Выбор микропроцессорной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выбор микропроцессорной системы

Для регулирования частоты вращения выходного вала исполнительного механизма (ИМ) выбирается микропроцессорная систему на базе серии К1813.

Выбор микропроцессорного комплекта (МПК) серии К1813 обусловлен следующими причинами:

- наличие встроенных в микропроцессор К1813ВЕ1 аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей;

- наличие развитой архитектуры;

- наличие развитой системы команд;

- возможность увеличения разрядности микропроцессора;

- работа с 8 разрядными данными, и возможность работы с двойными словами при работе с парами регистров общего назначения (РОН)

- наличие 6 восьми разрядных РОН, которые могут использоваться как регистровые пары;

- высокая надёжность и эксплуатационные характеристики.

Однокристальный цифровой процессор обработки аналоговых сигналов К1813ВЕ1 представляет собой перепрограммируемую СБИС процессора цифровой обработки непрерывных сигналов в реальном масштабе времени совмещающую на одном кристалле аналоговые системы ввода и вывода информации с цифровым блоком обработки, системной постоянной и оперативной памяти, и предназначен для использования в системах связи, промышленной автоматике, акустики, геофизике. СБИС имеет четыре входных и восемь выходных аналоговых каналов с разрешающей способностью 0,5 (восемь двоичных разрядов и знак). Обработка цифровых кодов ведётся на 25 разрядном цифровом АЛУ что обеспечивает необходимую точность.

В состав микропроцессорного комплекта (МПК) входят электрически - программируемая ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетом и объёмом в 19224 бит; двух портовое ОЗУ объёмом в 4025 бит; масштабирующее устройство; 25 разрядное АЛУ; устройство управления (УУ); блок синхронизации; восьми разрядный счётчик команд; входной четырёх канальный аналоговый мультиплексор; входной управляемый усилитель; коммутатор аналоговых сигналов; входной восьми канальный аналоговый демультиплексор, цифроаналоговый преобразователь [8].

Передаточная функция выбранной МПС равна единице т.е. W_МПС(s)=1.

2. Выбор двигателя

Глубоководный аппарат находится в условиях высокого давления и удалённость от внешних источников питания, поэтому применение гидро или пневмодвигателей невозможно вследствие того что необходимо было бы создавать в гидро- или пневмосистеме давление рабочей среды превышающее в несколько раз давление окружающей среды. Из выше сказанного следует, что целесообразно применять электрические двигатели. Из всех электрических двигателей выбор двигателя постоянного тока обусловлен следующими причинами:

- наличие аккумуляторных батарей на борту аппарата;

- отсутствие одно- и трёхфазной сети питания;

- лёгкость управления и значительный диапазон плавного регулирования угловой скорости и вращающего момента;

- линейность механических характеристик;

- значительная величина пускового момента;

- высокий КПД;

- высокая надёжность;

- удобство управления с помощью электромагнитного усилителя.

В соответствии с уравнением скоростной характеристики возможны три способа регулирования угловой скорости электродвигателя - за счёт изменения управляющего напряжения, потока возбуждения и сопротивления в цепи якоря.

В автоматике нашли применение в основном два первых способа, в которых используется якорное (независимое возбуждение), полюсное (со стороны обмотки возбуждения), а также комбинированное управление. Для построении ЛСУ бурения для взятия проб грунта выбирается якорное управления угловой скорости.

Составляется систему уравнений, описывающая динамику электродвигателя, нагруженного на инерционно-вязкое механическое сопротивление.

Дифференциальное уравнение баланса напряжений согласно закону Кирхгофа [9]

где R_я - сопротивление обмотки якоря;

L_я - индуктивность обмотки якоря;

I_я - управляющий ток в цепи якоря;

U_упр - напряжение управления;

Е_пр - противо-ЭДС якоря.

Переходя к операторному выражению

Противо - ЭДС двигателя

где С_е - коэффициент зависящий от конструкции выбранного двигателя сопротивление обмотки якоря;

щ - скорость вращения якоря двигателя.

Вращающие момент двигателя

где С_м - коэффициент зависящий от конструктивных особенностей ДПТ;

I_я - ток якоря.

В динамическом режиме поведение двигателя описывается основным уравнением электропривода

где M_дв - вращающий момент двигателя;

J_дв - момент инерции двигателя;

J_нагр - момент инерции двигателя;

з - общий КПД механической передачи;

е_Н - ускорение в нагрузке;

i - передаточное отношение редуктора.

В операторной форме

где J_пр - приведённый к валу двигателя момент инерции.

Приведённые соотношения представляют собой линейную систему, описывающую динамику ДПТ. Система линейных уравнений, преобразованных по Лапласу

.

