Принципы построения преобразователей параметров движений для гидропривода тренажеров транспортных средств

Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ ДЛЯ ГИДРОПРИВОДА ТРЕНАЖЕРОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Проблемы обеспечения высокого качества имитационной модели акселерационной обстановки для обучающего экипажа тренажеров транспортных средств, при постоянном повышении их точности, надежности и производительности является особенностью современного этапа развития обучающих систем. Успешное их решение в значительной степени зависит от использования приводных устройств динамических стендов, плавности их хода, отсутствию люфтов, сухого трения и т.д., при должном уровне информационного обеспечения.

Высокие требования к выходным характеристикам динамических стендов (ДС) предопределяет преимущественное развитие система автоматического управления с многоконтурной обратной связью. Одним из основных ее элементов является информационно-измерительная система, включающая в себя преобразователь параметров движения (ППД) гидропривода. Преобразователь осуществляет измерение и обработку первичной информации через механические и гидравлические величины (перемещение, скорость, ускорение, давление). Современные гидроприводы в системе моделирования среды акселерационных воздействий на авиационных тренажерах располагают, как правило, следующими средствами измерений - преобразователи линейных перемещений и скоростей движения штока гидроцилиндра.

Среди множества видов преобразователей ППД наиболее многочисленной по разнообразию используемых физических эффектов и набора вариантов конструктивных решений являются группа преобразователей, предназначенная для измерения линейных перемещений. На практике такие преобразователи используются не только для измерения перемещений, но и для измерения различных физических величин, в которых в качестве промежуточного параметра используется перемещение. Они могут применяться при построении датчиков скорости, ускорения, давления, перепада давления и т.д.

Вне зависимости от принципа действия, конструктивных и технологических особенностей к датчикам перемещений для гидропривода ДС предъявляется целый ряд технических требований, важнейшими из которых являются точностные, технологические и эксплуатационные. Перечень требований к датчикам перемещений определяется назначением, характеристиками и условиями функционирования и включает: погрешность преобразования, разрешающую способность, быстродействие, диапазон измерения, помехоустойчивость, устойчивость к параметрам внешней среды, простоту конструкции, технологичность, высокую надежность, малые габариты и массу, низкую стоимость, взаимозаменяемость и т.д.

Разнообразие типов и физических принципов, используемых при разработке ППД, значительно затрудняет выбор достоверного обобщенного технико-экономического критерия для количественного сравнительного анализа различных типов преобразователей. Поэтому проведем качественный анализ известных типов ППД на соответствие требованиям, предъявляемым к изделиям авиационной техники.

Лазерные интерферометры. Лазерные интерферометры - низкая погрешность позиционирования

0,1_0,01 %, высокая разрешающая способность 2,5 нм, низкая динамическая погрешность, широкий диа-

пазон перемещения до и более 30 м, высокая скорость позиционирования до 10 8 м/мин. Сложная и дорогостоящая конструкция. Приборы обладают повышенной чувствительностью к дестабилизирующим факторам рабочей среды: вибрациям, влажности, давлению, температуре, загрязненности и турбулентности

воздушной среды.

Фотоэлектрические преобразователи. Преобразователи (кодовые) несколько уступают по точности (05...0, 05 %), разрешающей способности, диапазону преобразования и стоимости лазерным интерферометрам. Недостатки: диапазон перемещений (длина рабочего растра) не более 2,0 м; чувствительность к загрязненности оптического канала, влаге, вибрациям, температуре, внешним световым источникам.

Индуктивные преобразователи. Высокая надежность работы в вибрационных, влажных, загрязненных средах; бесконтактный съем информационного сигнала; способные надежно работать при температуре до 50 0 °С. Недостатки: высокая погрешность (0,5.1,5 %) и нелинейность, Относительно высокая потребляемая мощность.

Магнитострикционные преобразователи параметров движений (МППД). В системах позиционирования электрогидропривода широко применяются ППД с использованием эффектов магнитострикции, на продольных волнах (эффект Джоуля-Виллари), на крутильных волнах (эффекты Видемана-Виллари и Видемана-Вертгейма).

Принципы построения МППД. Наиболее изученными и серийно освоенными на предприятиях «ЭРА» и ПКБМ являются МППД на продольных и крутильных волнах. На рисунке 1 приведены две базовые структурные схемы магнитострикционных первичных преобразователей (ПП) на продольных магнитоупругих волнах, выполненные в рамках совместных работ предприятий ППО «ЭРА», ПКБМ и АТИРП и Х [1]. За основу структурных схем разрабатываемых МППД была принята работа [2].

