Министерство образования и науки Российской Федерации

Вид материала

Характеристики IC-шины.
Описание программного обеспечения
Библиографический список
Indf equ 00h ;доступ к памяти через fsr.
Библиографический список
Ю.В. Анохина, М.Х. Даянов
Предельно эксплуатационные значения
Описание работы системы управления
Описание работы шестиканального усилителя
Библиографический список

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6

Характеристики I²C-шины.

I²C-шина предназначена для информационного обмена различных ИМС. Эта шина последовательного типа имеет две двунаправленные линии, одну для сигналов данных (SDA), а другую для сигналов тактовой синхронизации (SCL). Обе линии SDA и SCL следует подключать к положительному питающему напряжению через подтягивающие резисторы.

Передача данных инициируется только при свободной шине. В процессе передачи данных, линия данных должна быть в устойчивом состоянии каждый раз, когда устанавливается высокий уровень напряжения на линии тактовой синхронизации. Изменения логического уровня на линии данных, при высоком уровне напряжения на линии тактовой синхронизации, интерпретируется как управляющие сигналы.

Шина не занята - ВЫСОКИЙ уровень напряжения сохраняется как на линии данных, так и на линии тактовой синхронизации.

Начало передачи данных - переключение состояния линии данных с ВЫСОКОГО на НИЗКИЙ логический уровень, пока сохраняется ВЫСОКИЙ уровень на линии синхронизации, является START-условием.

Прекращение передачи данных - переключение состояния линии данных с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ логический уровень, пока сохраняется ВЫСОКИЙ уровень на линии синхронизации, является STOP-условием.

После START-условия состояние линии данных должно оставаться стабильным всякий раз во время ВЫСОКОГО уровня напряжения на линии синхронизации. Изменения на SDA-линии в этот отрезок времени будут восприниматься, как управляющие сигналы. В течение одного тактового импульса может передаваться только один бит данных.

Каждая передача данных запускается START-условием и обрывается STOP-условием. Во временном интервале между START- и STOP-условиями можно передать два байта в режиме стирания/записи и неограниченное число байтов в режиме считывания. Передаваемая информация подтверждается приемником побайтно НИЗКИМ уровнем на SDA-линии во время девятого тактового импульса.

Описание программного обеспечения

Программа выполнена на языке высокого уровня Object Pascal в интегрированной среде разработки Borland Delphi 7.0 Enterprise и работает в операционной среде Windows 98. Листинг программы приведен в приложении 3.

Основным элементом управления работой программы служит меню, расположенное в верхней части окна, и связанная с ним панель быстрых кнопок.

Меню содержит пункты «Файл», «Режим работы», «Настройки», «Помощь».

Пункт «Файл» содержит подпункты:

«Новый…» (создание отчета).
«Открыть…» (открытие ранее созданного отчета).
«Сохранить результат как…» (сохранение результата работы в текстовом файле).
«Завершение работы».

Пункт «Режим работы» содержит подпункты:

«Определение адресов устройств» (определение адресов устройств, подключенных к шине I²C).
«Считывание информации из ячейки устройства» (считывание одного байта информации, хранящейся в устройстве).
«Считывание информации из ячеек устройства» (считывание 256 байт информации, хранящейся в устройстве, запись информации в файл данных).
«Запись информации в устройство» (запись одного байта информации в устройство).
«Тестирование ПЗУ» (последовательная проверка 256 ячеек ПЗУ на правильность работы).
«Режим наблюдения» (наблюдение за обменом информацией по шине I²C без активного вмешательства).
«Запись ПЗУ» (записываются все ячейки ПЗУ содержимым файла данных).

Пункт «Настройки» содержит подпункты:

«Быстродействие» (изменение скорости обмена информацией по шине I²C).
«Адреса по умолчанию» (устанавливает по умолчанию адреса процессора и ПЗУ).

Пункт «Помощь» содержит подпункты:

«Вызов справки».
«О программе» (содержит информацию о разработчике).

Рисунок 6 Внешний вид программы.

Во время выполнения функций в окне программы появляются дополнительные органы управления:

Окна редактирования - для оперативного изменения адресов устройств, ячеек и записываемой информации.

Кнопка запуска процесса на выполнение.
Результат выполнения заносится многострочный редактор редактирования, расположенный в правой части окна программы. Информация, находящаяся в этом окне, может быть сохранена в текстовом файле с расширением MSR. Также, в этот редактор можно занести информацию, ранее сохраненную в файле.
В режиме наблюдения программой дополнительно создается окно отображения диаграмм процесса обмена информацией по шине I²C, которые могут быть сохранены в графическом файле формата BMP.

Рисунок 7 Внешний вид программы при выполнении функций.

