Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис. 3 Структурная схема ДПТ

На рис. 3 использованы следующие обозначения:

Д – двигатель

Мс – момент сопротивления, приложенный к валу двигателя

ω_Д - скорость вращения вала двигателя

ω – скорость вращения вала с учетом момента сопротивления

Расчётная схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) представлена на рис. 4.

Рис. 4 Расчётная схема ДПТ

На рис. 4 использованы следующие обозначения:

• Lя – полная индуктивность цепи якоря ДПТ НВ, Гн;

• Rя – полное активное сопротивление цепи якоря, Ом;

• Е – ЭДС вращения якоря, В;

• – ток в цепи якоря, А;

• – механическая угловая скорость, рад/с;

• Lн – полная индуктивность в цепи якоря тормоза, Гн;

• – полное активное сопротивление цепи нагрузки, Ом.

G – источник постоянного напряжения

Kн – коэффициент нагрузки

Фд – магнитный поток

Из литературы известно, что математическая модель ДПТ НВ имеет следующий вид:

где, U – напряжение цепи якоря ДПТ НВ, В;

– электромагнитный коэффициент двигателя;

М, Мс – соответственно момент развиваемый двигателем и момент статического сопротивления, развиваемый тормозом на валу двигателя, ;

J – момент инерции, ;

Хн – полное сопротивление цепи нагрузки, Ом.

Подставляя уравнения (2.2) и (2.3) в уравнение (2.4) получаем:

(2.5)

где, – электромагнитный коэффициент тормоза двигателя.

Продифференцируем данное уравнение и подставим его в уравнение (2.1):

(2.6)

Приведём данное уравнение к стандартному виду

следовательно:

,

где,

откуда

.

Учитывая что << , тогда

.

Из выражения (2.9) можно сделать вывод, что при увеличении момента сопротивления тормоза путём уменьшения Хн, колебательный процесс, характерный для двигателя, работающего без нагрузки, вырождается в апериодический.

Рассчитаем параметры двигателя. Для этого перепишем уравнение (2.7), считая, что момент сопротивления на валу двигателя равен нулю, т.е. Хн равно бесконечности.

. (2.10)

Произведём замену

, .

. (2.11)

Тогда передаточная функция двигателя имеет вид:

2.2 Алгоритм функционирования системы

Вся система работает следующим образом: пользователь нажимает на панели управления кнопку, отвечающую за то действие, которое ему необходимо, и на микроконтроллер поступает сигнал. До тех пор пока нажата одна любая кнопка, микроконтроллер не воспринимает сигналов от остальных кнопок. Для начала, предположим, что желаемая операция является изменение пространственного положения кресла. В этом случае микроконтроллер определяет, какой привод запрашивается. Затем производится проверка сигналов с датчиков с целью определить не находится ли двигатель в крайнем положение с той стороны, в которую будет осуществляться движение. Если это подтверждается, то дальнейших действий не осуществляется. Если же есть возможность движения для двигателя, то микроконтроллер устанавливает разрешающий сигнал на выходе. Так же микроконтроллером устанавливается направление движения двигателя, и какой двигатель будет задействован. Движение осуществляется до тех пор, пока нажата кнопка на панели управления.

Рассмотрим случай, когда была нажата кнопка для изменения формы сидения. Микроконтроллер устанавливает разрешающий сигнал на работу системы. После этого аппаратно сравниваются сигналы с пар датчиков нагрузки. На основе сравнения осуществляется движение приводов. В первую очередь сравниваются сигналы с датчиков 2 и 3, если они не равны, то включаются соответствующие приводы, двигающиеся в противоположные стороны, причем привод, давление, на датчик которого было больше, движется в отрицательном или обратном направлении, а другой привод движется в положительном и или прямом направлении. Положительное и отрицательное направления выбраны условно, положительное направление – это направление движения к человеку. Через некоторое, заранее заданное время, теоретически достаточное для установления приводов в относительное равновесие, т.е. уравновешивания давление между датчиками, микроконтроллер посылает сигнал, и система переключается на следующую пару датчиков. Следующей парой являются датчики 2 и 4. В этом случае, после сравнения, в движение приводится только привод, соответствующий датчику 4, с целью подстройки его под датчик 2.

Дальше по такому же принципу производится сравнение сигналов с оставшихся двух датчиков, расположенных на спинке сиденья.

После того как спинка настроена, осуществляется подстройка подушки сиденья. Настройка осуществляется так же, как в случае с датчиками 2 и 3.

