Системы позиционирования для оптико-электронных систем на основе микроэлектромеханических структур

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Параметры ПИ-регулятора (коэффициент усиления и постоянная времени интегрирования) являются функциями режимной точки двигателя (частоты вращения двигателя и передачи). Эти параметры записываются в интерполяционные карты во время экспериментальной калибровки и при работе системы могут изменяться.

Закон управления, сформированный ПИ-регулятором, подается на блок формирования крутящего момента, где и рассчитывается необходимый крутящий момент. На рис. 3 представлена структурная схема регулятора скорости движения.

Система автоматического управления скоростью движения транспортного средства была разработана и успешно внедрена на фирме Siemens VDO Automotive в систему управления двигателя TATA 3l EU4 (Индия). Ниже приведены результаты экспериментов.

Как видно, заданное значение скорости движения транспортного средства увеличивается достаточно быстро (93 с - 98 с) с 50 км/ч до 85 км/ч, при этом система обеспечивает комфортное и безопасное для водителя ускорение [3], ограничивая градиент изменения скорости движения. После установления заданной скорости (97 с) текущая скорость сравнивается с заданной через 6 секунд с допустимым перерегулированием 2 км/ч.

Водитель возобновляет работу системы круиз-контроля (358 с) и активирует последнее заданное значение скорости. Текущая скорость меняется с 80 км/ч до 120 км/ч за 14 секунд, с допустимым перерегулированием в 2 км/ч.

Разрабатываемая система отличается от существующих систем автоматического регулирования скорости алгоритмами управления, заложенными в электронный блок управления, а именно - адаптивным механизмом настройки коэффициентов ПИ-регулятора, что позволяет системе качественно и эффективно функционировать в широком диапазоне задаваемых режимов. Разработанная система также отличается широкой универсальностью, что позволяет легко подстроить ее под различных производителей транспортных средств и требования законодательств других стран.

Библиографический список

1. Vehicle Dynamics and Control. Rajesh Rajamani. Hirklnnser 2006. ISBN0387263969, 9780387263960. с: 470

2. Adaptive Cruise Control. Ronald K. Jurgen, Society of Automotive Engineers. Society of Automotive Engineers, 2006. ISBN 0768017920, 9780768017922. с: 474

3. Automotive Safety Handbook. Ulrich Seiffert, Lothar Wech, Society of Automotive Engineers. SAE International, 2003. ISBN 076800912X, 9780768009125. с: 283

СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ

систем на основе микроэлектромеханических структур

С.С. РЯЗАНОВ, ведущий инженер-конструктор ОАО «НПО Геофизика-НВ»

В области микромеханики представлено множество устройств на основе микроэлектромеханических структур (МЭМС). Ключевые приборы здесь - датчики и исполнительные механизмы, преобразующие данные среды в электронные сигналы. Одно из направлений в МЭМС получили датчики положения, такие как системы позционирования [4].

Системы позиционирования предназначены для измерения углового положения корпуса прибора относительно горизонта и

glmnems@geo-nv. ru

линейного ускорения. Системы позиционирования являются измерителями проекции ускорения силы тяжести с индикацией полученного сигнала в цифровом виде.

Одна из таких схем построения систем позиционирования на основе двух ММА представлена на рис. 1. Система позиционирования содержит плату модуля позиционирования 1, установленную в корпус 2, выполненный из сплава алюминия. Плата модуля позиционирования 1 закреплена с помощью винтов 6.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

47

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 1. Конструкция системы позиционирования

При установке платы в корпус 2 на установочную плоскость, а также в места установки винтов наносится клей, для того чтобы с помощью него и требуемого количества оборотов винтов закрепить и при этом компенсировать температурную деформацию. На крышке закреплен с помощью винтов 7 электрический разъем 4 через прокладку 5 для герметизации системы позиционирования. Перед тем как корпус 5 закрыть крышкой 3 и закрепить с помощью винтов 8, посадочное место промазывают герметиком.

В зависимости от назначения системы позиционирования имеют различные диапазоны измерения. Для каждого диапазона углов, линейных ускорений и угловых скоростей измерители изготавливаются отдельно. Для обеспечения унификации измерителей и повышения точности измерений в области измерения углов в диапазоне менее 900 вводят поправку на диапазон измерения. В состав платы модуля позиционирования 1 вхо-

дят (рис. 2): последовательно соединенные двухкоординатный измеритель ускорения 9 на основе микромеханических акселерометров (ММА), блок операционных усилителей 10, микроконтроллер 11, блок интерфейса 12. Блок операционных усилителей 10 состоит из операционных усилителей 13, в обратную связь которых включены электронные потенциометры 14.

Первый выход двухкоординатного измерителя ускорения 9 (U) соединен с первым входом блока операционных усилителей 10, второй выход двухкоординатного измерителя ускорения (U) соединен со вторым входом блока операционных усилителей 10, первый выход которого (UJ соединен с первым входом микроконтроллера 11, первый выход которого (К) соединен с первым входом блока операционных усилителей 10, причем первым входом блока операционных усилителей 10 является вход блока электронных потенциометров 14, второй выход блока операционных усилителей 10 (Up) соединен со вторым входом микроконтроллера 11, второй выход которого соединен со вторым входом блока операционных усилителей, третий выход микроконтроллера 11 соединен с входом - выходом 1 блока интерфейса 12.

Работа системы позиционирования осуществляется следующим образом. Сигналы U и U с выхода ММА поступают на соответствующие входы блока операционных усилителей, где усиливаются и на выходе вычисляются по формуле

U = KdU , U = KdU ,

a d axx p d ay7

где К = 90 / D и 0 < D < 90.

