Содержание

1. Введение 3

2. Техническое задание на разработку СУ 7

3. Обоснование выбора структурной схемы 11

4. Обоснование выбора функциональной схемы 13

4.1 Выбор перепускного клапана 13

4.2 Выбор усилителя мощности 14

4.3 Выбор корректирующего контура 19

4.4 Выбор датчика угловой скорости 20

4.5 Выбор преобразователя 27

4.6 Выбор сумматора и вычитателей 28

5. Выбор электрической схемы 29

5.1 Обоснование и выбор типа принципа построения29

электрической схемы

5.2 Обоснование и выбор микроконтроллера 30

4.3 Обоснование и выбор схемы подключения микроконтроллера 31

Заключение 34

Приложения:

Схема электрическая принципиальная(Э3)

Внимание!

Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №3496, цена оригинала 1000 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты.

1. Введение.

ABS предназначена для недопущения блокировки всех четырёх колёс при экстренном торможении или торможении на скользкой дороге.

Система ABS состоит из основного блока, который на многих машинах, имеющих данную систему, можно увидеть, заглянув под капот, этот блок соединён металлическими трубками с тормозным цилиндром и тормозной системой. Имеются, также датчики частоты вращения каждого колеса и компьютер, обрабатывающий информацию от датчиков и, дающий сигналы на основной блок.

О срабатывании системы ABS водитель узнаёт по загорающейся в этот момент соответствующей надписи на панели приборов и по толчкам в педаль тормоза. Если надпись на приборном щитке горит постоянно, то это говорит о том, что система неисправна вследствие поломки или, как часто бывает на машинах, которые бегают по России не один год, отсутствует один или более датчики частоты вращения колёс, которые сняли при замене стоек. При неисправной системе ABS, тормозная система работает как обычная.

Еще в 1936 году компания BOSCH зарегистрировала патент на «механизм, предотвращающий блокировку колес моторных транспортных средств». Но лишь с появлением электронных систем контроля и управления инженеры смогли разработать антиблокировочную тормозную систему, которая была бы достаточно быстрой и надежной, чтобы ее можно было использовать в автомобилях.

Впервые легковые автомобили стали оборудоваться системой ABS от BOSCH в 1978 году, ими стали Mercedes Benz S класса и BMW 7-ой серии. Сегодня более двух третьих всех новых автомобилей в мире оборудованы системой ABS – ключевым компонентом системы безопасности автомобиля.

Устройство и принцип работы ABS.

ABS гидравлического тормозного привода состоит из трех основных элементов: датчиков скорости вращения колес, блока управления (БУ) и исполнительного механизма – гидроагрегата (Рис. 1). Каждое регулируемое колесо оснащается зубчатым ротором и индуктивным датчиком, содержащим постоянный магнит и катушку.

Вращение ротора наводит в катушке датчика переменное напряжение, частота которого пропорциональна угловой скорости вращения и количеству зубцов ротора. Гидроагрегат включает в себя гидроаккумулятор, электрогидронасос и электрогидравлические клапаны.

На каждое индивидуально регулируемое колесо приходится пара кла-панов: нормально открытый впускной клапан и нормально закрытый выпускной клапан; посредством этих клапанов БУ может поднимать, понижать или поддерживать постоянным давление в тормозной камере.

В исходном состоянии гидроагрегата оба электромагнитных клапана и электродвигатель гидронасоса обесточены. Тормозная камера соединена с главным тормозным цилиндром через открытый впускной клапан; при этом выпускной клапан закрыт.

При рабочем торможении (без блокирования колеса) тормозная жидкость без ограничения поступает из главного цилиндра в тормозную камеру и давление жидкости в цилиндре и в камере одинаково и пропорционально степени нажатия на тормозную педаль. В этом случае ABS на работу тормозной системы не влияет.

При экстренном торможении (с возможностью блокирования колеса) при выявлении склонности колеса к блокированию БУ выдает электрические сигналы одновременно на электромагниты обоих клапанов и они срабатывают. При этом впускной клапан отсоединяет тормозную камеру от главного тормозного цилиндра, а выпускной соединяет ее с гидроаккумулятором, что приводит к сбросу части давления.

Одновременно БУ включает двигатель гидронасоса, чтобы возвратить жид-кость из гидроаккумулятора в главный тормозной цилиндр. Давление в тормозной камере продолжает понижаться. Когда опасность блокирования колеса исчезает, БУ снимает напряжение с выпускного клапана, и он закрывается.

При этом тормозная камера оказывается отсоединенной и от главного цилиндра, и от гидроаккумулятора, а давление в камере становится постоянным и меньшим, чем в главном тормозном цилиндре. Когда колесо раскрутится, БУ снимает напряжение с впускного клапана, который открывается и вновь соединяет тормозную камеру с главным тормозным цилиндром.