Заключение

Мы разработали методику диагностики цифровой части современных телевизоров, электрическую принципиальную схему устройства сопряжения компьютера с телевизором, программное обеспечение работы устройства. Программное обеспечение Tester позволяет персональному компьютеру формировать специальные сигналы, имитирующие работу процессора и принимать ответные сигналы цифровых устройств телевизора.

Система позволяет определять адреса устройств телевизора, считывать информацию ячеек памяти или всего устройства. Запоминать прошивку микросхем в базе данных и использовать для программирования новых микросхем.

Изготовлен действующий макет и готовится к внедрению на предприятиях «Рембыттехники» города Кузнецк, Пензенской области.

Библиографический список

1 А.С. Павлов, В.В. Петрунин «Тестирования модуля синтезатора напряжения цветного телевизора пятого поколения и выше при помощи персонального компьютера», Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск 2004 г.

2 Петрунин В.В. Построение автоматизированных систем диагностики радиоэлектронной техники //Надежность и качество: Труды международного симпозиума: Под ред. Н.К.Юркова – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005 - С. 373-375

3 Петрунин В.В. Использование персонального компьютера для проверки параметров радиоизмерительных приборов // //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Под ред. Н.К.Юркова – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005 - С. 243-245.

4 Петрунин В.В. Проблемы диагностики радиоэлектронной техники // Материалы научно-практической конференции « Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества «КБД-ИНФО-2005» / Сочи: Московский ГИЭМ 2005 - С. 1-2

5 Петрунин В.В., Анохина Ю.В. Программное обеспечение диагностики радиоэлектронной аппаратуры // Надежность и качество: Труды международного симпозиума: В 2-х томах. Том 2./ Под ред. Н.К.Юркова – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. С. 57-58.

С. Дворянинов (ККЭТ, группа 4р4)

Научный руководитель: к.т.н., преподаватель Петрунин В. В.

Система управления фрезерным станком

Настоящая работа выполнена с целью создания устройства управления станками с приводом шаговыми двигателями. Это фрезерные, электроэрозионные станки, лазерные и плазменные резаки. Используемые для привода шаговые двигатели имеют большую мощность, точность позиционирования в пределах 1 микрометра, что позволяет выполнять особо точные работы.

Разработанное студентами колледжа в студенческом конструкторском бюро (далее СКБ) устройство управления имеет по сравнению с аналогами меньшие размеры, вес, использует в качестве базового устройства персональный компьютер с авторским программным обеспечением. Шестиканальные усилители мощности выполнены с гальванической развязкой и раздельными источниками питания. Плата управления, предназначенная для интерфейса с персональным компьютером, выполнена на микропроцессорах, прошитых разработанными СКБ программами.

Первый вариант устройства управления электроэрозионным станком прошел испытания на заводе «Мета-Феррит» и был принят с высокой оценкой.

ЭВМ прочно входят в производственную деятельность. В последние годы как за рубежом, так и в нашей стране резко увеличилось производство мини- и микро-ЭВМ (персональные ЭВМ), на основе которых можно строить локальные сети ЭВМ, что позволяет решать сложные задачи по управлению производством. Сегодня технологические процессы постоянно усложняются, а агрегаты, реализующие их, делаются все более мощными.

Исполнительные устройства в современном производстве – двигатели постоянного и переменного токов, шаговые двигатели, нагревательные элементы. Во многих станках применяются шаговые двигатели, позволяющие развивать большую мощность и точность позиционирования. Для управления шестифазными шаговыми двигателями фрезерного станка разработаны и внедряются на заводе «Мета-Кузнецк» электронный блок управления и программное обеспечение для его работы. В данном проекте разрабатывается малогабаритный электронный блок на современной элементной базе – применяются микроконтроллеры, оптронные развязки, разработано программное обеспечение (ПО) для микроконтроллеров. ПО протестировано, преобразовано в машинные коды и введено в микроконтроллер. Использование микроконтроллеров позволило значительно уменьшить количество микросхем и уменьшить энергопотребление. Микроконтроллеры можно использовать для управления любыми типами шаговых двигателей, для этого необходимо изменить прошивку. Плата управления установлена в корпус персонального компьютера. Внутри к плате произведены подключения питания, управляющих сигналов, сигналов обратной связи. На переднюю панель выведена светодиодная индикация выходных сигналов X, Y, Z. Полученная система – центральная станция формирует управляющие сигналы, которые через специальные разъемы поступают на три усилителя X, Y, Z. В каждом усилителе находится мощный блок питания, оптронная развязка, предварительный и оконечный усилитель. Усиленный сигнал управляет положением ротора шагового двигателя. Для управления фрезерным станком необходимо три двигателя. Для выполнения малых перемещений режущего инструмента разработана технология «микрошага», где между основными положениями шагового двигателя можно получить десятки вспомогательных.

