Цифровой блок управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Объект разработки: цифровой блок управления

Резьбонарезным шпинделем, обеспечивающий 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 двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением и двухсекционной обмоткой (серии СЛ).

Исходные данные (Вариант № 55):

1.1. Элементная база - КМОП

1.2. Количество оборотов:

прямой ход Кп=10,

обратный ход Ко=11

Относительный световой ток фотодиода

,

где I_C - световой ток, I_T - темновой ток

1.3. Напряжение питания электродвигателя

U_ЭД=110 В

1.4. Ток электродвигателя I_ЭД=1,2 А

Функциональная схема ЦБУ

На рисунке 1 изображена функциональная схема, в состав которой входят:

ИД - фотоэлектрический импульсный датчик. Преобразует поток излучения светодиода в импульсы тока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимся щелевым диском, установленным на приводном валу.

Количество импульсов датчика определяет угол поворота приводного вала, а их частота - скорость его вращения.

ФИ - формирователь импульсов. Обеспечивает высокую крутизну фронта и среза, устраняет влияние темнового сигнала.

СИ - Счетчик импульсов. Обеспечивает подсчет фактического количества импульсов датчика и сравнивает их с заданным кодом.

КТ - Командные триггеры. Обеспечивает пуск и остановку приводного электродвигателя по командам от внешнего устройства (ВУ), кнопок ручного управления (РУ) или по сигналу от СИ.

ИУМ - Импульсный усилитель мощности. Обеспечивает усиление сигнала КТ до значения, необходимого для включения электродвигателя.

ЭД - Приводной электродвигатель постоянного тока, который вращает метчик.

Р - Редуктор. Уменьшает скорость вращения вала привода до необходимого значения с увеличением крутящего момента.

Принцип действия

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

Через импульсный усилитель мощности этот сигнал подается на электродвигатель. ЭД начинает вращаться, приводя в движение транспортер через редуктор. Импульсный датчик количества оборотов приводного вала начинает вырабатывать импульсы тока.

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

СИ считает количество импульсов. При подачи 10-го импульса ТПХ обнуляется, тем самым переключает триггер ТОХ в единичное состояние. При счете 11-го импульса вырабатывается сигнал, который опрокидывает команд командный триггер ТОХ в логический ноль и сбрасывает счетчик. Двигатель останавливается.

Рассмотрим каждый элемент функциональной схемы.

Импульсный датчик

цифровой блок управление датчик

Импульсный датчик изготавливается из излучателя и фотоприемника. Их располагают по обе стороны диска, установленного на валу редуктора. Диск имеет одно отверстие.

Рисунок 2

В качестве излучателя используем инфракрасный светодиод минимального габарита и максимальной мощности VD1 АЛ107А с параметрами U_{пр.макс}=1.85 В и I_{пр.макс}=100 мА.

ИК спектр излучения дает возможность совместно с ИК светофильтром на фотоприемнике исключить влияние фоновой засветки на выходной сигнал ИД.

Резистор R1 задает номинальный ток

Такой выбор позволит увеличить срок службы излучателя, а также обеспечить необходимый уровень потока излучения.

При U_п=10 В (элементная база - КМОП),

Выберем R₁ из стандартного ряда Е24:

В качестве фотоприемника выбираем кремниевый фотодиод ФД - 27К, который имеет сравнительно небольшой темновой ток I_т=1 мкА и большую термостабильность.

Определим

I_c=20 x I_т = 20 мкА.

Выбор R₂ обуславливается необходимым выходным сигналом датчика. Так как элементная база КМОП, то для получения необходимого уровня логической единицы требуется напряжение

Следовательно,

Выберем R₂ из стандартного ряда Е24:

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 3 входа: VD1, VD2 и +10V.

Определим выходные сигналы ФИД:

1. Темновой сигнал:

Uт=Iт*R₂=0,42

2. Световой сигнал:

U_c=I_c*R₂=20*I_T*R₂=8,4

Формирователь импульсов

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 4.

Рисунок 4

Выбираем микросхему К561ТЛ1, 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:

Счетчик импульсов

Исходя из требований, возьмем 2 реверсивных 4-х разрядных счетчика. Подойдет четырехразрядный двоичный счетчик К1564ИЕ6. При прямом счете на входе обратного счета должен быть сигнал высокого уровня, при обратном счете напряжение высокого уровня должно быть на входе прямого счета.

Диапазон возможных значений Кп и Ко? отображен в следующей таблице:

При работе двигателя в прямом направлении используем суммирующий счетчик с предустановкой. Подавая импульс кнопкой SB5 записываем число 5 в счетчик и начинаем прямой счет. При счете 15 импульса, сигналом с выхода переполнения, обнуляем оба счетчика и командные триггеры, а так же подаем разрешающий сигнал на запись 11 во второй счетчик. Второй счетчик работает в режиме реверсивного счета. При счете 11-го импульса сигнал с выхода займа счетчика обнуляет ТОХ и оба счетчика.

Командный триггер

Выше было сказано, что командный триггер должен переходить В состояние логической единицы, при подаче сигнала «Пуск» от ВУ или РУ. Также при включении питания ТПХ должен обнуляться. Это можно реализовать с помощью конденсатора.

Тогда выполним ТПХ и ТОХ на логических элементах «И-НЕ». Возьмем 2 микросхемы К1554ЛА4. Так как в корпусе К1554ЛА4 три элемента И-НЕ, два используем под ТПХ, а третий используем, как элемент И-НЕ. Также для ТОХ.

Сигнал, приходящий от СИ:

Сигналы, приходящие от РУ и ВУ должны быть такого же вида.

Импульсные усилители мощности

Здесь VT3, VT4 обеспечивают коммутацию тока обмоток электродвигателя, а резисторы R4, R5 ограничивают ток базы насыщения I_Б.НАС транзисторов.

Выбираем транзисторы из условий:

Возьмем 2 транзистора КТ503Е и 2Т504А

2Т504А с параметрами:

I_к.макс.=2А ; U_{кэо и.макс.}=250В; P_к.макс.=10 Вт ; ?=120

КТ503Е маломощный,

Тогда b=b*b=120*10=1200

Тогда

Для выбранного логического элемента:

I_б.нас<I_вых=0,6 мА

По мощности:

Р_К.МАХ1.2хI_ЭДхU_НАС=1.2х1,2х1=1,44 Вт

10 1,44

Условия выполнены.

Подберем R₄ и R₅:

Из стандартного ряда Е24:

R₆=U_п/I_вх.1=10/40*10^-6=250000

С₁=1/2*П*f*R₆=6 нФ

Из стандартного ряда:

С₁=10 нФ+5% тип КМ

Список используемой литературы

Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т.1. - М., 2000

Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т.3. - М., 2000

Справочник по интегральным микросхемам / Б.В. Тарабрин, С.В. Якубовский, Н.А. Барканов и др.; Под ред. Б.В. Тарабрина, - М., 1980

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М., 1987

Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / В.А. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова - М., 1982

Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова - М., 1985

Усатенко С.Т. Оформление электрических схем по ЕСКД: Справочник- М.,1982

Размещено на Allbest.ru