Аналого-цифровой преобразователь (DM6430HR-1)

Плата АЦП (рис. 2.3.7) предназначена для преобразования аналогового сигнала от чувствительных элементов в цифровой код, который далее по цифровому каналу связи поступает в вычислитель для решения алгоритмических задач.

Опрос датчиков происходит с частотой дискретизации 1кГц. Использование 16-ти разрядного АЦП позволяет с высокой точностью определять уровень сигналов, младший разряд преобразованной величины имеет вес ~3×10^-3 (~13°/ч) для датчика угловой скорости и ( ) для датчика линейного ускорения. Это позволяет обеспечить требуемую точность выработки углов крена и дифферента. Коды преобразованных сигналов сохраняются в цифровом виде во внутренней памяти платы АЦП. Из платы АЦП по заданной программе данные считываются программой обработки, которая исполняется в плате процессора.

Устройство выполнено в соответствии со стандартом PC104.

Рис. 2.3.7. Внешний вид платы АЦП

Основные технические характеристики платы АЦП:

- рабочая температура - от минус 40 до плюс 85 °C;

- 16 одиночных или 8 дифференциальных входов;

- 16-битный A/D с согласованной внутренней выборкой и хранением;

- время преобразования - 10 мс (100 кГц обычно);

- входной диапазон - ±10 В;

- программируемые множители - 1, 2, 4, 8;

- питание – плюс 5 В;

- низкое энергопотребление: 500 мA (2,5 Вт).

Бортовой вычислитель (плата процессора CMC16686GX300HR-32)

В плате процессора (рис. 2.3.8) осуществляется обработка цифрового кода сигналов гироскопов и акселерометров в соответствии с алгоритмами построения БИИМ. Для коррекции инструментальных и методических погрешностей от GPS принимаются информационные пакеты с данными о текущих значениях скорости и координат места движения объекта. ПМО прибора осуществляет их приём и трансляцию в алгоритмы обработки. Результатами работы алгоритмов является параметры ориентации – курс и углы качки. Параллельно с работой основных алгоритмов БИИМ выполняется задача контроля работоспособности и индикации отказов. Эта задача следит за правильным выполнением ПМО и формирует, в случае сбоя, признак отказа прибора ВИИМ. В соответствии с протоколом информационно-технического сопряжения ПМО формирует информационные пакеты, которые с заданной частотой отправляются потребителю. Информационные пакеты содержат параметры ориентации, признаки недостоверности вырабатываемой информации и отказа изделия.

Устройство выполнено в соответствии со стандартом PC104.

Рис. 2.3.8. Внешний вид платы процессора

Основные технические характеристики платы процессора

- процессор 300 MГц @ 2.0Vdc Geode™ MMX™ ;

- пассивный отвод выделяемой теплоты;

- 32 Mбайт SDRAM;

- два программно-конфигурируемых RS-232/422/485 последовательных порта;

- рабочая температура от минус 40 до плюс 85 °C; влажность 90 % без конденсирования;

- потребляемая мощность 5,8 Вт, 5 В постоянного тока.

Опторазвязка

Опторазвязка предназначена для электрической изоляции вход-выход цифрового интерфейса связи изделия с потребителем.

Опторазвязка состоит из трех плат:

- для интерфейса RS-232 – ДНИЯ.469655.576;

- для интерфейса RS-422 – ДНИЯ.469655.577;

- для интерфейса RS-485 – ДНИЯ.469655.578.

В прибор ВИМ, в зависимости от типа интерфейса, ставится одна из выше перечисленных плат. Платы взаимозаменяемые.

Конструктивно опторазвязка выполнена в виде печатной платы с установленными на ней электроэлементами.

Основные характеристики опторазвязки:

- скорость передачи информации - от 4800 до 115200 бит/с;

- электрическая изоляция вход-выход – не менее 20 МОм;

- питание - 5 В постоянного тока;

- габариты – не более 50х50х20 мм;

- масса - 0,1 кг.

Моментный двигатель МД71

МД71представляет собой моментный двигатель постоянного тока, бесконтактный, с электромагнитной редукцией частоты вращения и с возбуждением от постоянных магнитов. Конструктивно МД71 выполнен без собственных подшипников, в виде двух отдельных сборок статора и ротора, непосредственно встраиваемых в прибор ВИИМ.

Моментный двигатель предназначен для создания момента вращения вокруг оси, перпендикулярной основанию прибора ВИИМ. Работа двигателя управляется контроллером. Код режима работы двигателя генерируется в плате процессора, далее это код поступает в микроконтроллер, в котором вырабатываются аналоговые управляющие сигналы, идущие на обмотки двигателя.

Основные характеристики МД71:

- диапазон рабочих углов поворота ротора от нулевого положения - неограниченный;

- вид тока - постоянный;

- управление - по напряжению;

- число обмоток (фаз) - 3;

- номинальный вращающий момент - 0,1 Н×м;

- электромагнитная редукция - 32;

- потребляемый ток - 0,25 А;

- габариты – диаметр 71х24 мм;

- масса ротора - 0,114 кг;

- масса статора - 0,347 кг.

Датчик угла ДУ-71-3

ДУ-71-3 представляет собой электромеханическое устройство, состоящее из кольцевого трансформатора и двух многополюсных датчиков угла: точный отсчет и корректирующий отсчет, образуя два многополюсных синусно-косинусных вращающихся трансформатора с коэффициентами редукции 32 и 31. Кольцевой трансформатор осуществляет бесконтактную передачу напряжения возбуждения на обмотки ротора точного отсчета и корректирующего отсчета.

Конструктивно ДУ71-3 выполнены без собственных подшипников, в виде двух отдельных сборок статора и ротора, непосредственно встраиваемых в аппаратуру. ДУ предназначен для преобразования угловых перемещений вала в функциональные электрические сигналы переменного тока при работе в качестве первичного преобразователя угла в преобразователе "угол-параметр-код" и обеспечивает определение угла рассогласования (разворота) между ИМ и основанием прибора. Обмотки преобразователя угла возбуждаются контроллером ДУ. Контроллер ДУ преобразует сигналы, снятые с обмоток, в код и, по запросу с платы процессора, выдает этот код.

Основные характеристики ДУ71-3:

- погрешность передачи угла - 25";

- номинальное напряжение возбуждения - 2 В;

- номинальная частота напряжения возбуждения - 5000 Гц;

- диапазон измеряемых углов неограничен;

- число пар полюсов (коэффициент электрической редукции):

а) точный отсчет - 32;

б) корректирующий отсчет - 31;

- габариты - диаметр 71х33 мм;

- масса ротора - 0,188 кг;

- масса статора - 0,294 кг.

Контроллер МК008

Контроллер МК008 предназначен для управления МД-71. Контроллер содержит схему управления трехфазным бесконтактным моментным двигателем, схему преобразования двух аналоговых сигналов в цифровой, гальванически развязанный интерфейс RS485. Конструктивно контроллер представляет собой многослойную печатную плату с установленными на ней радиоэлементами.

Управление МД71 осуществляется от трехфазного мостового ключевого усилителя мощности, собранного на транзисторах. Транзисторы управляются микросхемой-драйвером, преобразующим цифровые сигналы управления, поступающие с микроконтроллера, в напряжения управления транзисторами.

Контроллер начинает функционировать после получения специализированной команды от платы процессора. По этой команде определяется режим работы МД71.

Основные характеристики контроллера МК008:

- напряжение питания постоянного тока – (27±3) В;

- потребляемый ток, без учета потребления МД - 100 мА;

- габариты - 78´105´16 мм;

Контроллер МК006

Контроллер МК006 предназначен для определения значения входного угла датчика угла ДУ-71-3 по сигналам от ДУ. Контроллер ДУ обеспечивает возбуждение ДУ-71-3 синусоидальным напряжением с частотой 5кГц. Функционально контроллер ДУ представляет собой устройство сбора и обработки информации на основе цифрового сигнального процессора. Обмен информацией с контроллером ДУ осуществляется по интерфейсу RS232. Конструктивно контроллер представляет собой многослойную печатную плату с установленными на ней радиоэлементами.

Микроконтроллер начинает функционировать после получения специализированной команды от контроллера ДУ.

Основные характеристики микроконтроллера МК008:

- погрешность выработки угла - ±25'';

- погрешность выработки угла после коррекции - ±3";

- напряжение возбуждения ДУ – (5,6±0,5) В;

- частота возбуждения ДУ – (5±1) кГц;

- напряжение питания постоянного тока - 18-36 В;

- потребляемый ток, без учета потребления ДУ - 100 мА.

Токоподвод

Токоподвод обеспечивает электрическую связь между неподвижным основанием прибора и вращающимся ИМ на неограниченном угле разворота. Через токоподвод осуществляются следующие электрические связи:

- питание изделия;

- информационный обмен с потребителем;

- информационный канал для проведения наладочно-регулировочных работ.

Токоподвод относится к токоподводам кольцевого типа и имеет 30 изолированных линий передачи.

П.3. БИИМ на ЛГ КМ-11, особенности конструкции и основные технические характеристики

К настоящему времени в НИИ «Полюс» создан бескарданный инерциальный измерительный модуль (ИИМ) на основе серийно изготавливаемых лазерных гироскопов (ЛГ) КМ-11, основные особенности которых состоят в следующем:

• резонатор кольцевого лазера ЛГ образован призмами с полным внутренним отражением, что позволяет получить потери нагруженного резонатора не более 0.02…0.03 % и область захвата не более 70…150 гц без использования сложных в технологии высококачественных многослойных диэлектрических зеркал;
• накачка He-Ne активной среды лазера осуществляется безэлектродным поперечным высокочастотным разрядом, что позволяет исключить смещение нуля ЛГ, присущее разряду постоянного тока, отказаться от высоковольтного питания лазера, упростить конструкцию вакуумной части прибора и обеспечить наработку на отказ в десятки тысяч часов;
• регулировка частоты генерации кольцевого лазера осуществляется пневматически, без использования подвижных элементов и при низковольтном питании (=24В);
• технология сборки позволяет проводить «горячую» юстировку элементов, селектирующих основную моду при наличии свободной, многомодовой генерации в кольцевом лазере.

Для исключения влияния зоны нечувствительности ЛГ вместо вибрации каждого из гироскопов применено реверсное вращение всего ИИМ вокруг оси, ортогональной плоскости палубы объекта. Ось вращения располагается по продольной оси трехгранной пирамиды, на гранях которой закреплены ЛГ, что приводит к смещению рабочей зоны от зоны нечувствительности для каждого гироскопа. Кроме того, данное вращение обеспечивает наблюдаемость дрейфов ЛГ и автокомпенсацию их проекций на плоскость, ортогональную оси вращения ИИМ. Реверс осуществляется через каждые два оборота (1 оборот за 3.6 сек) и быстро (за 0.01…0.02 сек), что не приводит к существенному возрастанию погрешностей.

3.1. Особенности конструкции

Инерциальный измерительный модуль содержит три лазерных гироскопа ЛГ КМ-11 (периметр резонатора – 44 мм, вес - 3.5 кг; дрейф нуля – 0.01 ⁰/ч), три акселерометра АК-10 (размеры - 40х40х25 мм, вес – 50 грамм; дрейф нуля – 10^-3м/с²) и электронные модули, обеспечивающие функционирование инерциальных чувствительных элементов и преобразование выходных сигналов в цифровую форму, установленные на вращающемся основании (рис. 3.1 и рис. 3.2).

Основным несущим элементом конструкции ИИМ является металлический конус, выполненный из дюралюминия для исключения намагниченности. Своей нижней частью конус стыкуется с устройством вращения посредством трех стыковочных узлов. Сверху на конус одета и приклеена к нему трехгранная призма, выполненная из ситалла.

На гранях призмы располагаются лазерные гироскопы. Крепление корпусов кольцевых лазеров к ситалловой призме производится с помощью клея в 4-х точках через короткие цилиндрические проставки. Это сделано для того, чтобы между призмой и резонатором можно было пропустить нижнюю часть двойного пермаллоевого экрана при минимальном нарушении его целостности. В верхней части призмы и в середине конуса по оси вращения имеется сквозная цилиндрическая полость. В эту полость сверху вставляется блок акселерометров, выполненный из ситалла. Он жестко крепится с помощью клея к трехгранной призме, образуя единый ситалловый блок чувствительных элементов (БЧЭ).