Модернизация станков неизбежна по причине совершенно новых требований, предъявляемых к современному станочному парку. Увеличение точности, повышение производительности, необходимость полностью автоматизировать соответствующий участок производственного процесса, снижение доли брака – без выполнения этих условий чрезвычайно трудно выдержать жёсткую конкуренцию. Устаревшие системы снижают производительность, требуют периодического квалифицированного ремонта и технического обслуживания. Кроме того, возникает проблема интеграции станков в современные автоматизированные системы управления производством.

Обмотки шагового двигателя являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, формируемые при помощи ШИМ-модуляции. Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора. Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Для получения микрошагового режима используется широтно-импульсная модуляция, изменяющаяся по закону синуса-косинуса. Для реализации 10 установок микрошагового режима необходимо формировать на соседних обмотках импульсы с изменяющей длительностью, приведенные в таблице 1 и на рисунке 1.

Таблица 1 – длительность импульсов ШИМ

Градусы	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
Sin α	0	0,174	0,342	0,5	0,643	0,766	0,866	0,94	0,985	1
Cos α	1	0,985	0,94	0,866	0,766	0,643	0,5	0,342	0,174	0

Рисунок 1 Синусно – косинусные изменения ШИМ для микрошагового режима

Система управления выполняет следующие функции:

– гальваническая развязка платы управления от силовой части блока управления шаговыми двигателями;

– преобразование сигналов, сформированных программным обеспечением компьютера, в сигналы управления шаговыми двигателями;

– передача состояния концевых датчиков станка в центральную станцию.

Система управления состоит из центральной станции и трех мощных усилителей. Центральная станция представляет собой персональный компьютер с установленной в корпус компьютера дополнительной платы управления. Внутри к плате произведены подключения питания, управляющих сигналов, сигналов обратной связи. На переднюю панель выведена светодиодная индикация выходных сигналов X, Y, Z. Полученная система – центральная станция формирует управляющие сигналы, которые через специальные разъемы поступают на три усилителя X, Y, Z. В каждом усилителе находится мощный блок питания, оптронная развязка, предварительный и оконечный усилитель. Усиленный сигнал управляет положением ротора шагового двигателя. Для управления фрезерным станком необходимо три двигателя. Плата управления работает на базе PIC-контроллера, который преобразует машинные коды компьютера в сигналы управления шаговых двигателей. Для контроллера разработано программное обеспечение на ассемблере (Рисунок 2), преобразовано в машинные коды программой MPLAB и введено в контроллер.

Траектория перемещения режущего инструмента формируется редактором G – кодов. Это отдельное программное обеспечение, которое позволяет переводить траекторию перемещения в G – коды.

Программное обеспечение вывода сигналов управления станком преобразует G – коды в сигналы управления шаговых двигателей.

Управляющие сигналы с компьютера поступают на плату управления, где формируются сигналы управления исполнительными устройствами – шаговыми двигателями ШД51. Для гальванической развязки центральной станции от силовой части использованы оптронные пары.

Структурно систему управления можно разбить на следующие блоки

(Рисунок 3): центральная станция – персональный компьютер с платой управления, состоящей из трех микроконтроллеров перемещения по оси «х», «y», «z» привода станка. В каждом микроконтроллере установлено устройство фазоимпульсного управления шаговым двигателем.

Рисунок 2 Программное обеспечение на ассемблере в программе MPLAB

Сигналы фазоимпульсного управления поступают на три мощных усилителя с узлом оптронной развязки по каналам Ox, Oy, Oz. Затем сигналы усиливаются предварительным и оконечным усилителем Ус.x, Ус.y, Ус.z.

Программное обеспечение «Вывод» позволяет ввести G – коды - траекторию перемещения режущего инструмента и формирует управляющие сигналы для трехкоординатного станка, которые поступают на плату управления для формирования сигналов управления исполнительными устройствами – шаговыми двигателями (ШД). Сигналы «Предел» по X, Y, Z поступают на центральную станцию от станка и останавливают процесс выполнения перемещения режущего инструмента.

Плата управления работает на базе PIC-контроллера, который преобразует машинные коды компьютера в сигналы управления шаговых двигателей. Для контроллера разработано программное обеспечение на ассемблере, преобразовано в машинные коды программой MPLAB и введено в контроллер.

Рисунок 3 Структурная схема системы управления

Программное обеспечение на ассемблере (фрагмент):

; УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИФАЗНЫМ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

; ВЕРСИЯ1.02

; РАЗРАБОТАЛА Дворянинов, Петрунин.

; УСТРОЙСТВО PIC16F84A

; АССЕМБЛЕР И ОТЛАДЧИК: MPLAB IDE, ВЕРСИЯ: 7.30

;

LIST p=16F84A

__CONFIG 03FF1H

;====================================================

; ИСПОЛЬЗУЕТСЯ КВАРЦ ЧАСТОТОЙ 4,0 MГц.

