Цифровой блок управления резьбонарезным шпинделем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 реверсивным двигатель постоянного тока последовательным возбуждением и двухсекционной обработкой (серии СЛ).

ЦБУ должен содержать следующие узлы:

1. Фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД).

2. Формирователь импульсов (ФИ) в виде триггера Шмитта.

3. Счетчик импульсов (СИ).

4. Командные триггеры прямого и обратного хода.

5. Импульсные усилители мощности (ИУМ) для согласования триггеров с электродвигателем.

6. Логические элементы, создающие необходимый режим работы счетчика импульсов.

Исходные данные:

Элементная база:………………………………………. КМОП

Задаваемое количество оборотов метчика:

при прямом ходе…………………………………………Кп=5+n=5+9=14

при обратном ходе……………………………………….Ko=6+n=6+9=15

Относительная амплитуда помехи ……………………..Iп/Iс= 0,1

Относительный световой ток фотодиода: ……….I_C/I_T=15+n=15+9=24

Номинальный ток электродвигателя……..I_эд.ном=0,2 (n+1)=0,2 (9+1)=2 А

Номинальное напряжение электродвигателя: …………U_H = 110 В.

Функциональная схема ЦБУ

Рис. 1 Функциональная схема ЦБУ

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

ФИД - фотоэлектрический импульсный датчик. Преобразует поток излучения светодиода в импульсы тока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимся щелевым диском, установленным на приводном валу. Светодиод выбирается с ИК-спектром излучения для уменьшения влияния окружающего светового фона и подключается к источнику питания через ограничивающий резистор.

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

ФИ - формирователь импульсов. Формирователь импульсов выполняется на основе триггера Шмитта, который повышает крутизну фронта импульсов датчика, а также устраняет влияние помехи и темнового тока фотодиода на выходной сигнал. Выполняется в виде интегральной микросхемы и должен быть согласован по входному сопротивлению с фотоэлектрическим датчиком.

СИ - счетчик импульсов. Счетчик обеспечивает подсчет числа импульсов датчика, сформированных триггером Шмитта, и выдает на командный триггер сигнал после поступления заданного числа импульсов. Выполняется на одной интегральной микросхеме. Применим один четырехразрядный реверсивный счетчик с переключением режима его работы и перезаписью кода с входов предустановки.

КТ - командные триггеры ТПХ и ТОХ выполняются по схеме асинхронных RS - триггеров на ЛЭ «И-НЕ». ТПX 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 - импульсные усилители мощности. Импульсные усилители мощности выполняются на силовых транзисторах, работающих в ключевом режиме и обеспечивающий необходимый ток в якорной цепи электродвигателя при включении его от командного триггера.

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

Логические элементы как вспомогательные устройства выбираются с минимальным количеством корпусов ИС и могут совмещаться по выполняемым функциям с триггером Шмитта.

Принцип действия центрального блока управления (ЦБУ)

ЦБУ предназначен для управления процессом нарезания резьбы в заготовке. Для этого нужно точно соблюдать количество 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) замыкает источник питания Uп=110В на обмоток возбуждения ОВ1 электродвигателя, 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).

Количество импульсов ФИД равна количеству оборотов меньчика, а их частота соответствует частоте вращения шпинделя.

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

СИ считает количество импульсов. При подачи 14-го импульса ТПХ обнуляется, тем самым переключает триггер ТОХ в единичное состояние. При счете 15-го импульса вырабатывается сигнал, который опрокидывает команд командный триггер ТОХ в логический ноль и сбрасывает счетчик. Двигатель останавливается.

резьбонарезной шпиндель цифровой метчик

Расчёт блоков принципиальной схемы

Рассмотрим каждый элемент функциональной схемы.

1. Фотоэлектрический импульсный датчик

Данное устройство предназначено для контроля положения диска. Оно включает в себя излучатель и фотоприёмник. Их располагают по обе стороны диска, установленного на валу редуктора. Диск имеет одно отверстие.

Схема ФИД содержит светодиод VD1 с балансным резистором R1, который ограничивает ток через VD1 до безопасного уровня. При засветке фотодиода VD2 на Рис. 2 Схема ФИД резисторе R2 появляется потенциал высокого уровня.

В качестве излучателя выбираем инфракрасный светодиод минимального размера и максимальной мощности типа АЛ107Б, который позволяет совместно с инфракрасным светофильтром исключить влияние фоновой засветки на приёмник ФИД.