Рис. 3.1. Опытный образец ИИМ на ЛГ КМ-11

(1 - ЛГ в магнитных экранах; 2 – акселерометры; 3 – электронные модули; 4 – дюралевый конус; 5 – призма из ситалла)

Сверху на блок акселерометров с помощью клея жестко крепится трехгранный оптический элемент, выполненный из ситалла в виде куба с тремя зеркальными гранями. Этот элемент физически задает приборную систему координат ИИМ и используется, в частности, при калибровке измерительного модуля.

Данная конструкция БЧЭ позволяет с высокой точностью сохранять взаимное положение датчиков, как во времени, так и при воздействии неблагоприятных факторов, например, изменения температуры.

К нижней части металлического конуса симметрично по окружности прикреплены три горизонтальных площадки. В центре каждой из площадок установлена вертикальная стойка, средняя часть которой с помощью перемычки соединена с верхней частью металлического конуса.

Конус с площадками, вертикальные стойки и перемычки образуют жесткий замкнутый металлический каркас ИИМ, практически развязанный от ситаллового БЧЭ. К этому каркасу крепятся электронные блоки, разъёмы и, если будет необходимо, внешний магнитный экран. Сверху на вертикальные стойки во время калибровки ИИМ может быть временно закреплена горизонтальная площадка для возможности размещения дополнительного оборудования, например, точного уровня.

Электроника ИИМ размещается в 6-ти блоках, выполненных в виде замкнутых экранирующих вертикальных коробок. Эти коробки помещаются на площадках (по две на каждой) и прикреплены, кроме того, к вертикальным стойкам. На площадках также расположены два блока вторичных источников питания и места крепления для трех (по одному на каждой площадке) разъемов РС-10 (вилка), которыми заканчивается токоподвод устройства вращения. Электроника ИИМ в свою очередь замыкается на три кабельных разъема РС-10 (розетка), расположенных на кабелях, закрепленных с необходимой свободой (для возможности завинчивания) в районе каждой из площадок.

ИИМ термостатирован при рабочей температуре 20…25^оС с точностью ±1^оС. Термостатирование приводит к повышению точности и надежности ЛГ.

3.2. Технические характеристики

ИИМ в корпусе системы совершает два оборота в одну сторону, затем быстрый реверс и два оборота в другую сторону. Время одного оборота составляет 3.6 с.

Измеряемые величины - квазикоординаты: приращения на рабочей частоте угла поворота (от ЛГ) и кажущейся линейной скорости (от акселерометров) ИИМ в проекциях на приборные оси модуля.

Частота опроса датчиков - 1 кГц

Частота выдачи информации - 200 Гц

Канал выдачи информации - 3-х проводной CAN интерфейс

Напряжение питания - 24 В

Потребляемая мощность - не более 45 Вт

Габаритные размеры - Ø370мм, h = 261мм

Вес ~ 20…25кг

3.3. Обеспечивающая электроника

Электроника, расположенная в ИИМ, решает задачи обеспечения функционирования ЛГ, а также съема, преобразования и передачи по каналу связи информации с ЛГ и акселерометров.

Для обеспечения работы 3-х ЛГ необходимо организовать для каждого из них начальный поджиг, систему регулирования амплитуды выходного сигнала и систему регулировки оптической длины периметра.

Амплитуда сигнала регулируется путем изменения мощности высокочастотной накачки, которая в свою очередь зависит от напряжения питания генератора накачки.

Регулирование оптической длины периметра осуществляется путем изменения плотности воздуха в одном из замкнутых каналов ЛГ. Длину периметра необходимо держать в максимуме генерации сигнала. Такие экстремальные системы требуют подачи пилот-сигнала в контур регулирования и система должна держать близкую к нулю величину отклика на пилот-сигнал. Пилот-сигнал вводится в контур регулирования периметра с помощью пьезокерамического вибратора.

Решение всех задач, связанных с поджигом, регулировкой амплитуды, периметра и контролем за работой этих систем, осуществляется с помощью микроконтроллера типа ММ 167 фирмы PHYTEC (Германия) с применением дополнительных внешних преобразователей и усилителей.

Для уменьшения выделяемой мощности в контурах регулирования управление конечными исполнительными элементами (генератором накачки и нагревателем) осуществляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией. Тогда вместо линейных усилителей применяются ключевые схемы, а для подавления частоты ШИМ в контуре регулирования амплитуды применяются дополнительные фильтры. В контуре регулирования периметра частота ШИМ подавляется самим нагревателем.

Задача съема, преобразования и передачи информации решается с помощью второго микроконтроллера ММ 167.

Электроника ИИМ содержит три почти одинаковых канала обработки информации с датчиков, поэтому рассмотрим блок-схему одного из каналов. Фотоприемник преобразует оптический сигнал бегущей интерференционной картины в электрический синус-косинусный сигнал. После усиления в усилителях эти сигналы поступают на формирователи, где из них формируется меандр, поступающий для дальнейшей обработки на вход реверсивного счетчика микроконтроллера обработки информации. Меандр необходим для обеспечения устойчивой работы реверсивного счетчика микроконтроллера.

Для обеспечения работы ЛГ синус-косинусный сигнал также поступает на вход детектора, где из него формируется сигнал, пропорциональный амплитуде синус-косинусного сигнала и уже он поступает на вход АЦП микроконтроллера жизнеобеспечения. Микроконтроллер формирует ШИМ сигнал регулировки амплитуды, которая после усиления ключевой схемой и фильтрации поступает на вход генератора накачки, задавая мощность накачки и, следовательно, амплитуду выходного сигнала ЛГ. Микроконтроллер изменяет скважность ШИМ таким образом, чтобы амплитуда выходного сигнала ЛГ оставалась постоянной (2В на выходе усилителя).

Контур регулирования периметра также использует сигнал с детектора. В микроконтроллере методом синхронного детектирования из него выделяется сигнал отклика на пилот-сигнал. Сам пилот-сигнал в виде меандра частотой ~230 гц формируется в микроконтроллере, затем усиливается ключевым усилителем и поступает на вход пьезокерамического вибратора. Вибратор установлен в корпусе нагревателя и при его работе происходит модуляция плотности воздуха в канале ЛГ и, следовательно, модуляция периметра. Следствием этого и является появление сигнала отклика в выходном сигнале ЛГ. Микроконтроллер формирует ШИМ сигнал регулировки периметра, который через ключевой усилитель поступает на нагреватель. Скважность этого сигнала определяет плотность воздуха в канале ЛГ и, в конечном счете, оптическую длину периметра. Микроконтроллер так меняет скважность ШИМ последовательности, чтобы сигнал отклика был близок к нулю, что при правильной фазировке контура регулирования означает, что частота резонатора ЛГ находится в максимуме усиления лазерного перехода.

Начальный поджиг ЛГ осуществляется генератором поджига, который формирует импульсы поджига амплитудой ~300В, поступающие на вход трансформатора поджига. Генератор поджига управляется микроконтроллером жизнеобеспечения, который отключает генератор, когда появится выходной сигнал ЛГ или по прошествии заданного времени поджига ~ 30 сек. В последнем случае формируется признак отказа ЛГ.

В ИИМ применяются акселерометры типа АК-10. Эти акселерометры содержат внутри всю электронику жизнеобеспечения и не требуют какого-либо внешнего управления. Аналоговый сигнал акселерометра поступает на вход схемы преобразователя аналог-частота и далее на счетчик микроконтроллера обработки информации.

Каждый из микроконтроллеров имеет встроенный CAN интерфейс. Эти интерфейсы через буферные схемы связаны между собой и внешним разъемом ИИМ трехпроводной линией, что даёт возможность передавать информацию внешнему потребителю и друг другу. Кроме того, микроконтроллер формирует для внешнего потребителя синхроимпульсы частотой 1 кГц, синфазные с моментами опроса датчиков.

ИИМ соединяется электрически с вращающемся токоподводом посредством трех разъемов С1, С2 и С3 типа РС-10.