;====================================================

; ПОРТ B - ВЫХОД УПРАВЛЕНИЯ RB0-RB5.

; RA0 - ВХОД+"0".

; RA1 - ВХОД-"0".

; RA2 - УПРАВЛЕНИЕ (РАЗРЕШЕНИЕ).

;=========================================

; РЕГИСТРЫ РСН.

;=========================================

INDF EQU 00H ;ДОСТУП К ПАМЯТИ ЧЕРЕЗ FSR.

TIMER0 EQU 01H ;TMR0.

OPTIONR EQU 01H ;OPTION БАНК 1.

PC EQU 02H ;СЧЕТЧИК КОМАНД.

STATUS EQU 03H ;РЕГИСТР СОСТОЯНИЯ АЛУ.

FSR EQU 04H ;РЕГИСТР КОСВЕННОЙ АДРЕСАЦИИ.

Для прошивки микроконтроллера программа переводится в машинные коды и вводится программатором ChipProg – 48.

:020000040000FA

:1000000001288316003086000730850083128501A1

:100010008601800184018C018B018101FE30860004

:100020001128051D1128851C1828051C20281128B9

:10003000851C18280C0803190C3E8C008C032828FA

:10004000051C20288C0A0C080C3C03198C0128285C

:100050000C0803110C3C03195E280C080B3C031917

:100060007F280C080A3C03197C280C08093C03195A

:1000700079280C08083C031976280C08073C03195A

:1000800073280C08063C031970280C08053C03195A

:100090006D280C08043C03196A280C08033C03195A

:1000A00067280C08023C031964280C08013C03195A

:1000B00061280C08003C03195E285E28FE3086008B

:1000C0001128FC3086001128FD3086001128F930F7

:1000D00086001128FB3086001128F3308600112895

:1000E000F73086001128E73086001128EF308600AF

:1000F0001128CF3086001128DF3086001128DE302D

:04010000860011283C

:02400E00F13F80

Формирование и редактирование исходной программы:

Используя программу редактора G-code ввести траекторию перемещения режущей части инструмента. Редактор формирует G-коды, необходимые для ввода информации в программу управления.

При запуске редактора появляется окно, представленное на рисунке 4.

Двойным нажатием левой клавиши мышки устанавливаем начальную точку. Координаты точки автоматически записываются в первую строку G-кодов.

Затем мышкой устанавливается вторая точка. Текущие координаты отображаются в левых нижних окошках. В окошке «Радиус» выводится минимальное значение радиуса. При необходимости можно изменять его в большую сторону. Знак «+» указывает, что дуга идет по часовой стрелке, знак «-» - против часовой. Для получения прямой линии необходимо установить значение радиуса равным 0.

Рисунок 4 Окно редактора G-кодов

После установки значения «Радиус» нажимается левая кнопка мышки и проводится линия. Координаты новой точки и вид линии записываются во вторую строку G-кодов:

G00- координаты начальной точки

G01- прямая линия

G02- дуга по часовой стрелке

G03- дуга против часовой стрелки

При необходимости текстовый файл можно корректировать и нажатием кнопки «Файл/Обновить» получить на экране правильную траекторию. Затем производится запись файла «Файл/Сохранить».

Для составления программы G-кодов можно использовать моделирующую программу AutoCad.

Библиографический список

Дж. Смит «Сопряжение компьютеров с внешними устройствами» Москва, «Мир» 2000
Патрик Гелль «Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс»Москва, «ДМК» 1999
А.Ю. Кузьминов «Интерфейс RS232 связь между компьютером и микроконтроллером» Москва, «Радио и связь», 2004
В.В.Петрунин «Построения автоматизированных систем на основе персонального компьютера для тестирования, настройки, ремонта радиоэлектронной техники», Международный симпозиум «Надежность и качество 2004», г. Пенза
Ю.В. Анохина, М.Х. Даянов «Ввод информации в персональный компьютер», Материалы межвузовской научно-практической конференции «АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ В РОССИИ», Материалы Всероссийской научно-практической конференции «АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ В РОССИИ», г. Кузнецк 2005

Д. Лапшов, А. Урядов (ККЭТ, группа 4р4)

Научный руководитель: к.т.н., преподаватель Петрунин В. В.

Система запуска и регулировки скорости двигателей

В процессе потребления электрической энергии происходит её преобразование в другие виды энергий (тепловую, механическую, химическую). Около 70% электроэнергии используется для приведения в движение станков, т.е для преобразования её в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами – электродвигателями.

Электродвигатель – основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергии, простота её распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин, когда отдельные звенья рабочей машины приводятся в движение собственными двигателями. Многодвигательный привод значительно упрощает механизм рабочей машины (уменьшается число механических передач, связывающих отдельные звенья машины) и создаёт большие возможности в автоматизации различных технологических процессов. Электродвигатели широко используют на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др.

