Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Разработка цифрового блока управления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

КР 806 – 10.1 - 47 - 03

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Выполнил: студент группы АУ-323

Лавриненко В.Г.

Руководитель работы:

Кулагин Р.Н.

Волгоград 2010

Содержание:

1. Объект разработки…………………………………………………………….3

2. Исходные данные…………………………………………………………..…3

3. Функциональная схема………………………………………………………..3

3.1 Принцип действия……………………………………………………...4

4. Назначение элементов………………………………………………………...4

5. Принцип работы цифрового блока управления ……………………………5

6. Расчет ФИД (фотоэлектрический импульсный датчик)…………………….6

7. Формирователь импульсов (ФИ)……………………………………………..8

8. Счетчик импульсов……………………………………………………………10

9. Командные триггеры…………………………………………………………..11

10. Импульсный усилитель мощности………………………………………….13

Список использованной литературы………………………………………..15

1. Объект разработки

Разработать цифровой блок управления (ЦБУ) резьбонарезным шпинделем, обеспечивающим автоматически заданное количество оборотов метчика при прямом и обратном ходе, реверсирование и остановку шпинделя. Пуск шпинделя должен осуществляться кнопкой или внешним импульсным сигналом. Приводом шпинделя является реверсивный двигателем постоянного тока последовательным возбуждением и двухсекционной обработкой (серии СЛ).

ЦБУ должен содержать фотоэлектрический импульсный датчик, формирователь импульсов, счетчик импульсов с предустановкой, командный триггер и импульсный усилитель мощности.

2. Исходные данные:

- Номер зачетной книжки 20070247

- Элементная база: ТТЛ

- Задаваемое количество оборотов метчика:

при прямом ходе Кп=5+n(7)=12

при обратном ходе Ко=6+n(7)=13

- Относительный световой ток фотодиода: I_с/I_т =15 + n (7)=22

- Относительная амплитуда помехи: I_п/I_с=0.1

- Номинальное напряжение электродвигателя: U_эд = 110 В

- Номинальный ток электродвигателя: I_эд = 0,2(7+1)=1.6 А

3. Функциональная схема

пуск

ру ву

ОВ1

К_п +U_эд

К_О стоп

ОВ2

Рисунок 1 - Функциональная схема ЦБУ

3.1 Принцип действия

До начала работы требуется обнулить командные триггеры ТПХ и ТОХ. Далее, после подачи команды «пуск» от РУ или ВУ, командный триггер ТПХ переходит в состояние логической единицы.

Через импульсный усилитель мощности этот сигнал подается на электродвигатель. ЭД начинает вращаться, в прямом направлении. Импульсный датчик количества оборотов приводного вала начинает вырабатывать импульсы тока в соответствии с количеством оборотов.

Формирователь импульсов увеличивает крутизну фронта и среза импульсов датчика, обеспечивая требуемые сигналы на входе счетчика импульсов.

СИ считает количество импульсов. При подаче 12-го импульса ТПХ и счётчик обнуляются, переключая триггер ТОХ в единичное состояние. При счете 13-го импульса вырабатывается сигнал, который обнуляет командный триггер ТОХ в логический ноль и сбрасывает счетчик. Двигатель останавливается, на этом цикл нарезания резьбы заканчивается. Рассмотрим каждый элемент функциональной схемы.

4. Назначение элементов

ФИД - 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 выходном валу шпинделя. Ток фотодиода кроме световой составляющей I_с, имеет темновую составляющую I_т и составляющую помехи U_п, возникающую на частоте вибрации. Фотодиод кремневый нагружается на резистор, сопротивление которого выбирается из условия обеспечения необходимого уровня логической единицы U последующего формирователя импульсов при заданном световом токе Iс=(15+n)Iт

Светодиод выбирается с ИК - спектром излучения для уменьшения влияния окружающего светового фона и подключается к источнику питания через ограничительный резистор, задающий номинальный ток светодиода а пределах Iсд=(0,1-0,2)Iсд.макс.

