Разработка цифрового блока управления (стр. 1 из 2)
Содержание
Условие
1 Функциональная схема ЦБУ
2 Принцип действия
3 Импульсный датчик
4 Формирователь импульсов
5 Счетчик импульсов
6 Командные триггеры
7 Импульсные усилители мощности
Список используемой литературы
Условие
Объект разработки
Разработать цифровой блок управления (ЦБУ), резьбонарезным шпинделем обеспечивающим автоматически заданное количество оборотов метчика при прямом и обратном ходе, реверсирование и останов 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.
Исходные данные (Вариант № 33):
1. Элементная база – КМОП
2. Количество оборотов:
прямой ход kп=5+n=5+3=8;
обратный ход kо=6+n=6+3=9;
3. Относительный световой ток фотодиода
где IC - световой ток, IT - темновой ток
4. Напряжение питания электродвигателя UЭД=110 В
5. Ток электродвигателя IЭД=0,2*(n+1)=0.2*(3+1)=0.8 А
1 Функциональная схема ЦБУ
Рисунок 1 - Функциональная схема
На рисунке 1 изображена функциональная схема, в состав которой входят:
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.
Светодиод выбирается с ИК-спектром излучения для уменьшения влияния окружающего светового фона.
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.
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 значения 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 Шмита.
Р – редуктор, предназначен для уменьшения скорости вращения и увеличения крутящего момента.
2 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 8-го импульса ТПХ и 1-ый счётчик обнуляются, переключая триггер ТОХ в единичное состояние. При счете 15-го импульса вырабатывается сигнал, который обнуляет командный триггер ТОХ в логический ноль и сбрасывает 2-ой счетчик. Двигатель останавливается.
Для реализации устройства используем ИС серий К1554 и К1561.
Параметры ИС серии К1554:
Uп min, В 2
Uп max, В 6
При Uп = 5,0 В±10%:
U1вх min, В 3,15 - 3,85
U0вх max, В 1,35 – 1,65
Iвых max, мА 24
Параметры ИС серии К1561:
Uп min, В 3
Uп max, В 18
При Uп = 5,0 В±10%:
U1вх, В 4,95
U0вх, В 0,05
Iвых max, мА 24
Рассмотрим каждый элемент функциональной схемы.
3 Импульсный датчик
Импульсный датчик изготавливается из излучателя и фотоприемника. Их располагают по обе стороны диска, установленного на валу редуктора. Диск имеет одно отверстие.
В качестве излучателя используем инфракрасный светодиод минимального габарита и максимальной мощности VD1 АЛ107Б с параметрами : Uпр.макс=1.85 В Iпр.макс=100 мА РЕ= 9 мВт lМИН=940 нм lМАКС=965 нм
Рисунок 2 - Схема принципиальная фотоэлектрического импульсного датчика.
цифровой блок управление датчик
ИК спектр излучения дает возможность совместно с ИК светофильтром на фотоприемнике исключить влияние фоновой засветки на выходной сигнал ФИД.
Резистор R1 задает номинальный ток
IПР.НОМ.=0,15*IПР.МАКС.=15 (мА)
Такой выбор позволит увеличить срок службы излучателя, а также обеспечить необходимый уровень потока излучения.
При Uп=5 В
Выберем R1 из стандартного ряда Е24:
R1=220 Ом ±5% тип МЛТ 0.25
В качестве фотоприемника выбираем кремниевый фотодиод КДФ111Г2, который имеет сравнительно небольшой темновой ток Iт=1 мкА и большую термостабильность.
Определим Ic=18*Iт = 18 мкА.
Выбор R2 обуславливается необходимым выходным сигналом датчика. Так как элементная база КМОП, то для получения необходимого уровня логической единицы требуется напряжение примнрно 3,5 В
Следовательно:
U1ФИД.ВЫХ=U1ФИ.ВХ= 3,5 В
Выберем R2 из стандартного ряда Е24:
R2= 200 КОм ±5% тип МЛТ 0.25
Учтем, что излучатель и приемник надо жестко, соосно зафиксировать. Ширина же диска нам не известна. Вынесем светодиод и фотодиод за пределы печатной платы, оставив лишь резисторы R1 и R2. Для этого сделаем на монтажной схеме 2 входа: VD1, VD2.
Определим выходные сигналы ФИД:
1. Темновой сигнал: Uт=Iт·R2=1·10-6·200·103=0,2 В
2. Световой сигнал: Uc=Ic·R2=18·10-6·200·103=3,6 В
4. Формировательимпульсов
Формирователь импульсов можно изготовить на основе триггера Шмитта, который имеет пороги срабатывания и отпускания, между которыми существует зона гистерезиса 2,6 В.
Таким образом, передаточная (статическая) характеристика элемента Шмитта двухпороговая. Она показана на рисунке 3.
Рисунок 3
Выбираем микросхему К1561ТЛ1, в корпусе которой содержится четыре двухвыводных элемента «И-НЕ». Так как в формирователе импульсов используем только один, три других можно применять, как обычный логический элемент.
Для нормальной работы ФИ, должно выполняться 2 условия:
В данном случае
Следовательно, условия выполняются:
Рисунок 4 Схема формирователя импульсов.
5. Счетчик импульсов
Для построения счетчика импульсов используем режим обратного счета с предварительной записью. Используем 4-х разрядный реверсивный двоичный счетчик с асинхронной предустановкой, с асинхронным сбросом и разделенными тактовыми входами - К1554ИЕ7. Используем 2-а таких счетчика(т.е. один для прямого, другой для обратного счета хода метчика).
Диапазон начальных значений Кп и Ко отображен в следующей таблице:
| Номерсчётчика | КД(10) | КД(2) (записываемое в счетчик число) | |||
| D0 | D1 | D2 | D3 | ||
| DD1 | 8 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| DD2 | 6 | 0 | 1 | 1 | 0 |
Подавая импульс кнопкой SB1, записываем число 8 в счетчик DD1 и начинаем обратный счет. При счете ≤0 импульс, сигналом с выхода займа, обнуляем командный триггер ТПХ, устанавливаем логическую единицу на триггере ТОХ, а так же подаем разрешающий сигнал на запись 8 во второй счетчик DD2. Второй счетчик работает в режиме прямого счета. При счете ≥15 импульса сигнал с выхода переноса счетчика обнуляет ТОХ и счетчик DD2
6. Командные триггеры
В начальный момент времени для стабильной работы ЦБУ необходимо обнулить командные триггеры:
Рисунок 5 – Схема формирования сигнала сброса.
Для ЛЭ серий К1554 и К1561
Время задержки приблизительно равно Τ=3,5 нс на вентиль, таким образом для гарантированного сброса все микросхем T= 20 мс.
Выберем R4 из стандартного ряда Е24: