем для плавающих роботов отечественного и зарубежного производства.

Данную систему можно использовать для управления в робототехнике и в других областях, где требуется управлять положением различных объектов в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Объекты управления: Автоматический плавающий робот.

Цели создания системы. Целью курсового проекта по созданию системы является приобретение навыков разработки конструкторской документации на конкурентно способное изделие, реализация которого ориентирована на рынок.

Показатели объекта автоматизации (робот), которые должны быть достигнуты в результате создания системы:

— автоматическое обследование трубы газопровода

— расстояние от трубы 3-5 метров

— точность отслеживания 30 сантиметров

1.3 Характеристика объекта управления.

Аппарат должен передвигаться по а также корректировать свой курс при встрече с препятствием или с изменением маршрута нефтепровода, к примеру.

При разработке системы учесть, что в процессе движения робот испытывает сильное воздействие от изменения направления течений.

1.4 Требования к системе управления

Требования к системе в целом. Система управления должна обеспечивать управление роботом.

Требования к надёжности:

— наработка на отказ – 800 часов;

— гарантийный срок 1,5 года;

— долговечность (срок службы) — 10 лет;

— должна быть обеспечена ремонтопригодность, при этом среднее время восстановления не более 1 часа.

Требования к методам оценки и контроля показателей надёжности на разных стадиях создания системы в соответствии с действующими нормативно-техническими документами (курс – «Надёжность технических систем»).

Требования безопасности:

— требования к системе по электробезопасности не предъявляются;

— обеспечить пожаробезопасность.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению системы:

— эксплуатация системы должна осуществляться автономно;

— предусмотреть возможность проведения ежегодных регламентных работ при прохождении роботом периодического технического осмотра;

— ремонт системы в условиях специализированной мастерской;

— хранение в соответствие с ГОСТ 15150-80.

Требования по сохранности информации при авариях: не предъявляются.

Требования к защите от влияния внешних воздействий:

— температура окружающей среды от минус -50 до + 70 С

— влажность 98 % при температуре + 35 С;

— давление 760 + 140 мм. рт. ст;

— вибрация от 1 до 150 Гц с ускорением до 6g (60 м/c²);

— удары до 50g при 2-6 мс.;

— водонепроницаемость;

Система должна функционировать в условиях воздействия радиопомех, электрических, магнитных и электромагнитных полей создаваемых электрическим оборудованием робота.

Требования к аппаратуре системы управления с точки зрения воздействия на смежные системы. Система не должна греть смежные системы, не создавать вибрационные и ударные перегрузки, не шуметь, не излучать и т.д.

Патентно-правовые требования. Патентная чистота системы и её частей должна быть обеспечена в отношении стран: США, Норвегия, Голландия и Великобритания, т.к. разработки именно этих стран в большинстве случаев используются при изготовлении электроприводов в отечественной промышленности.

Требования технологичности, стандартизации и унификации. Разработка КД системы должна проводиться в соответствие с требованиями нормативно-технических документов, устанавливающих степень использования стандартных, унифицированных методов реализации функций (задач) системы, поставляемых программных средств, типовых математических методов и моделей, типовых проектных решений и т.п. (курс – “Конструирование и технология производства аппаратуры СУ”).

Дополнительные требования:

— требования к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению,

— требования к конструкторской, эксплуатационной и ремонтной документации;

— комплектность ЗИП, специнструмент и приспособления;

— экономические показатели и др. (в соответствии с нормативно-техническими документами и в рамках данного курсового проекта не рассматриваются ).

Технические требования к параметрам и характеристикам системы управления:

— автоматическое обследование трубы газопровода

— расстояние от трубы 3-5 метров

— точность отслеживания 30 сантиметров

— параметры питающей сети — аккумуляторная батарея 24 В;

— Ток якорной обмотки двигателя 30 А.

— в случае выхода системы из строя питающая сеть не должна закорачиваться;

— габаритно-массовые характеристики должны быть минимальными.

Требования к видам обеспечения. В пояснительной записке к курсовому проекту должны быть приведены:

— в рамках математического обеспечения системы формулы и алгоритмы законов управления системы;

— в рамках информационного обеспечения системы должны быть приведены параметры информационного обмена между компонентами системы;

— в рамках программного обеспечения система должна запоминать и корректировать свое местоположение;

— в рамках технического обеспечения система должна строиться на отечественной элементной базе и только в технически обоснованном случае допускается применение зарубежной элементной базы;

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы

В процессе выполнения курсовой работы (в течение 6-го семестра) должны быть разработаны: структурная, функциональная и электрическая схема системы;

1.6 Порядок контроля и приёмки системы

Защита курсовой работы проводится в конце 6-го семестра.

