В данной главе рассматриваются общие принципы построения систем дистанционного управления моделями. Автор знакомит читателя со способами кодирования и передачи команд, их восстановления «на борту», исполнительными устройствами.
1.1. Структурная схема командной линии управления
Необходимость использования систем дистанционного управления объектами возникает в различных областях техники — соответствующие устройства постоянно совершенствуются.
Различают автономные, неавтономные и комбинированные системы, особенности каждой из них подробно рассмотрены, например в [1]. Применяемая моделистами всего мира аппаратура относится к классу неавтономных систем командного управления. Рассмотрим общие принципы функционирования таких систем с помощью структурной схемы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Структурная схема командной линии управления
Моделист получает информацию о параметрах движения модели, как правило, за счет визуального наблюдения. На основе анализа этой информации принимается решение о требуемом наборе команд, подлежащих передаче. Ввод команд осуществляется с помощью соответствующих датчиков, входящих в состав пульта управления.
При дистанционном управлении моделями возникает необходимость в передаче на их борт команд двух типов. Во-первых, это разовые команды, предназначенные для включения или выключения различных исполнительных устройств (ИУ). Такие команды называют дискретными; соответствующая им аппаратура используются в простейших моделях или как составная часть в более сложных.
Датчиком обычно служит кнопка, нажатие которой инициирует передачу команды. Разделение каналов передачи дискретных команд реализуется посредством выбора для каждого из них различных модулирующих частот либо применением импульсно-цифрового кодирования.
Второй тип команд предполагает возможность плавного изменения какого-либо параметра движения модели пропорционально углу отклонения соответствующего органа управления на пульте передатчика, обеспечивая большую степень подобия управляемой модели ее реальному прототипу. Для передачи таких команд служит аппаратура пропорционального управления.
Набор команд, подлежащих передаче на борт модели, зависит от типа модели и от конкретной текущей ситуации в процессе управления, при этом необходимо обеспечить однозначную идентификацию команд на приемной стороне.
Очевидно, каждая команда должна иметь какой-либо признак, отличающий ее от остальных. Кроме того, команды, вводимые с помощью датчиков, должны представлять собой электрические сигналы. Для решения этих двух задач служит шифратор (кодирующее устройство). Получаемая на его выходе электрическая величина (ток или напряжение) называется командным сигналом. При одновременной передаче нескольких команд шифратор должен обеспечивать еще и уплотнение передаваемой информации. Подробнее эта процедура будет рассмотрена в разделе 1.2.2 настоящей книги.
Последнее устройство, входящее в состав пульта управления, называется передатчиком команд. Он предназначен для преобразования командного сигнала в вид, удобный для его дистанционной передачи на управляемую модель. Передатчик, среду распространения сигнала и приемник, находящийся на борту управляемой модели, принято называть каналом связи. В зависимости от среды распространения и используемых сигналов, каналы связи подразделяются на группы:
♦ проводные;
♦ индукционные;
♦ инфракрасные;
♦ оптические;
♦ радиочастотные.
Все они, за исключением проводных, будут рассмотрены в этой книге.
Приемник обычно выполняет три функции:
♦ во-первых, обеспечивает выделение полезного сигнала на фоне множества посторонних, как правило, присутствующих в среде распространения;
♦ во-вторых, сигнал в среде распространения существенно затухает, и требуется его усиление, часто весьма значительное;
♦ в-третьих, в приемнике производится преобразование принятого сигнала опять в командный, аналогичный тому, который имел место на выходе шифратора.
Декодирующее устройство, на основе отличительных признаков принятого командного сигнала, направляет его в соответствующее исполнительное устройство. В качестве такового, в случае передачи дискретной команды, выступают электромеханические и электронные реле. При пропорциональном управлении это регуляторы хода или рулевые машинки, назначение и устройство которых подробно описано в главе 4. Максимальное количество исполнительных устройств, устанавливаемых на одну модель, обычно не превышает 8—10.
В заключение отмечу, что весьма заманчиво установить на управляемую модель миниатюрную телекамеру с передатчиком. Такие устройства широко представлены в торговой сети в составе различных охранных систем. В этом случае управление производится по экрану монитора, что создает практически полную иллюзию нахождения внутри управляемой модели.
