Разработка цифрового блока управления электроприводом для позиционирования транспортера

Содержание
цифровой управление электропривод
1. Объект разработки 3
2. Исходные данные 4
3. Функциональная схема 5
3.1. Назначение элементов 5
3.2. Принцип работы центрального блока управления (ЦБУ) 6
4. Расчет блоков принципиальной схемы 8
4.1. Фотоэлектрический импульсный датчик 8
4.2. Формирователь импульсо 10
4.3. Счетчик импульсов 14
4.4. КТ – командный триггер 15
4.5. Импульсный усилитель мощности 17
Список литературы 19
датчик импульс
ГЛАВА 1. ОБЪЕКТ РАЗРАБОТКИРазработать цифровой блок управления (ЦБУ) электроприводом для позиционирования транспортера в соответствии с заданным количеством кодовых импульсов датчика угла поворота электропривода.
ЦБУ должен содержать фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД), формирователь импульсов (ФИ), счетчик импульсов (СИ) с предустановкой, командный триггер (КТ) и импульсный усилитель мощности (ИУМ).
ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
- Элементная база: ТТЛ
- Диапазон изменения угла поворота: 150 + 5 ± 5 кодовых импульсов
- Относительный световой ток фотодиода 1С / 1Т = 16
- Номинальное напряжение электродвигателя, (В): UН = 92
- Пусковой ток электродвигателя, (А): Iпуск = 2
Содержание работы
- Принципиальная схема ЦБУ (АЗ)
- Перечень элементов (А4)
- Чертеж печатной платы (А3).
- Пояснительная записка (ПЗ) с расчетом параметров элементов, и обоснованием их выбора.
- Функциональная схема (рисунок по тексту ПЗ)
- График статической характеристики ФИ с отмеченными уровнями всех сигналов (рисунок по тексту ПЗ).
ГЛАВА 3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА
Рисунок 1 – функциональная схема3.1 Назначение элементовФИД – фотоэлектрический импульсный датчик. Датчик представляет собой оптрон, преобразующий поток излучения светодиода в импульсы тока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимся щелевым диском, установленным на валу привода. Ток фотодиода кроме световой составляющей Iс, имеет темновую составляющую IТ и составляющую помехи UП, возникающую на частоте вибрации.
ФИ – формирователь импульсов. Формирователь импульсов выполняется на основе регенеративного компаратора, который повышает крутизну фронта импульсов датчика, а также устраняет влияние помехи и темнового тока фотодиода на выходной сигнал.
СИ – счетчик импульсов. Счетчик обеспечивает подсчет числа импульсов датчика, сформированных компаратором, и выдает на командный триггер сигнал после поступления заданного числа импульсов. Для изменения этого кода, соответствующего заданному углу поворота, необходимо в схеме предусмотреть специальный переключатель-задатчик.
КТ – командный триггер. Командный триггер формирует сигнал управления электроприводом по командам "ПУСК" и "СТОП", которые могут подаваться как вручную от соответствующих кнопок, так и от внешних устройств.
ИУМ – импульсный усилитель мощности. Импульсный усилитель мощности содержит силовой транзистор, обеспечивающий необходимый ток в якорной цепи электродвигателя при включении его от командного триггера.
3.2 Принцип работы центрального блока управления (ЦБУ)Назначение ЦБУ осуществить точное позиционирование ленточного транспортера в соответствии с заданным значением угла поворота исполнительного вала привода, который устанавливается с помощью специального переключателя – задатчика. По команде "Пуск/Запись" поступающей от кнопки ручного управления (РУ) или внешнего управления (ВУ) командный триггер (КТ) переходит в состояние логической 1 и через импульсный усилитель мощности (ИУМ) включает электродвигатель (ЭД), одновременно с этим происходит запись заданного числа импульсов в СИ. Вращение исполнительного вала через редуктор (Р), служащий для понижения угловой скорости вала, передается на фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД).