Требования к документации. Материалы курсовой работы должны быть оформлены в соответствие с требованиями к курсовой работе по курсу «Проектирование аппаратуры СУ»

1.7 Источники разработки

Конспекты лекций по «Технологии проектирования и производства аппаратуры СУ», ТАУ и ЦСУ, метрологии, схемотехнике, микропроцессоры и программирование, надежности, передача данных, автоматизированное проектирование систем и средств управления, фонд библиотеки МФ ЮУрГУ и информационных сайтов системы Internet.

Содержание Введение………………………………………………………………………….3

1. Техническое задание на разработку СУ………………………………..…………….8

1.1 Общие требования. 4

1.2 Назначение и цели создания системы. 4

1.3 Характеристика объекта управления. 4

1.4 Требования к системе управления 5

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы 6

1.6 Порядок контроля и приёмки системы 7

1.7 Источники разработки

2. Разработка и описание структурной схемы СУ…………………………..…12

3. Разработка и описание функциональной схемы СУ…………………..………15

4. Разработка электрической (принципиальной) схемы…………………………33

4.1 Сравнительный анализ аналоговых и цифровых схем

4.2 Выбор микроконтроллера

4.3 Выбор преобразователя

4.4 Выбор корректирующего контура

Заключение………………………………………………………………..………..

Список литературы…………………………………………………..….….………

Приложение 1………………………………………………………..….…………

ВВЕДЕНИЕ

Россия имеет самую протяженную в мире морскую границу (38 800 км) и самую обширную шельфовую зону, представляющую стратегически значимые ресурсы. Вряд ли нужно доказывать важность обеспечения национальной безопасности нашей страны с моря. Автономные подводные роботы по своим функциональным возможностям и техническо-экономическим показателям способны стать компонентом первостепенной значимости в решении этой масштабной оборонной задачи. Особую важность здесь приобретают портативные автономные подводные роботы, которые не требуют развитой инфраструктуры, специальных носителей и т.п. и которые можно без особых затруднений использовать в условиях необорудованного побережья. Легкие и портативные мобильные роботы отличаются маневренностью, способны к быстрой адаптации к конкретному виду выполняемой миссии, требуют относительно небольших затрат на их производство и эксплуатацию.

Разработка автономных подводных роботов (АПР) является одним из направлений деятельности изучения морских проблем. Если отвлечься от экзотических случаев использования АПР (например, обследования склонов подводных вулканов на больших глубинах), то основная область применения подводных аппаратов приходится на морские районы, имеющие хозяйственное значение. Это, в первую очередь, шельфовые зоны (нефтегазовые месторождения, объекты марикультуры) и районы с глубинами до 2 км (рыболовство и краболовство). АПР применяются для обследования морского дна, сбора океанографической информации с целью планирования маршрутов прокладки подводных коммуникаций, для инспекции и обслуживания подводных трубопроводов, кабелей и связанных с ними сооружений. Сбор информации предполагает обзор дна в районе предполагаемого выполнения работ и связан с изучением вопросов батиметрии, состава и строения морского дна, сейсмологии, наличия течений, а также с выявлением локальных особенностей приливов и отливов. Обзор включает съёмку рельефа дна посредством батиметрического локатора и гидролокатора бокового обзора (ГБО), а также исследование характера грунта с помощью профилографа. Задачами для инспектирования являются прослеживание и уточнение местоположения трубопровода или кабеля, оценка состояния и обнаружение повреждений, обнаружение утечки

транспортируемых веществ и выявление других нештатных ситуаций, например появления затонувших или намеренно установленных объектов рядом с коммуникациями. АПР при этом должен выходить к заданному объекту и уточнять его местоположение с относительно большой точностью (не менее 5 метров).

Рис. 1. Многоцелевой

малогабаритный АПР ММТ_2000 (проект)

Широкое применение АПР получили в спасательных и поисковых операциях. При проведении обзорно поисковых операций АПР должен двигаться по строго заданной сети траекторий, покрывающей район поиска. Смещение относительно заданной траектории может привести к тому, что некоторые участки дна в районе поиска будут пропущены. Для решения указанных задач АПР должен быть оснащён системой технического зрения (СТЗ), включающей

видеосистему, гидролокаторы бокового и переднего (секторного) обзора, акустический профилограф, а также магнитометрические и электромагнитные датчики. На основе получаемой информации СТЗ должна выделять трубопровод или кабель, а система управления (СУ) – обеспечивать движение вдоль указанного объекта.

Рис. 2. Автономный подводный робот МТ_98

При этом могут также использоваться датчики для определения концентрации различных примесей в воде. К этим задачам тесно примыкает задача экологического мониторинга водной среды в районах прокладки нефтепроводов или нефтегазовых промыслов, которая предполагает регулярный анализ воды на наличие продуктов, метана и других примесей.

На аренду судов для осуществления мониторинга ежегодно тратятся огромные средства. Применение малогабаритных АПР (рис1) позволяет использовать для этих целей маломерные суда, а в некоторых случаях – и вовсе обойтись без них, работая с берега. Эффективность использования АПР по сравнению с другими (буксируемыми) системами достигается за счёт его маневренности и точности движения по маршруту и возрастает с увеличением глубины проводимых работ. Например, опыт подводных работ показал, что по сравнению с использованием буксируемой системы затраты снижаются на 40 60%.

2. Разработка и описание структурной схемы СУ

Схема структурная электрическая предназначена для отображения принципа работы системы в самом общем виде.

Структурная схема определяет основные функции и части изделия, их назначение и взаимосвязи. На схеме отображают функциональные части изделия, а также основные взаимосвязи между ними. Построение схемы должно давать наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей изделия. Направление хода процесса обозначается стрелками.

Структурные схемы различаются по типу цикла управления: разомкнутые и замкнутые. В свою очередь системы управления с замкнутым циклом делятся на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

Системы управления, работающие по замкнутому циклу:

1)СУ автоматической стабилизации управляющего воздействия, которое заранее задано определённой величиной. G0 – const.

2)СУ автоматической стабилизации управляющего воздействия, являющегося известной функцией времени. G = G(t).

3)Следящие СУ. Управляющее воздействие — функция времени заранее неизвестна.

Главный элемент в кухонном процессоре это электродвигатель, он обеспечивает вращение режущих ножей (насадок), которые в свою очередь являются объектом управления анной системы.

Для управления режущими ножами нужно знать угловую скорость вращения двигателя, поэтому управляемой величиной является угловая скорость вращения двигателя. Очевидно, что в качестве задающего воздействия будет величина соответствующая требуемой угловой скорости. Т.к. эта величина является неизменной во времени, то необходимо выбрать структурную схему с замкнутым циклом автоматической стабилизации. Т.е. система управления должна поддерживать заданную, на входе, величину угловой скорости. Для этого необходимо использовать датчик угловой скорости. Сигнал с выхода датчика поступает на преобразователь, который усиливает и преобразовывает сигнал с датчика и подает на сравнивающее устройство, которое сравнивает входной сигнал с сигналом от датчика. Полученное рассогласование проходит через корректирующий контур, который обеспечивает необходимые динамические характеристики системы, а затем подается на усилитель мощности, который усиливает это рассогласование для управления двигателем. Входной сигнал подается с пульта управления, в который входит клавиатура и индикация. Клавиатура позволяет заводить данные (количество оборотов в секунду) в блок управления, а индикация показывает текущее состояние системы.

Также необходимо следить за температурой самого двигателя (во избежание его перегрева), для этого используем датчик температуры. Значение с датчика температуры через преобразователь поступает непосредственно на пульт управления, который в случае перегрева двигателя прекратит его работу.

Датчик моменты отслеживает изменения момента двигателя. Сигнал с датчика поступает через преобразователь на пульт управления и на сравнивающее устройство, которое сравнивает входной сигнал с сигналом от преобразователя (датчика). В случае резкого скачка момента на валу двигателя пульт управления прекратит работу последнего, в случае плавного увеличения момента произойдет автоматическая компенсация мощности через сравнительный элемент и усилитель.

Таким образом, получили структурную схему изображенную на рисунке.

3. Разработка и описание функциональной схемы СУ

Функциональная схема предназначена для пояснения принципа работы системы. Она разрабатывается на основании структурной схемы. Выбор элементов функциональной схемы осуществляется исходя из требований, предусмотренных техническим заданием.