Параметры АЛ107Б

, В	1.8
, мА	100
, мВт	9
, нм	940
, нм	960
, В	6

Определяем R₁, которое задает необходимый номинальный ток VD1:

Задаем номинальный ток из условия: I_ПР.НОМ=(0.15-0.2)I_{ПР.МАКС}

=0.2• I_{ПР. МАКС}=0.2100=20 мА

Определяем сопротивление R1 из условия, что напряжение питание для КМОП =10-15 В

Берем R1 из ряда E24 и окончательно принимаем R1=680 Ом5% 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 германиевыми фотодиодами). Выбираем фотоприемник типа ФД-27К имеющий минимальные габариты со следующими параметрами:

I_Т =1-2 мкА, U_РАБ=20 В

Определяем R₂, который предназначен для формирования единичного выходного сигнала ФИД при протекании светового тока ИС.

Для КМОП: U¹_фид=10 В

I_C = (15+n) I_T=241,5=36 мкА

Выбираем R2 из ряда E24 и окончательно принимаем R2=270 кОм5% тип МЛТ-0.25.

Учтем, что излучатель и приемник надо жестко, соосно зафиксировать.

Определим выходные сигналы ФИД:

1. Темновой сигнал:

2. Световой сигнал:

2. Формирователь импульсов

В качестве ФИ используем триггер Шмитта, который позволяет исключить влияние помехи и повысить крутизну фронта среза импульсов подаваемых на СИ.

Так как ФИД имеет высокое выходное сопротивление (R_ВЫХ=R₂=280кОм), то в качестве формирователя импульсов необходимо использовать ИС КМОП. В качестве ФИ выбираем триггер Шмитта (ТШ) на ИС совмещающей ТШ и ЛЭ.

Выбираем микросхему К561ТЛ1, в корпусе которой содержится четыре двухвыводных элемента «И-НЕ» рис. 3.

Оставшиеся в корпусе ИС ЛЭ используем для построения командных триггеров.



Рисунок 3. Обозначение микросхемы К561ТЛ1:

При напряжении питания 10В ИС К561ТЛ1 имеет параметры:

U_Н =2.5 В; U_В =4,6 В

Проверка выбранного ТШ по условиям переключения:

U_В <0.8U_C -= 0.89.7 = 7.76 В > 4,6 В

U_Н >1.2U_T =1,20,4= 0,48 В < 2.5 В

ДU = | U_В - U_Н | > 2U_ПОМ

ДU = |4,6 - 2.5| = 2,1 В >1.94 В



Рисунок 4. Статическая характеристика триггера Шмитта

3 Счетчик импульсов

Перевод кодовых импульсов в двоичный код

КД (10)	КД (2)
14	1110
15	1111

Для построения счетчика импульсов понадобится ИС типового параллельного четырехразрядного реверсивного двоичного счетчика с входами предустановки. В качестве типового счетчика возьмем ИС из серии универсального применения К1564ИЕ7 и используем ее как делитель частоты. Практически, для этой цели может использоваться реверсивный счетчик на ИС, имеющий вход «займа».

На рисунке 5 изображена схема СИ на ИМС К1564ИЕ7. Цифрами показаны номера выводов ИС. Так же показано, что входы C и R управляются нулями, счет осуществляется по фронту, а на выходах займа и переполнения при соответствующем состоянии СИ появляется нулевой сигнал.



Рисунок 5. Счетчик импульсов

1) «D0, D1, D2, D3» - входы предустановки, на которые можно подавать входные сигналы, записываемые в исходное состояние счетчика, где D0 соответствует младшему разряду.

2) «С» - вход записи исходного состояния счетчика (с входов предустановки).

3) «+1» - вход для подачи счетных импульсов в режиме прямого счета (при суммировании).

4) «-1» - вход для подачи счетных импульсов в режиме обратного счета (при вычитании).

5) «R» - вход для обнуления счетчика.

6) «1, 2, 4, 8» - разрядные выходы счетчика, где выход «1» - младший разряд.

7) «15» - выход переноса - используется для наращивания разрядности счетчика в режиме прямого счета (при необходимости соединяется с входом «+1» следующего СИ)

8) «0» - выход займа - используется для наращивания разряда счетчика в режиме обратного счета (при необходимости соединяется с входом «-1» предыдущего СИ).

Схема подключения счетчика показана на рисунке 6:



Рисунок 6. Схема подключения счетчика импульсов

Реализуем схему управления реверсом СИ.