Давление в камере начинает возрастать, уравниваясь с давлением в главном цилиндре. На этом заканчивается цикл работы ABS. Если колесо вновь проявит стремление к блокированию, то начнется следующий цикл работы. И так будет повторяться до остановки автомобиля. Частота работы системы 5-10 герц.

Слышен характерный треск работающих клапанов, а на педали тормоза ощущается вибрация. При работе ABS среднее давление в тормозной камере не зависит от степени нажатия на педаль тормоза, а определяется БУ в соответствии с состоянием дорожного покрытия.

В полной конфигурации ABS содержит четыре датчика и четыре пары клапанов, что позволяет индивидуально воздействовать на каждое колесо для достижения максимальной эффективности торможения и позволяет сохранить диагональное разделение тормозного привода. Такие системы называются 4-х канальными.

Установка ABS ненамного повышает стоимость автомобиля, не усложняет его техническое обслуживание и не требует от водителя каких-то особых навыков управления. Постоянное совершенствование конструкции систем вместе со снижением их стоимости вскоре приведет к тому, что они станут неотъемлемой, стандартной частью автомобилей всех классов.

Очевидно, что эффективность торможения (т. е. длина тормозного пути) зависит от коэффициента трения μ (или коэффициента сцепления) колес автомобиля с дорожным покрытием. Коэффициент трения является в свою очередь функцией относительного проскальзывания колес κ и типа дорожного покрытия. Взаимосвязь этих величин довольно трудно вычислить аналитически, поэтому для построения зависимостикак правило используют экспериментальные данные. График зависимости коэффициента трения от относительного проскальзывания колес изображен на рисунке 2.

рис.2 График зависимости коэффициента трения от относительного проскальзывания колес при разных дорожных условиях.

1 — сухой асфальт;

2 — мокрый бетон;

3 — мокрая брусчатка;

4 — укатанный снег;

5 – коэффициент трения в поперечном направлении на сухом асфальте;

Из графика видно, что коэффициент трения достигает максимальных значений при относительном проскальзывании 0.1 – 0.3. При этом коэффициент трения в поперечном направлении начинает уменьшаться сразу же после начала проскальзывания. Как следствие этого повышается вероятность заноса, теряется курсовая устойчивость.

Таким образом, задача АБС при экстренном торможении – при значениях коэффициента трения близких к максимальным, обеспечить достаточную величину коэффициента трения в поперечном направлении (т.е. обеспечить безопасность торможения). Для этого необходимо регулировать коэффициент проскальзывания таким образом, чтобы он не выходил за пределы диапазона 0.1 – 0.3. При таких значениях относительного проскальзывания торможение осуществляется наиболее эффективным и безопасным способом.

2. Техническое задание на разработку СУ

1.1 Общие требования

Полное наименование системы: “Антиблокировочная система тормоза автомобиля”.

Система создается на основании статей и Internet сайтов, а т.ж. лите-ратуры указанной в перечне.

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

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение системы. Разрабатываемая система антиблокировки автомо-бильными тормозами (именуемая в дальнейшем – система) относится к классу бортовых систем и предназначена для установки в автомобилях отечественного и зарубежного производства в качестве дополнительного оборудования.

.

Объект управления: автомобильная тормозная система с пневматическими тормозами.

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 (тормоза), которые должны быть достигнуты в результате создания системы:

— проскальзывание каждого колеса при резком торможении15-30%

1.3 Характеристика объекта управления.

Система должна отслеживать блокировку всех четырёх колёс автомобиля. Система полностью автоматизирована и органов управления не требуется. Система должна иметь электропривод, приводящий в движение гидроблок, который является исполнительным объектом.

В России Антиблокировочных систем не производят. Ряд автозаводов устанавливает такие системы на свои автомобили используя комплектующие выпускающийся за рубежом.

1.4 Требования к системе управления

Требования к системе в целом. Система управления должна предотвра-щать блокировку колёс на автомобилей любого типа.

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 эргономике и технической эстетике. Система должна удовлетворять современным требованиям технической эстетики и быть удобной в управлении.

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

— эксплуатация системы должна осуществляться автономно;

— предусмотреть возможность проведения ежегодных регламентных работ при прохождении автомобилем 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.;

— пыль, капли дождя, брызги, пары бензина;

Система должна функционировать в условиях воздействия радиопомех, электрических, магнитных и электромагнитных полей создаваемых электри-ческим оборудованием автомобиля.

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: Голландия и Великобритания, т.к. разработки именно этих стран в большинстве случаев используются при изготовлении электропривода зеркалами в отечественной промышленности.