ФИ - формирователь импульсов. Формирователь импульсов выполняется на триггере Шмитта, в виде интегральной микросхемы и должен быть согласован по входному сопротивлению с фотоэлектрическим датчиком. На статистической характеристике формирователя Uвых =f(Uвх) необходимо определить уровни его срабатывания (Uср) и отпускания (Uот), а также уровни светового (Uс) и темнового (Uт) напряжений датчика.

СИ - счетчик импульсов. Счетчик обеспечивает подсчёт числа импульсов датчика, сформированных компаратором, и выдает на командный триггер сигнал после поступления заданного числа импульсов. Он может выполняться на одной или двух интегральных микросхемах. Если используется суммирующий счетчик, то он дожжен совмещаться с двумя ЛЭ. Один из которых выключает ТПХ( и включает ТОХ) после прямого хода метчика, а другой – выключает ТОХ после суммарного количества оборотов метчика. При использовании вычитающего четырехразрядного счетчика со входами предустановки необходим один ЛЭ для выключения ТПХ, или два таких счетчика, раздельно переключающих ТПХ и ТОХ без ЛЭ. Возможно применение одного четырехразрядного реверсивного счетчика с переключением режима его работы и перезаписью кода со входа предустановки.

КТ - командные триггеры ТПХ и ТОХ выполняются по схеме асинхронных RS- триггеров на ЛЭ «ИЛИ-НЕ» или «И-НЕ». ТПХ должен иметь два входа «Пуск» для кнопки ручного управления (РУ) и внешнего управления (ВУ). В схеме ЦБУ необходимо предусмотреть цепи №обнуления» командных триггеров и счетчика импульсов при включении напряжения питания.

ИУМ - импульсный усилитель мощности. Импульсный усилитель мощности выполняется на силовых транзисторах, работающих в ключевом режиме. Тип каждого транзистора выбирается по заданным значениям напряжения и тока электродвигателя, а так же необходимому значению коэффициента передачи ß, определяемому по максимально возможному выходному току триггеров Iвых≤2мА.

ЛЭ - логические элементы. Они как вспомогательные устройства выбираются с минимальным количеством корпусов ИС и могут совмещаться по выполняемым функциям с триггером Шмитта.

Р – редуктор, уменьшает скорость вращения двигателя до заданной и повышает крутящий момент шпинделя.

5. Принцип работы цифрового блока управления

ЦБУ предназначен для задания точного количества оборотов метчика при прямом и обратном ходе. По команде «Пуск» поступающей от кнопки ручного управления (РУ) или импульсом внешнего управления (ВУ) ТПХ переходит в состояние логической 1 и через импульсный усилитель мощности (ИУМ) включает обмотку двигателя, обеспечивающую вращение метчика при прямом ходе. Редуктор (Р) уменьшает скорость вращения шпинделя до заданного значения и увеличивает крутящий момент.

Вращение щелевого диска на валу редуктора (Р), вызывает генерацию сигналов на фотоэлектрическом импульсном датчике (ФИД). ФИД выдает импульсы по оборотам. Причем количество импульсов на выходе ФИД соответствует углу поворота выходного вала, а частота – 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 нуля, который сбрасывает ТПХ в ноль. Двигатель останавливается, однако ТПХ переключает ТОХ в единицу и управление метчиком передается второй обмотке двигателя, так же происходит подключение счетчика обратного хода. Метчик начинает двигаться в обратном направлении. Когда количество импульсов станет равным коду, выставленному на втором счетчике, счетчик выдаст сигнал логического ноля произойдет переключение ТОХ в ноль и остановка двигателя.

«Обнуление» командных триггеров и счетчиков импульсов при включении питания происходит при первичном нажатии кнопки «пуск», поэтому эту систему нельзя применять для систем полуавтоматов.

6. Расчет ФИД (фотоэлектрический импульсный датчик).

Рисунок 2 - Общий вид устройства датчика

1 – диск, установленный на валу редуктора;

2 – фотодиод;

3 – светодиод;

Рисунок 3 - схема ФИД

Схема ФИД содержит фотоприемник и излучатель, световой поток которого прерывается щелевым диском, установленным на выходном валу шпинделя.

