Московский государственный университет печати



         

Автоматизация проектирования систем и средств управления

Учебное пособие



Автоматизация проектирования систем и средств управления
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

Часть 1. Общие сведения о САПР

1.

Сведения о проектировании технических объектов

1.1.

Общие сведения

1.2.

Задачи конструкторского проектирования

1.3.

Схема процесса проектирования

1.4.

Формализация проектных задач и возможности применения ЭВМ для их решения

1.5.

Классификация параметров проектируемых объектов

2.

Математическое обеспечение автоматизации проектирования

2.1.

Математическое обеспечение САПР

2.2.

Требования к математическому обеспечению

2.3.

Математическое моделирование объектов и устройств автоматизации в САПР

2.3.1.

Требования к математическим моделям

2.3.2.

Классификация математических моделей

2.3.3.

Математические модели на микро-, макро- и метауровнях

2.3.4.

Методика получения математических моделей элементов и устройств автоматизации

2.4.

Моделирование технических объектов на метауровне

2.5.

Постановка задачи автоматического формирования математических моделей систем на макроуровне

2.5.1.

Требования к методам в САПР, обусловленные особенностями математических моделей

3.

Виды обеспечения систем автоматизированного проектирования

3.1.

Составные части САПР

3.2.

Подсистемы САПР

3.3.

Принципы построения САПР

4.

Техническое обеспечение САПР

4.1.

Основные требования к техническим средствам САПР

4.2.

Организация комплекса технических средств

4.3.

Состав комплекса технических средств ЭВМ

4.4.

Периферийные устройства САПР

4.4.1.

Аппаратура связи в системах телеобработки

4.4.2.

Передача факсимильного изображения

4.4.3.

Классификация модемов

4.5.

Устройство современных модемов

4.6.

Устройство цифрового модема

4.7.

Модемы в цифровых сетях

4.8.

Сканеры и их классификация

4.9.

Устройства вывода информации в САПР (принтеры)

4.9.1.

Матричные принтеры

4.9.2.

Лазерные принтеры

4.9.3.

Цветные лазерные принтеры

4.9.4.

Струйные принтеры

4.9.5.

Цветная печать

4.10.

Плоттеры

4.10.1.

Перьевые плоттеры (ПП, PEN PLOTTER)

4.10.2.

Струйные плоттеры

4.10.3.

Электростатические плоттеры

4.10.4.

Плоттеры прямого вывода изображения

4.10.5.

Плоттеры на основе термопередачи

4.10.6.

Лазерные (светодиодные) плоттеры

Часть 2. САПР электромеханических датчиков угла

5.

Структура САПР электромеханических датчиков угла (САПР ЭМДУ)

6.

Математические модели ЭМДУ

6.1.

Обобщенная модель неявнополюсных электромашинных датчиков угла без учета магнитных свойств материала магнитопровода

6.1.1.

Обобщенная модель для расчета погрешностей электромашинных датчиков угла

6.1.2.

Уравнение воздушного зазора неявнополюсной электрической машины с малой асимметрией магнитопровода

6.1.3.

Расчет относительных изменений магнитных проводимостей с учетом всех видов асимметрии в неявнополюсной машине

6.2.

Обобщенная модель электромашинных датчиков угла с учетом магнитных свойств материала магнитопровода

6.2.1.

Идеализированная машина-модель с учетом конечной проницаемости магнитопровода

6.2.2.

Основные положения обобщенного подхода к проектированию нелинейных электромашинных устройств с насыщенным магнитопроводом

6.2.3.

Магнитное состояние постоянного магнита в электромагнитной системе

7.

Модель выбора технологических допусков ЭМДУ

8.

Цифровое моделирование погрешностей фазовых преобразователей перемещений с ЭМДУ

9.

Программное обеспечение САПР ЭМДУ

9.1.

Подсистема «Выбор ЭМДУ»

9.2.

Подсистема «Анализ погрешностей ЭМДУ»

9.3.