Требования технологичности, стандартизации и унификации. Разра-ботка 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:

— требованиякупаковке,маркировке,транспортированиюихране-нию,

— требованиякконструкторской, эксплуатационной и ремонтной документации;

— комплектность ЗИП, специнструмент и приспособления;

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

Технические требования к параметрам и характеристикам системы управления:

— проскальзывание каждого колеса при резком торможении15-30%

-время срабатывания 0,2 сек

— параметры питающей сети — аккумуляторная батарея 24 В;

— в случае выхода системы из строя питающая сеть не должна закорачивать-ся;

— габаритно-массовые характеристики должны быть минимальными.

Система управления должна иметь звуковую сигнализацию по дости-жению объектом управления конечных пределов регулирования ; а т.ж. в случае превышения допустимого значения потребляемого тока, что может быть следствием, например, механического заклинивания вала двигателя. Звуковая сигнализация должна оставаться включенной до тех пор пока водитель не отпустит одну из кнопок управления.

Требования к видам обеспечения. В пояснительной записке к кур-совому 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 воспроизводить исходное состояние;

— в рамках технического обеспечения система должна строиться на отечетст-венной элементной базе и только в технически обосновонном случае допускается применение зарубежной элементной базы;

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы

В процессе выполнения курсовой работы (в течение 8-го семестра) должны быть разработаны: структурная, функциональная и электрическая схема системы; и (в течение 9-го семестра ) перечень элементов и конструкция печатной платы.

1.6 Порядок контроля и приёмки системы

Защита курсовой работы проводится в два этапа (после 8-го и 9-го семестров).

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 ТАУ и ЦСУ, метрологии, схемотехнике, микропро-цессоры и программирование, надежности , передача данных, автомати-зированное проектирование систем и средств управления, фонд библиотеки МФ ЮурГУ и информационных сайтов системы Internet.

1.8 Другие требования

В пояснительной записке должен быть произведен расчет калькуляции электронного блока и ориентировочная себестоимость изготовления.

СтудентРуководитель проекта

3. Обоснование и выбор структурной схемы.

В соответствии с заданием на разработку системы управления АБС разрабатываемая система должна обеспечивать следующие параметры:

— проскальзывание каждого колеса при резком торможении15-30%

— время срабатывания 0,2 сек

— система управления должна предотвращать блокировку колёс на автомобилях любого типа.

— 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.

— обеспечить пожаробезопасность.

— 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.;

— пыль, капли дождя, брызги, пары бензина;

параметры питающей сети — аккумуляторная батарея 24 В;

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

— габаритно-массовые характеристики должны быть минимальными.

— 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”).

Структурная схема – схема которая отображает состав системы и связи между элементами. С помощью структурной схемы удаётся уточнить внутреннее строение системы и найти место для включения дополнительных связей, улучшающих качество динамических и статических процессов в системе. Структурная схема используется для ознакомления с изделием.

Классификация систем управления по принципу действия :

1) Разомкнутые.

Просты в управлении. Недостаток – требуется очень точно задавать воздействие

2) Замкнутые

С целью повышения точности вводится обратная связь.

3) Комбинированные.

Их задача повысить качество управления при изменении внешних воздействий.

Выбираем замкнутую систему управления с обратной связью изображённую на Рис 3.1

Рис. 3.1

В данной структурной схеме изображены:

Задатчик – блок управления (БУ) который задаёт входное воздействие

Корректирующий контур. Его функции будет выполнять регулятор, обеспечи-вающий точностные и динамические параметры параметры торможения автомо-биля.

Усилитель — обеспечивает преобразование сигнала с выхода регулятора в сигнал управления перепускным клапаном.

Исолнительный Орган. В системе АБС исполнительным органом является перепускной клапан, сбрасывающий давление в системе, при блокировании колеса

Объект управлоения – это объект над которым производится управление. В нашей системе – это воздух в пневматических тормозах автомобиля.

Датчик – обеспечивает преобразование скорости в параметрический сигнал.

Преобразователь – обеспечивает формирование параметрического сигнала в электрический.

Наша система АБС будет иметь четыре канала, то есть по каналу на каждое колесо. На рис. 3.2 изображена четырёх канальная, структурная схема АБС по принципу которой будем строить систему.

Рис. 3.2

ПУ – пульт управления

БУ- Блок управления

4. Обоснование и выбор функциональной схемы.

При выборе элементов функциональной схемы необходимо руководствоваться структурной схемой.

Обоснование выбора и описание функциональных элементов:

4.1 Выбор перепускного клапана.

Перепускной клапан – предназначен для поддержания давления среды на требуемом уровне путем перепуска ее через ответвление трубопровода.

