Диссертация (1026354), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Совокупность данных формирует лучевую диаграммупоказаний министика, по которой можно визуально оценить качествопоказаний министика. На диаграмме размещаются точки с координатами,соответствующими показаниям министика по координатам X и Y. Точки,соответствующие показаниям, полученным при одинаковом угле поворотаминистика, образуют лучи, сходящиеся в центре, соответствующем показаниямпри нулевом отклонении рукоятки министика. Вид лучевой диаграммыпредставлен на Рисунке 4.7.Кроме того, программа осуществляет запись данных в таблицу суказанием исходных данных (угол поворота, отклонение рукоятки) иполученных значений по координатам X и Y для последующего анализа.110Рисунок 4.7. Лучевая диаграмма показаний министика4.2.2 Разработка оборудования для исследования эксплуатационного ресурсаоптических министиковДля исследования эксплуатационного ресурса оптических министиковбыл разработан испытательный стенд.
Устройство испытательного стендавключаетвсебяконструкцию,аппаратноеобеспечение,программноеобеспечение.Конструктивно стенд представляет собой Г-образный блок. Нагоризонтальной части установлен шаговый двигатель, на валу которогозакрепленоповоротноеисследуемый министик.основание («столик»).Настоликезакрепляется111На вертикальной части стенда установлен шаговый двигатель, на валкоторого надевается отклоняющая рукоятка. При вращении вала отклоняющаярукоятка производит отклонение рукоятки министика от центральногоположения.Внешний вид стенда представлен на Рисунке 4.8Рисунок 4.8. Испытательный стенд для исследования эксплуатационногоресурса оптических министиковАппаратное обеспечение испытательного стенда представлено наструктурной схеме (Рисунок 4.9). В аппаратное обеспечение входят- шаговый двигатель FL42STH33-1334A, осуществляющий поворотминистика вокруг оси Z;- шаговый двигатель FL42STH33-1334A, осуществляющий поворототклоняющей рукоятки;- управляющий микроконтроллерный модуль;- персональный компьютер.11213Шаговыйдвигательповоротаоснования4Драйвер ШДповоротаоснованияSPIТестируемыйминистикUSBУправляющиймикроконтроллерПК2ШаговыйдвигательповоротарукояткиДрайвер ШДповорота рукояткиУправляющий модульРисунок 4.9.
Структурная схема испытательного стендаУправляющий модуль построен на микроконтроллере AT90USB1286фирмыATMEL. Микроконтроллер осуществляет управление шаговымидвигателями поворота столика и управляющей рукоятки, а также считываетпоказания министика по интерфейсу SPI. Связь с компьютером осуществляетсяпо интерфейсу USB.Силоваячастьуправляющегомодуляпостроенанадвухспециализированных микросхемах-драйверах шаговых двигателей A3987фирмы Allegro. Управление драйверами производится подаваемыми смикроконтроллера сигналами логического уровня ENA (включение питанияшагового двигателя), STEP (поворот на 1 шаг), DIR (направление поворота),MSTEP1 и MSTEP2 (программируемое дробление шага двигателя).Питание силовой части осуществляется постоянным напряжением+15..+24 ВотблокапитанияGembirdNPA-AC1Dилианалогичного,размещенного вне корпуса стенда.
Питание электроники осуществляется113напряжением +5 В непосредственно от компьютера, к которому подключаетсястенд, по шине USB. Для охлаждения двигателей и электроники стенда,нагревающихся при длительной работе, в корпус установлен вентилятор.Программное обеспечение стенда состоит из программы для ПКOptojoyStend 1.0 и управляющей программы для микроконтроллера.Управляющая программа («прошивка») микроконтроллера соединяетсяс ПК по интерфейсу USB. При подключении стенда к ПК он определяетсяоперационной системой как HID-устройство. Каждый стенд имеет свойсобственный определенный в программе микроконтроллера адрес продукта(PID), позволяющий идентифицировать конкретное устройство.Программа осуществляет прием команд ПК по интерфейсу USB навращениедвигателей,содержащихпараметры:скоростьвращения,направление (по часовой стрелке или против) и число шагов поворота – длякаждого из двигателей (основания и рукоятки).