На входы предустановки записывается число, равное количеству оборотов (импульсов) прямого хода - К_П=14. Команда запись кода подается на вход С при нажатии кнопки «Пуск» или подачи нулевого импульса с ВУ, которое должно быть защищено обратным диодом.

Для этой цели выбираем диод VD3 широкого применения - КД522А, чтобы предохранить ВУ от перегорания.

ТПХ переключается в «1» и метчик начинает прямой ход. С ФИД на входы DD1.1 и DD1.2 ФИ, поступают сигналы. Поскольку с выхода ТОХ на DD1.1 поступает «1», а на вход DD1.2 с выхода ТПХ - «0», то единичные импульсы идут на вход «-1» СИ - режим обратного счета. При достижении счетчиком числа «0», с выхода СИ «0» поступает нулевой сигнал, который опрокидывает триггеры (отключает ТПХ и включает ТОХ). Начинается счет оборотов обратного хода - К_О=15. С выходов КТ на входы ФИ поступают сигналы противоположные описанным выше - сигналы с ФИД идут на вход «+1» СИ - режим прямого счета. При достижении счетчиком числа «15» элемент 3И-НЕ собирает код и выдает на выходе нулевой сигнал, который отключает ТОХ.

4. КТ (командный триггер)

Командные триггеры строятся по схеме асинхронных RS-триггеров на логических элементах «И-НЕ», которые управляются «нулями».

В качестве логических элементов «2И-НЕ» выбираем неиспользованные ЛЭ ИС К561ТЛ1.

В качестве логических элементов «3И-НЕ» выбираем ЛЭ микросхемы К561ЛА9, содержащей 3 ЛЭ «3И-НЕ».

В схеме КТ предусмотрен сброс триггеров при включении питания за счет цепей С1-R3 и С2-R4, которые образуют дифференцирующие звенья. Выходы этих звеньев подключается к входам выключения триггеров DD3.1 и DD3.2, т.е. при подаче питания в начальный момент времени на входах сброса триггеров будет присутствовать «0», что гарантирует отсутствие случайного включения.

Пары ЛЭ DD1.3-DD3.1 и DD1.4-DD3.2 работают в качестве памяти, т.е. сохраняют состояние на выходе «Q» до тех пор, пока на вход нижнего триггера не поступит сигнал сброса.

На рисунке 7 представлена схема работы командных триггеров ТПХ и ТОХ.

Рисунок 7. Схема включения командных триггеров ТПХ и ТОХ

При включении питания цепи С1-R3 и С2-R4 создают некоторое время сигнал низкого уровня. Это время зависит как от емкостей С1, С2 так и от сопротивлений R3, R4. Эти сигналы поступают на входы триггеров «R», что выставляет выходы триггеров «Q1» и «Q2» в «0». Т.к. ТПХ и ТОХ собраны на одинаковой элементной базе, то значения емкостей и сопротивлений совпадают C1=C2 и R3=R4.

Должно выполняться условие: t_зд.р < t_ЗАР < t_ДВИГ.

t_ДВИГ=0.1 с, а t_зд.р для КМОП равно 300 нс и t_ЗАР =4 мкс.

Известно, что t_ЗАР =R3•C1=R4•C2. Пусть С1=C2=0,39 нФ, тогда

R3 = R4 = 4•10^-6 / (0.39•10^-9) = 10,256 кОм.

Принимаем: R3 = R4 = 10,2 кОм5% тип МЛТ-0.25

С1 = C2 = 0,39 нФ10% тип МЛТ - 0,25.

При нажатии кнопки ручного управления «ПУСК» или при подаче нулевого импульса от внешнего управления на вход «S» ТПХ, включается ТПХ (Q = «1») и подает питание на обмотку двигателя ОВ1, двигатель начинает вращаться в прямом направлении. Одновременно с этим нулевой импульс подается на вход счетчика «С» и осуществляется запись числа со входов предустановки в счетчик. Единичные импульсы с выхода ТПХ и ФИД попадают на ЛЭ ФИ - импульсы подаются на вход «-1» СИ, и счет ведется в обратном порядке. При доходе счета до нуля, нулевой импульс с выхода займа СИ подается на вход «C» ТПХ, опрокидывая его в «0» и тем самым прекращая питание ОВ1, и на вход «S» ТОХ, переключая его в «1», подавая питание на ОВ2, приводя двигатель в обратное движение. Счет ведется в прямом порядке - единичные импульсы подаются с выхода ТОХ и ФИД. При достижении 15 оборотов элемент 3И-НЕ собирает код и подается нулевой сигнал на вход «C» ТОХ, что опрокидывает его в «0» - двигатель останавливается.