На выходе ФИД формируется импульсы напряжения, количество которых определяется углом поворота исполнительного вала, а частота зависит от скорости вращения вала. Эти импульсы нельзя напрямую подать на счетчик импульсов (СИ) так как у них очень пологий фронт, слабый сигнал, и они содержат помеху. Поэтому эти импульсы подаются на формирователь импульсов (ФИ), который делает их пригодными для подачи на счетчик импульсов. СИ считает импульсы с ФИ и сравнивает их с заданным числом импульсов, если они равны, то счетчик выдает сигнал логического 0, который сбрасывает КТ в ноль. Также по команде «Стоп» поступающей от кнопки ручного управления (РУ) или внешнего управления (ВУ) командный триггер (КТ) переходит в состояние логического 0 и далее чрез ИУМ выключает ЭД.
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ БЛОКОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ4.1 Фотоэлектрический импульсный датчик
Рисунок 2 – функциональная схема ФИД
Схема ФИД содержит светодиод VD1 с балансным резистором R1, который задает номинальный ток VD1. Сигнал фотодиода VD2 выделяется на нагрузочном резисторе R2. В качестве светодиода выбираем инфракрасный излучатель типа АЛ107Б, который имеет минимальные габариты и позволяет совместно с инфракрасным светофильтром исключить влияние фоновой засветки на выходной сигнал ФИД. Его параметры следующие:
МИН=940 нм, МАКС=965 нм, PE=9 мВт, IПР. МАКС=100 мА, UПР=1.86 В
Задаем номинальный ток из условия IПР. НОМ= (0.1-0.2)IПР. МАКС что дает возможность увеличить срок службы излучателя (светодиода) и в то же время достаточно для получения необходимого потока излучения.
IПР. НОМ=0.15 IПР. МАКС=0.15100=15 мА
Определяем сопротивление R1 из условия что напряжение питание UП1=12 В
R1=UП1-UПРIПР.МАКС=12-1.8615⋅10-3=676 ОмБерем R1 из ряда E24 и окончательно принимаем R1=680 Ом5% тип МЛТ-0.25. В качестве фотоприемника выбираем кремниевый фотодиод VD2 который имеет малый темновой ток IТ и высокую термостабильность работы (по сравнению с германиевым фотодиодом). Окончательно выбираем ФД-27К имеющий минимальные габариты. Его параметры следующие: IТ =1-2 мкА, UРАБ=20 В. При выборе R2 используем технические условия предприятия изготовителя. По ним R2=10-100 кОм. Берем R2=100 кОм5% тип МЛТ-0.25. Определяем полезный световой сигнал(UC), темновой сигнал(UT) и сигнал помехи(UП):
IC=(5+n)IT=161.5=24 мкА
UC= ICR2=2410 -6100103=2.4 В
UT=ITR2=1.510 -6100103=0.15 В
UП=0.1⋅IC⋅R2=0.1⋅UC=0.1⋅2.4=0.24 В
4.2 Формирователь импульсов
Рисунок 3 – схема формирователя импульсов
Формирователь импульсов строится на основе регенеративного компаратора. Статическая характеристика имеет гистерезис, который позволяет исключить влияние помехи, вызванной вибрацией кромки щели, и темнового тока на выходной сигнал ФИД. Статическая характеристика с отмеченными порогами переключения показана на рисунке 4. Назначение элементов схемы следующее: Делитель R3-R4 задает опорное напряжение (нижний порог переключения) UОПUH, резисторы R5-R6 задают верхний порог переключения UB, а диод VD3 вместе с резистором R6 создают положительную ОС, сигнал которой суммируется с опорным напряжением, что и дает гистерезис. Диод VD4 нужен для исключения отрицательного напряжения на выходе компаратора. Стабилитрон VD5 служит для стабилизации напряжения логической единицы (2.4-5В), резистор R7 задает ток стабилитрона, а резистор R8 служит для согласования входного сопротивления для ТТЛ.

Рисунок 4 – Статическая характеристика регенеративного компаратора
Определим порог переключения компаратора:
UH≥1.2(UT+UП)=1.2(0.15+0.24)=0.468UB≤0.8(UC-UП)=0.8(2.4-0.24)=1,728Проверяем условие помехоустойчивости
ΔU=UB-UH>2UПΔU=1.728-0.468>2⋅0.24ΔU=1,26>0.48Следовательно, пороги назначили правильно. Выбираем операционный усилитель типа К140УД7 (Зарубежные аналоги µ A741HC, µ A741PC). Он представляет собой операционный усилитель средней точности с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания, и имеющий малое напряжение смещения нуля - UСМ=не более 9 мВ, малый входной ток IВХ= не более 400 нА и большой коэффициент усиления KU=не менее 30 000. Его параметры при Uп=12 В следующие:
UОУ.МАКС=10 В, UСМ= 9 мВ, IВХ= 400 нА, KU= 30 000
Определим сопротивление резисторов делителя R3-R4 по напряжению нижнего порога переключения UH. Задаем ток делителя R3-R4: IД>>IВХ.ОУ.
