Расчётно-пояснительная записка к курсовой работе по схемотехнике цифровых устройств. Тема курсовой работы «Проектирование системы автоматического управления электроприводом шагового двигателя»
Автор: student | Категория: Технические науки / Электроэнергетика | Просмотров: 38 | Комментирии: 0 | 28-09-2020 15:14

 

 

 

 

 

 

 

Скачать:  1366032635_kursovaya_po_skhemotekhnike_tsu.rar [447,94 Kb] (cкачиваний: 0)  

 

 

Расчётно-пояснительная записка

к курсовой работе по схемотехнике цифровых устройств.

Тема курсовой работы

«Проектирование системы автоматического управления электроприводом шагового двигателя»

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

В курсовой работе разработана система автоматического управления электроприводом, построенная на основе «жёсткой логики», с кодовым параллельным вводом информации о состоянии исполнительного механизма и цифровыми сигналами со стороны блока обратной связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание на курсовую работу (вариант 6.А1.P1.S1)

 

1Систему автоматического управления (САУ) необходимо разработать на основе микросхем ТТЛШ-логики серии 555 и аналоговых микросхемах.

2В качестве исполнительного двигателяиспользовать двухфазный шаговыйдвигатель (ШД), имеющий симметричную двухполярную коммутациюпо типу (+1)(+2)-(-1)(+2)-(-1)(-2)-(+1)(-2). Диаграмма управления двигателемзадана на рисунке1.

3Максимальная частотапитающего напряжения .

4Частота приемистости.

5Число парполюсов ШД .

6Единица младшегоразряда входного параллельногокода скорости подачиисполнительного механизма должнаобеспечить шаг поскорости .

7Зависимость кода от скорости представлена на рисунке 2.

8Напряжение питанияШД .

9Номинальный токпотребления ШД .

10 Количествомодулирующих полос растра . Шаг линейного измерительного штрихового растра .

11 Единица младшегоразряда входного параллельногокода перемещения должнаобеспечивать шаг перемещения.

12 Максимальнаявеличина перемещения исполнительного механизма .

13 Зависимость представлена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение………………….............................................................................5

1 Разработка функциональной иструктурной схемы

САУ электропривода………………..……………………………………………6

1.1 Характеристика используемого в электроприводе двигателя……...6

1.2 Разработка функциональной схемы САУ электроприводом с ШД..7

1.3 Разработка структурной схемы САУ электроприводом….…………8

2 Разработка электрическойпринципиальной схемы САУ электроприводом………………………………………………………………...11

2.1 Разработка схемы оптического датчика и формирователя сигнала перемещения………………………..……………………………………………12

2.2 Разработка блока «регистр перемещения - устройства сравнения - счетчик текущего перемещения»……….………………………………............12

2.3 Разработка блока «регистр скорости подачи – - устройства сравнения - p-регулятор – регистр рабочей скорости»...……....13

2.4 Разработка цифро-аналогового преобразователя…………….……..15

2.5 Разработка преобразователя «напряжение-частота»….……………15

2.6 Разработка кольцевого реверсивного коммутатора фаз…………....16

3. Расчет элементов схемы САУ электроприводом...……..……………17

3.1 Расчет дифференциальных цепей…….....……………………….…17

3.2 Расчет интегрирующих цепей……….……………………………...18

3.3 Расчет генератора импульсов блока управления p-регулятора…....18

3.4 Расчет схемы цифро-аналогового преобразователя…….…….…..18

3.5 Расчет схемы преобразователя «напряжение-частота»...…………..19

Заключение..................................................................................................23

Библиографический список ………….………………………………......24

Приложение…………………………………………………………….…25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 


Введение


 

Шаговые двигатели характеризуются следующими параметрами: число фаз (обмоток управления) и схема их соединения, тип шагового двигателя (с активным или пассивным ротором), одиночный шаг ротора (угол поворота ротора при единичном импульсе), номинальное напряжение питания, максимальный статический синхронизирующий момент, номинальный вращающий момент, момент инерции ротора, частота приемистости.

ШД бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором.

Управление шаговым двигателем обеспечивается электронным блоком управления. Пример разомкнутой схемы управления ШД на рисунке 4, а.

Сигнал управления fупр в виде импульсов напряжения поступает на вход блока 1, преобразующего последовательность импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов (в соответствии с числом фаз шагового двигателя).

Блок 2 формирует эти импульсы по длительности и амплитуде, необходимым для нормальной работы коммутатора 3, к выходам которого подключены обмотки шагового двигателя 4. Коммутатор и остальные блоки питаются от источника постоянного тока 5.