1.2. Способы кодирования и передачи команд
1.2.1. Дискретное управление
Как отмечалось выше, дискретная команда задается в простейшем случае нажатием кнопки на пульте управления, т. е. замыканием (или размыканием) какой-либо электрической цепи. Шифратор такого типа принято называть одноканальным.
Несмотря на простоту, аналогичное устройство можно использовать и для кодирования нескольких различных команд. Каждой команде (каналу) при этом соответствует различное количество нажатий кнопки за определенный фиксированный промежуток времени. Командный сигнал, в этом случае, представляет совокупность нескольких импульсов.
В декодирующем устройстве решение о значении принятой команды принимается по результатам подсчета количества импульсов за этот фиксированный промежуток. Долгое время такой принцип кодирования был основным в арсенале моделистов, разрабатывались даже устройства пропорционального управления, но последние были крайне неудобны в использовании.
Следующим этапом развития многоканальной аппаратуры стало применение частотного кодирования. Различным командам при этом соответствуют кнопки с различными номерами (названиями). Вырабатываемый шифратором командный сигнал для каждого из каналов представляет собой низкочастотное колебание определенной частоты.
Дешифратор на приемной стороне представляет собой набор узкополосных фильтров, настроенных на соответствующие частоты. Входы этих фильтров соединены параллельно. По номеру фильтра, на выходе которого появился сигнал, и судят о назначении переданной команды. Аппаратура дискретного управления в таком варианте может иметь до десяти независимых каналов с возможностью одновременной работы на трех из них.
При выборе значений кодовых частот для многоканальной аппаратуры необходимо учитывать два момента:
♦ во-первых, ширина спектра излучаемого сигнала Δf с , например при амплитудной модуляции, равна удвоенному значению модулирующей частоты F M , т. е.
Δfс= 2FM
Регламентирующие документы требуют, чтобы ширина спектра не превышала 20 кГц. Очевидно, максимальная модулирующая частота не должна превышать 10 кГц;
♦ во-вторых, командный сигнал на выходе приемника часто представляет собой сильно искаженное гармоническое колебание, а то и вовсе прямоугольные импульсы (меандр).
В этих случаях в спектре командного сигнала помимо основной гармоники присутствуют так называемые высшие (кратные) гармоники — колебания, частоты которых в целое число раз превышают основную частоту. Подробнее понятие спектра рассмотрено в разделе 4.4.1.
Очевидно, кодовые частоты должны быть распределены таким образом, чтобы кратные частоты низкочастотных каналов не совпадали с частотами последующих каналов. В противном случае возможны ложные срабатывания дешифраторов. Примерное распределение частот (в килогерцах) для десятиканальной аппаратуры может представлять ряд
0,75; 0,9; 1,08; 1,32; 1,61; 1,97; 2,4; 2,94; 3,58; 4,37.
Дешифратор на приемной стороне (рис. 1.1) должен содержать фильтры, настроенные на эти частоты, являющиеся достаточно низкими. Катушки индуктивности и конденсаторы фильтров в этом случае имеют значительные величины, а значит и геометрические размеры, что является существенным недостатком частотного способа кодирования команд. Несколько лучшие массогабаритные характеристики имеют активные фильтры на базе операционных усилителей.
С развитием цифровой техники появилась возможность модификации первого из рассмотренных способов кодирования.
Новый вариант получил название импульсного шифратора. При нажатии одной из кнопок на пульте управления такой шифратор автоматически формирует соответствующее количество импульсов. Отличительным признаком команды, позволяющим однозначно определить ее на приемной стороне, является количество импульсов, содержащихся в передаваемой посылке.
Наиболее совершенным способом кодирования дискретных команд является кодово-импульсное кодирование. Широко для этой цели используется двоичный код. При передаче конкретной команды ей в соответствие ставится двоичное число. В простейшем случае это число просто совпадает с номером команды.
Если максимальное количество команд, например не превышает 10 (двоичный код 1010), то для их передачи достаточно четырех разрядов. Процедура формирования кодовой посылки для этого случая поясняется графиками на рис. 1.2.
Для однозначной дешифрации двоичного числа необходимо знать, прием какого разряда производится в данный момент времени. Поэтому при формировании командного сигнала каждому разряду двоичного числа отводится фиксированный временной интервал τ р. Границы соседних интервалов определяются тактовыми импульсами (рис. 1.2, а). Вся кодовая посылка при этом будет иметь длительность
Tк = n·τр
где n — количество разрядов двоичного числа.