Перепускной клапан бывает постоянного и переменного тока. Так как разрабатываемая система управления относится к классу бортовых систем и предназначена для установки на автономном режиме роботы, то выбор перепускного клапана переменного тока приведет к необходимости в дополнительном источнике переменного напряжения. Перепускной клапан постоянного тока не требует дополнительный источник питания, а в качестве источника тока можно использовать аккумуляторную батарею.

В качестве перепускного клапана был выбран электромагнитный клапан FTWE 4 K фирмы Bosch Rexroth. Принцип действия клапана поясняет рисунок 3.7. При обесточенной катушке (1) сердечник (2) удерживается в начальном положении, направление потока жидкости при этом от А к Т. При подаче управляющего напряжения на катушку сердечник перемещается, изменяя направление потока на направление от А к Р. Технические характеристики клапана приведены в таблице 4.1.

Номинальное напряжение, В 12

Рассеиваимая мощность, Вт 14,4

Сопротивление катушки, Ом 10

Время переключения, мс <30

Частота переключения, Гц 5

Ресурс действия, переключе-ний 107

Таблица 4.1

рис. 4.2 Электоро-магнитный клапан FTWE 4 K.

4.2 Выбор усилителя мощности

Сегодня в разработке систем управления применяются линейные и импульсные усилители мощности.

— Линейные усилители мощности

Достоинства:

— высокую линейность Кпередачи;

— простое устройство;

— высокую точность;

— помехозащищенность.

Недостатки:

— низкий КПД

— для работы требуется два источника питания

Схема электрическая усилителя мощности.

Ток на выходе усилителя низок (мА), для управления двигателем требуются большие токи (А). Для увеличения силы тока используются транзисторы. Мощные транзисторы, как правило, имеют β≈10…30. Чтобы обеспечить требуемое усиление по току можно использовать составные транзисторы.

Достоинства составных транзисторов в том, что они обеспечивают высокий коэффициент β.

Но это решение имеет и недостатки:

— составные транзисторы греются, а остаточное напряжение между коллектором и эмиттером не менее 1В для левого рисунка и 1,7 В для правого;

— составные транзисторы имеют большое управляющее напряжение.

Способна уменьшить эти недостатки следующая схема включения транзисторов – Схема Шиклая (Рис. 3.3).

У ней коэффициент усиления β также высок, как и у предыдущей схемы, но зато, остаточное напряжение между коллектором и эмиттером не менее 1 В.

С целью устранения недостатков применяется следующая схема:

Недостатки:

— требуется 2 разнополярных источника питания;

— они работают по очереди, низкий КПД источников питания.

— Импульсные усилители мощности

Усилитель мощности можно реализовать, используя электронные ключи на биполярных транзисторах.

Такая схема обладает высоким быстродействием, высокой надежностью, отсутствуют помехи, но КПД низок (по сравнению с реле).

Сегодня разработаны более совершенные, мощные и надежные транзисторы – КМОП-транзисторы. Их главным достоинством, применительно к рассматриваемой системе является очень низкая рассеиваемая мощность (порядка милливатт). Схема на основе КМОП-транзисторов

Функциональная схема усилителя мощности приведена на рисунке.

Схема широтно-импульсного модулятора:

Схема драйвера

Усилители электрических сигналов, применяемые в системах автоматического управления, должны удовлетворять комплексу требований. Это – надежность; способность выдерживать ударные нагрузки и вибрации; стабильность и линейность характеристик во времени и в широком диапазоне температур окружающей среды (например от -50 до +800 С), а также при различных давлениях и влажности; низкий уровень шумов и сравнительно высокая параметрическая чувствительность; ограниченный вес, габариты и мощность, потребляемая от источника питания.

Основными характеристиками, определяющими свойства электрических усилителей как элементов автоматических систем, являются: выходная мощность Рвых; входная мощность Рвх; коэффициент усиления по току ki=Iвых/Iвх, по напряжению ku=Uвых/Uвх и мощности kp=Pвых/Pвх; входное zвх и выходное zвых сопротивления усилителя; инерционность усилителя; линейность статической характеристики; фазовые искажения и собственные шумы, которые определяют пороговую чувствительность усилителя, как минимальное значение входного сигнала, при котором выходной сигнал можно отличить от собственных шумов с заданной вероятностью.

В зависимости от соотношения входного сопротивления zвх и внутреннего сопротивления источника сигнала zс различают следующие типы усилителей.

При zвх>> zс источник сигнала практически работает в режиме холостого хода. В этом случае заданной входной величиной является напряжение, а усилитель можно назвать усилителем напряжения.