В качестве излучателя используем инфракрасный светодиод VD1 минимального габарита и максимальной мощности с балластным резистором R1, который задает номинальный ток VD1(Сигнал фотодиода VD2 выделяется на нагрузочном резисторе R2). ИК – спектр излучателя позволяет исключить влияние фоновой засветки при использовании оптического ИK – светофильтра перед фотоприемником.

Максимальная мощность позволяет расширить зазоры между излучателем и фотоприемником. А запас по мощности позволяет повысить срок службы излучателя при соответствующем коэффициенте использования мощности и уменьшить влияние зазора в подвижном состоянии.

В качестве светодиода выбираем инфракрасный излучатель VD1 типа АЛ107Б.

Параметры АЛ107Б:

λ_мин = 940 нм; λ_макс = 965 нм; Р_Е = 10 мВт; I_{пр.
макс} = 100 мА; U_пр = 1.8 В;

Рассчитываем R1 – задает номинальный ток фотодиода.

Задаем номинальный ток из условия I_{пр.
ном} = (0,1 ÷ 0,2) I_{пр.
макс}, что позволяет увеличить срок службы светодиода и, в то же время, достаточно для получения необходимого потока излучения.

I_{пр. ном} =0,2·I_{пр.
макс} = 0,2·100*10^-3 =20*10^-3 А.

Определяем сопротивление R1 из условия, что напряжение питания для ТТЛ: Uп = 5 В.

R1= U_п1 – U_{пр.
VD1}/ I_пр.ном = (5-1.8)/0,02=160 ОМ.

Берем R1 из ряда Е24 и окончательно принимаем R1 = 160 Ом ± 5% тип МЛТ – 0,25.

В качестве фотоприемника выбираем кремниевый фотодиод VD2 который имеет малый темновой ток I_т и высокую термостабильность работы (по сравнению с Ge). Выбираем фотодиод VD2 типа ФД-27К (без фланца), имеющий минимальные габариты с параметрами:

I_т=1-2 мкА, U_раб = 20В; U’_фид = 4 В.

I_c = (15 + n)·I_т = (15+7)·2*10^-6 = 44 мкА.

Рассчитываем R2 – является нагрузкой фотодиода и выбирается из условия получения необходимого напряжения логической единицы для ИС ТТЛ.

R₂=U’_фид / I_c=4/44*10^-6 = 0.09 МОм = 90.9 кОм

Берем R2 из ряда Е24 и окончательно принимаем R2 = 91 кОм ± 5% тип МЛТ – 0,25.

Определяем полезный световой сигнал (U_с), темновой сигнал (U_т) и сигнал помехи (U_п):

U_c =I_c·R2 = 44·10^-6·91·10³ = 4 В

U_т =I_т·R2 = 2·10^-6·91·10³ = 0,182 В

U_п =0,1·I_c·R2 = 0.1*44 ·10^-6·91·10³ = 0,4 В

7. Формирователь импульсов (ФИ)

Формирователь импульсов выполняется на основе триггера Шмита или регенеративного компаратора, который повышает крутизну фронта и среза импульсов датчика, а также устраняет влияние помехи и темнового тока фотодиода на выходной сигнал. Формирователь импульсов должен быть согласован по входному сопротивлению с фотоэлектрическим датчиком. На статической характеристике формирователя Uвых = f(Uвх) необходимо отметить уровни его срабатывания (Ucp) и отпускания (Uот), а также уровни светового (Uc) и темнового (Uт) напряжений датчика.

Так как ФИД имеет большое выходное сопротивление R_вых= R₂=91кОм, то использовать триггер Шмитта на ИС ТТЛ невозможно из условия согласования ЛЭ с источником

Для обеспечения согласования ФИД с ФИ используем триггер Шмитта на ИС серии КМОП совместимой по напряжению питания (U_п) с ИС ТТЛ.