Далее программа формируетуправляющие сигналы для драйверов соответствующих шаговых двигателей.Для подачи импульсов, определяющих шаги поворота двигателя, используютсяпрограммируемые аппаратные блоки микроконтроллера – таймер-счетчики,посылающие драйверам импульсы с заданной частотой, определяющейскорость вращения двигателей. Во время вращения двигателей программаформирует флаг работы двигателей, после окончания вращения флагсбрасывается.После запуска устройства программа производит регулярный опросминистика по интерфейсу SPI. Полученные показания сохраняются воперативную память микроконтроллера.
По запросу ПК по интерфейсу USBмикроконтроллер отправляет последние на текущий момент показания, а такжефлаг текущего статуса вращения шаговых двигателей.Программа для ПК OptojoyStend 1.0 предназначена для тестированияэксплуатационного ресурса оптического министика. Скриншот главного окнапрограммы представлен на Рисунке 4.10.114Рисунок 4.10. Вид главного окна программы OptojoyStend 1.0Программа OptojoyStend 1.0 устанавливает связь с испытательнымстендом по интерфейсу USB при нажатии соответствующей кнопки. Для связииспользуется библиотека AtUsbHid.dll. После соединения программа синтервалом 50 мс опрашивает стенд, полученные показания министика в видезначений отклонения рукоятки министика по осям X и Y отображаются награфике в правой части экрана.Программа OptojoyStend 1.0 позволяет управлять двигателями стенда вдвух режимах:- ручное управление;- автоматическое тестирование.Режим ручного управления доступен при выключенном автоматическомтестировании.
Он позволяет повернуть рукоятку или основание в заданномнаправлении с заданной скоростью на определенное число шагов. Режимиспользуется для ручного тестирования работы стенда и министика,определения параметров для автоматического тестирования и для установки вначальное нейтральное положение.115В режиме автоматического тестирования производится тестированиеминистикапоалгоритму,определенномунарисунке3.13.Каждыйпоследующий этап выполняется только после получения от стенда ответа обокончании вращения двигателей.
Величина отклонения рукоятки L задаетсякосвенно числом шагов поворота рукоятки в поле «Угол отклонения», скоростивращения основания и рукоятки - в соответствующих полях ввода.Запуск тестирования осуществляется нажатием кнопки «Старт». Вовремятестированияпрограммаосуществляетподсчетколичествапроизведенных циклов отклонения.Программа производит автоматическую очистку графика показанийминистика через заданное число циклов отклонения. Также программапроизводит сохранение изображения графика показаний через заданное числоциклов в формате .bmp. Сохранение производится в подпапку с указаннымименем; имя файла содержит количество произведенных циклов отклонения, атакжетекущиеанализироватьвремяиизменениедату.Полученныехарактеристикизображенияисследуемогопозволяютминистикавзависимости от числа нажатий.Остановка тестирования производится нажатием кнопки «Стоп».
Приэтом программа осуществляет завершение текущего цикла тестирования.4.3 Экспериментальное исследование характеристик оптических министиковДля проведения экспериментальных исследований было разработано иизготовленонесколькоэкспериментальныхобразцов(ЭО)оптическихминистиков:- министик с PIN-фотодиодом и 4 светодиодами;- министик с PIN-фотодиодом и 4 низкопрофильными VCSELлазерами;- министик с PIN-фотодиодом и 6 светодиодами;116- министик с PIN-фотодиодом и 3 светодиодами.Фотографиипечатныхплатминистиковсоптоэлектроннымиэлементами представлены на Рисунке 4.11Рисунок 4.11 – фотографии печатных плат министиков. Слева направо:министик с PIN-фотодиодом и 3 светодиодами; министик министик с PINфотодиодом и 6 светодиодами; министик с PIN-фотодиодом и 4 светодиодами;министик с PIN-фотодиодом и 4 VCSEL-лазерами.Дляисследованияхарактеристикбылиопределеныследующиепараметры эксперимента:- отклонение рукоятки: -5..+5 мм с шагом 0,5 мм;- направление отклонения: влево (+5..-5 мм), вправо (-5..+5 мм);- угол поворота основания: 0..180°с шагом 22,5°;- число замеров показаний в точке: 6.Всего было исследовано по 10 экспериментальных образцов министиковна основе светодиодов.