Распознавание номера разряда на приемной стороне можно организовать двумя способами.
В первом случае в момент прихода начала кодовой посылки в дешифраторе запускается тактовый генератор, аналогичный генератору шифратора. Номер тактового импульса, подсчитываемый, например с помощью счетчика, и будет определять номер последующего разряда, подлежащего дешифрации. Разумеется, необходимо обеспечить одинаковую продолжительность разрядных интервалов в обоих генераторах. Для кодовых посылок значительной продолжительности эта задача достаточно сложна.
Во втором случае информацию о границах разрядных интервалов извлекают из самой кодовой посылки. Если в соседних разрядах кодовой посылки присутствуют разные цифры, то границу можно легко выделить как по положительному (между нулем и единицей), так и по отрицательному (между единицей и нулем) перепадам в командном сигнале.
На рис. 1.2, б командный сигнал отображает кодовую комбинацию 1100. В этом случае границу между разрядами на приемной стороне определить будет невозможно. В практических конструкциях используют модифицированный командный сигнал (рис. 1.2, в), получаемый путем смешивания исходного командного сигнала и тактовых импульсов.
Рис. 1.2. Структура командной посылки:
а — тактовые импульсы; б — командный сигнал; в — модифицированный командный сигнал
Как видно из рисунка, граница между разрядами, содержащими нули, просто индицируется тактовым импульсом, а граница между соседними единицами — специальными врезками, представляющими инверсии тактовых импульсов. В главе 5 будет показано, что из модифицированного командного сигнала при помощи простых схемотехнических решений можно легко восстановить тактовые импульсы, необходимые для правильной дешифрации команды.
В качестве дешифраторов кодово-импульсных команд используются стандартные микросхемы цифровых дешифраторов.
1.2.2. Пропорциональное управление
Параметры, подлежащие регулировке
При использовании пропорционального управления моделью регулировке подлежат следующие параметры:
♦ скорость вращения электродвигателя (например тягового в модели автомобиля);
♦ угол отклонения рулевого устройства (передние колеса автомобиля, руль высоты у авиамодели и т. п.).
Принцип формирования команд управления здесь одинаков, однако исполнительные устройства существенно отличаются друг от друга. В первом случае такое устройство называется регулятором хода и, как правило, должно обеспечивать только плавное изменение величины и полярности напряжения, питающего двигатель. Во втором случае применяются рулевые машинки, двигатели которых работают кратковременно (только в период установки рулевого устройства в новое положение), обеспечивая пропорциональную зависимость между текущими положениями ручки управления на пульте передатчика и углом поворота рулевого устройства.
Определение. Управляющим сигналом называют отклонение ручки управления на пульте передатчика, а командным сигналом — соответствующую ему электрическую величину [как правило, напряжение u ( t )]. Параметр движения модели, подлежащий управлению, — регулируемой величиной .
Принцип дискретной передачи непрерывного управляющего воздействия
Рассмотрим принцип дискретной передачи непрерывного управляющего воздействия. В случае пропорционального управления регулируемая величина может принимать любые значения в заданном интервале. Например угол поворота передних колес автомобиля должен иметь возможность плавно изменяться в пределах ±60°. Очевидно, управляющий сигнал должен вести себя аналогичным образом — последовательно принимая все возможные значения в определенном диапазоне.
Это, в свою очередь, означает, что и передаваемый командный сигнал должен быть величиной непрерывной. При необходимости управления двумя и более регулируемыми величинами возникает проблема параллельной передачи нескольких командных сигналов.
Известны два способа решения этой задачи. В первом случае каждому из командных сигналов выделяется свой канал связи, и тогда возможна одновременная передача всех команд. При использовании радиосвязи рабочие частоты каналов необходимо разносить для исключения их взаимного влияния. Передатчики и приемники такой аппаратуры должны быть многочастотными, поэтому в эфире потребуется относительно широкая полоса частот.
Устройства получаются громоздкими и дорогостоящими. Такой способ называется частотным уплотнением каналов и применяется в профессиональной аппаратуре специального назначения.
Второй способ — временное уплотнение — предполагает последовательную во времени передачу командных сигналов различных каналов. Очевидно, в этом случае сигналы уже не могут быть непрерывными во времени, но это оказывается и не обязательным. Известно, что подвижное изображение на экране телевизора создается путем проецирования на него 25 неподвижных картинок в секунду. Другими словами, непрерывный процесс, например движения автомобиля, заменяется последовательностью его неподвижных изображений через небольшие промежутки времени.