Актуальной проблемой является замена пусковых и регулировочных реостатов двигателей постоянного тока электронными устройствами, управляемых компьютерным устройством. Это позволит автоматизировать технологический процесс управления станком, исключить крупногабаритные блоки управления.

Научная новизна состоит в разработке программного обеспечения, соединения электронного устройства с компьютером.

Дальнейшие работы направлены на практическое внедрение в реальные разработки устройств электропривода для промышленных устройств и изделий бытовой техники [1].

Технические характеристики разработанного устройства:

Потребляемый ток, мА, не более…………………………………………..……20

Напряжение насыщения открытого симистора, В, не более............................2

Входной ток узла управления тринистором ИМС мкА, ………………..….0,2

Частота сетевого напряжения, Гц………………………………………..40…70

Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С……………-40….70.

Температура хранения, °С…………………………………………….-55…+150

Предельно эксплуатационные значения

Напряжение сети (действующее значение), В ………………..………80…276

Мощность нагрузки Вт………………………………………….……10000

Из технических характеристик следует, что регулятор позволяет осуществить плавный пуск и выключение двигателя, изменением резистора R1 можно плавно менять число оборотов [4].

Во внешнюю цепь включают мощный симистор, который позволяет управлять двигателями большей мощности. Кроме того требуется дальнейшая доработка схемы с целью выделения отдельного питания обмотки возбуждения и якоря. Так как двигатель работает несколько смен, требуется введение защиты по току.

По конструкции исполнительные двигатели можно разделить на двигатели с ферромагнитным якорем и малоинерционные, не имеющие ферромагнитного сердечника якоря.

Двигатели с ферромагнитным якорем и обмоткой возбуждения отличаются от обычных машин лишь тем, что имеют полностью шихтованную магнитную систему (якорь, полюса, станину). Это двигатели серий СЛ, МИ, ПБС и др. Есть

двигатели (серии ДП и ДПМ), в которых роль обмотки возбуждения выполняют постоянные магниты. В остальном они ничем не отличаются от названных выше.

Малоинерционные двигатели выпускаются двух типов:

1) с дисковым якорем и печатной обмоткой;

2) с полым немагнитным якорем и обычной обмоткой.

Якорь малоинерционных двигателей примерно в 8 раз легче, а момент инерции в 5¸10 раз меньше, чем у обычного двигателя. В результате их постоянные времени в 2¸ 2,5 раза меньше. К тому же они имеют практически безыскровую коммутацию, поскольку их секции обладают меньшей индуктивностью. К недостаткам таких двигателей можно отнести большой воздушный зазор, а, следовательно, большие габариты по сравнению с обычными машинами.

Особенности коллекторных двигателей

Основным достоинством коллекторных двигателей постоянного тока является возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне, линейность механической и, в большинстве случаев, регулировочной характеристики,

большой пусковой момент, высокое быстродействие, малая масса и объем на единицу полезной мощности и более высокий КПД по сравнению с двигателями переменного тока той же мощности.

Недостатком коллекторных двигателей постоянного тока является

наличие щеточно-коллекторного узла, что ограничивает их долговечность и является источником радиопомех. Вследствие искрения на скользящем контакте эти двигатели не пригодны для эксплуатации во взрывоопасных средах.

Коэффициент полезного действия двигателей постоянного тока различной мощности лежит в пределах 10 - 85% и зависит от функционального назначения двигателя, режима работы, степени использования, способа возбуждения, конструктивного исполнения.

Частота вращения двигателя при неизменной нагрузке может быть изменена регулированием питающего напряжения U, включением последовательно с якорем дополнительного регулировочного резистора и изменением магнитного потока машины (изменением тока возбуждения). В практике применяются все три способа регулирования.
Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью преобразования напряжения

постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоянного тока, допускающего плавное регулирование напряжения (система генератор — двигатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требующих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.
Регулирование частоты вращения магнитным потоком является наиболее экономичным способом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ

регулирования предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока.
Включение добавочного резистора в цепь якоря дает возможность плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот

способ используется, например, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей. В современных системах регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, позволяющие осуществить регулирование частоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут быть тахогенераторы, размещенные на валу якоря двигателя.

Описание работы системы управления

На рисунке 1 приведена схема электрическая структурная. Микросхема DA1 выполняет регулировку напряжения нагрузки. Входное управляющее напряжение преобразуется в ток заряда конденсаторов С1 и С2, что управляет моментом включения выходных тиристоров. Для регулировки больших мощностей в схему включен симистор VS1. Выпрямители 1 и 2 преобразуют переменное напряжение сети в постоянное.

Рисунок 1 Схема электрическая структурная системы управления

На схеме принципиальной показано типовая схема включения микросхемы КР1182ПМ1 (Рисунок 2).