При zвх<< zс источник сигнала работает в режиме, близком к короткому замыканию, а заданной входной величиной является ток. Такой усилитель можно назвать усилителем тока.

При zвх = zс будет максимальная мощность, а усилитель можно назвать усилителем мощности.

Проектируя усилители для систем автоматического управления и контроля, необходимо добиваться снижения фазовых искажений и уровня собственных шумов. Фазовые искажения обусловлены наличием в схеме усилительного устройства реактивных элементов.

Напряжение собственных шумов усилителя имеет ряд составляющих, основными из которых являются наводки, фон, шумы микрофонного эффекта, тепловые, усилительных элементов. Последние имеют несколько составляющих, обуславливаемых как физикой действий усилительного элемента, так и его конструкцией и технологией производства; у транзисторов и электронных ламп они имеют сходную форму и аналогичный спектральный состав. Напряжение шумов усилительных элементов, как и напряжение тепловых шумов, нельзя снизить до любой величины, его можно лишь уменьшить правильным выбором типа усилительного элемента и специальным режимом работы.

В курсовом проекте мы будем использовать усилитель мощности изображённый на рис4.3 состоящий из полевого транзистора и диода. Принцип работы этого усилителя: при подаче напряжения на затвор транзистора напряжение питания полностью прикладывается на соленоид клапана, то есть, транзистор V1 работает в качестве ключа.

Рис. 4.3

4.3 Выбор корректирующего контура

Корректирующие устройства основаны на трёх базовых звеньях: пропорциональное звено (П), дифференциальное (Д), и интегрирующее (И). По отдельности они практически не используются (на практике применяют ПИД регулирование).

П – регулятор– это линейный усилитель, фазовый сдвиг которого в частотном диапазоне входных воздействий пренебрежимо мал, а коэффициент усиления в цепи ОС контура регулирования больше. П – регулятор позволяет добиться затухания колебаний при расходящемся переходном процессе. В то же время нельзя добиться отсутствия статической ошибки и уменьшения времени переходного процесса.

Рис 4.4

ПИ – регулятор убирает ошибку по положению, но возникает ошибка по ускорению, т.е. уменьшается быстродействие системы (рисунок ):

Рис 4,5

ПИД – регулятор (рисунок ) благодаря включению дополнительного Д-звена, обеспечивает улучшение динамического качества регулирования, устраняя вышеописанные недостатки П- и ПИ-регуляторов.

Рис 4,6

В данной курсовой работе используется ПИД-регулятор, который можно получить по результатам моделирования. Он должен состоять из параллельно включенных пропорционального звена, интегратора и дифференциатора. Данный регулятор включатся последовательно и позволяет реализовать все последовательные пассивные звенья и обеспечить быструю настройку регулятора под СУ и хороший переходной процесс.

4.4 Выбор датчика угловой скорости.

Датчик угловой скорости — предназначен для преобразования угловой скорости движения объекта в величину другого рода(C, L, I, U), которую можно измерить.

Датчик может определять абсолютное или относительное положение контролируемого объекта. Исходя из этого, можно выделить два основных метода определения положения и измерения перемещений:

1) Датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого сигнала отражают перемещение. Такие датчики положения называются абсолютными. К ним относятся:

— резистивные (потенциометрические) датчики;

— индуктивные датчики с подвижным сердечником;

— ёмкостные датчики с подвижными обкладками;

2) Датчик генерирует единичный импульс на каждом элементарном переме-щении, а положение определяется подсчётом суммы импульсов в зависимости от направления перемещения. Такие датчики положения называются относительными.

Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, является про-стота и низкая стоимость.

Недостатком: необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.

Датчики также делятся на контактные и бесконтактные. В бесконтактных датчиках связь между подвижным объектом и датчиком осуществляется посредством магнитного, электромагнитного или электростатического полей, а также оптоэлектронным способом.

Потенциометрические датчики угловой скорости

Потенциометрические датчики преобразуют механические перемещения в изменения сопротивления реостата. Резистивные датчики основаны на простом принципе действия, что приводит к конструкциям умеренной стоимости; измеряемый сигнал может иметь достаточно высокий уровень и линейность и не требовать специальной электрической схемы обработки. Однако, такой датчик обладает внутренним трением, которое влияет на его точность, являясь источником шумов и причиной износа, что влечёт за собой ухудшение харак-теристик (линейности, точности) и устанавливает предел количества измерений, которое датчик может выдержать. Кроме этого, на его функционирование заметно влияет окружающая атмосфера (влажность, пыль, температура…).

Достоинства потенциометрических датчиков угловой скорости:

1) простота конструкции;

2) возможность получения прямолинейной характеристики;

3) отсутствие необходимости последующего усиления.