Если правильно выбрать величину этих промежутков, то дискретность изображения ощущаться не будет. Подобным образом, непрерывный командный сигнал u(t) можно заменить передачей его значений U1, U2, U3 и т. д. в отдельные моменты времени (рис. 1.3, а).
Рис. 1.3. Принцип дискретизации сигналов:
а — аналоговый командный сигнал; б — дискретный командный сигнал
Такие значения называют отсчетами сигнала. Чем резче меняется во времени командный сигнал, тем чаще должны следовать отсчеты. Теорема Котельникова дает точный рецепт по выбору максимально возможного промежутка времени Δt, при котором не нарушается плавность изменения регулируемой величины:
Δt =< 1/2fв,
где fв— наибольшая частота в спектре командного сигнала.
Эта величина зависит от максимально необходимой скорости изменения регулируемой величины управляемой модели и для большинства из них не превышает 25 Гц (соответствующее максимальное значение Δt = 20 мс). Таким образом, период обновления информации о значении управляющего сигнала (Тп) каждого канала может быть выбран равным 20 мс. Именно такое значение используется в большинстве образцов аппаратуры пропорционального управления как промышленного производства, так и самодельной.
Выбор параметров дискретного управляющего сигнала
Значение отсчета, полученное в момент времени t1, необходимо передать на управляемую модель до момента очередного отсчета t2. Сделать это можно разными способами. В аппаратуре управления моделями обычно передается прямоугольный импульс, длительность которого (τ) пропорциональна значению отсчета Выбор параметров дискретного управляющего сигнала(рис. 13, б, где «к» — коэффициент пропорциональности).
Способа кодирования, иллюстрированного рис. 1.3, было бы достаточно в случае однополярного командного сигнала. Реальный сигнал должен нести информацию не только о величине отклонения ручки управления на пульте, но и направлении этого отклонения. Поэтому окончательно командный сигнал представляет собой последовательность импульсов, называемых канальными, опорная длительность которых, соответствующая нейтральному положению ручки управления, выбирается равной
τ0 = 1,5 мс,
а отклонение ручки либо в одну, либо в другую сторону учитывается соответственно увеличением или уменьшением длительности в пределах Δτ = ±0,5 мс. Результирующая длительность канального импульса (τк), очевидно, может лежать в пределах
τк = 1–2 мс.
В этом случае не длительность, а ее отклонение (от опорного значения — Δτ) пропорционально команде.
Период обновления команды для одного канала был выбран равным 20 мс. Нетрудно подсчитать, что за один период можно передать, в принципе, командные сигналы десяти каналов. На практике последние четыре миллисекунды каждого периода используются для передачи специального синхронизирующего импульса, индицирующего границу между соседними периодами. Таким образом, максимальное число каналов уменьшается до восьми.
Приведенные значения являются стандартными для промышленной и любительской аппаратуры, однако совсем не обязательны: придерживаться их имеет смысл в том случае, когда требуется обеспечить совместимость самодельных и покупных узлов. Принципиальными же ограничениями на параметры командных импульсов являются, с одной стороны, желаемая плавность изменения регулируемой величины, а с другой — допустимая ширина канала связи.
Сформированные вышеописанным способом канальные импульсы далее управляют работой передатчиков.
Восстановление передаваемого командного сигнала
В конечном счете, последовательность импульсов каждого из каналов на выходе приемника бортовой части аппаратуры выглядит так же, как и передаваемые канальные импульсы (рис. 1.3, б).
Рассмотрим процедуры их дальнейшей обработки для управления регуляторами хода и рулевыми машинками.
Канал регулятора хода
На рис. 1.4, а изображены два соседних периода канальных импульсов. Поскольку скорость изменения передаваемой команды невелика по сравнению с частотой следования импульсов, их длительность в соседних периодах отличается незначительно.
Пусть для определенности длительность канального импульса больше опорной (τк > τ0). Так как информация о длительности передаваемой команды содержится в разности Δτ = τк — τ0, в первую очередь ее и необходимо восстановить.
Для этой цели передним фронтом принятого канального импульса запускают местный опорный генератор, работающий в ждущем режиме. Длительность вырабатываемых им импульсов должна быть равной τ0 = 1,5 мс (рис. 1.4, б). Далее производится вычитание этих импульсов с получением разностных (рис. 1.4, в).
