Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез автоматизированной системы управления синхронно шаговым двигателем



Введение

Главной задачей развития производства является повышение его эффективности. Выполнение этой задачи в промышленности связано с совершенствованием управления технологическими процессами на основе широкого применения комплексных систем автоматизированного электропривода с использованием микропроцессорных средств и микроЭВМ.

В настоящее время при ограниченных сроках создания и освоения высокопроизводительных станков с ЧПУ, промышленных роботов и в целом робототехнических комплексов большое значение приобретают вопросы синтеза более совершенных и универсальных систем автоматического управления электромеханических приводов, особенно с использованием синхронно-шаговых двигателей (СШД). Это обусловлено тем, что, приближаясь по своим свойствам к непрерывным приводам постоянного и переменного тока, электроприводы с СШД при дискретном управлении имеют следующие преимущества:

- имеют возможность реализовывать очень низкие значения скорости и в связи с этим обладают значительно большим диапазоном регулирования скорости без использования обратных связей;

- имеют возможность осуществлять фиксацию конечных координат перемещения при отработке любого, как большого, так и микроскопически малого расстояния, заданного без датчиков и конечных выключателей;

- устойчиво работают при изменении условий окружающей среды, при внешних механических ударах и вибрации;

- имеют простую конструкцию, обладают большей компактностью, имеют большую надежность, так как нет вращающихся контактных соединений;

- САУ СШД обычно строится на дискретных элементах, легко сопрягающихся с ЭВМ, что очень важно для электроприводов с УЧПУ.

Эти преимущества обеспечили успешное применение СШД в электроприводах различного назначения и различной мощности. Именно поэтому в работе рассматривается разработка многофункциональной системы автоматического управления СШД.



Задание

Синтезировать дискретную САУ автоматизированного электропривода с СШД, используемого в комплексных УЧПУ металлорежущих станков, промышленных роботов и роботизированных технологических линиях. При этом произвести аналитические преобразования и вычисления необходимые для выполнения работы при разработке схем системы автоматического управления различными режимами работы СШД. Выполнить весь комплекс работ по каждому заданному разделу в соответствии с вариантом.

Исходные данные

Раздел	Наименование и содержание раздела	Данные
1	Параматры двигателя: А) фазность СШД	3
	Б) порядок вкл обмотки	Несимметричн.
	Характеристика СУ А) полярность	Разнополяр.
	Б) комплектность	двухкопмлкт
	Число микросхем на плате	?
	Использовать преимущественно	Д-триггеры
	Микросхемы	К176
2	Параметры двигателя: А) ном-е напряжение, В	110
	Б) конструктивный параметр Км	1,56
	Параметры обмотки возбуждения: А) актив. Сопрот Rов, Ом	10
	Б) индуктивность, Lов, Гн	3,7 * 10^-3
	Момент сопротивления на валу двигателя, Мс, Нм	0,9
	Частота НГ, Гц	250
3	Коэф дробления шага Кдр	5
	Базис микросхем	К176
	Число микросхем на плате	5
	Схема генератора	На транзисторах
4	Принудительное торможение после n шагов	14
	Естественное торможение после m шагов	20
	Номинальный момент двигателя Нм	9
	Момент инерции привода, кгм^2	0,00125
5	Осущ пуск двигателя в режим	Прогр. Разгон 11%

1 раздел

1. Произвести синтез распределения импульсов СУ реверсивного электропривода с СШД на дискретно-логических элементах;

2. Определить цену деления шага в пространственных градусах;

3. Изобразить силовую схему включения обмоток, нарисовать циклограмму работы шагового двигателя, составить алгоритм работы обмоток, привести векторную диаграмму, разработать принципиальную и монтажную схемы узлов и блоков САУ, нарисовать печатную плату;

4. Привести описание работы.

2 раздел

1. Разработать алгоритм работы реверсивного РИ без изменения последовательности подаваемых импульсов напряжения на обмотках шагового двигателя;

2. Рассчитать верхнюю и нижнюю границы частоты высокочастотного генератора импульсов и длительность сигналов формирователя импульсов;

3. Разработать принципиальные схемы ВЧГИ и НЧГИ, а также ФИ. Разработанные устройства согласовать с предыдущей схемой РИ;

4. Рассчитать параметры ВЧГИ и НЧГИ;

5. Нарисовать циклограмму работы РИ;

6. Описать работу разработанного РИ.