Рисунок 2 Схема электрическая принципиальная системы управления

Микросхема состоит из двух транзисторов, собранных по схеме транзисторного аналога транзистора(VT3,VT5 и VT11VT14) и включенных встречно – параллельно, и узла управления (VT1 – VT9). Выход узла управления связан с управляющими выводами транзисторов разделительными диодами VD7 VD8 [3]. Узел управления питается от диодного моста, подключенного по переменному напряжению к сетевым выводам 14, 15 и 10, 11 микросхемы.

Резисторы R1 и R2 играют роль балластных.

Внешние конденсаторы С1, С2 обеспечивают необходимую задержку включения транзисторов на каждой полуволне сетевого напряжения относительно его перехода через «нуль». Эти конденсаторы также не позволяют тринисторам открываться в момент подачи напряжения сети.

Узел управления, в свою очередь, состоит из стабилизаторного источника питания на транзисторах VT2, VT6, VT7, генератора тока на транзисторах VT8,

VT10, который заряжает внешний времязадающий конденсатор С2, преобразователя напряжение – ток на транзисторах VT12, VT3, VT15 и «токового

зеркала» VT16 – VT17. На транзисторе VT4 и резисторах R5, R6 собрано устройство тепловой защиты микросхемы.

Регулятор мощности работает следующим образом. При подаче сетевого напряжения транзисторы VT3, VT5, VT9, VT11 закрыты. На узел управления от источника питания поступает напряжение питания 6,3 В и он вырабатывает некоторый выходной ток (ток коллектора транзистора VT17).

Предположим, что в текущей момент на объединенных выводах 14, 15 положительное напряжение сети, а на 10, 11 – отрицательное. Выходным током узла управления микросхемы через диод VD8 будет заряжаться задерживающий конденсатор С3. Через некоторое время напряжение на этом конденсаторе увеличиться до уровня, при котором откроется транзистор VT3. VT5.

С этого момента и до конца полупериода через нагрузку – симистор VS1 – будет протекать ток, а выпрямительный мост, питающий узел управления, окажется шунтированным открытым тринистором. Конденсатор С1 остаются

разряженным. После смены полярности сетевого напряжения начинается зарядка конденсатора С1 и с такой же задержкой открывается тринистор VT9, VT11.

Конденсатор С3 в течении этого полупериода быстро разрядится через резистор R3 транзистор VT1.

Сплошными линиями показано описанные выше процессы, соответствующие некоторому промежуточному значению выходного тока узла управления. Видно что открытие транзисторов происходит при напряжении на конденсаторах С1, С3, равном 0,7В. Форма напряжения на нагрузке показана на рисунке 2 г.

Задержка включения тринисторов в секундах относительно начала полупериода равна

= 0.7C2/

, где 0,7В – пороговое напряжение открывания транзисторов; С3=С1 – емкость задерживающих конденсаторов (в микрофарадах);

- выходной ток (в микроамперах) узла управления Если менять выходной ток

узла управления, будет меняться задержка включения транзистора в каждом полупериоде сетевого напряжения, а значит, и мощность, выделяющая в нагрузке. На рисунке 2 это показано жирными линиями. При минимальном значении выходного тока задержка должна превышать половину периода.

В первые несколько полупериодов после подачи на регулятор сетевого напряжения разряженный времязадающий конденсатор С2 замыкает выводы 3и 6 микросхемы подобно проволочной перемычке, поэтому выходной ток равен выходному току минимальному. Однако, поскольку генератор тока на

транзисторах VT8. VT10, резисторе R7 и диоде VD5 обеспечивает вытекающий стабильный ток через вывод6, конденсатора С2 плавно заряжается.

Это приводит к увеличению напряжения на базе транзистора VT13, из-за чего транзистор VT15 начинает открываться. В результате выходной ток узла управления увеличивается, задержка включения транзисторов в каждом

последующем полупериоде уменьшается – ток через симистор плавно увеличивается от нуля до максимума.

Если уменьшить сопротивление резистора R11 до нуля, конденсатор С2 будет разряжаться через резисторы R11 и R12 ток через семистор убывать до нуля и двигатель останавливается. Ток разрядки конденсатора должен быть больше тока его зарядки со стороны вывода 6 микросхемы.

Рисунок 3 Регулировка напряжения якоря двигателя постоянного тока.

Отсутствие активного закрывания транзисторов микросхемы позволяет использовать ее для регулирования мощности индуктивной нагрузки, поскольку после перехода фазы сетевого напряжения через «нуль» соответствующий тринистор останется открытым до полного прекращения тока через нагрузку.

Для увеличения мощности нагрузки (до 1.2кВТ) введен симисторный усилитель мощности VS1.