IД=500 IВХ.ОУ=50040010 –9=200 мкА
UП1=12 В
&R3+R4=UП1IД&UH=UП1R4R3+R4Решая эту систему линейных уравнений относительно R3 и R4, получим:
&R3=UП1-UНIД&R4=UНIД&R3=12-0.468200⋅10-6=57660 Ом&R4=UНIД=0.468200⋅10-6=2340 ОмОкончательно принимаем по ряду Е24 R4=1.8 кОм5% тип МЛТ-0.25 и
R3=56 кОм5% тип МЛТ-0.25.
В качестве стабилитрона VD5 возьмем кремниевый маломощный стабилитрон типа КС133А, имеющий следующие параметры:
UСТ.НОМ=3.3 В, IСТ.МИН =3 мА
В качестве диодов VD3 и VD4 возьмем кремниевые маломощные импульсные диоды типа КД522А с прямым падением напряжения UПР0.6 В
R5-R6 задают верхний порог переключения компаратора:
UB=UH+R5R5+R6(UK1-UH)Второе уравнение получим из условия, что сопротивления по входам «+» и «–» должны быть равны, если R4<<R5 то R4 не учитываем и получим:
R2=R5R6R5+R6Напряжения логической единицы на выходе компаратора равно напряжению стабилизации стабилитрона:
UK1=UCT=3.3 B&UB-UH(UK1-UH)=R5R5+R6&R2=R5R6R5+R6&1.728-0.468(3.3-0.468)=R5R5+R6&100000=R5R6R5+R6&0.444=R5R5+R6&100000=0.444R6R6=225225 Ом0.213R5+0.213R6=R50.213R6=0.787R5R5=0.2130.787225225=60956 ОмПринимаем R6=60 кОм5% тип МЛТ-0.25 и R5=230 кОм5% тип МЛТ-0.25.
Проверим ранее заданное условие R4<<R5: R5/R4=60/2,3=26 следовательно условие согласования входных сопротивлений по входам компаратора выполняется. Резистор R8=390 Ом5% тип МЛТ-0.25 берем из условия согласования ЛЭ ТТЛ с источником сигнала (не более 400 Ом).
Рассчитаем резистор R7 задающий ток стабилизации.
R7=UОУ.МАКС-UПР-UCTICT.МИН+UCTR8=10-0.6-3.33⋅10-3+3.3390=532 ОмОкончательно принимаем R7=510 Ом5% тип МЛТ-0.25

4.3 Счетчик импульсовСчетчик импульсов строим на основе делителя частоты с изменяемым коэффициентом деления Кд в соответствии с таблицей 1. Для построения делителя частоты используем типовой параллельный четырехразрядный реверсивный двоичный счетчик с входами предустановки. Для обеспечения восьмиразрядного КД используем два таких счетчика. В качестве типового счетчика возьмем ИС из серии универсального применения К155ИЕ7 (Зарубежные аналоги SN74193N, SN74193J).
Таблица 1
2 10
10100101 165
10100110 166
10100111 167
10101000 168
10101001 169
10101010 170
10101011 171
10101100 172
10101101 173
10101110 174
10101111 175
Для построения делителя частоты используем режим обратного счета. На входы предустановки подается коэффициент деления одновременно с нулевым импульсом сигнала "Пуск/Запись" и счетчик, по мере подачи на него импульсов от регенеративного компаратора, отнимает от значения коэффициента деления по единице. Когда счетчик дойдет до нуля, на выходе "обратного переноса" (0) возникнет сигнал логического нуля, который и будет сигнализировать о нужном количестве импульсов.