Рис. 1.4. Принцип восстановления командного сигнала:
а — канальные импульсы; б — опорные импульсы; в — разностные импульсы; г — напряжение, подаваемое на двигатель
Очевидно, что при отклонении ручки управления от нейтрального положения до крайнего, длительность разностных импульсов будет меняться в пределах Δτ = 0–0,5 мс. Период их следования (Тп) по-прежнему равен 20 мс. Непосредственно эти импульсы подавать на двигатель регулятора хода нельзя. Дело в том, что электродвигатель, инерционность ротора которого велика, при питании импульсами напряжения, следующими с частотой 50 Гц, будет играть роль механического фильтра нижних частот. Скорость вращения его ротора будет определяться средним значением напряжения за период следования импульсов, которое можно определить по формуле
Uср = Uп·τ/Tп (1.1)
Легко подсчитать, что при амплитуде импульсов, равной напряжению питания (например Uп = 12 В), среднее значение напряжения окажется равным Uср = 1225·0,5/20 = 0,3 В даже при максимальном отклонении ручки управления.
По этой причине разностные импульсы в канале регулятора хода необходимо удлинять до величины ту, причем с сохранением пропорциональности удлиненных импульсов углу отклонения ручки управления. Другими словами, необходимо обеспечить равенство
τу = Ку·Δτ
Если коэффициент удлинения Ку выбрать равным 40, то изменение разностного импульса в пределах Δτ = 0–0,5 мс вызовет изменение удлиненных импульсов в диапазоне τу = 0 — 20 мс (рис. 1.4, г). Соответственно среднее значение напряжения, подаваемого на двигатель, определяемое теперь формулой
Uср = Uп·τу/Tп (1.2)
будет меняться от нуля до, примерно, Uп = 12 В. Так работают каналы практически всех регуляторов хода.
Помимо удлинения импульсов, в регуляторе хода еще должна быть решена задача распознавания знака передаваемой команды, определяющего направление вращения исполнительного двигателя.
Канал рулевой машинки
Рассмотрим логику работы рулевой машинки. Пусть ручка управления передними колесами модели и сами передние колеса находятся в нейтральном положении. Длительность канального импульса при этом равна τк = τ0 = 1,5 мс.
Длительность Δτ = 0 (см. рис. 1.4, а, б, в). Двигатель рулевой машинки не вращается.
При отклонении ручки управления от нейтрального положения, длительность канального импульса становится больше τ0(например τк = 1,7 мс). Удлиненный разностный импульс приводит двигатель во вращение. Механизм поворота, помимо колес, вращает и регулятор длительности опорного импульса, вырабатываемого бортовым генератором. Двигатель остановится в тот момент, когда Δτ станет равным нулю. В новом установившемся положении длительность опорного импульса опять будет равна длительности командного (в нашем примере τк = τ0 = 1,7 мс.)
Вывод. Канал рулевой машинки отличается от канала регулятора хода наличием связи между текущим положением рулевого механизма и длительностью опорных импульсов.
Полезно отметить, что длительность разностного импульса теперь зависит от скорости отклонения ручки управления и, в свою очередь, определяет скорость вращения двигателя рулевой машинки на этапе отработки команды. На эту скорость также влияет коэффициент удлинения импульсов Ку, определяющий, в конечном счете, величину напряжения, питающего двигатель рулевой машинки. Аналогично предыдущему случаю, канал должен содержать устройство распознавания знака разностного импульса, несущего информацию о требуемом направлении вращения исполнительного двигателя.
Вывод. Как видно из приведенных рассуждений, у каналов регулятора хода и рулевой машинки отличается логика работы только исполнительных частей, формирование же командного сигнала и способ получения разностных импульсов полностью идентичны. По этой причине в многоканальной аппаратуре выходы каналов делаются универсальными, и к каждому из них имеется возможность подключать либо регулятор хода, либо рулевую машинку.
Формирование командной посылки
Перед рассмотрением структурной схемы необходимо уточнить еще один момент. Поскольку командные сигналы каждого канала представляют собой прямоугольные импульсы, то при их непосредственной последовательной передаче результирующая командная посылка представляла бы один импульс суммарной длины, что исключило бы возможность разделения каналов на приемной стороне. По этой причине необходимо принимать меры по индикации границы между импульсами соседних каналов.