Подсистема «Анализ погрешностей фазовращателей с ЭМДУ»

Список литературы

Указатели
22  предметный указатель
43  указатель иллюстраций

8.
Цифровое моделирование погрешностей фазовых преобразователей перемещений с ЭМДУ

Использование синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ), серийно выпускаемых отечественной промышленностью, в качестве первичных преобразователей для аналого-цифровых преобразователей угловых и линейных перемещений является особенно перспективным в тех случаях, когда к изделию предъявляются повышенные требования по надежности, низкой чувствительности к нестабильности параметров элементов, образующих структуру преобразователя, технологичности при сохранении высокой точности преобразования. Однако, имея высокие метрологические характеристики, трансформаторные преобразователи перемещений приобретают значительные погрешности при включении их в реальную схему как в амплитудном, так и в фазовом режимах при воздействии на них различных дестабилизирующих факторов. В трансформаторных преобразователях перемещений, работающих в фазовом режиме (ТФПП), для коррекции таких погрешностей достаточно успешно используются различные структурные методы, в том числе и метод многоканального суммирования, при котором преобразование перемещения в код осуществляется параллельно нескольким каналам одного первичного преобразователя (ПП). Обработка полученной при этом избыточной информации может быть осуществлена на любом из этапов преобразования «перемещение - разность фаз - длительность временного интервала - число импульсов - код».

Одним из основных вопросов здесь является определение оптимального с точки зрения обеспечения требуемой точности преобразования числа выходных каналов. Серийные СКВТ в подавляющем большинстве случаев могут обеспечить лишь два выходных канала, при этом глубина коррекции может оказаться недостаточной для построения устройств контроля положения объекта повышенной точности.

Одним из основных критериев по выбору оптимального числа выходных каналов ТФПП, используемых в цифровых преобразователях перемещений (ЦПП), является не только соизмеримость скомпенсированной погрешности и погрешности недокомпенсации, а также уровень случайных погрешностей, но и обеспечение высокой точности при минимальных аппаратурных затратах, так как при значительном числе выходных каналов существенно возрастает сложность отсчетной части ЦПП, а в ряде случаев и понижается быстродействие таких устройств. Проведенные расчеты показали, что использование трех выходных каналов ТФПП является с этой точки зрения оптимальным.

Существующие разработки ТФПП с тремя выходными каналами, построенные на дифференциальных сельсинах, не обеспечивают высокой точности преобразования из-за наличия такой некомпенсируемой погрешности, как отклонение действующего значения выходного напряжения от идеальной синусоиды. Этот недостаток можно устранить введением в структуру ТФПП, построенного на основе первичных преобразователей типа СКВТ, дополнительных каналов, полученных схемным путем.

Как показали исследования, такой ТФПП может быть построен на основе любого двухполюсного четырехобмоточного СКВТ за счет создания искусственной «средней точки».

На рис. 8.1Рис. 08.1. Обобщенная структура ТФПП с тремя выходными каналами приведена обобщенная структура ТФПП с тремя выходными каналами, построенная на основе четырехобмоточного СКВТ, где C1, C2 - входные обмотки СКВТ; P1, P2 - выходные обмотки СКВТ; uп1, uп2 напряжения питания ТФПП; Инв1, Инв2 - инверторы сигналов СКВТ; ДН - делитель напряжения; S1, S2 - сумматоры выходных сигналов ТФПП; uвых1, uвых2, uвых3 - выходные сигналы ТФПП.

Второй и третий каналы в схеме образуются путем введения дополнительных узлов (двух инверторов, делителя напряжений и сумматоров), причем все эти узлы можно реализовать на основе восьми резисторов.

Выходные сигналы исследуемого ТФПП могут быть представлены в виде

где Δφ1, Δφ2, Δφ3 - погрешностные составляющие фаз выходных сигналов ТФПП.

Пусть существует погрешность из-за неравенства амплитуд питающих напряжений, при этом ΔUm1 = ΔUm; ΔUm2 = ΔUm3 = 0. Тогда фазовая погрешность выходных сигналов ТФПП имеет следующий вид

где i - номер выходного канала ТФПП (i = 1, 2, 3).

Компенсация погрешностной составляющей происходит при суммировании фазовых сдвигов выходных сигналов фазового преобразователя

где

Аналогичным образом определяются фазовые погрешности, вызванные другими дестабилизирующими факторами.