При повышенных требованиях к качеству дискретного привода применяют замкнутую схему шагового электропривода (рисунок 4, б), которая кроме шагового двигателя включает преобразователь П, коммутатор К и датчик шага ДШ. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала рабочего механизма РМ и скорости шагового двигателя поступает на вход автоматического регулятора, который обеспечивает заданный характер движения привода.

К разомкнутым системам относится система стабилизации скорости, двигателя. Эта система обеспечивает задание и механическую стабилизацию на заданном уровне скорость двигателя, компенсируя возмущающие воздействия.

САУ со следящим управлением обеспечивает согласованность угловых положений входного и выходного валов, посредством сравнения сигналов с датчиков этих валов. Адаптивная САУ осуществляет наилучший выбор режима работы электропривода посредством вычислительного устройства. САУ с программным управлением обеспечивает автоматическое управление приводами по заранее заданной программе.

Такая система разрабатывается в курсовой работе, функциональная схема этой системы приведена на рисунке 5.

В курсовой работе разрабатывается система автоматического управления электроприводом, построенная на основе «жёсткой логики» с кодовым параллельным вводом информации по состоянию исполнительного механизма и цифровыми сигналами со стороны блока обратной связи.

Система работает по определенному алгоритму, обусловленному структурой схемы

Входной информацией является:

- параллельный код скорости подачи;

- параллельный код перемещения исполнительного механизма.

Информацию со стороны блока обратной связи принимают от

- фотоэлектрического датчика нулевого перемещения, работающего в световом диапазоне излучения и выдающего один установочный импульс, соответствующий исходному положению рабочего органа исполнительного механизма;

- фотоэлектрического растрового преобразователя перемещения, состоящего из двух фотоэлектрических датчиков, работающих в видимом диапазоне излучения и линейного измерительного штрихового растра, прерывающего световой поток.

Разработку системы проводим на основе цифровой серии К555, имеющей диапазон напряжения питания . В качестве генератора импульсов используем интегральный таймер КР1006ВИ1.

 

 

1 Разработка функциональной иструктурной схемы

САУ электроприводом

1.1Характеристика используемого в электроприводе двигателя

Импульсныйэлектродвигательпредставляют собой синхроннуюмикромашину, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от электронного коммутатора. В электроприводе используется активный ШД с ротором, выполненнымв виде звёздочки литой или составной конструкции без полюсных наконечников с числом магнитных полюсов 2р = 16. Статор имеет 32 явновыраженных полюса, вокруг которых в полузакрытых пазах размещаются катушки двухфазной обмотки якоря, число пазовна полюс ифазу q = 1, то есть обмотка сосредоточенная. Катушки обмоток управления сдвинуты относительно друг друга на угол 90 электрических градусов. В ШД используется четырёхтактная симметричная коммутация с попарным включением обмоток:(+1)(+2)-(-1)(+2)-(-1)(-2)-(+1)(-2). Электронный коммутатор преобразует последовательность управляющих импульсов в двухфазную систему двухполярных прямоугольных импульсов напряжения. При подаче напряжения на любую из обмоток управления входящие в ее состав полюсы намагничиваются в следующей последовательности: N, S, N, S, N, S… Под действием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом.

Шаг двигателя:

,

где - число пар полюсов;

- число тактов в одном цикле .

Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты подачи импульсов и определяется:

.

Решая условие задания получаем, что используемый импульсный двигатель имеет:

.

 

Реверсирование вращения двигателя осуществляется изменением последовательности фазирования управляющих импульсов напряжения, подаваемого на обмотки.

 

1.2 Разработка функциональной схемы САУ электроприводом с ШД

 

Функциональная схема изображена на рисунке 5.

Блок обратной связи (ОС) строится по принципу абсолютного измерения перемещения с фиксированным для данной координаты нулем. Характер выходного сигнала блока ОС предопределяет структуру блока сравнения программы и ОС по перемещению. В результате вычислительных операций в блоке сравнения формируется сигнал рассогласования, представленный в виде прямого или обратного кода

Блок формирования управляющего алгоритма, является следующим в контуре следящего привода за блоком сравнения. Он преобразует сформированную последовательность управляющих импульсов в систему двухфазных прямоугольных импульсов, а также осуществляет усиление их по мощности.

Поскольку управление системой осуществляется одновременно по двум параметрам: скорости подачи и перемещению, то запись программы в параллельном коде может быть задана только по кадрам. Причем в каждом кадре управляющей программы может быть своя скорость подачи. При этом на стыке участков, описываемых соседними кадрами, вероятны недопустимо большие перепады в задаваемых значениях скорости. Кроме того перемещения, задаваемые управляющей программой, могут носить как положительные, так и отрицательные значения. В подобной ситуации необходимо обеспечить требования сохранения синхронизма работы ШД при изменении частоты управляющих импульсов и предотвратить вероятную потерю шага.