3 Разработка структурной схемы

Система управления креслом водителя, разрабатываемая в данном проекте, как было сказано ранее, осуществляет действия в двух направлениях: изменение пространственного положения кресла, изменение его формы. При выполнении поставленных задач на управляющие элементы (двигатели) поступают различные задающие воздействия. Эта особенность приводит к необходимости реализации системы, включающей в себя два канала управления, один из которых отвечает за пространственное положение сиденья, другой за форму.

Структурная схема системы управления креслом водителя изображена на рис. 5

Рис. 5 Структурная схема системы

В данной схеме приняты следующие обозначения: МК – микроконтроллер, БФУВ – блок формирования управляющих импульсов.

Данная система работает следующим образом: по приходу сигнала с панели управления микроконтроллер проверяет запрашиваемый привод на нахождение в крайнем положении, затем если это не подтверждается, устанавливает разрешающий сигнал на требуемый канал системы управления. Если требуемой операцией является изменение пространственного положения кресла, то микроконтроллер устанавливает разрешающий сигнал на первом ключевом элементе Канала 1, необходимого для подключения последующей схемы к питанию. Затем, зависимости от необходимого направления движения двигателя, микроконтроллером устанавливается «0» или «1» на управление инвертором. После этого сигнал поступает на второй ключевой элемент Канала 1, отвечающий за подключение необходимого двигателя к цепи. В результате исполнительный двигатель приводит желаемую часть сиденья в движение, которое осуществляется до тех пор пока не исчезнет сигнал с панели управления, или привод не перейдет в крайнее положение, в результате чего на выходе датчика (Блок датчиков 1) появится сигнал, который запретит дальнейшую работу микроконтроллера, а следовательно и двигателя.

Рассмотрим случай, когда в работу включается Канал 2. В этом случае БФУВ сравнивает сигналы, приходящие с датчиков. Сравнение осуществляется в определенной последовательности, которую устанавливает микроконтроллер, посылая с заданным интервалом сигналы, подключающие следующую пару датчиков, отключая предварительно предыдущую. После сравнения устанавливается разрешающий сигнал на ключевом элементе Канала 2, в результате чего запускается пара двигателей, движущихся в противоположные стороны, с целью уравновесить давление, действующее на датчики. Весь процесс идет до тех пор, пока не будет произведено сравнение сигналов со всех датчиков.

4. Устройство отдельных блоков системы

Как видно из структурной схемы изображенной на рис. 5, ее можно разбить на несколько функциональных блоков: панель управления, микроконтроллер, Канал 1, Канал 2, объект управлении. Данное разбиение сделано, исходя из функционального назначения приведенных блоков.

Панель управления, состоящая из набора кнопок, не представляет особого интереса. Объектом управления является само кресло, которое достаточно подробно было расписано в первом разделе.

Не известными остаются микроконтроллер, который отвечает за выбор каналов управления, и их функционирования, а также Канал 1 и Канал 2. Однако Канал 2, ввиду его сложности и отсутствия на данный момент необходимых данных по его составляющим, в рамках данного проекта более детально рассмотрен не будет. Его рассмотрение будет произведено, в случае если работа будет продолжена, и результаты будут представлены на инженерной работе.

4.1 Микроконтроллер

Реализация концепции RISC-архитектуры в 8-разрядных микроконтроллерах существенно расширила среду их применения. К традиционным приложениям таких микроконтроллеров (телекоммуникации, системы сбора данных, системы охраны, автоэлектроника, системы отображения информации и т. д.) сегодня прибавляются такие, где раньше использовались только более мощные 16– и 32–разрядные процессоры с функцией цифровой обработки сигналов, например, обработка видеосигналов или управление электроприводом [16].

Компания ATMEL – один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH-микроконтроллеров и микросхем программируемой логики, взяла старт по разработке RISC-микроконтроллеров в середине 90-х годов, используя все свои технические решения, накопленные к этому времени.

AVR-архитектура, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр- аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды. 32 регистра общего назначения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную память программ с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный интерфейс [17].

Для целей управления микроконтроллеры AVR делает привлекательным их хорошо развитая периферия, которая включает в себя: таймеры–счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, встроенный АЦП, параллельные порты ввода и вывода, интерфейсы, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Компания ATMEL предлагает бесплатную программную среду AVR-studio для отладки программ в режиме симуляции на программном отладчике, а также для работы непосредственно с внутрисхемным эмулятором.

Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

• Classic AVR основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS;

• Mega AVR для сложных приложений, требующих большого объема памяти;

• tiny AVR низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении [17].

Для выбора конкретного микроконтроллера из всего модельного ряда AVR проанализируем техническое задание и структурную схему. Микроконтроллер должен содержать: таймер; не менее 11 линий ввода-вывода.

Исходя из выше сказанного, и из стремления уменьшиться стоимость изделия, можно заключить, что в данной схеме подходящим для использования является микроконтроллер семейства Classic AVR, AT90S2313. Расположение его выводов изображено на рис. 6:

Рис. 6 Расположение выводов микроконтроллера AT90S2313

Перечислим его основные свойства:

• AVR® - высокая производительность и RISC архитектура с низким энергопотреблением

• 118 мощных инструкций - большинство из них выполняются за один такт

• 2 Кбайт Flash- памяти с поддержкой внутрисистемного программирования SPI- последовательный интерфейс для загрузки программного кода Ресурс: 1000 циклов записи/стирания

• 128 байта EEPROM: Ресурс: 100 000 циклов запись/ стирание

• Рабочие регистры общего назначения 32 х 8

• 15 программируемых линий I/O

• - питание VCC: от 2.7 В до 6.0 В;

• Полностью статический режим работы: От 0 до 10 МГц, при питании от 4.0 В до 6.0 В От 0 до 4 МГц, при питании от 2.7 В до 6.0 В

• Производительность, вплоть до 10 MIPS при 10 МГц

• Один 8-ми разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем частоты

• Один 16-ти разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем частоты с режимами сравнения и захвата

• Полнодуплексный UART

• Выбираемые 8, 9, или 10-ти разрядные режимы широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

• Внешние и внутренние источники прерывания

• Программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором

• Встроенный аналоговый компаратор

• Экономичные режимы ожидания и пониженного энергопотребления

• Программируемая блокировка для безопасности программного обеспечения

• 20 выводов

4.2 Канал 1

В данной части системы, отвечающей за пространственное положение кресла, главную роль играет микропроцессор. Сам Канал 1 представляет собой набор ключевых элементов. Первый ключ подключает дальнейшую часть схемы к питанию. В качестве такого ключа может использоваться оптореле, схема которого приведена рис. 7:

Рис. 7 Оптореле

Здесь Упр – управляющий сигнал с микроконтроллера, Вх – вход, т.е. напряжение питания, Вых – выход, точка подключения к дальнейшей части схемы. Через этот ключ в схему поступает «плюс» питания. «Минус» питания подключен постоянно. Использование оптореле удобно в смысле безопасности микроконтроллера, так как оно обеспечивает гальваническую развязку микроконтроллера со схемой.

После первого ключа в схеме идет инвертор, управляемый микроконтроллером. В качестве инвертора используется реле, у которого через нормально замкнутые контакты двигатели подключены в «прямом» направлении («прямое» направление выбрано условно). Следовательно, если необходимо что бы двигатели двигались в «прямом» направлении необходимо что бы питание реле было отключено, т.е. на линии микроконтроллера отвечающей за этот элемент был «0». Принципиальная схема инвертора изображена на рис.8.

Рис. 8 Принципиальная схема инвертора

Здесь К1 – реле, Вх – вход данной части схемы, где «+» – выход предыдущего звена; Вых и Упр имеют тоже значение что и в предыдущей схеме. Значение символа «*» будет рассмотрено дальше. Как уже говорилось выше, применение инвертора связано с необходимостью менять направление вращения двигателей. Изменять направление движения можно, используя механические схемы. Однако такой способ будет более громоздким и дорогостоящим, а следовательно – нецелесообразным.

Дальше по схеме идут ключевые элементы, отвечающие за подключение нужного двигателя к схеме. Эта часть схемы необходима для подключения конкретного двигателя к питанию. Выбор двигателя осуществляется микроконтроллером, в соответствии с пришедшим сигналом с панели управления. Схема такого набора ключевых элементов приведена на рис. 9.

Рис. 9 Схема выходных ключевых элементов

Приведенная схема представляет собой набор оптореле.

В схеме на рис. 8 один из выходных контактов был обозначен символом «*». Именно этот контакт подключается к входу схемы на рис. 9. Такое подключение позволит полностью отключить двигатель от питания в пассивном режиме, что может предостеречь, от различного рода случайностей.

Общая схема Канала 1 приведена на рис. 10.

