Комаров Ю.Ю. Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов

Подождите немного. Документ загружается.

оценить 300-400 г при современном цифровом исполнении, не является

существенным утяжелением ЛА.

При создании карты аэропорта фиксируются координаты простран-

ственной сетки и каждой ячейке присваивается уникальный идентифи-

катор, что делается для исключения необходимости постоянной передачи

на борт трех координат, для идентификации одной ячейки. Наземная систе-

ма, обнаружив ветровое возмущение, передает его реальные координаты в

наземный блок согласования, где они переводятся на внутренние координа-

ты системы, идентифицируясь с ячейкой или набором ячеек, и передаются

на борт уже в виде уникальных идентификаторов. Схема преобразования

координат представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема преобразования координат в комплексной системе

Основную роль в минимизации объема передаваемой на борт инфор-

мации играет наземный блок разработанной системы. В нем происходит

постоянное сравнение величины сдвига ветра в сканируемой области про-

странства, координаты которой в данный момент проходят преобразова-

ние, с критическим значением для данного типа самолета. Информация

по типам самолетов запрашивается из постоянной памяти наземного бло-

ка системы. Алгоритм работы наземного блока приведен на рис. 2. На

борт передается не вся информация о ветровой ситуации в зоне наблюде-

ния наземной системы идентификации сдвига ветра, а информация только

о зонах опасных ветровых возмущений и только в зоне, прилегающей к

маршруту ЛА.

Результаты проведенного анализа эффективности работы такой схемы

преобразования и передачи информации показывают, что для спроекти-

рованной системы требуемая емкость канала связи составляет 0,3 Мб/с,

что соответствует пропускной способности имеющегося радиоканала и

говорит о реализуемости данной системы. Помимо этого, необходимо от-

141

Рис. 2. Алгоритм обработки информации в наземном блоке системы

метить, что появляется взаимная страховка наземной и бортовой системы

— это делает пропуск опасной ситуации маловероятным и позволяет по-

высить надежность определения сдвига ветра.

Проектирование системы проводилось для конкретного объекта. Был

выбран аэропорт города Адлер. Рассматриваемый аэропорт характеризует-

ся достаточно сложными условиями взлета/посадки самолетов, связанны-

ми с расположением взлетно-посадочного полотна. Местность определя-

ется гористыми участками, усложняющими работу локационного оборудо-

вания, а также необходимостью заходить на посадку со стороны моря уже

на этапе снижения, проходя границу вода-суша. В аэропорту использует-

ся современный радиолокационный комплекс NEXRAD-T, который спо-

собен выдавать информацию о ветровой ситуации в районе аэропорта и

идентифицировать появление сдвигов ветра. Пример построения области

наземного контроля для рассмотренного примера приводится на рис. 3.

На основании предложенного алгоритма была написана программа, про-

водящая обработку информации в наземном блоке комплексной системы.

Полученная программа позволяет обеспечить необходимый уровень реа-

лизации алгоритмов, высокий класс надежности, возможность реализации

графических приложений на современных системах отображения с требу-

емыми уровнями по разрешающей способности, высокой контрастности и

четкости, в том числе на плазменных и жидкокристаллических экранах.

Одним из принципиальных преимуществ разрабатываемой системы яв-

ляется отображение информации о СВ в удобной, интуитивно понятной и

быстрой для восприятия форме. Сегодня информативность ветровых карт

минимальна, а информация с земли передается только в форме сообще-

ний диспетчера; также особо следует отметить отсутствие четких схем

сохранения информации о обнаружении СВ в районе аэропортов, которую

можно использовать в дальнейшем для анализа действий пилотов, диспет-

142

Рис. 3. Область наземного контроля аэропорта “Адлер”

черских служб и для анализа летных происшествий. Создаваемая система

обеспечивает намного более информативную форму представления инфор-

мации, которая обеспечивается наличием “библиотеки” карт аэропортов,

получением информации о ветровой обстановке в режиме реального вре-

мени от наземных служб радиолокации и использованием её в комплексе

с бортовыми измерителями СВ. Пилот получает в свое распоряжение эво-

люционирующую в реальном времени цифровую карту ветра, на которой

цветом указывается степень опасности зоны ветровых возмущений, стре-

лочной индикацией — направление сдвига ветра, а вся ветровая обстановка

совмещена с картой рельефа и высот местности. Такой способ отображе-

ния информации обеспечивает удобство и оперативность реакции пилота,

повышает безопасность полетов и улучшает качество управления ЛА.