Для каждого ШД существует некоторая предельная частота подачи управляющих импульсов , при которой ротор еще следует за полем статора. Эта частота называется частотой приемистости. Предельная частота, при которой осуществляется торможение ШД без потери синхронизма, выше частоты приемистости, однако предельная частота реверса, при которой реализуется реверс без выпадения из синхронизма, составляет .

По этой причине разрабатываемую систему необходимо оснастить блоком управления скорости подачи, обеспечивающего автоматический постепенный разгон или плавное торможение скорости подачи при переходе от одного кадра к следующему.

 

 

1.3 Разработка структурной схемы САУ электроприводом

 

Разрабатываемая цифровая система имеет параллельный ввод информации управляющей программы, параллельный опрос датчиков ОС и последовательная обработка информации цифровым автоматом.

Структурная схема САУ электроприводом изображена на рисунке 6.

Рассмотрим назначение и работу элементов, входящих в структурную схему.

Датчики перемещения, разделены на две группы: датчик нулевого перемещения и два датчика, работающих совместно с линейным измерительным штриховым растром.

Датчик нулевого перемещения осуществляет приведение в исходное состояние при нахождении в исходном положении рабочего органа исполнительного механизма, а именно осуществляет сброс счетчика текущего перемещения.

Два других датчика и линейный штриховой растр, совместно образуют первичный преобразователь перемещения растрового типа, работающего на прерывание светового потока. При линейном перемещении измерительного тракта относительно неподвижных фотодатчиков происходит модуляция светового потока в функции перемещения, т.е. периодическое изменение освещенности датчиков, расположенных за полем растрового сопряжения.

Для того, чтобы обеспечить реверсивный счет растрового преобразователя перемещения, фотодатчики должны выдавать два сигнала, сдвинутых по пространственной фазе на относительно друг друга. Это достигается соответствующим размещением датчиков.

Сигналы с датчиков поступают на блок формирователя сигнала перемещения, где происходит удвоение импульсов от фотоэлектрического преобразователя перемещения.

Таким образом разрешающая способность растрового преобразователя перемещения:

мм,

где - угол сдвига фаз между измерительными элементами

Формирователь сигнала перемещения модулирует количество импульсов равное:

,

где - количество импульсов, формируемое на одном шаге растра.

Кроме счетных импульсов формирователь должен выдавать сигнал, определяющий направление перемещения.

Счетчик текущего перемещения должен быть построен по реверсивной схеме счета. Направление счета определяется импульсом с формирователя. Разрядность счетчика должна быть равна:

.

Регистр перемещения предназначен для хранения входного параллельного кода перемещения рабочего органа исполнительного механизма в течение одного кадра. При максимальной величине перемещения и шаге перемещения, разрядность регистра равна:

.

Таким образом, устройство сравнения кода программы перемещения и текущего перемещения должна иметь разрядность равную 8. Устройство сравнения обязано выдавать три сигнала: "больше” (>), "меньше” (<), "равно” (=), в зависимости от величины сравниваемых кодов.

Рассчитаем разрядность регистра скорости подачи, предназначенного для хранения входного параллельного кода скорости подачи рабочего органа исполнительного механизма.

Поскольку максимальнаячастота питающего напряжения, то частота вращения ротора двигателя . При шаге поскорости разрядность регистра скорости подачи

.

Такой же разрядностью должен обладать и регистр рабочей скорости, в котором осуществляется временное хранение кода скорости вращения ротора.

Необходимо ввести в блок управления скоростью подачи специальный модуль обеспечивающий автоматическое плавное торможение и разгон ШД при переходе от одного кадра к другому. В качестве такого модуля используем пропорциональный регулятор (p - регулятор). Пропорциональное управление скоростью подачи заключается в умножении кода рассогласования на некоторую константу. Для САУ электропривода ШД уравнение, реализуемое цифровым p - регулятором

где: – текущая скорость подачи на i-м шаге регулирования;

– скорость подачи на предыдущем шаге регулирования;

– исходная (задаваемая) скорость подачи;

() – код рассогласования;

m – коэффициент пропорциональности (постоянная величина).

Код рассогласования можно получить используя устройство сравнения абсолютных величин, например, с применением счетчика, работающего в режиме вычитания импульсов. Чтобы обеспечить устойчивость системы, необходимо выбрать величину шага регулирования Тш и коэффициент пропорциональности ( m ).

Поскольку предельная частота реверса ШД без выпадения из синхронизма составляет , то минимальная величина периода реверса равна:

Принимаем

Коэффициент пропорциональности при управлении по одной координате равен 0,577.

Выбираем .

Цифровой параллельный код скорости, находящийся в рабочем регистре скорости, необходимо преобразовать в частоту, причем:

, Гц.

