Содержание
Условие
1Функциональная схема ЦБУ
2Принцип действия
3Импульсный датчик
4Формирователь импульсов
5Счетчик импульсов
6Командные триггеры
7Импульсные усилители мощности
Списокиспользуемой литературы
УсловиеОбъект разработки
Разработатьцифровой блок управления (ЦБУ), резьбонарезным шпинделем обеспечивающим автоматическизаданное количество оборотов метчика при прямом и обратном ходе, реверсированиеи останов шпинделя. Пуск шпинделя должен осуществляться кнопкой или внешнимимпульсным сигналом. Приводом шпинделя является реверсивный двигателемпостоянного тока последовательным возбуждением и двухсекционной обработкой(серии СЛ).
ЦБУдолжен содержать фотоэлектрический импульсный датчик, формирователь импульсов,счетчик импульсов с предустановкой, командный триггер и импульсный усилительмощности.
Исходные данные (Вариант № 33):
1. Элементнаябаза – КМОП
2. Количествооборотов:
прямой ход kп=5+n=5+3=8;
обратный ход kо=6+n=6+3=9;
3. Относительныйсветовой ток фотодиода
/>
где IC — световой ток,IT — темновой ток
4. Напряжениепитания электродвигателя UЭД=110 В
5. Токэлектродвигателя IЭД=0,2*(n+1)=0.2*(3+1)=0.8А
1Функциональная схема ЦБУ
/>Рисунок 1 — Функциональная схема
На рисунке 1изображена функциональная схема, в состав которой входят:
ФИД — фотоэлектрический импульсный датчик. Датчикпредставляет собой оптрон, преобразующий поток излучения светодиода в импульсытока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимсящелевым диском, установленным на выходном валу шпинделя.
Светодиодвыбирается с ИК-спектром излучения для уменьшения влияния окружающего световогофона.
ФИ — формирователь импульсов. Формирователь импульсоввыполняется на триггере Шмитта, в виде интегральной микросхемы и должен бытьсогласован по входному сопротивлению с фотоэлектрическим датчиком. Настатистической характеристике формирователя Uвых =f(Uвх)необходимо определить уровни его срабатывания (Uср) иотпускания (Uот), а также уровни светового (Uс) итемнового (Uт) напряжений датчика.
СИ- счетчик импульсов. Счетчик обеспечивает подсчётчисла импульсов датчика, сформированных компаратором, и выдает на командныйтриггер сигнал после поступления заданного числа импульсов. Он можетвыполняться 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» длякнопки ручного управления (РУ) и внешнего управления (ВУ). В схеме ЦБУнеобходимо предусмотреть цепи «обнуления» командных триггеров и счетчика импульсовпри включении напряжения питания.
ИУМ — импульсный усилитель мощности. Импульсный усилительмощности выполняется на силовых транзисторах, работающих в ключевом режиме. Типкаждого транзистора выбирается по заданным значения напряжения и токаэлектродвигателя, а так же необходимому значению коэффициента передачи ß,определяемому по максимально возможному выходному току триггеров Iвых≤2мА.
ЛЭ — логические элементы. Они как вспомогательныеустройства выбираются с минимальным количеством корпусов ИС и могут совмещатьсяпо выполняемым функциям с триггером Шмита.
Р – редуктор, предназначен для уменьшения скорости вращения и увеличениякрутящего момента.
2 Принцип действия
Доначала работы требуется обнулить командные триггеры ТПХ и ТОХ. Далее, послеподачи команды «пуск» от РУ или ВУ, командный триггер ТПХ переходит в состояниелогической единицы.
Черезимпульсный усилитель мощности этот сигнал подается на электродвигатель. ЭДначинает вращаться, в прямом направлении. Импульсный датчик количества оборотовприводного вала начинает вырабатывать импульсы тока в соответствии сколичеством оборотов.
Формировательимпульсов увеличивает крутизну фронта и среза импульсов датчика, обеспечиваятребуемые сигналы на входе счетчика импульсов.
СИсчитает количество импульсов. При подаче 8-го импульса ТПХ и 1-ый счётчик обнуляются,переключая триггер ТОХ в единичное состояние. При счете 15-го импульсавырабатывается сигнал, который обнуляет командный триггер ТОХ в логический нольи сбрасывает 2-ой счетчик. Двигатель останавливается.
Дляреализации устройства используем ИС серий К1554 и К1561.
ПараметрыИС серии К1554:
Uп min, В 2
Uп max, В 6
ПриUп = 5,0 В±10%:
U1вх min, В 3,15- 3,85
U0вх max, В 1,35– 1,65
Iвых max, мА 24
ПараметрыИС серии К1561:
Uп min, В 3
Uп max, В 18
ПриUп = 5,0 В±10%:
U1вх, В 4,95
U0вх, В 0,05
Iвых max, мА 24
Рассмотрим каждый элемент функциональнойсхемы.