Выбор элементов функциональной схемы осуществляется исходя из требований, предусмотренных техническим заданием.

3.1 Выбор электродвигателя

Согласно техническому заданию разрабатываемая система управления плавающим подводным роботом должна работать от питающей сети — аккумуляторной батареи 24 В.

Электрические двигатели бывают постоянного и переменного тока. Наиболее распространены электрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству, неприхотливы в эксплуатации. Основной недостаток — практически не регулируемая частота вращения.

Электрические двигатели переменного тока изготавливают одно- или многофазными. Основные элементы таких двигателей — статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Выпускаются электродвигатели с коротко замкнутыми обмотками ротора и обмотками, выведенными на коллектор (систему контактных колец) и замыкающимися через регулируемые резисторы. Такие роторы называют фазными, а электродвигатели — электродвигателями с фазным ротором.

Асинхронные машины наибольшее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту.

Предельная мощность асинхронных двигателей – несколько мегаватт. В индикаторных системах применяются асинхронные двигатели мощностью от долей ватта до сотен ватт. Частота вращения двигателей общего назначения – от 3000 до 500 об/мин.

Чтобы большая часть электрической энергии преобразовывалась в механическую, асинхронные машины используют в электроприводах, где допустимо небольшое скольжение. При глубоком скольжении асинхронные машины используются редко, так как в этом случае большая часть мощности , забираемой из сети, преобразуется в тепло, что приводит к низкому КПД и увеличению габаритов асинхронной машины из-за трудностей, связанных с отводом тепла от активных частей машины.

До сих пор не найдено дешевой и экономичной системы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей.

В конструктивном исполнении асинхронные двигатели – наиболее простые и дешевые.

В режиме двигателя синхронные машины используются в качестве приводных двигателей мощных насосов, вентиляторов, воздуходувок. Предельная мощность синхронных двигателей достигает нескольких сотен мегаватт.

Одним из основных достоинств синхронных машин является то, что они могут быть источниками реактивной мощности. Если асинхронные машины для создания поля потребляют из сети реактивную, мощность, то синхронные машины в зависимости от степени возбуждения выдают в сеть или потребляют из сети реактивную мощность.

Как правило, синхронные двигатели эксплуатируются с cos φ=0,8÷0,9. При этом реактивная энергия поступает в сеть, если синхронная машина работает при перевозбуждении.

Характерным отличием синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при измени нагрузки и имеют большую перегрузочную способность.

Одним из основных недостатков синхронных двигателей являются плохие пусковые свойства, которые ограничивают их применение.

Недостаток синхронных двигателей является их более сложная конструкция, необходимость в источнике постоянного тока и худшие по сравнению с асинхронными пусковыми свойствами.

Электродвигатели постоянного тока состоят из подвижной части (якоря) и неподвижной части (статора). Они выпускаются с параллельным, последовательным и смешанным соединением обмоток якоря и статора. Достоинством двигателей постоянного тока является способность регулировать частоту вращения, но они требуют значительных усилий при эксплуатации.

Свойства двигателей постоянного тока определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток.

По способу возбуждения различают:

— двигатели с электромагнитным возбуждением,

— магнитоэлектрическим возбуждением.

Электрические двигатели с электромагнитным возбуждением делятся:

— двигатели с параллельным возбуждением,

— последовательным возбуждением,

— смешанным возбуждением,

— независимым возбуждением.

Рис. 4.1 Способы возбуждения двигателей постоянного тока.

Двигатели делятся на:

— коллекторные;

— бесколлекторные.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют большой недостаток: сложная схема управления.

Двигатели независимого возбуждения удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к исполнительному органу:

— линейность механических и регулировочных характеристик,

— малая мощность управления,

— быстродействие,

— широкий диапазон регулирования частоты вращения,

— отсутствие самохода,

— устойчивость во всем диапазоне частот вращения,

— большой пусковой момент,

— надежность работы,

— малые габариты и масса.

Но есть один недостаток: щеточно-коллекторный узел, из-за которого может возникнуть искрение, искрение перейти в дугу, а дуга при больших оборотах может замкнуть источник питания; малый срок службы щеточного устройства. Но, несмотря на все свои недостатки коллекторный двигатель, обладает одним достоинством, которое и повлияло на выбор этого двигателя — это простая схема управления и, учитывая, что курсовой проект является учебным, по согласованию с руководителем проекта последующая разработка системы управления будет производиться с использованием коллекторных двигателей постоянного тока с независимым возбуждением.