3 раздел

1. Рассчитать и синтезировать схему генератора импульсов для схемы с искусственным дроблением шага в соответствии с заданной частотой низкочастотного генератора и заданной кратностью шага К_др;

2. Нарисовать диаграмму работы во времени по тактам с искусственным дроблением шага с учетом только фазности двигателя;

3. Составить монтажную схему с учетом заданного блока микросхем и числа микросхем на плате.

4 раздел

1. Перевести двигатель на скорость 0,1 щ приемистости;

2. Синтезировать схему старт-стопного управления СШД, осуществляемого после нажатия на кнопку СТОП;

3. Рассчитать время задержек Дt_p и Дt_p.

5 раздел

1. Синтезировать САУ пуска СШД в режиме программного запуска или запуска с самокомутацией в соответствии с вариантом.



1. Синтез распределения импульсов СУ реверсивного электропривода с СШД на дискретно-логических элементах

1.1 Описание системы управления и определение цены деления

Функциональная блок-схема простейшего электропривода с СШД:

Рис. 1

П - преобразователь

К - коммутатор

СШД - синхронно-шаговый двигатель

РМ - рабочий механизм

ДШ - датчик шагов

Преобразователь обеспечивает реверс, разгон, торможение, старт / стопный режим, а также включает в себя блоки дробления шага; преобразует управляющий сигнал в ту или иную систему команд, поступающих на коммутатор К.

Коммутатор - устройство, включающее в себя логическую часть, распределитель импульсов и выходные усилители, с которых сигналы поступают на обмотки СШД. Датчик шагов является вспомогательным органом и используется в специальных режимах.

Блок реверсивного коммутатора предназначен для подачи напряжения на обмотки СШД в строго определённой последовательности. Коммутатор вырабатывает пяти фазную несимметричную последовательность импульсов.

Цена деления шага (в пространственных градусах):

где m - число обмоток управления;

m = 4 - фазность;

p = 1 - число пар полюсов;

k₁=1 при симметричной коммутации,

k₂=1 при однополярном управлении.

Для данной системы управления коэффициент тактирования будет равен:

Угол поворота вала двигателя за один шаг составит:

1.2 Силовая схема включения обмоток

Векторная диаграмма



Тактовая диаграмма работы вперед

Векторная и тактовая диаграммы для реверса

Порядок включения фаз при пуске вперед:

1, 2, 3, 4



Порядок включения фаз при пуске назад:

1, 4, 3, 2



2. Алгоритм работы реверсивного РИ без изменения последовательности подаваемых импульсов напряжения на отмотках шагового двигателя

Исходные данные для расчета:

- номинальное напряжение,

- конструктивный коэффициент двигателя,

- сопротивление обмотки возбуждения,

- индуктивность обмотки возбуждения,

- момент сопротивления на валу двигателя,

f_НЧГ = 165 Гц - частота низкочастотного генератора.

Расчеты:

1)

2)

3)

Выразим из формулы (1) t_тр и подставим в неё уравнение (2) и (3):

4)

5)

6) *10⁴ Гц

7)

8) 

Параметры низкочастотного генератора:

Параметры высокочастотного генератора:



Функциональная блок схема имеет следующий вид.

Циклограмма формирователя пачки импульсов

Циклограмма РИ



Описание работы схемы:

При подаче сигнала на движение вперед, он умножается, через элемент DD.1, с сигналами низкочастотного генератора и поступает на элемент DD3.1, далее на коммутатор.

При подаче сигнала на движение назад, разрешенный (элементом DD1.2) сигнал высокочастотного генератора умножается с сигналом низкочастотного генератора (элементом DD1.3) и начинает проходить на коммутатор, одновременно с этим счетчик отсчитывает три импульса после чего подает сигнал, (через инвертор DD2.1) запрещающий прохождение импульсов на коммутатор. С новым импульсом НЧГ счетчик обнуляется, и операция начинается заново.