где – скорость вращения;

– число тактов в цикл;

– число пар полюсов ШД;

= 12 – коэффициент деления частоты, при преобразовании в m-фазную систему прямоугольных импульсов возбуждения ШД в кольцевом реверсивном коммутаторе фаз.

По условию задания частота подачи импульсов на ШД может меняться в пределах , поэтомунепосредственное преобразование«код – частота» довольно сложно, т.к. при стремлении , период , а в этом случае цифровой блок должен иметь высокую точность счета, причем реализовать гиперболическую функцию . Чтобы обойти эту функцию при преобразовании параллельного кода в частоту используем двойное преобразование «код – аналоговый сигнал – частота». Поэтому цифровой параллельный код, находящийся в рабочем регистре скорости, с помощью ЦАП преобразуется в его аналоговый эквивалент, а затем, аналоговый сигнал подается на вход ПНЧ, где напряжение преобразуется в последовательность импульсов с частотой следования, пропорциональной этому напряжению, т.е. в ПНЧ используется метод преобразования напряжения во временные интервалы.

Таким образом на выходе ПНЧ должны получить частоту . Последняя подаётся на коммутатор фаз, где производится формирование m-фазной системы в прямоугольные импульсы, причём двухполярному импульсу соответствую два положительной полярности, один из которых в усилителе постоянного тока (УПТ) преобразуется в импульс отрицательной полярности, также в УПТ производится усиление сигнала по мощности и контроль перегрузки исполнительного двигателя по току. Выходы двухфазного УПТ непосредственно подключаются к обмоткам ШД.

 

2 Разработка электрическойпринципиальной схемы САУэлектроприводом

2.1 Разработка схемы оптического датчика и формирователя сигнала перемещения

 

Разработку принципиальной схемы системы начнем с разработки схемы оптического датчика и формирователя сигнала перемещения. Электрическая схема датчика и формирователя сигнала перемещения представлены на рисунке 7. Поскольку электрическая схема разрабатывается на основе серии К555, имеющей входной ток лог. 0 , то оптические датчики, построенные на основе фотодиодов нельзя включать непосредственно к входу логического элемента без предварительного усиления по току.

Для усиления тока воспользуемся повторителем напряжения на базе операционного усилителя DA1 (данную схему называют буфером).

Резистор R1 необходим для ограничения обратного тока фотодиода в соответствии с его техническими характеристиками, но необходимо обеспечить .

Электрическая часть датчика начала перемещения выполнена на DD1.1, DD1.2 и резисторе положительной обратной связи (ПОС) R7, необходимого для ускорения процесса переключения схемы.

Электрическая часть датчиков перемещения выполнена на DA2, DD1.3, DD1.4 и DA3, DD1.5, DD1.6 по аналогичной схеме. Растровый преобразователь перемещения выполнен на элементах DD2, DD3, DD4. Временные диаграммы работы изображены на рисунке 8.

Сформированные, прямоугольные импульсы, поступающие от датчиков, сдвинутых по фазе на 90°, подвергаются дифференцированию.

В результате в точке В производится выделение переднего фронта импульса датчика VD2, а в точке С - спад импульса этого датчика. Таким образом? прямые и инверсные импульсы датчика VD3 и продифференцированные импульсы от датчика HL2 поступают на соответствующие входы схемы совпадения, построенной на DD2 и DD3. В результате работы схемы совпадения в точке F формируются импульсы прямого хода растрового преобразователя перемещения, а в точке G - обратного хода. При перемещении растра на один шаг формируются 2 импульса, т.е. принципиальная схема обладает разрешающей способностью 1/2 шага растра. Для определения знака перемещения в схему введен асинхронный прямой RS-триггер, построенный на DD4.1 и DD4.2, выдающий на выходе логическую 1 при прямом ходе растрового преобразователя перемещения и логический 0 при обратном ходе. Объединение счетных импульсов прямого и обратного хода производится с помощью DD4.3.

Интегрирующая цепь R9, C3 предназначена для осуществления задержки счетных импульсов на время больше, чем время задержки переключения ТТЛШ-схем (более 20 нс).

Таким образом мы обеспечиваем счет импульсов перемещения с помощью реверсивного счетчика текущего перемещения без потери одного счетного импульса, поступающего во время реверсирования направления движения рабочего органа исполнительного механизма.

 

2.2 Разработка блока «регистр перемещения - устройства сравнения - счетчик текущего перемещения»

 

Принципиальная схема блока «регистр перемещения - устройства сравнения - счетчик текущего перемещения» приведена на рисунке 9.

Используя справочник, в качестве регистра перемещения выберем две микросхемы D-триггеров (DD5, DD6) типа K555TM8, загрузка которых будет осуществляться высоким уровнем напряжения в момент смены кадра управляющей программы.