Согласно ТЗ:

— двигатель должен питаться от аккумуляторной батареи напряжением 12В,

4.2 Обоснование и выбор усилителя мощности

Усилитель — устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала, как по напряжению, так и по току за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель усиливает сигнал рассогласования до величины, достаточной для управления исполнительным двигателем и отработки угла рассогласования с необходимой чувствительностью.

Классификация усилителей:

— по виду усиливаемого сигнала (усилители гармонических и импульсных сигналов);

— по типу усиливаемой величины (усилители напряжения, тока и мощности);

— по диапазону усиливаемых частот (усилители постоянного и переменного тока).

В настоящее время при разработке систем управления применяются линейные и импульсные усилители мощности.

Достоинством линейных усилителей мощности является:

— быстродействие;

— линейность;

— простота устройства;

— высокая надёжность;

— помехозащищенность.

Недостатком является низкий КПД.

Известны различные типы усилителей: полупроводниковые, электромашинные, релейные и т.д.

На рисунке 4.2 приведена схема инвертирующий усилитель мощности

Рис. 4.2 Схема инвертирующий усилитель мощности

Коэффициент усиления такого усилителя определяется отношением по формуле:

На рисунке 4.3 приведена схема не инвертирующий усилитель мощности.

Коэффициент усиления такого усилителя определяется отношением по формуле:

Рис. 4.3 Схема не инвертирующего усилителя мощности

Т.к. операционный усилитель не может отдавать в нагрузку ток больше 3 mA, то чтобы обеспечить требуемый ток нагрузки в схему нужно ввести усилитель тока.

Чтобы обеспечить требуемое усиление по току можно использовать составные транзисторы. Достоинства составных транзисторов в том, что они обеспечивают высокий коэффициент β. На рисунке 4.4 приведены схемы составных транзисторов.

Рис. 4.4 Пример схемы на составных транзисторах.

Но недостатком составных транзисторов является значительное падение напряжения на переходах. С целью уменьшения этих недостатков используется схема Шиклая, приведённая на рисунке 4.5.

Рис. 4.5 Схема Шиклая

Классическим примером усилителя тока является эмиттерный повторитель, схема приведена на рисунке 4.6.

Рис. 4.6 Усилитель тока

Недостатком схемы, изображённой на рисунке 4.6 является необходимость двух источников питания, для работы этого усилителя.

С целью устранения этого недостатка была разработана схема усилителя тока, приведённая на рисунке 4.7.

Рис. 4.7 Усилитель мощности

Схема линейного усилителя мощности, обеспечивающего формирование тока якорной обмотки пропорционально входному напряжению изображена на рисунке 4.8.

Рис. 4.8 Линейный усилитель мощности с преобразованием.

Интенсивное развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами привело разработке и использованию систем, работа которых связана с воздействием, передачей и преобразованием последовательности импульсов.

При дискретном способе процесс преобразования непрерывного сигнала в импульсную последовательность осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит квантование по времени или по уровню, или одновременно и по времени и по уровню. На втором этапе квантованный сигнал в соответствии с одним из законов модуляции преобразуется в импульсную последовательность, воздействующую на объект управления. В системах автоматического управления наиболее часто используются следующие виды модуляции:

— Амплитудно – импульсная модуляция (АИМ);

— Импульсная модуляция (ИМ);

— Широтно – импульсная модуляция (ШИМ);

— Частотно – импульсная модуляция (ЧИМ);

— Импульсно – кодовая модуляция (ИКМ).

Широкое распространение систем управления с различными видами модуляции сигналов объясняется рядом их достоинств, таких как возможность многоканального управления, возможность стыковки с цифровыми вычислительными устройствами, возможность длительного хранения и запоминания информации, повышенная точность и помехозащищенность.

Далее будут рассмотрены схемы на основе импульсных усилителей.

Наиболее распространенный вариант импульсного управления – широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Управляющий сигнал имеет вид импульсов постоянной частоты и амплитуды, но переменной длительности. Скорость вращения двигателя тем больше, чем больше длительность импульса.

При импульсном типе управления напряжение на двигатель подается в виде импульсно-модулированных сигналов. При этом транзисторы в выходном каскаде усилителя работают в ключевом режиме.