Рисунок 5 – счетчик импульсов
Для изменения заданного значения Кд предусматриваем 4 переключателя-задатчика SA1..SA4, так как в таблице 1 меняются только четыре младших разряда. Схема счетчика приведена на рисунке 5. Так как для создания логической единицы на входах предустановки используется "висячая единица", что значительно упрощает схему, то плату надо поместить в стальной корпус и заземлить. Переключатели показаны в положении соответствующему максимальному значению КД(17510 или 101011112).4.4 КТ – командный триггерКомандный триггер строим по схеме асинхронного RS-триггера на логических элементах И-НЕ, которые управляются "нулями". Схема командного триггера представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – командный триггер
В качестве логического элемента И-НЕ выбираем ЛЭ универсальной 155 серии типа КР155ЛА3 (Зарубежные аналоги SN7400N, SN7400J) содержащий 4 элемента И-НЕ на два входа. Принцип его работы следующий: При нажатии кнопки "Пуск/Запись" или от ВУ2 на входы DD3.4 и на входы синхроимпульса счетчика подается сигнал нулевого уровня, который устанавливает триггер в единицу и устанавливает счетчик в соответствии с заданным числом кодовых импульсов. При нажатии на кнопку "Стоп" или при нулевом сигнале от ВУ1 или при сигнале нуля от выхода "обратного переноса" счетчика DD2 срабатывает элемент DD3.1 осуществляющий логическую операцию или по нулям. Он подает сигнал единицы на DD3.2 выполняющего логическую операцию НЕ, нулевой сигнал с которого подается на вход сброса триггера в ноль. Выход триггера Q управляет ИУМ.

4.5 Импульсный усилитель мощностиИмпульсный усилитель мощности предназначен для увеличения тока и напряжения, подаваемого с командного триггера. Это нужно, потому что величина напряжения и тока, которая требуется для работы двигателя, много больше, чем может дать командный триггер. Схема импульсного усилителя мощности представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Импульсный усилитель мощности
Схема построена с применением одного силового транзистора VT1 (так это уменьшает ее габариты). Резистор R9 задает ток базы VT1, а диод VD6 снижает влияние индуктивности нагрузки (якорная цепь электродвигателя), которая создает противоЭДС до падения напряжения на самом диоде (0.6 В).
Выбираем VT1 из условий :UК.Э,МАКС≥1.2UЭДIК.МАКС≥1.2IЭДPК.МАКС≥1.2IЭДUК.НАСВыбираем кремниевый высоко мощный среднечастотный транзистор типа КТ827А (Зарубежные аналоги 2N6284), имеющего следующие характеристики:
UК.Э,МАКС=100 В≥1,2UЭД=1,2⋅68=81.6 В-условие выполненоIК.МАКС=20 А≥1,2IЭД=1,2⋅5=6 А-условие выполненоPК.МАКС=125 Вт≥1,2IЭДUК.НАС=1,2⋅5⋅2.5=15 Вт-условие выполненоβ=750-15000Выбранный транзистор (КТ827А) устанавливается на радиатор.
Проверим условия насыщения транзистора VT1 по току:
IБ.НАС≤IВЫХ1=10 мАIБ.НАС=KHIК.НАСβ=25750-15000=13,3-0,67 (мА)≈7≤10 (мА)RБ=R9=UКТ1-UБЭIБ.НАС.=3-0,657⋅10-3=336 ОмПринимаем по ряду Е24 R9=330 Ом5% тип МЛТ-0.25. Диод VD12 выбираем по току и напряжению из условий:
UОБР.МАКС≥1.2UЭДIПР.ИМП≥1.2IЭДБерем диод типа КД202В со следующими параметрами:
UОБР.МАКС=100≥1.2UЭД=81.6 ВIПР.ИМП=9≥1.2IЭД=6 АСледовательно диод выбран правильно.
Список литературыГрабовски Б. «Краткий справочник по электронике» ДМК Пресс, 2014 год, 416 стр. перевод с фр. — Хаванов А. В. 2-е изд.
Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Том 2./А. В. Нефедов. - М.:ИП РадиоСофт, 2018г. - 640с.:ил.
Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги Справочник. Перельман Б.Л.,Шевелев В.И. "НТЦ Микротех", 2008г.,376 с. - ISBN-5-85823-006-7
Основы промышленной электроники: учеб. пособие для вузов под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 2016г. –336с., ил.
Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. –Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд, 1986. –280 с.:илРазмещено на Allbest.ru

П