5. Импульсные усилители мощности

Импульсные усилители мощности предназначены для увеличения тока и напряжения, подаваемого с командных триггеров ТПХ и ТОХ. Это нужно, потому что величина напряжения и тока, которая требуется для работы двигателя, много больше, чем может дать командный триггер. Схема импульсного усилителя мощности представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема ИУМ

Схема построена с применением двух составных транзисторов VT1-VT2 и VT3-VT4. Резисторы R5-R6 задают ток базы VT1-VT2 и VT3-VT4, а диоды VD4-VD5 снижают влияние индуктивности нагрузки (якорная цепь электродвигателя), которая создает противоЭДС до падения напряжения на самом диоде и предотвращают сгорание транзисторов. При этом двигатель работает в режиме динамического торможения с самовозбуждением.

Т.к. обмотки двигателя имеют идентичные параметры, то достаточно рассчитать необходимые параметры для одного усилительного каскада.

Выбор силового транзистора:

Транзистор должен работать в импульсном режиме, т.к. управляется ИС «0» и «1». Для данной схемы рассчитываются следующие параметры:

Наибольшее напряжение коллектор-эмиттер:

U_к.мах1.25•U_эд=1.25•110=137.5 B

Максимальный ток коллектора:

I_K.MAX1.25•I_{ЭД. НОМ}=1.25•2=2.5 A

Необходимое значение коэффициента в определяется из условия:

I_БНАС=K_H•I_К.НАС/в I¹_ВЫХ,

где k_H=(2-4) - коэффициент форсировки насыщения;

I¹_{ВЫХ MAX} - максимальный выходной ток ЛЭ.

Примем k_H=4, а I_Б.НАС=I¹_ВЫХ=30 мА (для КМОП), I_К.НАС.=I_ЭД=2 А Тогда:

в= K_H•I_К.НАС/ I_Б.НАС = 4•2/30•10^-3=266

Исходя из этих условий, по справочнику выбираем составной транзистор КТ802А + КТ502А

U_КMAX1.25•U_ЭД=1.25•110=137.5 B < 150 B

I_KMAX1.25•I_{ЭД. НОМ}=1.25•1.2=2.5 A < 5 A

P_К.МАКС?1.25P_К.НАС=1.25I_К.НАСU_К.НАС

U_К.НАС1?5 В, то

P_К.МАКС1?1.25I_К.НАС1U_К.НАС1=1.2525=12,5 Вт < 50 Вт

U_К.НАС2?0,6 В, I_К.НАС2=200 мА, то

P_К.МАКС2?1.25I_К.НАС2U_К.НАС2=1.2510^-30,6=0,15Вт < 0,35 Вт

в_ОБЩ= в₁в₂=1580=1200> 266

По всем значениям данный транзистор полностью удовлетворяет нашей схеме.

Произведем расчеты:

I_БНАС=k_H•I_КНАС/в_ОБЩ=4•2/1200=7 мАI¹_ВЫХ=30 мА

Мощность, рассеиваемая на резисторе:

P=

VT3 и VT4 для ИУМІ возьмем такие же как и для ИУМ1

Диоды VD4 - VD5 выбираем по току и напряжению из условий:

U_{ОБР МАХ} 1.2•U_ЭД=1.2*110=132 В

I_{ПР ИМП}1.2•I_{ЭД. НОМ}=1.2*2=2.4 А

Для этой цели выберем диоды КД202Ж. Их параметры:

Uобр., В	Iпр. max, A	Iобр.max, мкА	Fdmax, кГц
300	5	1000	5

Список литературы

1. Герасимова В.Г. Основы промышленной электроники. - М.: Высш. шк., 1986 г.

2. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982 г.

3. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Спб.: Энергоатом-издат., 1986 г.

4. Тарабрин Б.В. Интегральные микросхемы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1983 г.

5. Усатенко С.Т. и др. Выполнение электрических схем по ЕСКД. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.

6. www.chipinfo.ru - Справочник по отечественным транзисторам и микросхемам.

7. http://plus.h12.ru/spr.php - Радиолюбительские сервисы: справочники.

Размещено на Allbest.ru