На рисунке 4.9 приведена временная диаграмма ШИМ.

Рис. 4.9 Временная диаграмма ШИМ.

Достоинством ШИМ является, то, что частота следования импульсов может быть выбрана за пределами резонансной частоты системы.

Недостатком ШИМ является, то, что при ширине импульса стремящегося к 0 система работает не устойчиво.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). Управляющий сигнал имеет вид импульсов постоянной длительности и амплитуды, но переменной частоты.

На рисунке 4.10 приведена временная диаграмма ЧИМ.

Рис. 4.10 Временная диаграмма ЧИМ.

Достоинством ЧИМ является надёжное включение оконечных каскадов.

Недостатком ЧИМ является то, что на низких частотах (когда период стремится к нолю) система переходит в релейный режим работы.

На основе всего вышесказанного, для разрабатываемой системы управления в качестве усилителя выбираем широтно–импульсный модулятор, так как он обладает низкой мощностью рассеивания, что существенно экономит электрическую энергию.

На основе вышесказанного, для разрабатываемой системы управления в качестве преобразовательного элемента усилителя выбираем широтно–импульсный модулятор, так как он обладает низкой мощностью рассеивания, что существенно экономит электрическую энергию.

На рисунке 4.11 изображена функциональная схема широтно-импульсного модулятора.

Рис. 4.11 Функциональная схема ШИМ модулятора.

На рисунке 4.12 приведены графики, поясняющие принцип получения ШИМ сигнала.

Рис. 4.12 Принцип получения ШИМ.

На рисунке 4.13 приведён пример генератора пилообразного напряжения.

Рис. 4.13 Пример генератора пилообразного напряжения.

В данной схеме амплитуда пилообразного напряжения рассчитывается по формуле:

.

Период рассчитывается по формуле:

.

Драйвером называется предоконечный каскад усиления. Драйвер служит для управления транзисторами оконечного каскада.

На рисунке 4.14 изображена функциональная схема построения ШИМ усилителя мощности.

Рис. 4.14 Схема построения ШИМ усилителя мощности.

Недостатками данной схемы являются:

 не обеспечивается преобразование выходного напряжения в ток якорной обмотки;

 ШИМ сигнал модулируется и по амплитуде вследствие нестабильности химических источников питания.

Функциональная схема, исключающая эти недостатки приведена на рисунке 4.15.

Рис. 4.15Схема построения ШИМ усилителя мощности.

Выбор датчика

Датчики для измерения расстояния могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта. В таблице 1 представлены основные типы аналоговых бесконтактных датчиков для измерения расстояний и их основные особенности.

Индуктивные Ультразвуковые Оптические

Триангуляционные Радарные

Расстояние 0 – 20 мм 10 – 10.000 мм 10 – 1.000 мм 10 – 500.000 мм

Разрешение 0,1 мкм 0,1 мм 1 мкм 0,5 мм

Точность 1 мкм 0,2 мм 2 мкм 2 мм

Линейность 0,4% – 5% 0,5% 0,05% — 1% 0,001%

Время 0,3 мс 20 мс 1 мс 1 мс

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

Оптические датчики. Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

Принцип работы оптического датчика расстояния

На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Вывод: исходя из специфики проекта, выбираем ультразвуковые датчики, которые позволяют определять расстояние до объекта с дистанцией до 11 метров, а также они позволяют точно определять скорость передвижения объекта.

Выбор датчика температуры

Датчик температуры предназначен для измерения температуры двигателя. В качестве датчиков температуры широкое применение находят полупроводниковые терморезисторы, диоды и транзисторы, термопары, резистивные датчики температуры и другие виды датчиков.

Полупроводниковым терморезистором называется прибор, принцип действия которого основан на изменении сопротивления полупроводникового материала при изменении температуры. На их основе создают устройства, обладающие повышенной точностью и быстродействием. Терморезисторы преимущественно включаются в мостовые схемы для повышения чувствительности.

Датчик температуры на основе полупроводниковых диодов основан на изменении проводимости полупроводника при изменении температуры. На практике чаще применяют зависимость Uпр=f(T,°C), т.к. при выполнении условия Iпр=const зависимость Uпр=f(T,°C) носит линейный характер и напряжение Uпр легко поддаётся непосредственному измерению.