Недостатки:

1) заниженная надежность из — за скользящего электроконтакта;

2) проблемы контактов: окисление, загрязнение, износ, дребезг;

3) возможность измерения небольших углов поворота;

4)на высоких частотах возникают паразитные емкости и индуктивности.

Средствами борьбы с этими дестабилизирующими факторами являются:

1) использование новейших резистивных покрытий и компаундов заполнения на основе пластиков;

2) применение фоторезистивных покрытий;

3) использование магнитозависимых резисторов — для бесконтактного счи-тывания положения;

4) использование встроенных в резистор редукторов — для улучшения разрешения.

Из перечисленного выше ясно, что датчики подобного типа не могут отображать быстрые, повторяющиеся движения и применяться там, где есть сильные вибрации.

Резистивные датчики подразделяются на однооборотные и многооборотные, с упором или без, проволочные и пластиковые.

Индуктивные датчики угловой скорости

Индуктивные датчики измеряют относительно большие и малые перемещения, работают в статическом и динамическом режиме. Основаны на изменении собственной или взаимной индуктивности в следствии изменения: зазора магнитопровода, длины сердечника, числа витков относительно короткозамкнутого витка и т.д.

Для измерения больших перемещений применяется линейный дифференци-альный трансформатор с подвижным сердечником или с перемещающимся по-плавком, который выполняет функцию короткозамкнутого витка.

При перемещении сердечника или поплавка изменяется собственная индук-тивность и индуктивность между обмотками трансформатора, что приводит к изменению входного сигнала. Так как трансформатор работает на переменном токе на входе схемы получается амплитудно-модулируемый сигнал.

Достоинства:

1) простота и прочность конструкций;

2) надежность в работе (т.к. отсутствует трение в датчике);

3) возможность подключения к источникам промышленной частоты;

4) относительно большая величина мощности на выходе преобразователя (несколько десятков ватт), поэтому можно подключать контрольный прибор непосредственно преобразователю;

5) высокая чувствительность и большой коэффициент усиления (для диффе-ренциальных индуктивных датчиков достигает сотен вольт на 1 мм);

6) возможность измерения больших и малых перемещений.

Недостатки:

1) влияние колебания частоты питающего напряжения на точность работы;

2) требует экранирования, чувствителен к магнитным полям;

3) сам оказывает электромагнитное воздействие на источник;

4) чувствителен к температуре.

Тахогенератор

Тахогенераторами (ТГ) называются электрические машины небольшой мощности, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал.

Главное требование, предъявляемое к тахогенераторам, заключается в линейности выходной характеристики — пропорциональной зависимости между выходным напряжением U и угловой скоростью вращения n:

где: k, k’ — коэффициенты пропорциональности; φ — угол поворота.

Из уравнения видно, что тахогенеpатоpы можно использовать для измерения скорости вращения и для электромеханического дифференцирования, если за входной сигнал принять угол поворота ротора.

По роду тока тахогенераторы можно разделить на ТГ переменного и ТГ постоянного тока.

Для примера рассмотрим принцип действия асинхронный тахогенератора.

Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), с другой — генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение (рис. 3.10).

При питании обмотки возбуждения переменным током частоты fВ возникает пульсирующий магнитный поток ФВ, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС — ЕТ (показана внутри ротора) и ЭДС вращения — ЕВР(показана снаружи ротора).

В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи

Рис. 3.10

и возникает поток ФТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку ФТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, но теперь уже под действием ЭДС вращения тоже протекают токи, которые создают свой поток ФВР. Он, пульсируя по оси генераторной обмотки, и наводит в ней выходную ЭДС.

Величина выходной ЭДС асинхронного тохогенератора пропорциональна угловой скорости вращения, а ее частота равна частоте сети возбуждения, однако, выходное напряжение UГ не является линейной функцией относительной угловой скорости вращения.

Выходное напряжение является комплексной величиной, поэтому можно го-ворить об амплитудной и фазовой погрешностях АТГ.

Температурная погрешность. При изменении температуры окружающей среды, при нагревании АТГ в процессе работы изменяются активные сопротивления обмоток статора и ротора. Это приводит к дополнительному отклонению выходной характеристики от идеальной, к появлению дополнительных амплитудных и фазовых погрешностей. Наибольшее влияние в этом отношении оказывает изменение сопротивления обмотки возбуждения. Поэтому часто последовательно с ней включают терморезисторы, стабилизирующие полное сопротивление этой цепи.

С целью уменьшения влияния температуры на сопротивление ротора, его изготавливают из материала с низким температурным коэффициентом (манганина константана и др.)