В качестве счётчика текущего перемещения используем два 4-х разрядных двоичных реверсивных счётчика (DD9, DD10) типа К555ИЕ17, выполненных на JK-триггерах и включённых по синхронной схеме переноски. Обнуления можно достигнуть, загружая в счетчик число 0000 и на вход разрешения предустановки РЕ подавая логическую единицу от ФНО.Реверсирование направления счета счетчика производится сменой напряжения на выходе RS-триггера знака перемещения (DD4.1, DD4.2)..

Выходное слово счетчика текущего перемещения подается на входы X цифрового компаратора (DD7, DD8), на входы Y которого поступает параллельный код управляющей программы, хранящейся в регистре перемещения. Компаратор выполнен на микросхемах К555СП1, включенных по стандартной схеме наращивания разрядности.

Компаратор имеет три выхода ( Y=X , Y>X , Y<X), причем в любой момент времени, только один из них является активным (логическая 1), в зависимости от соотношения кодов слов X и Y.

Если код управляющей программы (слово Y) больше выходного кода счетчика текущего перемещения (слово X) (Y>X), то это означает, что на этом кадре программы требуется положительное перемещение рабочего органа исполнительного механизма, а следовательно "прямое” вращение ШД, иначе (если Y<X) требуется обратное вращение ШД. Равенство кодов на выходе компаратора (Y=X) означает, что данный кадр управляющей программы обработан, т.е. необходимо выдать сигнал "конец кадра” и одновременно остановить исполнительный орган.

Таким образом, все сигналы выходов компаратора являются управляющими сигналами кольцевого реверсивного коммутатора фаз ШД.

 

2.3 Разработка блока «регистр скорости подачи - устройства сравнения - p-регулятор – регистр рабочей скорости»

 

Для реализации схемы p-регулятора детально проработаем его структуру (рисунок 10).

Исходным параметром канала регулирования скорости подачи является семиразрядный параллельный код управляющей программы, хранящейся в течение одного кадра в регистре скорости подачи. В регистре рабочей скорости находится параллельный цифровой код, управляющий частотой вращения ШД. Назначение p-регулятора состоит в том, чтобы обеспечить автоматический плавный переход от скорости в одном кадре управляющей программы к скорости в следующем кадре.

При разработке общей структурной схемы системы было получено уравнение пропорционального регулирования скорости:

Код рассогласования между программой скорости и текущей скоростью подачи на предыдущем (i-1) шаге регулирования можно получить с помощью счетчика, работающего в режиме вычитания импульсов, - счетчика вычисления ошибки.

Для реализации схемы счетчика необходимо в начале загрузить счетчик, по параллельным входам, исходным кодом из регистра скорости подачи, а затем вычесть из этого значения количество импульсов, соответствующее коду, который хранится в регистре рабочей скорости.

В случае, если код управляющей программы (программа скорости) больше кода рабочей скорости на шаге регулирования, то на выходе счетчика вычисления ошибки формируется двоичное значение разности, представленное в прямом коде. Иначе – двоичное значение разности в обратном коде.

Для того, чтобы получить количество импульсов, соответствующее коду рабочей скорости воспользуемся следующим схемотехническим приемом: код рабочей скорости на шаге регулирования необходимо загрузить в счетчик, работающий в режиме вычитания импульсов, подаваемых с внешнего генератора импульсов. Назовем этот счетчик - счетчиком вычислительной серии. Как только счетчик досчитает, в режиме вычитания импульсов, до нулевого значения на своем выходе, необходимо блокировать поступление на его счетный вход импульсов с внешнего генератора элементом И-НЕ.

Таким образом, количество импульсов, поступивших от внешнего генератора на счетный вход этого счетчика будет равно коду, первоначально загруженному в него по параллельным входам.

Далее следует реализовать умножение кода рассогласования на константу пропорционального управления, величиной . Реализация схемы деления достигается соответствующим соединением выходов счетчика вычисления ошибки со входами параллельной загрузки счетчика рабочей скорости.

Счетчик рабочей скорости должен работать в режиме сложения импульсов, для того, чтобы окончательно реализовать уравнение . Произведение, стоящее в правой части уравнения, уже вычислено и может быть загружено по параллельным входам в счетчик рабочей скорости. Количество импульсов, соответствующее коду рабочей скорости на шаге регулирования можно получить, если вновь запустить и просчитать импульсы с помощью счетчика вычислительной серии

Во время второго просчета импульсов с помощью счетчика вычислительной серии и поступления этих импульсов на счетчик рабочей скорости необходимо блокировать работу счетчика вычисления ошибки.

Результатом работы всего блока является параллельный код, формируемый на выходах счетчика рабочей скорости, который затем необходимо перезагрузить в регистр рабочей скорости.

Для обеспечения устойчивости работы исполнительного двигателя без выпадения из синхронизма, в канал регулирования скорости необходимо ввести временную задержку, обеспечивающую величину шага регулирования.