В качестве формирователя импульсов возьмем триггер Шмитта на ИС типа 564ТЛ1 4×2И-НЕ, который повышает крутизну фронта и среза сигнала ФИД, а также устраняет влияние помехи, со следующими параметрами (при U_п=5В для ТТЛ) [Зельдин Е.А. – Цифровые и интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре]:

U_вкл =U_ср = 2.9 В

U_выкл =U_отп = 2.2 В

ΔU = 0.7 В

Это удовлетворяет условию:

U_вкл ≤ 0,8·U¹_фид = 0,8·4 = 3,2 В

U_выкл ≥ 1,2·U⁰_фид = 1,2·0,182 = 0,2184 В

Тогда статическая характеристика формирователя импульсов будет иметь вид:

Uфи, В

U_выкл U_вкл

1 2 3 4 5 U_{фид, В}

U_т U_с

U_фид, В

U_вкл

U_выкл

Uфи, В

Рисунок 4 – статическая характеристика триггера Шмитта

Гистерезис в триггере Шмитта позволяет исключить влияние помехи, что обеспечивает надежную работу счетчика импульсов. Выполним триггер с помощью схемы управления реверсом.

Рисунок 5 – Схема управления реверсом

Проведем проверку условия согласования ФИД с выбранным триггером Шмитта при напряжении питания U_п = 5В: U_вкл<< UвыхФИД

2.9<<4 (согласование по напряжению выполняется).

Входное сопротивление триггера Шмитта составляет 100 МОм, что намного превышает выходное сопротивление ФИД : 100>>0.91 (согласование по сопротивлению выполняется).

8. Счетчик импульсов

Счетчик импульсов целесообразно использовать в виде одной ИС.

Для построения счетчика импульсов используем режим прямого счета с предварительной записью в счетчике заданного кода. Используем типовой четырехразрядный двоичный счетчик со входами предустановки - К155ИЕ7.

Счетчик импульсов должен работать с заданными коэффициентами деления (12 и 13). Для представления данных чисел в двоичном коде составим таблицу.

Таблица 1 – Перевод кодовых импульсов в двоичный код

К_Д ₍₁₀₎	К_Д ₍₂₎
12	1100
13	1101

Рисунок 6 – Схема счетчика импульсов К155ИЕ7

9. Командные триггеры

Командный триггер строим на основе логических элементов (которые управляются нулями) К155ЛА4 и 564ТЛ1, которые имеют 3 и 2 входа соответственно [Тарабрин Б.В.- Интегральные микросхемы // Справочник ]. Эти интегральная схемы содержат 3 логических элемента «3И-НЕ» (К155ЛА4) и 4 логических элемента «2И-НЕ» 564ТЛ1. RS – триггер, построенный на основе этих элементов, управляется нулем. Сигналы на командный триггер поступают с кнопок «ПУСК», также с внешних устройств (ВУ) и со счетчика импульсов (СИ ≥0). При нажатии кнопки «ПУСК», сигнал низкого уровня будет подаваться на вход разрешения записи в счетчик импульсов, производя запись кода для начала отсчета количества импульсов. С ТПХ подается сигнал на импульсный усилитель мощности (ИУМ1).

При достижении заданного кода на СИ на ТПХ подается сигнал логического нуля, который сбрасывает его в ноль, при этом ТОХ переключается в единицу, так же происходит подключение счетчика обратного хода.

Выберем значения резисторов R3, R4 и конденсаторов C1, C2 [Акимов Н.Н. – Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА // Справочник] выполняя условие: t_пер≤ τ_зад. ≤ t_разг. , где τ_зад. ≈ R1*C1 – (1)

20 нс ≤ τ_зад. ≤ 0.1с , где для ТТЛ: τ_зад. ≈ 0.5мкс

В ыберем номиналы резисторов и конденсаторов из заданного интервала времени задержки, по ряду Е24 для резисторов: R3=4.7 кОм±5% тип МЛТ 0.25

По ряду Е12 для конденсаторов: С1=0.1нФ±10% тип КТ4-21

Проверяем выполнение условия (1): 0.5*10^-6=4.7*10³ * 0.106*10^-9 . Следовательно значения номиналов конденсаторов и резисторов применимы к нашей схеме.