В первой схеме (рисунок 1, а) первичный преобразователь содержит звукопровод 1, концы которого помещены в акустические демпферы 2 и 3. Катушки записи 4 и считывания 5, формирователь 6 импуль-

сов тока возбуждения (ФИТВ), усилитель-формирователь об измеряемом перемещении служит интервал времени прямом направлении от неподвижной передающей катушки Ъ = Ьх/ Vв .

7 импульсов считывания (УФИС). Информацией времени прохождения ультразвуковой волны в записи 4 до подвижной катушки 5 считывания

в)

Рисунок 1 - Магнитострикционные ПП на продольных волнах: а - с подвижной катушкой считывания; б - с подвижным звукопроводом; в - с подвижной катушкой записи

Недостатком преобразователя является зависимость скорости распространения магнитоупругой волны от температуры окружающей среды, которая влияет на выходной результат преобразования.

Во второй схеме (рисунок 1, б) преобразователи содержат звукопровод 1, механически, связанный со штоком гидропривода ДС. Один конец звукопровода помещен в акустический демпфер 2, другой в жесткое защемление 3. Кроме того, преобразователь содержит катушки записи 4 и считывания 5, формирователь 6 импульсов тока возбуждения, усилитель-формирователь 7 импульсов считывания. Информацией об измеряемом перемещении служит интервал времени 1Х прохождения ультразвуковой волны в прямом направлении от приемной катушки считывания 5 до жестко защемленного конца 3 звукопровода 1 и отраженной волны в обратном направлении 1Х = 2ЬХ/ув , что обеспечивает увеличение чувствительности в два раза. Так как считывание, усиление и формирование прямого и отраженного импульсов происходит по одному каналу, то в магнитострикционном преобразователе этого типа полностью устраняются погрешности, обусловленные динамическими характеристиками передающей и приемной катушек, соединительных электрических токоподводов и электронных компонентов вторичного преобразователя.

Существенным достоинством данного типа преобразователя является возможность реализации алгоритма логометрического преобразования без применения дополнительных элементов, что позволит исключить влияние зависимости скорости распространения магнитоупругой волны на выходной результат преобразования в широком диапазоне температур. Преобразование осуществляется во вторичном преобразователе в соответствии с уравнением:

2ЬХ / Уе

= 1 • ^

1п

2кЬ„

10 10 / Уе 10

Несмотря на простую конструкцию ПП и отсутствие подвижных токоподводов, преобразователь в составе гидропривода показал низкую надежность и помехоустойчивость при скоростях перемещения штока гидроцилиндра более 0.3 м/с (рисунок 2). Причиной такого явления заключалась в наведении «паразитного» тока (скоростной шум) при движении ферромагнитного звукопровода через катушку считывания.

Рисунок 2 - Осциллограммы работ МППД с подвижным звукопроводом

Дифференциальный магнитострикционный преобразователь на продольных магнитоупругих волнах с подвижной катушкой записи (рисунок 1, в), выполненный в рамках совместных работ предприятий ППО

«ЭРА», ПКБМ и АТИРП и Х [1].

Статическая характеристика первичного преобразователя имеет вид:

= Ё2 - ^ = (Ъо ± Д!)/Ув - (1о ± Л1)/Ув = ±2 Д!/Ув-

За основу структурной схемы исследуемого и разрабатываемого МППД принята схема преобразователя

линейных скоростей в код [3]. Алгоритм дифференциального преобразования может быть реализован на базе логометрического МППД, если дополнительную катушку возбуждения поместить между двумя неподвижными катушками считывания (рисунок 3).

Преобразователь содержит звукопровод 1, демпферы 2 и 3, катушку записи 4, катушки считывания 5 и 6, формирователь 7 импульсов записи, формирователь 8 тактовых последовательностей и цикла преобразования, элемент 9 задержки, усилители-формирователи 10 и 11 импульсов считывания, ЯБ-

триггеры 12, 13, 14 и 16, анализатор 16 временных интервалов, селекторы 17 и 18, генератор 19

опорной частоты, реверсивный счетчик 2 0, счетчик 21.