В p-регуляторе необходимо последовательное выполнение операций вычисления при определении рабочей скорости на -м шаге. В связи с этим в схему p-регулятора следует ввести блок управления (БУ), синхронизирующий последовательность выполнения вычислений текущей скорости подачи рабочего органа исполнительного механизма.

Временная диаграмма работы p-регулятора представлена на рисунке 11. В соответствии с временной диаграммой разрабатываем принципиальную схему блока управления p-регулятором. Генератор DA6, выполненный на микросхеме (МС) К1006ВИ1 генерирует на своём выходе (точка А) частоту (). С помощью элемента «исключающее или» DD21.1 происходит инвертирование импульсов (точка В) с выходов генератора. Загрузка счетчика рабочей скорости параллельным кодом производится после вычисления кода рассогласования в счетчике вычисления ошибки и осуществляется по заднему срезу импульсов генератора (точка Е). Выделение среза импульса генератора производится с помощью дифференцирующей цепиC10, R42 и DD21.4, включенного по схеме инвертора. Загрузка счетчика вычислительной серии проводится дважды за период частоты с генератора DA6, причем момент загрузки сдвинут по времени в сторону запаздывания для того, чтобы избежать явления "гонки сигналов” в последовательной схеме. Вначале необходимо загрузить счётчик вычисления ошибки и счётчик рабочей скорости и только затем подавать на них импульсы. Временной сдвиг периодаимпульсов генератора DA4 производится с помощью интегрирующей цепи C11, R39. Деление частоты происходит путём сравнения исходного сигнала и сигнала сдвинутого по фазе на выходе интегрирующего звена (R41, C12) на DD21.3.

На рисунке 13 приведена принципиальная схема блока «регистр скорости подачи - устройство сравнения - p-регулятор – регистр рабочей скорости», включающий в себя:

- регистр скорости подачи, выполненный на D-триггерах (DD11,DD12), на микросхемах К555ТМ8, загружаемый параллельным кодом внешней управляющей программой;

- счётчик вычисления ошибки (DD13,DD14) на микросхемах К555ИЕ17;

- счётчик рабочей скорости (DD15,DD16) на микросхемах К555ИЕ17;

- регистр рабочей скорости на микросхемах К555ТМ8 (DD15,DD16);

- счётчик вычислительной серии (DD9,DD10,DD22.3), производящий вычисление счётных импульсов, соответствующих коду рабочей скорости на i-шаге, на микросхемах К555ИЕ17.

 

2.4 Разработка цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

 

ЦАП предназначен для преобразования параллельного цифрового кода рабочей скорости привода в аналоговый эквивалент и построен по простейшей схеме на резистивной матрице R-2R (R13...R26). Сигнал на матрицу подается с выходов регистра рабочей скорости.

 

2.5 Разработка преобразователя «напряжение-частота»

 

Преобразователь «напряжение-частота» (ПНЧ) (рисунок 14) предназначен для преобразования входного напряжения в последовательность импульсов с частотой следования, пропорциональной значению этого напряжения и, по сути, представляет собой АЦП с представлением информации в виде последовательности импульсов. В ПНЧ используется метод сбалансированной зарядки и разрядки, называемый методом двойного интегрирования.

Преобразователь напряжение - частота состоит из следующих блоков:

- компаратора DA5;

- интегратора наОУ DA4, R27 и С4;

- генератора на DA7 и элементах R33, R34, R35, C5 и С6;

- источника тока на VT3, VD5 и R29;

- цифрового одновибратора, построенного на счетчике DD24 и лог. элементе DD23.2 ;

- согласующих элементов VD6, VT4, R31;

- дифференциального коммутатора VT2, VT1, R28 и VD4.

В качестве счётчика DD24 выберем МС К555ИЕ17, в качестве DD23 - - К555ЛА3.

Временная диаграммаработы ПНЧ приведенана рисунке 15.

Преобразователь работает циклически. В течении первой части цикла, продолжительность которой равна длительности выходного импульса, интегратор на ОУ DA4 интегрирует входной ток, протекающий через R27, а во время второй - интегрирует ток от источника стабильного тока на VT3.

В начале первой части цикла на выходе DA4 (точка С3) присутствует определенное напряжение, положительной полярности (момент t1). В этом случае на выходе компаратора DA5 (точка D3) высокий потенциал. Счетчик DD24 блокирован подачей "1” на вход «запрет счёта» и счетные импульсы, поступающие с генератора DA3 не вызывают изменений на выходе счетчика.