3. Синтезировать схему генератора импульсов для схемы с искусственным дроблением шага в соответствии с заданной частотой низкочастотного генератора и заданной кратнойстью

импульс реверсивный электропривод обмотка

Блок искусственного дробления шага

Блок искусственного дробления шага необходим, для того чтобы полюс двигателя при работе плавнее переходил от одной обмотки возбуждения к другой. Это можно осуществить, если прямоугольный импульс сделать ступенчатым. При подаче логической единицы на базу VT1 данная обмотка не работает. Если мы подадим на базу VT1 логический ноль, то шунтируя или нет резисторы R1, R2, R3, R4 подачей сигналов на базы VT2, VT3, VT4 VT5 в различных комбинациях можно получить 4 ступени тока через обмотку L. R₁=R, R₂=R, R₃=R. При подаче нулей на базы транзисторов VT1-VT5 они зашунтируют все резисторы, и ток через катушку будет максимальным. Таким образом, схема для выдачи «пачки импульсов» должна работать по алгоритму записанному ниже:

Диаграмма подачи сигналов на обмотки СШД при дроблении шага с учётом только фазности двигателя



Таблица истинности

	Сигналы на базах транзистора	R
	a	b	c	d	VT1	VT2	VT3	VT4	VT5
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	1	1	0	0	0	0	4R
3	0	0	1	0	1	1	0	0	0	3R
4	0	0	1	1	1	1	1	0	0	2R
5	0	0	1	1	1	1	1	1	0	1R
6	0	1	0	0	1	1	1	1	1	0
7	0	1	0	1	1	1	1	1	0	1R
8	0	1	1	0	1	1	1	0	0	2R
9	0	1	1	1	1	1	0	0	0	3R
10	1	0	0	0	1	0	0	0	0	4R
11	1	0	0	1	0	0	0	0	0

Уравнения

VT1=abcd+abcd=bd (ac+ac)=VT1

VT2=abcd+abcd+abcd+abcd=abcd+ab (cd+cd)=VT2

VT3=abcd+abcd+abcd+abcd+abcd+abcd=abc+abd+abcd+abcd=abc+ab (d+cd)+abcd=abc+abd+abc+abcd=ab (c+cd)+abd+abc=abc+abd+abd+abc=ab (c+d)+ab (d+c)=VT3

VT4=abcd+abcd+abcd=abcd+abc=ab (cd+c)=abd+abc

VT5=abcd



4. Схема старт стопного режима управления СШД, осуществляемого после нажатия на кнопку СТОП.

Торможение двигателя

Блок управления торможения двигателя

Исходные данные для расчета:

Для принудительного торможения:

Алгоритм работы: у двигателя после 14 шагов необходимо совершить реверс на время t_T, после которого необходимо подать питание на обмотки, соответствующие ближайшему фиксированному положению вала на данный момент и зафиксировать его.

Для естественного торможения:



Алгоритм работы: у двигателя после 18 шагов необходимо отключить питание на время t_T, после которого необходимо подать питание на обмотки, соответствующие ближайшее фиксированное положение вала на данный момент и зафиксировать его.

Тактовая диаграмма старт-стопного режима

Принципиальная схема при искусственном торможении

Описание работы: пока не нажата кнопка «стоп» счетчик DD6.1 не считает, а так как на инверсном выходе триггера DD4.2 логическая единица, импульсы поступающие на вход беспрепятственно проходят на коммутатор, через элемент DD2.2. При нажатии на кнопку «стоп» триггер DD 4.1 устанавливается в единицу, разрешая таким образом работу счетчика DD6.1, который начинает считать входные импульсы, сигналы со счетчика поступают на элемент 3И-НЕ, который при прохождении 14 - го импульса установит триггер DD 4.2 в единичное состояние, в результате чего входные импульсы перестанут поступать через DD2.2. на вход коммутатора. Логическая единица поступает на элемент DD2.1 который начинает пропускать импульсы с генератора (собранного на элементах DD 1.1, DD 1.2, R1, C1), этот генератор, а также счетчик DD7.1, элементы DD3.1, DD8.1, триггер DD5.1., мультивибратор DD9.1 составляют линию задержки. Работает она следующим образом: импульсы с генератора поступают на вход счетчика DD7.1, сигналы с выхода счетчика поступают на элементы DD3.1, DD8.1, при прохождении 1 импульса что соответствует повороту ротора СШД на угол 26,6 градусов, элемент DD3.1 перебрасывает триггер DD 5.1 в единичное состояние при этом сигнал с триггера поступает на вход коммутатора «назад», а также передний фронт (поступая на вход В мультивибратора DD9.1) заставляет его выработать единичный импульс. Таким образом коммутатор включает обмотку которую ротор СШД уже прошел, за счет силы действующей в сторону обратную вращению ротора он начинает тормозится, и вот за 7 импульсов с генератора ротор остановится, в этот момент элемент DD8.1 перебрасывает триггер DD5.1 в нулевое состояние на коммутатор подается сигнал «вперед» и задний фронт импульса с выхода триггера DD5.1 поступая на инверсный вход А мультивибратора DD9.1 заставляет выработать импульс который включит обмотку СШД к которой подошел ротор СШД. Сигнал с выход DD8.1 идет также на вход R1&R2 счетчика DD 7.1 заставляя его остановится после прохождения 7 импульсов. Резистор R2 и конденсатор С2 служат для задания длительности импульса формируемого мультивибратором.