Рисунок 3 - Структурная схема дифференциального МППД

Во вторичном преобразователе можно выделить два относительно самостоятельных блока - блок преобразования линейных скоростей и блок преобразователя линейных перемещений. К первому блоку относятся элемент задержки 9, триггеры 12 и 13, анализатор 16, селектор 17, реверсивный счетчик 20. Ко второму блоку относятся триггеры 14 и 15, селектор 18, счетчик 21.

Первичный преобразователь, формирователь 7 импульсов записи, формирователь 8 тактовых последовательностей и цикла преобразования, усилители-формирователи 10 и 11 импульсов считывания, генератор 19 опорной частоты являются общими элементами для обоих блоков.

Блок преобразования линейных скоростей работает следующим образом. Формирователь 8 тактовых последовательностей формирует непрерывную последовательность импульсов с периодом следования Т, которые поступают на вход формирователя 7 импульсов записи. Формирователь 7 формирует в катушке 4 записи импульсов тока, вследствие чего на участке звукопровода 1 под катушкой 4 записи возникает ультразвуковая волна, распространяющаяся по звукопроводу 1 со скоростью ув. Каждая такая волна, проходя под катушкой 4 и 5 считывания, наводит в них импульсы ЭДС, из которых после усиления в усилителях-формирователях 10 и 11 формируются видеоимпульсы считывания.

Импульсы считывания с выхода усилителя 10 устанавливают триггеры 12 и 13 в состояние "1", а импульсы считывания с выхода усилителя 11 и с выхода элемента 9 задержки устанавливают эти триггеры в "0" состояние, причем величина задержки в элементе 9 равна Т/2. Таким образом, на выходах триггеров 12 и 13 имеем непрерывные последовательности строб-импульсов, причем длительности этих импульсов могут находиться в пределах 0 < То < Т, импульса на выходе триггера 12 отличается на величину Т/2 от длительности импульса на выходе триггера 13.

Последовательность строб-импульсов с триггера 12, определяемого анализатором 16 временных интервалов, управляет работой селектора 17, через который счетные импульсы частотой £о от генератора 19 опорной частоты поступают на суммирующий и вычитающий реверсивного счетчика 20, в котором происходит суммирование счетных импульсов за первые п - тактов и их вычитание за вторые п - тактов. Характер операции (сложение или вычитание) определяется управляющим сигналом, поступающим с соответствующего выхода формирователь 8.

При движении катушки 4 записи со скоростью Угп длительность строб-импульса в последовательности будет непрерывно изменяться. Это изменение в первый такт будет равно Дт 1 = (УГПД1/п)/ увг за второй

такт Дт2 = (2УгдДС/п)/Ув и, соответственно, за 1-ый такт

менение времени Дт за цикл преобразования Д1 составит:

Дт,

(1УгдДС/п)/Ув. Тогда суммарное из-

Дт = X

1=П +1

Дт, -

=1

Дт,

еА1 / п

2-2 * | =

*=П+1 *=1

сА1 / п

сА1 / п

Чувствительность преобразователя будет равна Дт/ Ут = Дt/Vвn

Так как длительность строб-импульсов изменяется, то при определенных положениях катушки 4 записи будет происходить скачкообразное изменение их длительности от нуля до Т или наоборот, в зависимости от направления движения катушки 4 записи. Это приведет к неверному преобразованию скорости. Поэтому необходимо, чтобы за весь цикл преобразования такого скачкообразного изменения длительности строб-импульсов не происходило. Выполнение этого требования возможно, если длительность строб-импульса перед новым циклом преобразования будет удовлетворять условию

2Сс-

где Угп мах - максимальная скорость катушки записи, механически связанная со штоком гидропривода; 1СЧ - длительность импульса считывания.

Увеличение длительности импульса считывания tCч уменьшает разрешенный интервал длительностей строб-импульса то (при фиксированной величине периода Т). Поэтому формирователи 10 и 11 формируют видеоимпульсы считывания минимально возможной длительности, ограничиваемой быстродействием применяемой элементной базы. Анализатор 16 временных интервалов измеряет длительность строб-импульсов с выхода триггера 12, и если перед новым циклом преобразования значение то не удовлетворяет вышеприведенному неравенству, то в последующем цикле преобразования на выходы реверсивного счетчика 2 0 будет поступать последовательность строб-импульсов, заполненная счетными импульсами частоты £о с выхода триггера 13, где значение то удовлетворяет указанному условию.

Целесообразно также уменьшать погрешность преобразования полученных строб-импульсов в цифровой код уменьшением погрешности квантования, т.е. увеличением частоты генератора 19.