Напряжение логической "1”, подаваемое на базу, открывает VT4, что в свою очередь вызывает насыщение VT2 дифференциального коммутатора, поскольку . В это же время VT1 дифференциального коммутатора находится в состоянии отсечки, т.к. . В такой ситуации источник стабилизированного тока работает в холостую (ток протекает с общего провода через открытый VT2). По мере зарядки конденсатора С4 входным током, напряжение на выходе DA4 уменьшается. Когда оно становится равным нулю (момент t2), срабатывает компаратор DA5. Высокий потенциал на его выходе сменяется низким, что вызывает сброс счетчика DD2 и он разблокируется подаче логической 0 на вход «запрет счёта».

С этого момента начинается 2-я часть цикла преобразования (момент t2 ... t3). На вход счетчика поступают импульсы с генератора DA7. После прохождения восьми импульсов DD24 вновь блокируется выходным сигналом на вход сброса. Таким образом, на выходе ПНЧ формируется импульс, длительность которого равна восьми периодам колебаний генератора. Во время работы счетчика DD24 транзистор VT4 находится в отсечке, поскольку на базу подается логический 0. На базе VT2 находится высокий отрицательный потенциал и, следовательно, он находится также в отсечке. В этом случае , следовательно транзистор VT1 находится в насыщении, и через него начинает протекать ток источника стабильного тока. Ток источника больше входного, поэтому напряжение на выходе интегратора в течении 2-й части цикла возрастает (конденсатор разряжается на источник), а на выходе компаратора устанавливается высокий потенциал. После окончания импульса одновибратора устройство возвращается в исходное состояние и начинается новый цикл преобразования. Чем больше напряжение на выходе ЦАП, тем круче кривая заряда конденсатора, тем быстрее заряжается С4 входным током ПНЧ и тем выше формируемая им частота на выходе.

 

2.6 Разработка кольцевого реверсивного коммутатора фаз

 

Кольцевой реверсивный коммутатор фаз необходимо выполнить для четырёхтактной симметричной разнополярной коммутации (+1)(+2)-(-1)(+2)-(-1)(-2)-(+1)(-2). Причём последующий такт отличается от предыдущего полярностью напряжения на одной из фаз. Основой кольцевого коммутатора фаз является счётчики DD29, DD30, DD31, DD32 на МС К555ИЕ17. Счётчик DD29 обслуживает импульс положительной полярности первой фазы (+1) , DD30 - импульс отрицательной полярности первой фазы(-1), DD31 - импульс положительной полярности второй фазы (+2), DD32 - импульс отрицательной полярности второй фазы (-2). Причём+1 запускает +2 или -2, +2 запускает -1 или +1, -1 запускает -2 или +2, -2 запускает +1 или -1. Под запуском подразумевается подача лог. 0 на вход РЕ параллельной загрузки и разрешением счёта. Выдача заднего фронта третьего импульса предыдущим счетчиком запускает следующий. На шестом импульсе счёта счётчик блокируется и на УПТ подаётся лог. 1.

Работа коммутатора основана на выдаче второго импульса счёта, предназначенного для запуска следующей фазы и блокировки счёта по заднему фронту второго импульса.

Логический элемент DD24.1 служит для переключения чередования фаз коммутатора при реверсировании вращения ШД.

 

3 Расчет элементов схемы САУ электроприводом

 

3.1 Расчёт дифференцирующих цепей

 

Выходы дифференциальных цепей подключены к входам ТТЛШ-логики серии 555, работающей на частоте не выше , поэтому для правильного функционирования разработанной схемы необходимо обеспечить длительность сформированного дифференцирующей цепью импульса не менее:

мкс.

Учитывая, что переключение микросхемы происходит при , то это напряжение на резисторе R достигнет момента отключения через .Сопротивление R выбираем из условия, чтобы не нагружать выход логического элемента.

Для К555 .

Выбираем сопротивлениеи рассчитаем значение емкости С:

.

Выбираем ёмкость конденсатора.

Принимаем R10 = R11 = R40 = R42 = R43 = R44 = R45 = R46 = 625 Ом.

Принимаем С1 = С2 = C9 = C10 = C13 = C14 = C15 = C16 = 510 нФ.

 

 

 

 

3.2 Расчет интегрирующих цепей

 

Расчет проводится аналогично расчету дифференцирующих цепей, за тем исключением, что длительность формируемого импульса должна быть больше времени задержки переключения микросхем данной серии. Для ТТЛШ .

Примем , .

Выбираем емкость конденсатора.

ПринимаемR12 = R39 = R41 = 750 Ом.

Принимаем С3 = С11 = C12 = 166 пФ.

 

3.3 Расчет генератора импульсов блока управления p-регулятора

 

Используя рекомендации технических условий на КР1006ВИ1, номинал С8=0,01 мкФ, а С7≥100 пФ.

В главе 1 была рассчитана величина шага регулирования .

Генератор на основе интегрального таймера К1006ВИ1 формирует на выходе прямоугольные импульсы, период которых:

Для работы p-регулятора, генератор должен формировать сигнал со скважностью близкой к 2, в этом случае R1 следует выбирать много меньше R2.