Рис. 10 Принципиальная схема Канала1

5 экономическое обоснование проекта

Целью данного проекта является создание системы управляющей положением кресла водителя. Кресло, оснащенное синтезируемой системой, более удобно в использовании, не требует физических затрат при эксплуатации, более комфортабельно, что делает его привлекательней в глазах потребителя.

Данная разработка обладает большим потенциалом для дальнейшего развития и усовершенствования, что является важным показателем с экономической точки зрения, так как новые технологии притыгивают потребителя, а в данном случае это возможно без значительных изменений, а, следовательно, значительных дополнительных инвестиций. Таким образом, работа является актуальной, потому что позволит, как уже говорилось раньше, позволит повысить безопасность на дорогах, а так же должна заинтересовать потребителя, следствием чего является высокая покупаемость изделия.

5.1 Стоимостная оценка разработки

Капитальные затраты на этапе проектирования К_п рассчитываются по формуле:

К_п = Z_п + М_п + Н_п

где Z_п – заработная плата проектировщика задачи на всем этапе проектирования Т_п (длительность времени проектирования в нашем случае фиксированная величина, она равняется 30 дн., включает в себя формальное решение поставленной перед разработчиком задачей, оформление пояснительной записки);

М_п – затраты за использование ЭВМ на этапе проектирования;

Н_п – накладные расходы на этапе проектирования.

Одним из основных видов затрат на этапе проектирования является заработная плата проектировщика которая рассчитывается по формуле:

Z_п = z_д Т_п (1 + а_с /100) (1 + а_п /100)

где z_д – дневная заработная плата разработчика задачи на этапе проектирования;

а_с – процент отчислений на социальное страхование (а_с=26%);

а_п – процент премий.

Расчет:

z_д = 400 руб.;

а_п = 15%;

Z_п = 400*20*(1 + 26 / 100) (1 + 15 / 100) =11558 (руб.)

Затраты, связанные с использованием ЭВМ М_п определяются по формуле:

М= C_м t_м,

где C_м – стоимость 1 часа машинного времени;

t_м – необходимое для решения задачи машинное время (час);

Общее время решения задачи – 20*8=160 ч. Из них 120 ч. – непосредственно работа с вычислительной техникой. Т. о. t_м=120 ч. Стоимость часа машинного времени C_м = 20 руб.;

Расчет:

C_м = 20 руб.;

t_м = 120 ч;

М= 120 * 20 = 2400 руб.

Накладные расходы составляют 80% - 120% от заработной платы, т. е. Н_п = 9246 руб.

Расчет:

К_п =11558+2400+9246=23204

5.2 Стоимостная оценка изделия

Стоимостная оценка разработки может быть осуществлена лишь приблизительно ввиду отсутствия точных данных о цене комплектующих данного изделия.

Таблица 1

Затраты изделие

Наименование	Количество, шт.	Цена единицы, руб.	Стоимость, руб.
Микроконтроллер AT90S2313	1	95	95
Двигатель постоянного тока	≥5	900	≥4500
Оптореле	>7	30	>210
Реле	>1	10	>10
Транспортно-заготовительные расходы (10 %)			>480
Итого			>5300

В таблице в отношении большей части составляющих показано, что потребуется больше элементов, чем указанное число. Это связано с тем, что пока отсутствует принципиальная схема Канала 1, а значит, нет точных данных о необходимых элементах и их количестве.

Приведенный перечень, составляющий таблицу, может быть дополнен, если указать такие элементы, как провода, стеклотекстолит, припой, спирт и прочее. Расчет количества подобных составляющих схемы затруднителен, так как практической реализации система не проходила, а теоретической расчет будет слишком приближенным. Однако даже их стоимость мала, и не внесет значительного изменения на цену изделия в целом, поэтому она опущена.

6 Безопасность и экологичность проекта

6.1 Системный анализ безопасности и надежности при эксплуатации

Системный анализ безопасности и надежности при эксплуатации системы управления положением кресла водителя.

Системный анализ - совокупность методологических средств, используемых для подготовки и обоснования решений по проблемам безопасности.

Разрабатываемое устройство используется для изменения пространственного положения кресла, а так же его формы, учитывается вес человека, форма его тела. Для повышения безопасности и надёжности (безотказности) работы разрабатываемого устройства необходимо эффективным образом проанализировать возможные аварийные ситуации и причины их вызывающие. И, как следствие, принять меры по предотвращению таковых.