Рисунок 7 – Командные триггеры

С кнопки «ПУСК» и с внешнего устройства ВУ подается импульс для записи количества импульсов в счетчик импульса. Запись в счетчик будет закончена намного раньше того как придет первый счетный импульс, так как в цепи запуска электродвигателя есть элементы создающие задержку сигнала (логический элемент, ФИД, ФИ), а также сам двигатель обладает инерционными свойствами, поэтому ошибок в системе, связанных с записью кода быть не должно.

10. Импульсный усилитель мощности

Усилители мощности выполняются на силовых транзисторах, работающих в ключевом режиме. Тип каждого транзистора выбирается по заданным значениям напряжения и тока электродвигателя, а также необходимого значения коэффициента β, определяемого по максимально возможному выходному току триггеров: I¹_вых ≤ 10 мА (для ТТЛ).

Рисунок 8 - Импульсный усилитель мощности

Здесь VT1, VT2 обеспечивают коммутацию тока обмоток электродвигателя, а резисторы R5, R6 ограничивают ток базы насыщения I_Б.НАС транзисторов.

Выберем транзисторы из следующих условий (при U_эд = 110В и I_эд = 1.6А):

U_{кэ.макс} > 1.2 * U_эд U_{кэ.макс} > 1.2*110 =132 В

I_к.макс ≥ 1.2·I_эд I_к.макс ≥ 1.2·1.6 = 1.92 A

P_к.макс ≥ 1.2·I_эд·U_к.нас P_к.макс ≥ 1.2·1.6·2 = 3,84Вт

Проверим условия насыщения транзистора VT1 по току:

I_б.нас ≤ I¹_вых = 10мА

Для выбора транзистора необходимо определить значение коэффициента передачи по току, которое определяется из условия – (2) :

I_б.нас = К_н* I_к.нас/ β – (2)

откуда β = К_н* I_к.нас/ I_б.нас = 3*1600/10=480

где К_н=(2÷4) – коэффициент форсировки насыщения, в нашем случае принимаем К_н = 3, таким образом: β ≥ 480

Трудно подобрать транзистор, который бы удовлетворял всем условиям, поэтому сделаем составной транзистор.

Выбираем первый транзистор КТ683А со следующими параметрами:

U_к.макс = 150 В

I_к.макс = 2 А

P_к.макс = 8 Вт

40 ≤ β ≤120

Найдем I_б.1= k_н·I_эд/β =(2÷4)·1.6/40=0.08 А

Выбираем второй транзистор КТ504Б со следующими параметрами:

U_к.макс = 200 В

Iк. макс =2 А

Рк.макс.= 10 Вт

15 ≤ β ≤100

Найдем I_б.2 = k_н·I_эд/β = (2÷4)·1,6/15 = 0.21 А

Тогда для составного транзистора получаем:

β_общ. = β1 *β2=40*15= 600 ≥ 480

Рассчитываем R_б:

RБ(4/5)=(U¹_вых –UБЭ1-UБЭ2)/IБ1 =(U¹_вых –U БЭ1-UБЭ2)* β_общ / (k_н* I_к.нас)=(4-1-1,6)*480/2*1.6 = 210 Ом

Окончательно выбираем R_б из стандартного ряда Е24: R_б = 200 Ом ± 5%, тип МЛТ – 0.25

Диоды VD4 и VD5 выбираем типа КД102А.

Справочные данные: UОБР и = 250 В, Iпр = 0,1А, Iимп = 2А.

Проверим условие выбора:

UОБР≥ 1,2U_н

250>132 условие выполняется, следовательно подобран верно.

Список использованной литературы:

Зельдин Е.А. – Цифровые и интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре
Усатенко С.Т. и др. Выполнение электрических схем по ЕСКД.- М. Энергоатомиздат, 1989
Акимов Н.Н. – Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. – Мн.: «Беларусь», 1994 – 591с. // Справочник
Тарабрин Б.В.- Интегральные микросхемы. – М.: Радио и связь, 1983 – 528с. // Справочник
Горюнов Н.Н. – Полупроводниковые приборы: транзисторы. - М.: Энергоиздат, 1982 – 904с.// Справочник
Голомедов А.В. – Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник – М.: Радио и связь, 1985 – 560с.