Определение . Командная посылка — один период передачи команд всех каналов.
В простейшей двухканальной аппаратуре устройство формирования канальных импульсов обычно представляет собой автоколебательный мультивибратор, положительный импульс которого используется для передачи управляющего сигнала первого канала, а отрицательный — для передачи второго (рис. 1.5, а). Предусмотрев раздельную регулировку длительностей этих импульсов соответствующими ручками управления, обеспечивают независимое формирование двух канальных импульсов. Индикацией границы между каналами здесь является смена полярности импульсов, что можно легко использовать на приемной стороне для разделения каналов.
Однако такой способ имеет один очень существенный недостаток: между каналами возникает взаимная связь. Период следования импульсов на выходе каждого канала в приемнике (рис. 1.5, б, в) зависит от длительности как собственного канального импульса, так и от длительности командного импульса соседнего канала.
Рис. 1.5. Командная посылка двухканальной аппаратуры:
а — командный сигнал с выхода шифратора; б и в — командные сигналы на выходах первого и второго каналов дешифратора соответственно
Поскольку период следования входит в выражение для среднего значения удлиненных импульсов (1.2), скорость вращения исполнительных двигателей каждого канала будет зависеть от длительности командного импульса в соседнем канале.
Даже если длительность соседнего канального импульса не меняется, то изменение собственного канального импульса будет влиять на среднее значение напряжения дважды:
♦ собственно через τу;
♦ через меняющийся период повторения, равный в этом случае τп = τy1 + τу2.
Вывод . Зависимость между углом отклонения ручки управления и регулируемой величиной уже не будет прямопропорциональной (см. формулу 1.2), что не всегда приемлемо на практике: в канале рулевой машинки это приведет лишь к изменению скорости отработки рулевого устройства без ошибки передачи величины управляющего сигнала, а вот в канале регулятора хода изменение среднего значения напряжения прямо повлияет на скорость модели.
На рис. 1.6 изображены зависимости напряжения Ucp для одного канала от длительности разностного импульса этого канала (Δτ1) при различных значениях разностного импульса (Δτ2) в другом канале. Кривые построены по формуле 1.2. Сплошные линии соответствуют одинаковой исходной длительности канальных импульсов τ10 = τ20 = 1,5 мс, период повторения при этом равен Тп0 = 3 мс (в отсутствие команд в обоих каналах). Пунктирные линии отражают зависимость при введении асимметрии между импульсами (τ10 = 1,5 мс, τ20 = 8,5 мс), период повторения Тп0 в этом случае взят равным 10 мс.
Рис. 1.6. Иллюстрация взаимного влияния каналов
Пусть первый командный импульс (τ1) управляет скоростью движения модели, а второй (τ2) — углом поворота передних колес. Напряжение питания выберем равным 12 В. Из графиков видно, что при одинаковой исходной длительности канальных импульсов и повороте направо (Δτ2 = +0,5 мс) напряжение на тяговом двигателе Ucp, при полном отклонении рукоятки управления вперед (Δτ1 = +0,5 мс), будет равно 6 В.
Перевод передних колес в крайнее левое положение (Δτ2 = -0,5 мс) вызовет возрастание Ucp до 8 В. Если при этом включить еще и задний ход (Δτ1 = -0,5 мс), то на тяговый двигатель будет подано уже 12 В. Очевидно, столь существенная связь между каналами создает неудобства при управлении моделью.
Введение асимметрии между канальными импульсами улучшает ситуацию. Для рассмотренных в примере исходных параметров командных импульсов (пунктирные линии на графике), среднее напряжение на двигателе, при тех же изменениях положения ручки управления, меняется уже лишь в пределах 10–12 В.
Можно оставлять исходные длительности одинаковыми, но увеличивать их абсолютные значения. При этом будет расти период повторения (безболезненно его можно увеличивать до 20 мс), и, как это явствует из формулы 1.2, относительное влияние каналов будет уменьшаться. Имеется в виду, что максимальное значение Δτ в каждом канале остается при этом неизменным и равным 0,5 мс.
Для полного исключения взаимного влияния каналов целесообразно стабилизировать период повторения: командная посылка для двух и более каналов должна выглядеть в соответствии с рис. 1.7, г. На рис. 1.7, а, б, в показаны импульсы первого, второго и восьмого каналов, следующие с периодом повторения Тп. Между окончанием импульса последнего канала и началом очередного периода передачи должен оставаться временной промежуток, называемый синхропаузой τсп, с помощью которой на приемной стороне будет обнаруживаться начало очередного цикла передачи командной посылки.