Любая опасность, реализуясь, приносит ущерб, по какой-то причине или нескольким причинам. Без причин нет реальных опасностей. Следовательно, предотвращение опасностей или защита от них базируется на знание причин. Между реализованными опасностями и причинами существует причинно-следственная связь; опасность есть следствие некоторой причины (причин), которая, в свою очередь, является следствием другой причины и т.д. Таким образом, причины и опасности образуют иерархические, цепные структуры или системы. Графическое изображение таких зависимостей чем-то напоминает ветвящееся дерево. В строящихся деревьях, как правило, имеются ветви причин и ветви опасностей, что полностью отражает диалектический характер причинно-следственных связей. Разделение этих ветвей нецелесообразно, а иногда и невозможно. Поэтому, точнее называть полученные в процессе анализа безопасности объектов графические изображения «деревьями причин (опасностей)».

Построение «деревьев» является эффективной процедурой выявления причин нежелательных различных событий. Многоэтапный процесс ветвления «дерева» требует введения ограничений с целью определения его пределов. Эти ограничения целиком зависят от исследования. Границы ветвления определяются логической целесообразностью.

Основной проблемой при анализе безопасности является установление параметров или границ системы. Если система будет чрезмерно ограничена, то некоторые опасные факторы могут оставаться без внимания.

С другой стороны, если рассматриваемая система слишком обширна, то результаты анализа могут оказаться крайне неопределенными.

В процессе исследования необходимо определиться, до какого уровня следует вести анализ. Ответ на этот вопрос зависит от конкретных целей анализа. Общий подход состоит в том, чтобы выявить события, на которые в данной конкретной ситуации можно повлиять с помощью профилактических мер.

Чтобы отыскать и наглядно представить причинную взаимосвязь с помощью «дерева причин и опасностей», необходимы элементарные блоки, подразделяющие и связывающие большое число событий. Имеется два типа блоков: логические символы (знаки) и символы событий.

Логические символы связывают события в соответствии с их причинными взаимосвязями. Логический знак может иметь один или несколько входов, но только один выход, или выходное событие.

Например, выходное событие логического знака «И» наступает в том случае, если все входные события появляются одновременно. С другой стороны, выходное событие у логического «ИЛИ» происходит, если имеет место любое из входных событий.

Рассмотрим и проанализируем основные причины, приводящие к вероятностному отказу устройства.

Дерево причин отказа устройства представлено на рис. 11.

Рис. 11 Дерево причин отказа устройства

6.2 Меры по устранению отказов

Рассмотрим также комплекс мероприятий по повышению надежности проектируемого устройства на этапе изготовления и настройки.

На этапе изготовления необходима строгая выдержка времени травления платы и использование современной измерительной аппаратуры. Необходимо соблюдать правила монтажа полупроводниковых приборов, не допуская их перегрева при пайке и изгиба выводов ближе, чем это предусмотрено в технических условиях.

На этапе настройки необходимо строго соблюдать диапазон питающих напряжений и их полярность. Рекомендуется использовать источники питания с высоким К_ст, защитой от короткого замыкания в нагрузке и защитой нагрузки от превышения входного напряжения. Необходимо наличие проверенной измерительной аппаратуры и исправного инструмента.

Свойства объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического использования, ремонтов, хранения и транспортировки, называется надежностью объекта.

Снизить вероятность отказа системы, можно обеспечив оптимальные климатические условия. Необходимо соблюдение требуемых рабочих температур, влажности, давления.

Для обеспечения мер по повышению надежности при изготовлении системы необходимо соблюдать приведенные ниже правила.

Для предотвращения отказа электрической схемы, связанной с дефектами элементов необходимо перед пайкой проверять каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу, контроль осуществлять на аппаратуре прошедшую метрологическую поверку.

Чтобы избежать отказов электрической схемы связанных с дефектами в процессе сборки необходимо руководствоваться правилами монтажа элементов. При пайке необходимо осуществлять отвод тепла, чтобы не вызвать перегрев элементов, также нужно выбирать паяльник с соответствующим температурным режимом.

Для предотвращения короткого замыкания необходимо изолировать все опасные в этом отношении места системы. Заземлением инструментов и приборов можно избежать электростатического пробоя элементов. Чтобы уменьшить воздействие влаги на устройство, можно выполнить прибор в герметичном корпусе.

Для повышения надежности следует:

- четко следовать рекомендациям по монтажу элементов в данном устройстве;

Характеристики

Список файлов курсовой работы