Обозначим

, , .

По системе уравнений выводится передаточная функция электродвигателя постоянного тока с якорным управлением по управляющему воздействию

,

где T_м - механическая постоянная времени;

T_Э - электрическая постоянная времени;

k_дв - коэффициент передачи двигателя.

При построении следящего привода применяется цилиндрический редуктор, марка и тип которого определяются при дальнейших расчётах. Коэффициент полезного действиям (КПД) цилиндрического редуктора , выбирается из промежутка 0,98…0,985. КПД одной пары подшипников качения , выбирается из промежутка 0,99…0,995. КПД изолирующих материалов от внешнего давления , выбирается в равным 0,631 [9].

Для проектирования системы выбираются

, , .

Рассчитывается требуемая мощность электродвигателя

Расчёты показывают, что при заданных значениях величин

Требуемому значению мощности соответствует двигатель МИ-41 [3].

Технические характеристики двигателя;

- номинальная мощность P_ном=1600 Вт;

- частота вращения n_ном=2500 об/мин или щ_ном=261,8 с^-1;

- номинальное напряжение управления U_ном=110 В;

- ток якоря I_я=1,1 А;

- сопротивление обмотки якоря R_я=0,147 Ом;

- электрическая постоянная времени T_Э=0,04 с;

- номинальный вращающий момент M_ном=6,25 Нм;

- момент инерции двигателя J_дв=408М10^-4.

- марка провода ПЭВ2;

- сечение провода S=0,407 мм²;

- масса 7 кг.

Машины данной серии двигателей постоянного тока предназначены для работы в широкорегулируемых электроприводах. По сравнению с машинами предыдущих серий у машин серии МИ повышена перегрузочная способность, расширен диапазон регулирования частоты вращения, улучшены динамические свойства, уменьшены шум и вибрации, повышена мощность на единицу массы, увеличены надёжность и ресурс работы [3].

Условия эксплуатации выбранного двигателя:

- температура окружающей среды от -10 до +40 ⁰С;

- относительная влажность воздуха 80% при температуре 25⁰С и при более низкой температуре без конденсации влаги;

- воздействие механических факторов внешней среды по ГОСТ 17516-72.

Оптимальное передаточное отношение редуктора

Расчёты показывают

.

Проверка двигателя по скорости вращения

где щ_тр - требуемая скорость в нагрузке приведённая к валу двигателя;

Щ_H - скорость в нагрузке.

.

Требуемое значение скорости больше чем скорость вращения вала двигателя, поэтому двигатель с выбранным редуктором не проходит по частоте вращения. Отказываемся от оптимального передаточного отношения i₀

Принимаем

i=12.

Проверка двигателя на соответствие требований по моменту

Полученное значение требуемого момента создаваемого на валу двигателя меньше чем M_ном=6,25 Нм, поэтому выбранный двигатель проходит по моменту.

Для получения передаточной функции двигателя необходимо вычислить коэффициенты

,

.

Тогда коэффициент передачи двигателя

,

.

Приведённый момент к валу двигателя

.

Тогда

,

.

Тогда механическая постоянная

,

.

Передаточная функция двигателя МИ-41

,

.

3. Выбор редуктора

Редуктор выбирается по полученному общему передаточному отношению, по крутящему моменту на тихоходном (выходном) валу, а также по характеру работы и виду нагрузки [1].

В проектируемой системе:

i = 12 - передаточное отношение;

M_H= 8 Н·м - крутящий момент на тихоходном валу;

по характеру нагрузки - не продолжительная;

вид нагрузки - кручение.

В связи с налагаемыми требованиями выбирается редуктор со следующими параметрами:

вид редуктора - одноступенчатый цилиндрический;

типоразмер ЦП100;

i=12 - передаточное отношение;

M= 8 Н·м - крутящий момент на тихоходном валу.

Передаточная функция редуктора

,

.

4. Выбор датчика обратной связи

Для регулирования частоты вращения вала ДПТ с наименьшей ошибкой по управлению, необходимо наличие обратной связи от выходного вала редуктора по частоте вращения.

Для рационального выбора датчика обратной связи - датчика скорости, рассмотрим классификацию приведённую в приложении А2.

На основании классификации и изучения принципа действия различных видов датчиков частоты вращения для проектируемой системы был выбран электрический тахогенератор постоянного тока

Якорь тахогенератора (коллекторного генератора постоянного тока с независимым возбуждением) приводится во вращение от вала, частота которого подлежит измерению. Э.Д.С., индуцируемая генератором, пропорциональна скорости вращения якоря

Е(t) = Сn(t),

,

где р - число пар полюсов;

щ - число активных проводников обмотки якоря;

Ф - магнитный поток в мкс;

z - число параллельных цепей обмотки якоря;

С - постоянная тахометра.

