Разработка электронного устройства управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра: Автоматизация  технологических 

процессов и производств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Тема: Разработка электронного устройства управления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработала:

студентка 3 курса, 4 гр.,            ф-та ХТиТ,

Леплянина В.А.

Проверил:   Оробей И.О.

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

Содержание.

Введение

1. Разработка принципиальной электрической схемы датчика
2. Расчет параметров объекта и регулятора. Принципиально-электрическая схема.
3. Разработка принципиально-электрической схемы силовой части.
4. Разработка блока питания и схемы индикации

Заключение

Список использованной литературы.

 

Введение.

Электронные системы  и устройства автоматического управления являются мощным средством научно-технического прогресса. Их поведение основано на электромагнитных явлениях, обеспечивающих создание, передачу, прием, хранение и преобразование информационных потоков. Эти процессы, происходящие в системе автоматического управления, осуществляются посредством отдельных блоков и узлов системы, которые в подавляющем большинстве случаев состоят из электронных устройств. Каждое такое устройство, в свою очередь, можно рассматривать как некоторую более, простую систему, состоящую из более простых элементов. Изучение устройства как системы и как элемента различно.

Под системой понимают множество  элементов, находящихся в связи, друг с другом и образующих определенную целостность, что означает принципиальную несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость свойств целого из этой суммы свойств элементов. Из этого вытекает также зависимость свойств от связей каждого элемента и от его места в системе, выполняемых функций и т. д. При изучении системы устанавливают ее структуру и взаимодействие элементов, описывают элементы с помощью моделей, отражающих определенный аспект функционирования системы, выявляют закономерности поведения и иерархию. Это позволяет объяснить функционирование системы и ее устройство.

Поведение каждого элемента в системе описывается моделью  выполняемых функций. Ею чаще всего является передаточная функция, которая находится из внешних характеристик элемента. Характеристики многих из них весьма совершенны. Построенные на их основе электронные устройства обладают принципиально достижимыми возможностями и ограничениями. Функции подобных электронных устройств хорошо описываются простыми аналитическими соотношениями. Поэтому при изучении электронного устройства, предпочтительнее сначала рассмотреть работу этого устройства как системы, состоящей из более простых элементов, а затем изучить его внешние характеристики и описывающие их математические и схематические модели, как узлов системы автоматического регулирования.

К электронным устройствам автоматики предъявляются высокие требования, так как современная электронная аппаратура должна обеспечивать надежность работы сложнейших систем автоматического управления и контроля.

Современный этап развития радиоэлектронной аппаратуры характеризуется все более широким применением интегральных схем высокой функциональной сложности.

В данной курсовой работе предпринята попытка разработки системы стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока с  использованием оптопары.

 

 

Задание к курсовому проекту.

Разработать систему  стабилизации частоты вращения двигателя  постоянного тока с использованием оптопары. Первичный преобразователь частоты вращения в напряжение выполнить на оптопаре, рабочий зазор которой перекрывается диском, жестко закрепленным на валу ротора (частота вращения диска равна частоте вращения вала). Число прорезей диска, через которые проходит световой поток равно 180. Длина прорези неравна расстоянию между краями прорезей, на котором световой поток оптопары перекрывается. Поэтому необходимо поставить «детектор событий» для определения фронтов или спадов с формированием импульса определенной длительности с помощью, например, ждущего одновибратора. Для формирования синхроимпульсов использовать генератор: для четных — на кварцевом резонаторе, для нечетных вариантов на 555 таймере. Объектом регулирования является двигатель, характеристики которого заданы в таблице №1.

Микроэлектродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов

Таблица №1.

Тип двигателя	Напряжение, В	Потребляемый ток,  А	Момент на валу, мН*м	Скорость вращения, об/мин	Мощность на валу, Вт	Вес, г
ДПМ-20-Н1-08Т	27	0.25	1.96	4500	0.92	65

Момент инерции определить исходя из того, что ротор представляет собой цилиндр с радиусом 80% от габаритного размера, с аккумуляцией 45% веса. Типоразмер найти по справочнику. Стабилизировать надо на частоте, соответствующей 70% от номинальной.

По данным, приведенным в таблице 1, провести расчет численных значений передаточных характеристик двигателя. По передаточным характеристикам определить переходные характеристики.

Передаточная характеристика двигателя  постоянного тока представляется в виде:

,

а численные значения параметров передаточной характеристики выражаются через характеристики, двигателей по формулам:

, , , ,

Определить настройки  ПИ закона регулирования. Разработать структурную и принципиальную электрическую схему системы стабилизации частоты вращения с ПИ-регулятором. Для визуализации частоты вращения разработать схему индикации, основанную на прямом подсчете импульсов оптопары за фиксированный промежуток времени. Электрическую схему реализовать на операционных усилителях с применением в качестве исполнительного механизма комплиментарных пар транзисторов. В качестве исполнительного механизма для управления двигателем использовать усилитель, выдерживающий пусковой ток двигателя.

 

1. Составление принципиальной схемы датчика.