Информацией о величине скорости подвижного объекта в виде цифрового кода снимается с выхода реверсивного счетчика 2 0 в конце цикла преобразования.

Блок преобразования линейных перемещений работает следующим образом. Импульс такта с выхода формирователя 8 тактовых последовательностей и цикла преобразования устанавливают в единицу триггеры 14 и 15, обнуляет счетчик 21 и запускает формирователь 7 импульса записи, и последний формирует импульсы тока в катушке 4 записи. В звукопроводе 1 под катушкой 4 записи возникает ультра-

2п

п

2

п

п

V

V

в

в

V V

в в

а- \х\

звуковая волна, распространяющаяся по звукопроводу 1 со скоростью ув. Через время ^ =------------- (2а -

расстояние между катушками 5 и 6 считывания; х - преобразуемое перемещение) ультразвуковая волна достигает ближайшей катушки считывания (на рис. 4.4 это катушка 6) и наводит в ней импульс ЭДС.

а+ \ х \

Этот импульс после усиления в усилителе 10 установит в нуль триггер 14. Через время /2------------------

ультразвуковая волна достигает катушки 5 и наводит в ней импульс ЭДС, после усиления в усилителе 11 устанавливается в ноль триггер 15. На выходах триггеров 14 и 15 оказываются сформированными строб-импульсы длительностью ^ и 12, в селекторе 18 формируется строб-импульс длительностью

а+\х\ а-\х\ 2 \х\

t2 - Ь1 = ----- - ------ = ------ ,

V V V

в в ув

пропорциональный преобразуемому перемещению. Этот строб-импульс управляет работой селектора 18, пропуская импульсы образцовой частоты от генератора 19 на вход счетчика 21. В счетчике оказывается, записано число в виде цифрового кода, пропорциональное величине линейного перемещения:

«,=^-л.

Дифференциальные магнитострикционные преобразователи на продольных магнитоупругих волнах с подвижной катушкой записи (рисунок 3) успешно использовались на ряде изделий ТТС. Первичный преобразователь крепился на внешней поверхности гидроцилиндра. Несмотря на высокие метрологические характеристики, они обладали одним существенным недостатком - подвижная часть ПП соединялась с системой управления при помощи подвижного электрического кабеля. Это создавало определенные неудобства при эксплуатации МППД и несколько снижало надежность системы управления в целом.

Чтобы связать элемент позиционирования МППД со штоком гидроцилиндра требуется введение дополнительных механических узлов, что не только усложняет конструкцию привода и увеличивает его массогабаритные размеры, но и ухудшает точностные характеристики из-за присутствия люфтов, сухого трения и несоосностей в кинематических цепях узла обратной связи. При определенных величинах знакопеременных ускорениях, развиваемые ДС, помехоустойчивость узлов обратной связи становится крайне низкой. Поэтому в законах управления ДС в ущерб качеству предоставления виртуальной среды ощущения пространственного движения вводятся ограничения по предельным перемещениям стенда.

Для того чтобы решить эти задачи назрела необходимость размещения первичного преобразователя во внутреннюю полость гидроцилиндра. Использовать для этих целей МППД на продольных магнитоупругих волнах невозможно из-за подвижных электрических кабелей и относительно больших поперечных габаритных размеров ПП.

После проведенного информационного и патентного исследования были сделаны следующие выводы, что для этих целей наиболее перспективным из всех известных преобразователей является магнито-стрикционный преобразователь параметров движений на крутильных магнитоупругих волнах (Видемана и Вертгейма). Было принято решение о создании и использовании МППД в системах управления гидроприводом ДС на базе опытного образца [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. НИР № 559-83 (ДЛПиС «ЛИАНА») № Гос. регистрации 01830027841, Инв. № № 02870039998 и

о288оо745о3.

2. А.с. 592022 СССР. МКИ: H04R15/00. Магнитострикционный преобразователь линейных перемещений / Э.А. Артемьев, А.И. Надеев // Опубл. 1978 - Бюл. № 5.

3. А.с. 1279370 СССР. МКИ: 001Р3/50, Н03М1/50. Преобразователь линейной скорости в код / Э.А. Артемьев, В.А. Дружинин, И.А. Метелев, Б.В. Клюев, В.В. Макаров // Опубл. 14.02.84.

4. Прошкин В.Н. Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений для специальных условий эксплуатации // Датчики и системы. М.: 2007. - № 6. - 35-39.