Микросхема КР1182ПМ1 является новым решением проблемы регулировки мощности в классе высоковольтных мощных электронных схем. Благодаря уникальной технологии возможно применение интегральной схемы для сети переменного тока с напряжением до 230 В при этом необходимо минимальное количество внешних элементов. Мощность подключаемой нагрузки до 150 Вт.

Основное применение интегральной схемы – для плавного включения и выключения электрических ламп накаливания или регулировки их яркости

свечения. ИС может успешно применяться для регулировки скорости вращения электродвигателей мощностью до 150 Вт (например, вентиляторов) и для управления более мощным силовыми приборами (тиристорами, симисторами).

Для автоматизации управления двигателем постоянного тока разрабатывается устройство связи с персональным компьютером. Через оптронную развязку управляющий код с LPT порта компьютера поступает на

управление микросхемы 1182ПМ1, изменяя выходную мощность по заданной программе.

Заключение

Цель разработки – создание устройства для запуска и регулировки скорости двигателей постоянного тока большой мощности. Разработанное устройство заменит громоздкие пусковые реостаты, позволит изменять скорость двигателя регулировкой тока якоря.

В процессе проектирования была разработана и изготовлена печатная плата управления двигателя постоянного тока, произведён монтаж радиоэлементов и произведена регулировка платы устройства. Технические характеристики устройства соответствуют заданным значениям.

Возможность управления устройства персональным компьютеров позволяет автоматизировать технологический процесс управления двигателем. Это позволит

использовать устройство в автоматизированных системах управления приводом станков. Дальнейшие работы направлены на практическое внедрение в реальные разработки устройств электропривода для промышленных устройств и изделий бытовой техники.

Библиографический список

В.В. Петрунин «Разработка технологического процесса» Методическая разработка.: ККЭТ 2004
Ю. А. Браммер. Импульсная техника: Учебник . - М.: Высшая школа, 2004
И.Кольцов. Микросхема фазового регулятора КР1182ПМ1. — Схемотехника, 2001, №10. С.51.
А.Немич. Микросхема КР1182ПМ1 — фазовый регулятор мощности. — Радио, 1999. №7. С.44.

А. Бажанов (ККЭТ, группа 4р4)

Научный руководитель: к.т.н., преподаватель Петрунин В. В.

Шестиканальный усилитель

Шестиканальный усилитель разработан с целью создания устройства управления станками с приводом шаговыми двигателями. Это фрезерные, электроэрозионные станки, лазерные и плазменные резаки. Используемые для привода шаговые двигатели имеют большую мощность, точность позиционирования в пределах 1 микрометра, что позволяет выполнять особо точные работы.

Разработанное студентами колледжа в студенческом конструкторском бюро (далее СКБ) устройство управления имеет по сравнению с аналогами меньшие размеры, вес, использует в качестве базового устройства персональный компьютер с авторским программным обеспечением. Управляющие сигналы с выхода устройства управления необходимо усилить для управления мощными шаговыми двигателями с шестью обмотками. Рабочие токи обмоток составляют десятки ампер при напряжении 40 вольт. Шестиканальные усилители мощности выполнены с гальванической развязкой для разделения силовой части и устройства управления. Для работы усилителя разработаны и изготовлены источники питания.

Исполнительные устройства в современном производстве – двигатели постоянного и переменного токов, шаговые двигатели, нагревательные элементы. Во многих станках применяются шаговые двигатели, позволяющие развивать большую мощность и точность позиционирования. Центральная станция формирует управляющие сигналы, которые через специальные разъемы поступают на три усилителя X, Y, Z. В каждом усилителе находится мощный блок питания, оптронная развязка, предварительный и оконечный усилитель. Усиленный сигнал управляет положением ротора шагового двигателя. Для управления фрезерным станком необходимо три двигателя.

Обмотки шагового двигателя являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах. Шаговые двигатели делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать средний отвод – рисунок 1.

Рисунок 1 Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода – рисунок 2.

Рисунок 2 Биполярный и гибридный шаговый двигатель

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима. Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

Рисунок 3 Последовательность управления для режима с единичным шагом

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Рисунок 4 Различные способы управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза – рисунок 4.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рисунок 4б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, когда двигатель делает шаг в половину основного. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рисунок 4в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Для получения микрошагового режима используется широтно-импульсная модуляция, изменяющаяся по закону синуса-косинуса.

При работе шагового двигателя требуется изменение направления магнитного поля независимо для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля может быть выполнено разными способами. В униполярных двигателях обмотки имеют отвод от середины или имеются две отдельные обмотки для каждой фазы.

Направление магнитного поля меняется путем переключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуются только два простых ключа A и B для каждой фазы (рисунок 5).

Рисунок 5 Питание обмотки униполярного двигателя.