Принципиальная  схема будет иметь вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет параметров объекта и регулятора

Для двигателя серии  ДПМ-20-Н1-08Т

d=20мм   m=0.065кг

w₀=2πf=2*3.14*4500*0.7/60=32Гц

J=mr²/2=0.0065*100*10^-2*0.8/2=2.08*10^-6м³

R_я=U/I_яп=27/0.5=54 Ом

W(s)=K₁/(T_E*T_M*s² + T_M*s + 1)

=471/(27-0.25*0.5*0.54)=17.48 Гц/В

Передаточная фунция в размерном виде имеет вид:

Переведём К₁ к безразмерному виду:

_{Передаточная  функция в безразмерном виде:}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка принципиальной схемы силовой части

Для определения частоты  вращения используем оптопару, рабочий  зазор которой перекрывается диском, жестко закрепленным на валу ротора (частота вращения диска равна частоте вращения ротора). В качестве светоизлучающего диода возьмем светодиод с характеристиками приведенными в таблице №2.

Таблица№2.

Тип светодиода	λ,нм	Pe, мВт	Iпр,мА	Uпр,В	Uобр,В	tи, мкс
ЗЛ107Б	940-965	9	100	2	6	5

 

  В качестве приемника сигналов возьмем фотодиод с характеристиками, приведенными в таблице №3.

Таблица№3.

Тип фотодиода	Темновой ток не более Iт,нА	Uр,В	Диапазон спектральной характеристики Δλ, мкм	Время отклика, мс
SFH309-4	200	25	950	5

Полученный сигнал с  оптопары следует усилить и выделить из несущего сигнала информативный,  убрав ненужные шумы.

Рассмотрим следующую  схему:

В данной схеме на DA1 выполнен неинвертирующий усилитель, а на DA2 неинвертирующий триггер Шмидта. VD3 – стабилитрон предназначенный для стабильности срабатывания напряжения на выходе. Резистор R3 задает потенциал на неивертирующем входе DA1 при

темновом и рабочем  токе фотодиода. Резисторы R8 и R9 задают потенциал Uref. При напряжении на неивертирующем  входе DA2 больше Uref,  Uout равно 10.8, при меньшем значений напряжения на входе DA2 Uout равно нулю.

 

 

 

 

 

Найдем зависимость  выхода от входа каждого из звеньев  для DA1 :

  ,

тогда при темновом токе падение на R3 равное Uin = R3·I_темн, и при R3 = 1000000 Ом, Uin = 0.02 В.

Рассчитаем триггер  Шмидта:

Таким образом, при токе больше темного на выходе триггера будет напряжение равное 14.1В.

Здесь и далее используется операционный усилитель серии К140УД9 характеристики которого приведены в таблице№4.

Таблица№4.

Ку u, не менее	Ucм, мВ	f1, мГц	Rвх диф, МОм	Кос сф, дБ	Uпит, В	Iп, мА
7·104	5	1	0,3	68	15	2,8

 

После триггера Шмидта для того, чтобы импульсы имели положительную амплитуду и для защиты следующих каскадов введем буферный повторитель с коэффициентом усиления К = 1.

Для выделения информативного сигнала воспользуемся демодулятором. Демодуляцией называется процесс обратный модуляции (процесс отображения информационного сигнала в одном из параметров другого колебания, которое используется в качестве носителя информации). Информационный сигнал называют моделирующим, а переносчик информации – несущим. В качестве несущих наибольшее распространение получили гармонические сигналы и последовательности прямоугольных импульсов. В зависимости от типа модулированного сигнала детекторы делятся на: амплитудные, частотные и фазовые. Демодуляция импульсно-модулированных сигналов осуществляется также, как и для гармонических.

В данном случае преобразования частоты импульсов в напряжение используем демодулятор, который имеет следующий вид:

На C1, R1 выполнена частотно-зависимая цепь которая представляет собой ФВЧ первого порядка, а на R4 и C2 фильтр ФНЧ. На DA1, R2, R3, R4, VD1 и VD2 реализована схема взятия модуля. На DA2 выполнен буферный повторитель с коэффициентом усиления К = 1.

Найдем амплитудно-частотную  характеристику (АЧХ) для ФВЧ:

,

где Т = R1·C1.

 

 

 

 

Пусть R1=10 кОм, тогда С1=18 нФ. Далее на вход демодулятора поступают импульсы с максимальной амплитудой равной 5.6В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Передаточная функция  детектора представляется в виде инерционного звена первого порядка с постоянной времени с, что на порядок меньше постоянных времени двигателя: поэтому детектор можно считать

безинерционным.

 

Найдем коэффициенты ПИ-регулятора, исходя из желаемой степени затухания и проведем расчет в пакете MATLab:

clc

clear

W1=tf([0.636],[0.01325 0.25 1], 'ioDelay',0.0001);    

Wfnh=tf([1],[1 1])

Wfvh=tf([0.24 0],[10^(-4) 1])

Wshim=tf([1],[1 1])

Wo=series(Wfnh,Wfvh)

W2=series(Wo,W1)

W=series(W2,Wshim)%общая передаточная функция

psi=0.9;

m=-(log(-psi+1))/(2*pi); %определяем параметр m

w=0:0.01:10; %задаемся частотой

s=(j*w-m*w); %переход в область расширенных частот

Re=real(1./W);%действительная часть объекта

Im=imag(1./W); %мнимая часть объекта

n=length(W) %длина определяем коэф.регулятора