Емкостные датчики угловой скорости

Емкостные датчики относятся к датчикам параметрического типа, в которых изменение контролируемой величины вызывает изменение емкостного сопротивления датчика. Емкость конденсатора зависит от формы и геометрических размеров электродов, от диэлектрической проницаемости и от расстояния между обкладками. В различных датчиках может меняться один из указанных параметров.

Применяется для фиксирования как больших (см, м), так и малых (порядка микрон) перемещений. Могут работать в статическом и динамическом режиме.

Чаще всего емкостной датчик представляет собой плоский конденсатор, со-стоящий из двух или более пластин, между которыми помещается диэлектрик.

Преимущество емкостных датчиков:

1) высокая чувствительность;

2) малый вес и габариты;

3) малая величина силы взаимодействия между пластинами;

4) простые, безинерциальные;

5) нет шума, трения, нагрева;

6) высокая точность преобразования.

Недостатки:

1) необходимость усиления снимаемого сигнала;

2) необходимость тщательной экранировки датчика от влияния паразитных емкостей и посторонних электрических полей;

4) чувствителен к температуре, влажности, запыленности.

Датчики угловой скорости основанные на эффекте Холла

Технология датчиков Холла развивается и в настоящее время гарантирует точность, постоянство данных, надежность и все это за приемлемую цену. Датчики используются в автомобилях, где их низкая стоимость, качество, надежность и способность противостоять жестким условиям окружающей среды являются основными условиями. Датчики Холла используются в датчиках движения, положения, скорости, направления, приближения и электрического тока.

Основной элемент датчика Холла представляет собой тонкий лист по-лупроводникового материала. Если

Рис 4.7

через этот материал заставить протее

кать постоянный ток, то на краях пластинки возникнет некоторое напряже-ние, сравнительно небольшое. Но если поперек пластинки приложить магнитное поле под прямым углом, то напряжение на краях пластинки усиливается и становится прямо пропорциональным величине магнитной индукции. В этом и состоит эффект Холла, открытый американским физиком Эдвином Гербертом Холлом в 1879 г.

Датчик угловой скорости основанный на эффекте Холла имеетщелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому протекает ток, а с другой стороны — постоянный магнит. В щель датчика входит стальной цилиндрический экран с прорезями. При вращении экрана, когда его прорези оказываются в щели датчика, магнитный поток воздействует на полупроводник с протекающим по нему током и управляющие импульсы датчика Холла подаются в коммутатор, в котором они преобразу-ются в импульсы тока.

Магниторезистивный датчик.

Принцип действия магниторезистивных датчиков основан на измерении пе-ременного магнитного поля. В большинстве современных автомобилей применяются датчики этого типа.

Для данного устройства был выбран магниторезистивный датчик фирмы Philips KMI15. Внешний вид датчика представлен на рисунке 4.8, структурная схема – на рисунке 4.9.

рис. 4.8

рис. 4.9

Принцип работы датчика показан на рис 4.10 и 4.11

рис 4.10

рис. 4.11

Магниторезистивный датчик включен в схему моста Уитстона, и находится в непосредственной близости (0.9 – 2.9 мм) от зубчатого колеса, изготовленного из ферромагнитного материала и жестко скрепленного соостно с колесом автомобиля, (см. рис 3.3). При вращении колеса датчик попадает в область действия переменного магнитного поля, и на выходе моста появляется сигнал переменного тока, частота которого пропорциональна частоте вращения колеса (рис. 3.4). В согласующей интегральной схеме сигнал усиливается, проходит триггер Шмидта и поступает на токовый выход. Выходной сигнал представляет из себя токовые прямоугольные импульсы с уровнями 7мА, 14мА. Использование двухпроводного токового интерфейса повышает надежность устройства, повышает помехозащищенность и позволяет использовать датчик на значительном удалении от электронного блока управления.

4.5 Выбор преобразователя.

Выбор преобразователя. Для оцифровки сигнала датчика необходимо преобразовать токовый сигнал 7-14 мА в логические уровни 0-5 В. В качестве преобразователей можно применить биполярные или полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме (см. рис. 4.12).

рис. 4.12

Преимущество данного подхода – низкая стоимость комплектующих. Недостатки – необходимость точного подбора резисторов R2, R3 (при выборе номиналов нужно учитывать температурный дрейф параметров), в случае биполярного транзистора. В случае полевого транзистора – необходимость применения подстроечного резистора R2, из-за технологического разброса параметров.

Наиболее простым, с точки зрения разработки, решением является применение аналогового компаратора.

4.6 Обоснование и выбор сумматора и вычитателей.

Рис 4.13

На занятиях при изучении сумматоров и вычитателей ставился акцент на цифровом способе их реализации.