Рис. 1.7. Командная посылка с фиксированным периодом повторения:
а , б , в — командные сигналы 1-го, 2-го и 8-го каналов; г — результирующая командная посылка
В моменты времени, соответствующие границам между канальным импульсами, формируются короткие (граничные) импульсы длительностью τг. Длительность канальных импульсов теперь закодирована в расстоянии между фронтами соседних граничных. В таком виде командную посылку можно отправлять в канал связи.
Несколько слов о параметрах импульсов командной посылки. Для уверенного разделения соседних граничных импульсов на выходе приемника (где их форма будет далеко не идеальной) их длительность не должна превышать половины минимальной длительности канального импульса, т. е. τг =< 0,5 мс. С другой стороны, уменьшение длительности, как известно, увеличивает ширину спектра импульсов Δfc ~= 1/τг. Если используется радиоканал, то при амплитудной модуляции ширина спектра радиосигнала дополнительно увеличится вдвое.
Выше говорилось, что полоса излучаемого сигнала не должна превышать 20 кГц. В этом случае минимально возможная длительность определится формулой τг >= 1/10 = 0,1 мс. При частотной модуляции той же полосе частот будет соответствовать более протяженный сигнал.
Необходимо учесть еще тот факт, что чем короче импульс, тем меньше его энергия, а значит и дальность действия радиолинии. С учетом приведенных рассуждений целесообразно выбрать τг = 0,5 мс.
При выбранном периоде повторения и максимальной длительности всех восьми импульсов, минимальная длительность синхропаузы будет равна 4 мс (в два раза длиннее любого канального импульса), чего вполне достаточно для ее уверенного выделения на приемной стороне.
Структурная схема передающей части
После того, как рассмотрены все процедуры, необходимые для формирования командной посылки, легко составить структурную схему устройства передачи команд дистанционного управления (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Структурная схема передатчика команд
Во-первых, необходим тактовый генератор (ТГ), определяющий период повторения командной посылки Тп. Задним фронтом тактовых импульсов запускается формирователь первого канального импульса (ФКИ1), длительность которого изменяется потенциометром R1, механически связанным с соответствующей ручкой управления. Задним фронтом ФКИ1 запускается ФКИ2, и так далее (рис. 1.7, а, б, в).
Импульсы с выхода тактового генератора и канальные импульсы с выходов всех формирователей поступают на дифференцирующие цепи ДЦ1—ДЦ9. С их выходов короткие положительные всплески, соответствующие задним фронтам, проходят через разделительные диоды на запуск формирующего устройства (ФУ), обеспечивающего получение нормированных по длительности и амплитуде граничных импульсов (рис. 1.7, г).
Сформированной таким образом кодовой посылкой управляется передатчик (ПРД) соответствующего канала связи.
При желании можно использовать любое меньшее количество каналов, отбрасывая лишние ФКИ, ДЦ и диоды, начиная с последних. Период повторения Тп при этом можно оставить прежним, либо уменьшить на величину 2n мс, где n — количество отброшенных каналов.
Уменьшение Тп упрощает реализацию удлинителей импульсов в приемной части аппаратуры.
Структурная схема приемной части
Каким бы ни был приемник (позиция 1 на рис. 1.9), принятый и продетектированный сигнал на его выходе будет представлять достаточно искаженное подобие переданной кодовой посылки на фоне шумов. На рис. 1.10 импульсы кодовой посылки в выходном напряжении U1 изображены отрицательными. Для устранения шумов и восстановления прямоугольной формы граничных импульсов (напряжение U2 на рис. 1.10), с одновременной нормировкой их амплитуды, используется компаратор напряжения (2), порог которого Uпор устанавливается ниже максимального уровня шумовых выбросов.
Рис. 1.9. Структурная схема приемной части
Рис. 1.10. Эпюры напряжений в характерных точках приемной части
Прямоугольные граничные импульсы стандартной амплитуды поступают в канальный распределитель (3), где из них и формируются канальные импульсы с первого по восьмой, поступающие далее каждый на свой выход. Схема выделения синхропаузы, используя граничные импульсы, формирует для канального распределителя сигнал начала очередной кодовой посылки.