При естественном торможении:

Естественное торможение осуществляется следующим образом при прохождении определенного количества импульсов (в нашем случаи 2) после нажатия на кнопку «стоп», необходимо выждать определенное время и после этого подать импульс на коммутатор.



Работает схема следующим образом: пока не нажата кнопка «стоп» счетчик DD5.1 не считает, а так как на инверсном выходе триггера DD 4.2 логическая единица, импульсы поступающие на вход беспрепятственно проходят на коммутатор, через элемент DD 2.2. При нажатии на кнопку «стоп» триггер DD 4.1 устанавливается в единицу, разрешая таким образом работу счетчика DD 5.1, который начинает считать входные импульсы, сигналы со счетчика поступают на элемент 3 И-НЕ, который при прохождении 1 - го импульса установит триггер DD 4.2 в единичное состояние, в результате чего входные импульсы перестанут поступать через DD 2.2. на вход коммутатора. Логическая единица поступает на элемент DD 2.1, который начинает пропускать на счетчик DD 6.1 импульсы с генератора. Счетчик DD 6.1 и генератор образует задержку по времени, при прохождении 20 импульсов с генератора счетчик устанавливает RS - триггер DD7.1 в единицу, подает импульс на мультивибратор, сбрасывает триггеры DD4.1 и DD4.2. Единица с выхода Q3 DD7.1 сбрасывает счетчик DD6.1. На элемент DD2.1 перестает поступать единица, задержка не работает. Для того, чтобы схема заново заработала необходимо подать сигнал на ПУСК, а затем СТОП.



4. Пуск двигателя в программном режиме

САУ пуска СШД в режиме программного запуска или запуска с самокоммутацией в соответствии с вариантом

Электропривод СШД с программным разгоном используется, если нужно разогнать двигатель до скорости большей, чем это определено частотой приемистости.

Расчет:

N= 60/(p*m*k1*k2)*f_нчг=60/4 * 259.05=3750 об/мин

Функциональная блок-схема



ЛЗ1, ЛЗ2, ЛЗ4, ЛЗ4 - линии задержки, МВ - мультивибратор, К-коммутатор.

Расчет времени задержки:

Схема принципиальная СУ СШД



Циклограмма работы СУ СШД

Описание работы схемы:

Импульс, поступая на вход, подается на коммутатор, также он запоминается триггером DD2:A. Единица с триггера поступает на элемент U3:1 и импульсы с ВЧГ начинают поступать на четырехтактный счетчик DD1. ЛЗ1 составляет 9 импульсов, что в двоичном коде - 1001, выходы счетчика проверяются на данную комбинацию. После 9 импульса на элементе U4:1 появляется 1, которая запоминается триггером DD6:А, а также поступает на коммутатор. ЛЗ2 составляет 8 импульсов, что по времени на 5% меньше ЛЗ1. Так как счетчик считает до 15 и к данному времени он уже досчитал до 9, то если прибавить еще 8 импульсов, то получится 17, значит счетчик начнет считать заново и успеет досчитать до 3, что в двоичном коде - 0011. В это время 1 появится на элементе U3:2, которая поступит на коммутатор и запомнится триггером DD8:А. ЛЗ3 составляет 7 импульсов, счетчик уже досчитал до 3. После 3 импульса единица появится на элементе DD11:A, она поступит на коммутатор и запомнится триггером DD7:А. ЛЗ4 составляет 6 импульсов, значит счетчик досчитает до 9, что в двоичном коде - 1001, в этот момент 1 появится на элементе DD11:B. Этот импульс запомнится триггером DD10:А, который в свою очередь разрешить работу мультивибратора.