5. Выбор электрической схемы

В соответствии с функциональной схемой в состав системы управления движением робота-пылесоса входят: два двигателя, четыре оптических датчика, два преобразователя, включающих в себя: дифференциальные усилители, триггеры Шмидта, логические элементы, D- триггеры, генераторы тактовых импульсов, счетчики, регистры; корректирующий контур, усилители мощности, включающие в себя: ШИМ-модуляторы, компараторы, усилители, логические элементы, аналого-цифровые преобразователи. Систему управления можно сделать на основе аналоговой элементной базы или на основе микроконтроллера.

При разработке электрической схемы необходимо учесть, что датчик угловой скорости HCL2705 имеет в своем составе: два оптических датчика, два дифференциальных усилителя и два триггера Шмидта. Он имеет два информационных выхода, ножку «питание», и ножку «общий».

При использовании микроконтроллера, он может на себя взять функции: сумматоров, вычитателей, регуляторов, АЦП, ШИМ-модуляторов, преобразователей

5.1 Обоснование и выбор типа принципа построения электрической схемы

Систему управления движением автоматического робота-пылесоса можно создать на основе аналоговой или цифровой элементной базы. Рассмотрим преимущества и недостатки каждой из них относительно друг друга.

Аналоговая элементная база:

Преимущества:

1) низкая стоимость;

2) высокая ремонтопригодность;

Недостатки:

1) низкая надежность;

2) большие габариты;

3) высокое энергопотребление

4) сугубо специализированные устройства, не позволяют без изменения конструкции изменять функциональные особенности;

Цифровая элементная база (микроконтроллер):

Преимущества:

1) высокая надежность;

2) небольшие габариты;

3) позволяют без изменения конструкции изменять функциональные особенности путем изменения программного обеспечения;

4) низкое энергопотребление

Недостатки:

1) низкая ремонтопригодность;

3) высокая стоимость;

Разрабатываемая система управления движением автоматического робота-пылесоса будет создана на основе микроконтроллера.

4.2 Обоснование и выбор микроконтроллера

4.1 Выбор микроконтроллера. Основным элементом устройства является микроконтроллер. В его функции входит сбор данных о параметрах вращения каждого колеса, обработка этих данных, реализация алгоритма корректирующего контура и выработка управляющих воздействий для модуляторов давления. Контроллер должен иметь как минимум восемь свободных выводов портов В/В и два таймера/счетчика: 16-ти разрядный для измерения периода вражения колес и 8-разрядный для синхронизации. Для данного устройства был выбран микроконтроллер ATmega8 фирмы Atmel. Контроллер имеет мощную систему команд, состоящую из 130 инструкций, большинство из которых выполняется за один такт генератора, вследствие чего его быстродействие значительно больше (в частности при выполнении математических операций) чем у аналогов других производителей (для сравнения: PIC микроконтроллеры фирмы Microchip имеют систему команд из 35 инструкций, инструкция выполняется за 4 такта). Контроллер содержит 8 Кб памяти программ, 1 Кб ОЗУ и 512 байт EEPROM. Имеется возможность внутрисхемного программирования контроллера через последовательный интерфейс SPI.

4.2 Выбор преобразователя. Для оцифровки сигнала датчика необходимо преобразовать токовый сигнал 7-14 мА в логические уровни 0-5 В. В качестве преобразователей можно применить биполярные или полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме (см. рис. 4.1).

рис. 4.1.

Преимущество данного подхода – низкая стоимость комплектующих. Недостатки – необходимость точного подбора резисторов R2, R3 (при выборе номиналов нужно учитывать температурный дрейф параметров), в случае биполярного транзистора. В случае полевого транзистора – необходимость применения подстроечного резистора R2, из-за технологического разброса параметров.

Наиболее простым, с точки зрения разработки, решением является применение аналогового компаратора.

4.3 Усилитель. Для управления электромагнитным клапаном необходимо коммутировать источник питания +12V, при этом ток через катушку клапана достигает 1.2 А. С этой целью можно использовать транзисторный ключ Т1 (см. рис. 4.2). Защитный диод D1 устанавливается параллельно катушке клапана для предотвращения выхода из строя прибора в результате возникновения ЭДС самоиндукции на катушке при запирании ключа.

Заключение

При выполнении курсового проекта были приобретение навыки разработки конструкторской документации, закреплены знания полученные на занятиях. Были разработаны схема структурная электрическая, схема функциональная электрическая и схема электрическая принципиальная системы.

Создана система управления системой автоблокировки колёс. Недостатком системы является отсутствие расчетов, и как следствие номиналов элементов. Так же не была разработана программа для микроконтроллера. Однако при выполнении этих работ можно получить систему управления удовлетворяющую техническому заданию.