Принимаем ;

.

Проведем проверку:

.

 

3.4 Расчет схемы цифро-аналогового преобразователя

 

Расчет резистивной матрицы ЦАП (рисунок 14) типа R-2R производим исходя изсоображения, чтобы резистивная матрица не перегружала выходы регистра рабочей скорости. Поскольку у микросхемы К555ТМ8 , то величины резисторов R13, R15, R17, R19, R21, R23, R25 определяются из выражения:

Примем.

В таком случае

 

3.5 Расчет схемы преобразователя «напряжение-частота»

 

Данную схему можно реализовать без делителя напряжения, т.е. выход ЦАП соединяем непосредственно с ОУ DA4.

Рассчитаем максимальную частоту импульсов на выходе ПНЧ:

.

Максимальную частоту импульсов ПНЧ принимаем с запасом .

Рассчитаем частоту генератора на DA7 и элементы схемы обвязки интегрального таймера: , где- коэффициент деления частоты на счётчике DA21. Принимаем с запасом .

.

Выбираем , .

Предварительно рассчитаем R26:

Окончательно получаем .

Интегральный таймер DA7 выполнен по схеме общим коллектором и в этом случае для его работы необходим R35, а т.к. он работает на ТТЛШ-логике, то его выходной ток необходимо сделать соизмеримым с выходным током логического элемента, т.е. для серии К555 - .

.

Принимаем .

Аналогичным образом рассчитывается R32, поскольку компаратор DA2 также имеет выход общего коллектора и работает на ТТЛШ-схему.

Принимаем .

Рассчитаем схему дифференциального ключа и источника стабильного тока.

Транзисторы VT1 и VT2 должны иметь минимальный обратный ток коллекторно-эмиттерного перехода для того, чтобы устранить утечку входного тока заряда конденсатора С4. Используя справочник, в качестве транзисторов VT1,VT2,VT3 и VT4 выбираем транзисторы КТ214Д1 со следующими параметрами:

; ; ; .

Работа дифференцирующего ключа на VT1 и VT2 возможна, если обеспечить смещение БЭ переходов транзисторов относительно точки Н3 на 0,6B. Для этой цели используются стабилитроны VD4 и VD6.

В случае, когда VT2 находится в насыщении, а источник тока работает в холостую, транзистор VT1 должен находится в глубокой отсечке, т.е. . В такой ситуации глубокую отсечку VT1 можно обеспечить если уменьшить на величину более чем

.

Исходя из этого выбираем напряжение смещения базы VT1 и тип стабилитрона VD4. Выбираем стабилитрон имеющий самое малое напряжение стабилизации типа КС115А и обладающий следующими параметрами:

; ; .

Для обеспечения стабильности тока источника необходимо жёстко стабилизировать транзистора VT3 с помощью стабилитрона VD5. В качестве такого выбираем КС130Д1, имеющий:

; ; .

Рассчитаем сопротивление R28, ограничивающее ток стабилизации стабилитронов VD4 и VD5.

.

Поскольку стабилитрон VD5 обладает меньшим значением максимального Icт, то расчёт проводим по его параметрам

IR28 =Iст номVD5=8,5 мА;

;

.

Принимаем R28 = 100 Ом.

РезисторR30, подключенный к базе VT2 необходим для глубокой отсечки транзистора. Открыть его можно, подав на базу потенциал, равный . VT4 работает в ключевом режиме и в состоянии насыщения. Чтобы получить на базе VT2 , напряжение необходимо погасить с помощью стабилизатора VD6.

В качестве VD6 выбираем 2С130Д-1 со следующими параметрами:

; ; .

Определим сопротивление резистора R30:

.

Выбираем .

РассчитаемR29, задаваясь током разряда интегратора .

определим:

,

,

,

,

,

.

Выбираем.

Рассчитаем входное сопротивление ПНЧ и емкость конденсатора в интеграторе.

Интегрирование входного тока происходит только за часть периода. Во второй части периода идет отбор входного тока на источник стабильного тока, причем длительность 2-й части периода определяется скважностью:

Определим входное сопротивление R27:

Выбираем.

В первой части периода идет интегрирование входного сигнала ПНЧ, а источник тока отключается от интегратора.

Входной ток ПНЧ будет равен:

Проверим соотношение токов ЦАП и ПНЧ.

Ток ЦАП: ,

Входной ток ПНЧ .

Таким образом соотношение токов равно 16 и ПНЧ не будет нагружать ЦАП.

Рассчитаем емкость конденсатора С4:

Принимаем емкость с запасом .

Резистор R31 необходим для ограничения выходного тока элемента DD21 ( К555ИЕ17) .

,

Принимаем.