Канальные импульсы на выходах распределителя (τк1 - τк8) имеют такой же вид, что и на рис. 1.7, а, б и являются универсальными по отношению к исполнительным устройствам. Другими словами, к любому из выходов можно подключать как регулятор хода, так и рулевую машинку. Совместно работающие канальный распределитель и схема выделения синхропаузы называются дешифратором канальных импульсов.
Структурная схема регулятора хода и рулевой машинки
Регулятор хода отличается от рулевой машинки (рис. 1.11) отсутствием механической связи между исполнительным двигателем (6) и потенциометром обратной связи Roc, определяющим длительность опорных импульсов τ0.
Рис. 1.11. Структурная схема исполнительных устройств
Рассмотрим принципы функционирования регулятора хода. Канальный импульс, длительность которого τк может находиться в пределах 1–2 мс, с выхода распределителя подается на один из входов временного различителя (2). Кроме того, своим передним фронтом он запускает генератор опорного сигнала (1), работающий в ждущем режиме.
Вырабатываемый этим устройством опорный импульс длительностью τ0 = 1,5 мс подается на второй вход различителя. Последний работает таким образом, что при τк > τ0 разностный сигнал Ат появляется на верхнем, по схеме, выходе, а при τк < τ0 — соответственно на нижнем. Вид разностного сигнала показан на рис. 1.4, в.
Пропорционально растянутые с помощью удлинителей (3) или (4) и усиленные по мощности ключевым усилителем (5) импульсы подаются на тяговый двигатель (6). Направление его вращения будет определяться тем, по какому из входов (а или б) поступают удлиненные импульсы, а скорость вращения — средним значением их напряжения, определяемым формулой 1.2.
Отличие рулевой машинки заключается в том, что двигатель (6) приводит в действие механизм поворота рулевого устройства и изменяет сопротивление резистора Rос, связанного с этим устройством. Резистор, в свою очередь, определяет длительность опорных импульсов τ0, подаваемых на временной различитель.
Обращаю внимание на то, что разностные импульсы на выходе временного различителя теперь будут существовать только в течение короткого промежутка времени, требуемого на поворот рулевого устройства в новое устойчивое положение, при котором длительности канального и опорного импульсов выравниваются. Причем по мере подхода рулевого устройства к новому заданному положению, длительность разностных импульсов, а значит и напряжение Uср, питающее двигатель, будут уменьшаться.
Поскольку двигателю для вращения даже с минимальной скоростью требуется некоторое пороговое напряжение Unop, то он остановится при Uср < Unop, когда разностный импульс еще не обратиться в нуль.
По этой же причине двигатель не сразу начнет поворачивать рулевое устройство после очередного отклонения ручки управления, а только когда разность τк — τ0 станет такой, что соответствующее ей напряжение Ucp превысит напряжение трогания двигателя.
Это означает, что команда управления рулевым устройством всегда будет выполняться с ошибкой. Ошибку можно уменьшать, с одной стороны, выбирая более качественные исполнительные двигатели с малым напряжением трогания. С другой стороны — повышая коэффициент удлинения разностных импульсов, таким образом, чтобы даже при малой их длительности двигатель получал питающее напряжение значительной величины. Именно так и решается эта задача в практических конструкциях.
Ранее отмечалось, что для приведенных параметров командной посылки коэффициент удлинения (Ку) в канале регулятора хода выбирается равным примерно 40. Это обеспечивает пропорциональное изменение среднего значения напряжения, подаваемого на тяговый двигатель в пределах 0 — Uп при изменении разностного импульса в максимальном интервале Δτ = 0–0,5 мс.
Для канала рулевой машинки значение Ку берут в три-пять раз больше, что обеспечивает подачу на двигатель практически всего питающего напряжения в течение большей части переходного процесса перекладки рулевого устройства. И только на завершающем этапе процесса регулирования, когда длительность разностных импульсов уменьшается примерно до 0,1 мс, питающее напряжение начинает пропорционально зависеть от Δτ и уменьшается, обеспечивая плавный подход рулевого устройства к новому положению равновесия.
Если инерционность двигателя велика или Ку выбран чрезмерно большим, может возникнуть колебательный процесс рулевого устройства вокруг положения равновесия. По этой причине в реальных схемах, как правило, предусматривается возможность регулировки величины коэффициента удлинения. Кроме того, для рулевых машинок следует выбирать малоинерционные двигатели, например с полым ротором из серии ДПР.