3Импульсный датчик
Импульсныйдатчик изготавливается из излучателя и фотоприемника. Их располагают по обестороны диска, установленного на валу редуктора. Диск имеет одно отверстие.
В качестве излучателя используем инфракрасный светодиодминимального габарита и максимальной мощности VD1АЛ107Б с параметрами: Uпр.макс=1.85 В Iпр.макс=100 мА РЕ= 9 мВт lМИН=940нм lМАКС=965 нм
/>
Рисунок2 — Схема принципиальная фотоэлектрического импульсного датчика.
цифровой блокуправление датчик
ИКспектр излучения дает возможность совместно с ИК светофильтром на фотоприемникеисключить влияние фоновой засветки на выходной сигнал ФИД.
РезисторR1 задаетноминальный ток
IПР.НОМ.=0,15*IПР.МАКС.=15 (мА)
Такойвыбор позволит увеличить срок службы излучателя, а также обеспечить необходимыйуровень потока излучения.
/>
ПриUп=5 В
ВыберемR1 из стандартногоряда Е24:
R1=220Ом ±5% тип МЛТ 0.25
Вкачестве фотоприемника выбираем кремниевый фотодиод КДФ111Г2, который имеетсравнительно небольшой темновой ток Iт=1 мкА и большуютермостабильность.
ОпределимIc=18*Iт = 18 мкА.
ВыборR2 обуславливаетсянеобходимым выходным сигналом датчика. Так как элементная база КМОП, то дляполучения необходимого уровня логической единицы требуется напряжение примнрно3,5 В
Следовательно:
U1ФИД.ВЫХ=U1ФИ.ВХ= 3,5 В
/>
ВыберемR2 из стандартногоряда Е24:
R2= 200 КОм ±5%тип МЛТ 0.25
Учтем,что излучатель и приемник надо жестко, соосно зафиксировать. Ширина же дисканам 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.
Определимвыходные сигналы ФИД:
1.Темновой сигнал: Uт=Iт·R2=1·10-6·200·103=0,2В
2.Световой сигнал: Uc=Ic·R2=18·10-6·200·103=3,6В
4.Формировательимпульсов
Формировательимпульсов можно изготовить на основе триггера Шмитта, который имеет порогисрабатывания и отпускания, между которыми существует зона гистерезиса 2,6 В.
Такимобразом, передаточная (статическая) характеристика элемента Шмиттадвухпороговая. Она показана на рисунке 3.
/>
Рисунок 3
Выбираеммикросхему К1561ТЛ1, в корпусе которой содержится четыре двухвыводных элемента«И-НЕ». Так как в формирователе импульсов используем только один, три другихможно применять, как обычный логический элемент.
/>
Длянормальной работы ФИ, должно выполняться 2 условия:
В данномслучае
/>
Следовательно,условия выполняются:
/>
Рисунок 4Схема формирователя импульсов.
5.Счетчик импульсов
Для построения счетчика импульсов используем режим обратного счета спредварительной записью. Используем 4-х разрядный реверсивный двоичный счетчикс асинхронной предустановкой, с асинхронным сбросом и разделенными тактовымивходами — К1554ИЕ7. Используем 2-а таких счетчика(т.е. один для прямого, другойдля обратного счета хода метчика).
Диапазон начальных значений Кп и Ко отображен в следующей таблице:
Номер
счётчика
КД(10)
КД(2) (записываемое в счетчик число) D0 D1 D2 D3 DD1 8 1 DD2 6 1 1
Подавая импульс кнопкой SB1,записываем число 8 в счетчик DD1 и начинаем обратный счет. При счете ≤0импульс, сигналом с выхода займа, обнуляем командный триггер ТПХ, устанавливаемлогическую единицу на триггере ТОХ, а так же подаем разрешающий сигнал назапись 8 во второй счетчик DD2. Второй счетчик работает в режиме прямого счета. Присчете ≥15 импульса сигнал с выхода переноса счетчика обнуляет ТОХ и счетчикDD2
6. Командные триггеры
В начальный момент времени для стабильной работы ЦБУ необходимо обнулитькомандные триггеры:
/>
Рисунок 5 – Схема формирования сигнала сброса.
Для ЛЭ серий К1554 и К1561
Время задержки приблизительно равно Τ=3,5 нс на вентиль, такимобразом для гарантированного сброса все микросхем T= 20мс.