Министиков с 4 низкопрофильными VCSEL-лазерами всвязи с техническими возможностями было изготовлено 5 образцов. Длядальнейших исследований использовались усредненные показания министиководинаковых типов.Характеристики различных министиков представлены в виде лучевыхдиаграмм на Рисунке 4.12.117Министик с 3 светоизлучателямиМинистик с 4 поперечно расположеннымисветоизлучателямиМинистик с 4 VCSEL-лазерамиМинистик с 6 излучателямиРисунок 4.12. Лучевые диаграммы показаний министиковРезультатыисследованияфункциипреобразованияминистиковразличных оптических схем по оси X (угол поворота 0°) представлены наРисунке 4.13.
Результаты исследования функции преобразования министиковразличных оптических схем по оси Y (угол поворота 90°) представлены наРисунке 4.14. Для возможности сравнения графики функций наложены друг надруга.118Рисунок 4.13. Функция преобразования министиков различных схем покоординате Х (при угле поворота министика 0°)Рисунок 4.14. Функция преобразования министиков различных схем покоординате Y (при угле поворота министика 90°)Обработка показаний и оценка качества полезного сигнала министиковбыла произведена по формулам (3.7..3.11), определенным в главе 3. Для119расчетов и аппроксимации использовался пакет MS Excel.
Результаты расчетовприведены в Таблице 4.1.Таблица 4.1.Параметры качества сигнала исследуемых министиковЭОс3с 4 поперечно с 4 радиальнос6оптическогосветоизлучарасп.расп.светоизлучатеминистикателямисветоизлучате светоизлучателямилямилямиДиапазонзначений476414775798(амплитуда) пооси XДиапазонзначений408414742758(амплитуда) пооси YРазрешающаяспособность по47,641,477,579,8оси X, знач/ммРазрешающаяспособность по40,841,474,275,8оси Y, знач/ммМакс. разброс<0,5%<0,5%<0,5%<0,5%значенийМакс.нелинейность5,83%13,25%2,40%2,45%по оси XМакс.нелинейность5,91%14,27%4,75%3,23%по оси YМакс.гистерезис по0,84%4,35%1,16%0,75%оси XМакс.гистерезис по0,99%2,42%1,75%1,06%оси YВ результате исследований было установлено, что основная причинанелинейностихарактеристикиминистика–закрываниекрайних120оптоэлектронных элементов упругодеформируемым элементом, а такжеизменение деформации УДЭ из-за высоких элементов.На основании этого в конструкцию министика были внесены доработки:- крайние оптоэлектронные элементы были развернуты радиально,вдоль направлений отклонения рукоятки министика;- микроконтроллер и иные элементы, не относящиеся к оптическойсистеме министика, были убраны из оптической камеры.Министик доработанной конструкции был подвергнут испытаниям настенде со следующими параметрами:- отклонение рукоятки: -5..+5 мм с шагом 0,5 мм;- направление отклонения: влево (+5..-5 мм), вправо (-5..+5 мм);- угол поворота основания: 0..180°с шагом 22,5°;- число замеров показаний в точке: 6.Лучевая диаграмма министика представлена на Рисунке 4.15.Рисунок 4.15.
Лучевая диаграмма показаний министиков по схеме с общимприемником и 4 радиально расположенными фотодиодами.121Параметрыкачествавыходногосигналаусовершенствованногоминистика представлены в Таблице 4.2.Таблица 4.2.Параметры качества сигнала усовершенствованного министикаПараметрЗначениеПараметрЗначениеДиапазонМакс.значенийнелинейность7752,40%(амплитуда) попо оси Xоси XДиапазонМакс.значенийнелинейность7424,75%(амплитуда) попо оси Yоси YРазрешающаяМакс.способность по77,5гистерезис по1,16%оси X, знач/ммоси XРазрешающаяМакс.способность по74,2гистерезис по1,75%оси Y, знач/ммоси YМакс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