6. Номенклатура используемых элементов

№	Наименование элементов	Тип	Шт.
Блок реверсивного коммутатора
1	Микросхема (U1)	74S112	1
2	Микросхема (DD1)	К176LL2	1
3	Микросхема (DD2)	К176ЛЕ5	1
4	Микросхема (DD3)	К176ЛЕ5	1
5	Микросхема (DD4)	К176LI1	1
6	Микросхема (DD5)	К176LL2	1
Блок реверса без изменения порядка чередования фаз
1	Микросхема (DD1)	К176IE4	1
2	Микросхема (DD2)	К176LI4	1
3	Микросхема (DD3)	К176LI1	1
4	Микросхема (DD4)	К176ЛЕ5	1
5	Микросхема (DD5)	К176LI1	1
6	Резистор (R1)	2 кОм	1
7	Резистор (R2)	1 Ом	1
8	Конденсатор (C1, С2)	1 мкФ и0,19мкФ	2
Искусственное дробление шага
1	Микросхема (U1)	К176LN1	1
2	Микросхема (DD1)	К176LЕ4	1
3	Микросхема (DD2)	К176IE6	1
4	Микросхема (U3)	К176LN1	1
5	Микросхема (DD3)	К176LA4	1
6	Микросхема (DD4)	К176TM2	1
7	Микросхема (U5)	К176LI1	1
8	Микросхема (DD5)	К176IE4	1
9	Микросхема (U6)	К176LI1	1
10	Микросхема (DD6)	К176TM2	1
11	Микросхема (U8)	К176LN1	1
Торможение двигателя (искусственное)
1	Микросхема (DD1)	К176LN1	1
2	Микросхема (DD2)	К176LI1	1
3	Микросхема (DD3)	К176LA4	1
4	Микросхема (DD4)	К176TM2	1
5	Микросхема (DD5)	К176TM2	1
6	Микросхема (DD6)	К176IE4	1
7	Микросхема (DD7)	К176IE4	1
8	Микросхема (DD8)	К176LA4	1
9	Микросхема (DD9)	К176TL	1
Торможение двигателя (естественное)
1	Микросхема (DD1)	К176LN1	1
2	Микросхема (DD2)	К176LI1	1
3	Микросхема (DD3)	К176LA4	1
4	Микросхема (DD4)	К176TM2	1
5	Микросхема (DD5)	К176IE4	1
6	Микросхема (DD6)	К176TM2	1
7	Микросхема (DD7)	К176	1



Заключение

В данном курсовом проекте был представлен вариант системы управления синхронно-шаговым двигателем, выполняющей разгон, работу двигателя на номинальной скорости, старт / стопный режим и торможение двигателя в заданном режиме. Конструкция системы управления была сделана блочной, что позволяет произвольно конфигурировать ее параметры в зависимости от задач, возлагающихся на привод, в котором используется двигатель.

В конструкции системы управления были применены современные микросхемы. Применение микросхем счетчиков и триггеров вместо логических элементов позволило уменьшить число микросхем, входящих в систему управления, что дополнительно снизило энергопотребление, габариты и стоимость комплектующих, а также затраты на сборку.



Список использованной литературы

1. Арменский Е.В., Прокофьев П.А., Фало Т.Б. Автоматизированный электропривод. - М.: Высшая школа, 1987. -144 с.

2. Стальная М.И. «Элементы аналоговой и дискретной автоматики систем УЧПУ». Учебн. пособие/ Алт. гос. техн. ун-та им И.И. Ползунова. - Барнаул, 1993. -82 с.

3. Терехов В.М. «Элементы автоматизированного электропривода.» М.: Энергоатомиздат, 1987. 52 с.

4. «Программное управление станками и промышленными роботами». М.: Высшая школа, 1989. -235 с.

5. Гейтер Г.Р., Ильяшенко В.П. и др. «Проектирование бесконтактных логических схем автоматического управления» М.: Энергия, 1970. - 263 с.

Размещено на Allbest.ru