Датчик температуры на основе биполярных транзисторов основан на изменении тока коллектора при изменении температуры. Его использование позволяет значительно улучшить характеристики термопреобразователей. На практике широкое распространение получил датчик температуры на двух транзисторах, технологически выполненных на одном кристалле. Этот датчик, хотя и обладает меньшей чувствительностью, чем датчик на одиночном транзисторе, но выгодно отличается от него меньшей нелинейностью преобразования.

К недостаткам полупроводниковых терморезисторов, диодов и транзисторов следует отнести нелинейность их характеристик.

Термопара применяется в качестве датчика температуры в измерительных приборах, принцип действия основан на термоэлектрических эффектах (прямом эффекте Зеебека и обратном эффекте Пельтье.) Позволяет измерять высокие температуры – до 1000 градусов, имеет высокую чувствительность. Недостаток термопар — необходимость удерживать неизменную опорную температуру, что крайне сложно выполнить в наших условиях.

В качестве датчика температуры выберем полупроводниковый терморезистор.

Выбор преобразователя датчика температуры

Преобразователь датчика температуры предназначен для преобразования сопротивления датчика температуры в напряжение и усиления его до необходимого уровня. Схема преобразователя датчика температуры:

Рисунок 3.8 Схема преобразователя датчика температуры.

Выбор датчика момента

Момент на валу двигателю прямо пропорционален току протекающему в якорной обмотки двигателя, поэтому для того что измерять изменения момента двигателя нам необходимо измерять изменения тока якоря.

Выбор преобразователя датчика момента

Преобразователь датчика момента предназначен для преобразования тока коллектора в напряжение и усиления его до необходимого уровня. Схема преобразователя датчика момента:

Рисунок 3.3 Схема преобразователя датчика момента.

Общая функциональная схема приведена в приложение 1.

Функциональная схема системы управления с применением микроконтроллера приведена в приложение 2.

Разработка схемы электрической принципиальной СУ

Схема электрическая принципиальная разработана в соответствии с функциональной схемой, определяет полный состав элементов и связей между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы устройства. Принципиальные схемы служат основанием для разработки других конструкторских документов, например, схем соединений (монтажных) и чертежей.

Схему электрическую (принципиальную) можно реализовать как на аналоговых, так и на цифровых микросхемах.

Аналоговые схемы.

Достоинства: линейность, процессы хорошо моделируются, точность, высокое быстродействие по сравнению с цифровыми, простота обработки информации.

Недостатки: температурная нестабильность, смещения ноля, старение элементов, влияние технологических параметров, механических воздействий (вибрации), высокое потребление мощности.

Цифровые схемы.

Достоинства: стабильность параметров во времени, не зависят от температуры, не реагируют на положения в пространстве (не зависят от высоты), на механические воздействия.

Недостатки: все сигналы подвергаются квантованию (дискретизации).

Схема электрическая принципиальная приведена в приложении 3. Некоторые функциональные элементы реализованы программным путём, с помощью микроконтроллера PIC16F877. Так корректирующий контур и блок логики реализованы программно. Линейный стабилизатор напряжения 142ЕН5А формирует напряжение питания микроконтроллера. Тактовая частота микроконтроллера формируется кварцевым резонатором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная система управления плавающим подводным роботом обеспечивает весь требуемый набор функций, а именно: автоматическое обследование трубы газопровода, возможность движения на расстояние от трубы 3-5 метров, с точностью отслеживания 30 сантиметров. При разработке системы управления плавающим подводным роботом, часть устройств была реализована программным путём, это значительно удешевило и упростило систему в целом.

Использование цифровых методов управления снижает энергопотребление системы, и обеспечивает экономию ограниченных энергоресурсов. Были использованы современные методы управления коллекторными двигателями постоянного тока, на основе ШИМ-модуляции. Использованы импульсные усилители мощности, что значительно увеличивает КПД системы в целом. В целом система отвечает своему функциональному назначению.

В данном курсовом проекте разработана система управления плавающим подводным роботом. Представлены структурная, функциональная и электрическая (принципиальная) схемы, обоснование и вывод функциональной схемы.

Все требования ТЗ выполнены в полном объеме.

Список литературы

1. Опадчий Ю.Ф.,Глудкин О.П. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия – Телеком, 1999. — 768 с.

2. Лекции курса «Компьютерная графика» (1-й курс).

3. Лекции курса «Автоматизированное проектирование систем и средств управления» (4-й курс).

4. Лекции курса «Метрология»(2-й курс).