С выходов блока операционных усилителей сигналы Ua и Up поступают на входы микроконтроллера, в котором по приведенным выше формулам определяют углы a и р. Величина Kd определяется величиной сигнала, поступающего с микроконтроллера на электронные потенциометры 14 блока операционных усилителей 10.

Способ измерения углов позиционирования заключается в следующем. Двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести 9 выдает напряжение U^ U пропорциональное действующей величине проекции ускорения на соответствующую ось.

48

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 2. Блок-схема системы позиционирования с двумя ММА

Величина этой проекции зависит от положения корпуса измерителя и определяется углом наклона а, в к горизонту из соотношения

U = K sina,

ax ax 5

U = K sinp,

где g - ускорение силы тяжести [м/с2];

Ux, Uy - напряжения, снимаемые с микромеханических акселерометров (ММА) по соответствующим осям [В];

K Ka - масштабные коэффициенты “ ММА [В*с2/м];

а, в - углы относительно горизонта. Таким образом, выходное напряжение с измерителя определяется величиной измеряемого угла наклона а, в.

Вычисление измеряемых углов осуществляется по выражениям

Uax _ . Uay

а = arcsin----, в = arcsin---.

Kd • g Kd • g

Для этого в микропроцессоре проводят следующие математические операции

а = arcsin -

U„,

Kd • Kx • g

, в = arcsin

U

в

Kd • Kay • g

Для повышения точности определения углов, лежащих в пределах от 45° до 90°, вычисления углов проводятся по выражениям

sin а =

Uа

Kd • Kax • g

sin в =-----в---:

Kd • Ky • g

а = arccos

л/Ё-

sin2 а

в = arccos

yjl - sin2 в .

Расчет проводился вычислением функций {arcsin(...)} разложением их в ряд. В расчетах значений ряда учитывался 21 член включительно. Углы наклона в диапазоне до ±45° вычислялись по значению {sin(...)}, более ±45° - вычисления проводились по {cos(...)}. Результаты расчета погрешности определения углов системы позиционирования в диапазоне 0° до 90° приведены на рис. 3.

При использовании двухкоординатного измерителя прибор имеет два выхода, напряжения на которых изменяются независимо друг от друга в зависимости от наклона измерителя относительно одной или другой оси или одновременно относительно обоих. При этом способе измерения достаточно двух измерителей линейного ускорения вместо трех. Реализация данного способа измерения непосредственно в системе позиционирования осуществляется путем установки в цепь обратной связи операционных усилителей 13 электронных потенциометров 14, обеспечивающих коэффициент обратной связи (от 1 до 9) в зависимости от диапазона измеряемых углов. Данная схема включения позволяет изменять коэффициент обратной связи операционного усилителя 13 по команде микропроцессора в зависимости от диапазона углов, на который рассчитано изготавливаемое устройство. Эта операция осуществляется в процессе изготовления или перепрограммирования устройства.

Работа системы позиционирования одинакова при определении значений углов относительно той или другой оси.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

49

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Одним недостатком микромеханических датчиков является зависимость их показаний от температуры. Как показали испытания, в основном они близки к линейному, поэтому показания системы позиционирования могут быть скорректированы с использованием зависимости [2, 3]

a(t) = a0 + a^t - to), где a(t) - показания УФСП;

a0, a1 - коэффициенты, характеризующие зависимость показания УФСП от температуры;

t - номинальная температура.

Коэффициенты для каждой УФСП определяются по результатам испытаний в рабочем диапазоне температур и записываются в микропроцессор. При использовании метода наименьших квадратов будем иметь

n n

i Xa

i=1 i=1__________i=1______i=1____________

n X (ti - to)2 - --(X (ti - to))2

i =1 n i =1

a1

n 1 n n

X

i=1 n i=1 i=1

n - 1 n

X (ti - to)2 - --(X (ti - to))2

i=1 n i=1

где a(ti) - показание системы позиционирования при фиксированной t - температуре;

n - число измерений в заданном диапазоне температур.

Погрешность аппроксимации 5a при этом определяется выражением

X [a(ti) - (ao -aiti)]2

Н1=1--------n-------•

Поправочный коэффициент a1 записывается в ПЗУ на каждую систему. На основании этого коэффициента может вводиться поправка на показания уровня в широком диапазоне температур.

Рис. 4. Внешний вид системы позиционирования

5o

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2oo9

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 5. Стенд АСП20У.2.3

Таблица

Результаты предварительных испытаний систем позиционирования на стенде АС1120У.2.3

Параметры Требования по ТЗ Полученные значения

Объем, см3 125 45

Габариты, мм 50x52x52 052x25

Масса, г 200 65

Удар,g 40 40

Диапазон измерения ускорений, g 1,2 1,7

Количество измерительных осей, шт. 2 2

Диапазон измерения углов, град. 10,30,45,60,90

Погрешность измерения углов, град. 0,1, 0,2, 0,3

Погрешность смещения нуля, g 0,002

Спектральная плотность шума, мg/Гц1/2 0,15 0,2

Нелинейность МК, % 0,5 0,2

Полоса частот, Гц 10 2000

Неортогональность осей чувствительности акселерометров, сек 75,0

Ресурс, ч 20000 20000

Диапазон рабочих температур, °С - 40 + 85

Интерфейс RS-232

Проведенные испытания системы позиционирования (фотография одной из них приведена на рис. 4, в составе стенда АС1120У2.3 - рис.5) при изменении температуры от -40 °С до +60 °С показали, что зависимость показаний от температуры измерителя углов относительно горизонта носит линейный характер. С учетом компенса-

ции температурная погрешность измерений уменьшилась примерно в 5 раз. Некоторые результаты предварительных испытаний системы позиционирования на стенде АС1120У 2.3 приведены в таблице.

Работа системы позиционирования одинакова при измерении углов относительно той или другой оси.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

51