Подводя итог, следует сказать, что применение комплексной системы,

использующей цифровую карту ветра, даёт возможность создать опера-

тивную и наглядную картину ветровой обстановки в зоне аэропорта, что

позволит пилоту более правильно и своевременно осуществить маневр по

парированию СВ. Разработанная модель системы обеспечивает увеличение

качества получаемой информации, за счет чего повышается безопасность

полетов.

143

В. В. Князева, Е. С. Неретин

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЮЩИЙ

БЛОК “МИУБ”

Микропроцессорный измерительно-управляющий блок (МИУБ) пред-

ставляет собой универсальный многофункциональный блок, обеспечива-

ющий измерение аналоговых сигналов датчиков, управление различными

периферийными устройствами, первичную обработку результатов измере-

ний и обмен информацией с персональным компьютером (ПК) или други-

ми устройствами.

Системотехнически МИУБ построен по классической схеме “вычисли-

тель + устройства ввода-вывода + коммуникации”.

Цифровая часть схемы измерительно-управляющего блока содержит

средства, предназначенные для реализации интерфейсов управления и об-

мена данными.

В качестве основного процессорного элемента используется 8-

разрядный однокристальный микроконтроллер RISC-архитектуры

АТmega128 фирмы Atmel. Выполняя большинство команд за один машин-

ный такт, микроконтроллер АТmega128 достигает производительности,

приближающейся к 1 MIPS на 1 MГц.

Микропроцессорное ядро AVR сочетает широкую систему команд и 32

регистра общего назначения. Все регистры общего назначения непосред-

ственно связаны с арифметико-логическим устройством, что позволяет об-

ращаться к двум различным регистрам в одной команде, выполняемой за

один машинный такт.

Микроконтроллер АТmega128 обладает высокой производительностью,

большим объёмом внутренних памятей программ и данных, встроенной

энергонезависимой памятью данных, а также широким спектром интегри-

рованной периферии. Микроконтроллер осуществляет общее управление

всеми исполнительными устройствами в соответствии с программой, за-

писанной во Flash-памяти программ.

Подсистема ввода-вывода контроллера МИУБ обеспечивает каналы дис-

кретного ввода с напряжением коммутации до +24 В (8 шт.), каналы дис-

кретного ввода ТТЛ/КМОП (3 шт.), каналы дискретного вывода с напряже-

нием коммутации до +24 В (4 шт.), каналы аналогового ввода сигналов по

напряжению в диапазоне 0...+5 В (4 однопроводных), специализирован-

ные каналы аналогового ввода сигналов термопар, термосопротивлений и

сигналов низкого уровня в семи однополярных диапазонах от 0. . . +20 мВ

144

до 0. . . +1,28 В и семи биполярных диапазонах от 20 мВ до 1,28 В (6

дифференциальных или 10 однопроводных каналов).

Функциональная схема МИУБ изображена на рис. 1 МИУБ представля-

ет собой автономное микропроцессорное устройство, выполняющее функ-

ции измерения и управления. По функциональному назначению в схеме

МИУБ может быть выделено четыре части: измерительная, управляющая,

коммуникационная, узел программирования и отладки.

Рис. 1. Функциональная схема МИУБ

Измерительная часть схемы МИУБ содержит два аналого-цифровых

преобразователя (АЦП) AD7731 сигма-дельта архитектуры производства

фирмы ANALOG DEVICES и встроенный в микроконтроллер ATmega128

АЦП последовательного приближения.

Наличие двух АЦП, различных по принципу преобразования и харак-

теристикам, даёт пользователю возможность выбора параметров процесса

измерения, отвечающих требованиям задачи: меньшей точности, но боль-

шей скорости преобразования, обеспечиваемой встроенным АЦП микро-

контроллера, или же большей точности, но и меньшей скорости (за счёт

цифровой фильтрации), свойственной сигма-дельта АЦП.

МИУБ обеспечивает подключение до четырёх терморезистивных датчи-

ков и до шести датчиков с выходом по напряжению. Подключение термо-

резистивных датчиков осуществляется по мостовой схеме, питание моста

— от источника тока (рис. 2).