Нетрудно видеть, что в рассматриваемой схеме ТФПП с дополнительными выходными каналами наблюдается эффект значительного уменьшения мультипликативной составляющей погрешности преобразования. Такой эффект получен достаточно простыми и доступными средствами. При этом не требуются сложные предварительные расчеты параметров элементов, образующих схему, а сама схема не требует предварительной тестировки для различных типов первичных преобразователей, что делает перспективным ее применение в качестве составного элемента АЦП повышенной точности.

Однако приведенные выше результаты исследования трехканального ТФПП позволяют лишь приближенно оценить характер погрешностей работы такого устройства. Полученные выражения показывают перспективность достижения значительного эффекта коррекции как погрешностей первичного преобразователя (инструментальных), так и погрешностей элементов, образующих схему ТФПП. При анализе работы такой схемы был принят ряд допущений, идеализирующих работу ТФПП, поскольку получение в аналитической форме выражений для полной фазовой погрешности - весьма трудная задача. Вместе с тем ряд существующих и вновь разрабатываемые структуры ТФПП требуют подробного исследования метрологических характеристик, в первую очередь уровня погрешностей преобразования. Аналитический расчет сложных ТФПП очень часто дает лишь приближенную, качественную оценку погрешности преобразования и корректирующих способностей таких устройств за счет существенных допущений, принятых в ходе расчета. Когда же речь идет о десятках или даже единицах угловых секунд, то в этом случае многие допущения вообще не правомерны, что существенно затрудняет предварительную оценку практической пригодности разработанной структуры ТФПП.

Поэтому для наиболее полного анализа метрологических характеристик сложных ТФПП, а также установления с высокой точностью эффекта компенсации погрешностей целесообразно проводить математическое моделирование процесса возникновения и коррекции погрешностей ТФПП для реально существующих типов первичных преобразователей. Такой подход позволяет: провести анализ работы схемы ТФПП с учетом соизмеримости параметров элементов, образующих схему; определить эффект компенсации погрешности в широком диапазоне изменения таких параметров, одновременно определив допустимые границы такого диапазона в зависимости от заданной предельной допустимой погрешности преобразования; не только количественно, но и качественно (в виде графика) оценить уровень и характер отклонения фазы выходного сигнала в зависимости от параметров элементов ТФПП; провести гармонический анализ суммарной погрешности исследуемой ТФПП в функции перемещения.

Все перечисленные задачи позволяет решить представленный на рис. 8.2Рис. 08.2. Алгоритм анализа статических погрешностей ТФПП алгоритм машинного анализа статических погрешностей ТФПП, который неоднократно использовался для расчетов различных структур ТФПП, является универсальным, и программа, составленная на его основе, работает для любых структур ТФПП. Незначительные изменения позволяют трансформировать представленный алгоритм для расчета преобразователей других типов (электромагнитных, емкостных, фотоэлектрических).

Математическая модель ТФПП представляет собой систему уравнений (неизвестными являются контурные точки), записанную в матричной форме. При этом математическая модель включает в себя все параметры элементов, входящих в исследуемую структуру ТФПП, в том числе и параметры, характеризующие источник квадратурного напряжения.

Для предложенной структуры ТФПП с тремя выходными каналами (см. рис. 8.1Рис. 08.1. Обобщенная структура ТФПП с тремя выходными каналами) был проведен комплекс исследований влияния первичных погрешностей на полную фазовую погрешность ТФПП, а также проведена оценка эффективности корректирующего алгоритма для данной структуры. Проведенные на основе математического моделирования исследования ТФПП позволили определить: оптимальные соотношения между параметрами элементов, образующих структуру ТФПП (в том числе и сопротивление нагрузки); ряд предельно допустимых значений параметров, характеризующих не идеальность источника квадратурного напряжения; предельные отклонения параметров элементов, образующих структуру ТФПП; интервалы значений основных и дополнительных погрешностей ПП, при которых результирующая фазовая погрешность не превосходит заданного значения.

Результаты исследования предложенной структуры ТФПП показали низкую чувствительность выходного сигнала ТФПП к нестабильности параметров элементов, образующих данную структуру ТФПП, и позволили сделать вывод о перспективности его использования для построения 14-16-разрядных одноотсчетных цифровых преобразователей перемещений с алгоритмом преобразования «перемещение - разность фаз - длительность временного интервала - число импульсов - код».

© Центр дистанционного образования МГУП