В биполярных двигателях направление меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такой переполюсовки требуется полный H-мост (рисунок 6). Управление ключами в том и другом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужный алгоритм работы. Предполагается, что источник питания схем имеет номинальное для обмоток двигателя напряжение.

Рисунок 6 Питание обмотки биполярного двигателя

Это простейший способ управления током обмоток, и как будет показано в дальнейшем, он существенно ограничивает возможности двигателя. Нужно отметить, что при раздельном управлении транзисторами H-моста возможны ситуации, когда источник питания закорочен ключами. Поэтому логическая схема управления должна быть построена таким образом, чтобы исключить эту ситуацию даже в случае сбоев управляющего микроконтроллера.

Описание работы шестиканального усилителя

Усилитель выполняет следующие функции:

– гальваническая развязка платы управления от силовой части шестиканального усилителя;

– формирование питающих напряжений шестиканального усилителя;

– усиление управляющих сигналов до необходимой мощности.

Общий вид шестиканального усилителя приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 Общий вид шестиканального усилителя

Система управления состоит из центральной станции и трех мощных усилителей. Центральная станция представляет собой персональный компьютер с установленной в корпус компьютера дополнительной платы управления. Внутри к плате произведены подключения питания, управляющих сигналов, сигналов обратной связи. На переднюю панель выведена светодиодная индикация выходных сигналов X, Y, Z. Полученная система – центральная станция формирует управляющие сигналы, которые через специальные разъемы поступают на три усилителя X, Y, Z. В каждом усилителе находится мощный блок питания, оптронная развязка, предварительный и оконечный усилитель. Усиленный сигнал управляет положением ротора шагового двигателя. Для управления фрезерным станком необходимо три двигателя.

Управляющие сигналы с компьютера поступают на плату управления, где формируются сигналы управления, которые усиливаются шестиканальными усилителями и подаются на исполнительное устройство – шаговый двигатель ШД51.

Структурно шестиканальный усилитель можно разбить на следующие блоки: оптронная развязка, состоящая из двух микросхем TLP521-4 предварительного (Рисунок 8) и оконечного усилителей.

Микросхема TLP521-4 состоит из четырех оптронов светодиод-фототранзистор. При подаче на вход «1» светодиод загорается и фототранзистор открывается, формируя на входе логического элемента И-НЕ «0».

Рисунок 8 Схема электрическая принципиальная предварительного усилителя (фрагмент).

На выходе логического элемента И-НЕ появляется «1» и открывает транзистор VT13, который открывает выходной транзистор.

Блок питания формирует необходимые напряжения для работы усилителя:

- 40 вольт, 10 ампер;

- 5 вольт, 1 ампер.

Рисунок 9 Предварительный усилитель

Для управления по трем координатам необходимы три усилителя по каналам Ox, Oy, Oz. Программное обеспечение «Вывод» позволяет ввести G – коды - траекторию перемещения режущего инструмента и формирует управляющие сигналы для трехкоординатного станка, которые поступают на плату управления для формирования сигналов управления исполнительными устройствами – шаговыми двигателями.

Заключение

СКБ разрабатывает систему управления по заказу завода «Мета - Кузнецк». Система выполнена на базе микроконтроллеров с прошивкой авторским программным обеспечением. С основного компьютера выдаются сигналы «+X», «-X», «+Y», «-Y», «+Z», «-Z», которые преобразуются в сигналы положения шаговых двигателей и через шестиканальные мощные усилители управляют шаговыми двигателями. Шаговые двигатели перемещают плазменный резак по трем координатам.

Разработана электрическая принципиальная схема усилителей, топология печатных плат. Печатные платы изготовлены по стандартной технологии. После монтажа, испытания опытного образца и устранения недостатков планируется проверка системы в рабочих условиях на заводе и внедрение в производство.

Библиографический список

Патрик Гелль «Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс»Москва, «ДМК» 1999
А.Ю. Кузьминов «Интерфейс RS232 связь между компьютером и микроконтроллером» Москва, «Радио и связь», 2004
В.В.Петрунин «Построения автоматизированных систем на основе персонального компьютера для тестирования, настройки, ремонта радиоэлектронной техники», Международный симпозиум «Надежность и качество 2004», г. Пенза
Ю.В. Анохина, М.Х. Даянов «Ввод информации в персональный компьютер», Материалы межвузовской научно-практической конференции «АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ В РОССИИ», Материалы Всероссийской научно-практической конференции «АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ В РОССИИ», г. Кузнецк 2005
В.В. Петрунин «Использование персональных компьютеров для обработки цифровой информации», Межвузовский сборник научных трудов «Информационно-измерительная техника» вып.30. ПГУ г. Пенза 2004 г.

Blog

Министерство образования и науки Российской Федерации

Характеристики I2C-шины.

Описание работы шестиканального усилителя

Характеристики I²C-шины.