Переходя к частоте вращения выраженной через с^-1

Переходя к изображению по Лапласу Е(s) = 2рСщ(s)/60.

Откуда передаточная функция электрического тахогенератора постоянного тока по частоте вращения имеет вид

,

где - крутизна характеристики тахогенератора.

Достоинства прибора: линейность, широкий диапазон измерения, выходной сигнал имеет достаточный уровень, чтобы не использовать дополнительные средства усиления и фильтрации сигнала, что приводит к простоте проектируемой схемы ЛСУ и увеличению надёжности.

По вычисленным ранее частотам вращения выходного вала редуктора подбирается тахогенератор постоянного тока [3]:

- тип тахогенератора ПТ-22/1;

- максимальная частота вращения 1000 об/мин;

- ток якоря при номинальной частоте вращения n=500 об/мин I_я=0,1А;

- крутизна характеристики k_тг=0,283;

- масса 3,2 кг.

Следовательно, можно показать что при частоте вращения в нагрузке Щ_H=22 с^-1 на зажимах тахогенератора имеем E=6,3 B. Вычисленное возможное значения вырабатываемой ЭДС тахогенератора при изменении частот вращения в заданном интервале, поступают на один из аналоговых входов ЭВМ.

Применение других датчиков, таких как датчик твёрдости грунта не целесообразно, так как это приводить к усложнению конструкции, увеличение массы аппарата, уменьшение надёжности системы в целом. Твёрдость сверлимого грунта не велика, бурение происходит не с большими угловыми скоростями, и поэтому вероятность поломки объекта управления - сверла, сводится нулю.

5. Выбор усилителя для ДПТ

Для обеспечения управления ДПТ (мощный сигнал) с помощью МПС (маломощный сигнал управления) необходимо усилить маломощный сигнал управления с МПС до необходимого уровня.

Для выбранной МПС напряжение выхода с одного из аналоговых выходов составляет диапазон от 0 В до 5 В, при токе 20 мА. Для якорного управления ДПТ в заданных частотах вращения выходного вала необходим диапазон напряжения от 0 В до 130 В [4].

Применяя усилитель или усилительный каскад можно добиться соответствия указанных параметров. Выбор усилителя из их большого числа основан прежде всего на соответствие выбранным критериям, таким как простота конструкции, уменьшенные массогабаритные размеры усилителя, линейность характеристик, работа в условиях перечисленных в ТЗ с наперёд заданными характеристиками параметров усиливаемого сигнала, гибкость в наладке и настройке. Перечисленным параметрам соответствует электронный усилитель.

Следовательно существует необходимость применения усилителя мощности. В качестве усилителя напряжения выберем электронный усилитель напряжения 140УД его характеристики:

- коэффициент усиления по напряжению k_U =1·10⁶;

- коэффициент усиления по току k_I=10;

- напряжение смещения U_СМ=5 В;

- входной ток 20 мА;

- выходной ток I_вых=1,2 А.

Для усиления по току используется усилитель на мощном транзисторе. Транзистор VT1 выбирается КТ852 Б. Параметры транзистора КТ852 Б:

- максимальный коллекторный ток I_k.max=2.5 A;

- напряжение коллектор-эмиттер U_кэ=150 В;

- максимальная рассеиваемая мощность P_k.max=80 Вт;

- коэффициент усиления по току h_21Э=500.

Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема усилителя

редуктор микропроцессорный двигатель сигнал

Для подачи напряжения на исполнительный двигатель в диапазоне 0-170 В от управляющего напряжения с МПС в диапазоне 0-5 В необходим коэффициент передачи по напряжению, величина которого

Передаточная функция электронного усилителя

,

где k - коэффициент усиления по напряжению.

6. Выбор ОУ

Объектом управления в проектируемой ЛСУ является сверло зажатое в кулачок. Таким образом происходит передача угловой скорости и крутящего момента от кулачка, жёстко связанного с выходным валом ИМ (ДПТ - редуктор), к сверлу. В результате приложения нагрузки на режущие кромки сверла с одной стороны, и приложения крутящего момента от ИМ к зажимному концу сверла с другой стороны проскальзывания не происходит. Следовательно ОУ - сверло можно представить как элемент характеризующийся коэффициентом k_пр который всегда равен единице. Таким образом, передаточная функция ОУ имеет вид

,

где Щ₂ - угловая скорость на выходном валу ИМ;

Щ₃ - угловая скорость на сверле.

Выбор марки сверла не производится так как при различном буримом грунте заведомо подбирается сверло с наперёд заданными свойствами как геометрическими, так и механическими.

Размещено на Allbest.ru