Выберем R4 из стандартного ряда Е24:
R4= 10 КОм ±5% тип МЛТ 0.25
T=R4∙C1; => C1=T/R4=(20∙10-3)/(10∙103)=2мкФ
Выберем С1 из стандартного ряда Е24:
С1= 2 мкФ ±5%
Командный триггер строим на основе логического элемента К1554ЛА4(используем для однородности схемы). Эта интегральная схема содержит триэлемента «3И-НЕ», осуществляющих операцию логического умножения с инверсией. RS – триггер, построенный на основе этих элементов,управляется нулем. ТПХ состоит из двух ЛЭ «3И-НЕ» на базе К1554ЛА4 а ТОХ изодного ЛЭ «3И-НЕ» на базе К1554ЛА4 и одного «2И-НЕ» на базе К1561ТЛ1. Сигналына командный триггер поступают с кнопок «ПУСК», также с внешних устройств (ВУ)и со счетчика импульсов (СИ ≤0). При нажатии кнопки «ПУСК», сигналнизкого уровня будет подаваться на вход разрешения записи в счетчик импульсов,производя запись кода для начала отсчета количества импульсов. С ТПХ подаетсясигнал на импульсный усилитель мощности (ИУМ1).
При достижениизаданного кода на СИ на ТПХ подается сигнал логического нуля, которыйсбрасывает его в ноль, при этом ТОХ переключается в единицу, так же происходитподключение счетчика обратного хода. Когда количество импульсов станет равнымкоду, выставленному на втором счетчике, счетчик выдаст сигнал логического ноля,произойдет переключение ТОХ в ноль и остановка двигателя.
С кнопки «ПУСК» и с внешнего устройства ВУ подается импульс для записиколичества импульсов в счетчик импульса. Запись в счетчик будет законченанамного раньше того как придет первый счетный импульс, так как в цепи запускаэлектродвигателя есть элементы создающие задержку сигнала (логический элемент,ФИД, ФИ), а также сам двигатель обладает инерционными свойствами, поэтомуошибок в системе, связанных с записью кода быть не должно.
7. Импульсные усилители мощности
Оба усилителя мощности абсолютно одинаковы поэтому рассчитываем толькоодин из них.
Определение VT1
Выберем транзистор VT1 из следующих условий
Выходной транзистор, согласующий ЛЭ с нагрузкой, выбирается по токуколлектора
IК. НАС.=IПи мощности РК.НАС=IК.НАС∙UК.НАС;
соответствующих режиму насыщения транзистора, а также по коэффициентупередачи β.
Необходимое значение коэффициента β определяется из условия
/>
где
kH=(2 – 4) — коэффициент форсировкинасыщения;
I1ВЫХ.МАКС — максимальныйвыходной ток ЛЭ.
Примем kH=2 а IБ.НАС=I1ВЫХ=20 мА тогда
/>КТ864A Uкэ.макс, В 200 Iк.макс, А 10 Рк.макс, Вт 100 h21Э 40÷200
Выберем транзистор КТ864А с β=80, UКЭ.МАКС=200В, IК.МАКС=10 А, PК.МАКС=100Вт
Проверим его на работоспособность
UКЭ.МАКС≥1.25∙UП=1,25∙110=137,5 В
IК.МАКС≥1.25∙IК.НАС=1,25∙0,8=1 А
PК.МАКС≥1.25∙PК.НАС=1.25∙IК.НАС∙UК.НАС у данного транзистора UК.НАС≈2В PК.МАКС≥1.25∙IК.НАС∙UК.НАС=1,25∙0,8∙2=2 Вт
По всем значениям данный транзистор полностью удовлетворяет нашей схеме.
Определение RБ
Сопротивление резистора RБ в цепи базытранзистора равно
/>
где U1ВЫХ=4,5 (В) а UБЭ.НАС≈2 В
/>
Выберем сопротивление из стандартного ряда
RБ=150 Ом ±5% МЛТ 0,25
Отсюда следует что:
R5=150 Ом ±5% МЛТ 0,25
R6=150 Ом ±5% МЛТ 0,25
Список литературы
1. ЮшинА.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т.1. –М., 2000
2. Юшин А.М.Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т.3. – М.,2000
3. ПетровскийИ.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С. Логические ИС КР1533, КР1554.Справочник. В двух частях. Часть 1. – M., «Бином»,1993.
4. ПетровскийИ.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С. Логические ИС КР1533, КР1554.Справочник. В двух частях. Часть 2. – M., «Бином»,1993.
5. БогдановичМ.И., Грель И.Н., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. Цифровые интегральныемикросхемы. Справочник. – Минск, «Беларусь», 1991.
6.Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник /В.Л. Аронов, А.А. Баюков,А.А. Зайцев и др. Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. – М.:Энергоатом издат, 1985.
Размещено на www.