145

Рис. 2. Подключение терморезистивных датчиков

Регистрация результатов измерений может осуществляться в режиме

самописца и режиме осциллографа.

В режиме самописца результаты измерений в реальном времени пере-

даются на компьютер. Этот режим может быть использован, если темп

поступления новых измерительных данных не превышает максимально

возможной скорости передачи данных внешним устройствам.

Для регистрации результатов измерений в случае, если темп поступ-

ления новых измерительных данных превышает максимально возможную

скорость передачи данных внешним устройствам, реализован режим ос-

циллографа. В этом режиме осуществляется запись результатов измере-

ний в буфер, реализованный в памяти данных микропроцессора, или (при

больших объемах измерений или при необходимости хранения результа-

тов измерений на МИУБ) во встроенную в микроконтроллер ATmega128

флэш-память с целью последующей передачи данных на компьютер или

другое устройство.

При необходимости большего объема памяти возможна установка до-

полнительной микросхемы флэш-памяти, подключаемой к микроконтрол-

леру по последовательному интерфейсу SPI.

Номинальные функции преобразования:

для АЦП AD7731

для АЦП ATmega128

где — считанный код результата преобразования;

— измеренное значение входного сигнала;

146

— верхняя граница диапазона измерения;

— нижняя граница диапазона измерения.

АЦП AD7731 низкого уровня представляет собой 24-разрядный аналого-

цифровой преобразователь сигма-дельта архитектуры (используется 16-

разрядный формат данных), ориентированный на построение систем пер-

вичной обработки данных для задач управления. АЦП AD7731 имеет

встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, что

позволяет выбирать диапазон изменения входного сигнала и подавать сиг-

налы низкого уровня непосредственно от датчиков.

Время измерений по каждому каналу составляет 27,5–440 мс.

Функциональная схема АЦП AD7731 представлена на рис. 3.

Преобразователь имеет три пары дифференциальных или пять однопро-

водных входов. Выбор пары, через которую осуществляется текущее изме-

рение, производится программным путем с помощью встроенного комму-

татора. Напряжение на любом из входов для нормальной работы прибора

должно находиться в пределах от +1,2 до +4 В относительно аналоговой

земли при напряжении питания прибора +5 В.

Рис. 3. Функциональная схема АЦП AD7731

При опорном напряжении +2,5 или +5 В обеспечиваются переключа-

емые программно диапазоны измерения дифференциального напряжения

0. . . 20, 0. . . 40, 0. . . 80, 0. . . 160, 0. . . 320, 0. . . 640,

20, 40, 80, 160,

320, 640 мВ, 0. . . 1.28 В, 1.28 В.

Встроенный в микроконтроллер ATmega128 10-разрядный АЦП после-

довательного приближения имеет 8 однопроводных, 7 дифференциальных

измерительных каналов и 2 дифференциальных канала с коэффициентом

усиления сигнала от 10 до 200 раз.

Диапазон напряжений входного сигнала: 0...+5В.

147

Время измерений по каждому каналу составляет 13. . . 260 мкс.

Силовой частью блока являются ключи, выполненные на КМОП-

транзисторах с малым сопротивлением канала в открытом состоянии, что

обеспечивает меньшее падение мощности на ключах по сравнению с би-

полярными транзисторами.

Максимальное напряжение коммутации составляет +24 В, максималь-

ный ток коммутации 4 А.

Управляющие сигналы микроконтроллера подаются на ключи через

оптопары, исключающие проникновение возможных импульсных сигна-

лов, возникающих при работе с индуктивной нагрузкой, на микроконтрол-

лер, а также для возможности подключения внешних источников питания.

Опторазвязка также предотвращает выход из строя микроконтроллера при

выходе из строя ключей.

Управление ключами осуществляется программно при помощи команды

“Установить состояние ключей”.

Для управления также используется встроенный в микроконтроллер

АТmega128 10-разрядный 2-канальный ШИМ-генератор, построенный на

реверсивных счётчиках. Соотношение между длительностью импульса и

длительностью паузы задается числом в диапазоне 0. . . 1023, записывае-

мым в соответствующий регистр микроконтроллера АТmega128.

Для изменения значения регистра, определяющего соотношение меж-

ду длительностью импульса и длительность паузы, в протоколе обмена

данными МИУБ предусмотрена команда “Установить значение ШИМ”.

В МИУБ имеются три канала дискретного ввода ТТЛ/КМОП-уровней

и восемь оптически изолированных каналов дискретного ввода сигналов

напряжением до +24 В.

Каналы дискретного ввода ТТЛ/КМОП-уровней используются для опре-

деления типа лабораторной установки, подключенной к МИУБ.

Оптически изолированные дискретные вводы используются для получе-

ния различных признаков, характеризующих состояние или режим работы

лабораторной установки (наличие питания, автоматический/ручной режим

работы, исходное положение маятника и т. д.).

Для обмена информацией с другими устройствами используется универ-

сальный синхронный/асинхронный приемо-передатчик (УСАПП), встро-

енный в микроконтроллер ATmega128 (используется асинхронный режим).

Для сопряжения МИУБ с другими устройствами интерфейс УС-

АПП преобразуется в интерфейс RS232, реализованный с помощью

микросхемы-драйвера ADM202 производства фирмы ANALOG DEVICES.

По умолчанию установлена скорость передачи данных 115200 бод.

148

МИУБ можно непосредственно подключить к другому устройству при

помощи стандартного перекрестного нуль-модемного кабеля или исполь-

зовать его как удаленное устройство при помощи модема или сети Ethernet.

Для обмена данными и управления используется открытый докумен-

тированный протокол типа “запрос-ответ” с подтверждением и контролем

корректности передаваемой информации.

Базовым программным средством для конфигурирования МИУБ и орга-

низации пользовательского интерфейса является программное обеспечение

Laboratory Analyzer, входящее в комплект поставки МИУБ. ПО Laboratory

Analyzer обеспечивает следующие возможности: задание конфигурации ка-

налов ввода-вывода и параметров работы МИУБ, отображение графиков

измеряемых сигналов в режимах осциллографа и самописца, формирова-

ние циклограмм управления состоянием выходных каналов, ручное управ-

ление состоянием выходных каналов, отображение состояния входных ка-

налов, экспорт результатов измерений в программу Microsoft Excel.ПО

Laboratory Analyzer также даёт возможность доступа к МИУБ из внешних

приложений по интерфейсу DDE.

Библиографический список

1. Дианова Р.С. Проектирование микропроцессорных информационных устройств ЛА.

Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1987.

2. Егоров А.А., Осипов В.Г., Соловьев С.Ю. Программирование микроконтроллеров

семейства AVR: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2005.

3. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств

автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

Ю. Ю. Кавун, Л. К. Ковалев

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

НОВЫЕ ТИПЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С

ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Открытое в 1973 году явление неравномерного распределения магнит-

ного поля относительно особым образом скомпонованных постоянных маг-

нитов (матрицы Гольбаха) вначале было принято исследователями за свое-

го рода “физический курьез”. Однако сегодня перспективы его применения

149

для решения различных практических задач не вызывают сомнений. Дело

в том, что постоянные магниты, собранные так, как показано на рис. 1, поз-

воляют сконцентрировать магнитное поле вверху над пластинкой и заметно

ослабить его внизу. Картина силовых линий магнитного поля показана на

рис. 2.

Рис. 1. Матрица Гольбаха (стрелками условно показано направление намагничивания)

Рис. 2. Картина магнитного поля матрицы Гольбаха

При использовании высококоэрцитивных магнитотвердых материалов

(таких, как Nd-Fe-B или SmCo) напряженность поля, полученного с помо-

щью такой схемы, может достигать 2-3 Тл, что позволяет достаточно про-

сто решать задачи генерации сильных магнитных полей. Такие устройства

сейчас используются в физических приборах и магнитооптике и конструк-

тивно выполняются в виде цилиндра Гольбаха – матрицы, организованной

в кольцо, – внутри которого концентрируется поле необходимой напряжен-

ности.

Вопросы использования данной схемы в электромеханике на сегодняш-

ний день рассмотрены не достаточно полно, поэтому приведенное в насто-

ящей работе решение аналитической задачи расчета двумерных магнитных

полей особенно актуально, так как позволяет проводить детальный расчет

параметров нового класса синхронных электрических машин.

Общий принцип расчета полей в СМ с магнитами Гольбаха.

Возможная конструктивная схема СМ приведена на рис. 3. Расчетная

схема, используемая при решении задачи, показана на рис. 4. В расчет-

150