Дипломная (вкр): Микропроцессорное устройство управления скоростью и нагружением обкаточного испытательного стенда

Таблица 3.5 - Электрические характеристики двигателя FL110STH201-8004A

Для управления шаговым двигателем воспользуемся следующей схемой:

Рисунок 3.16 - Схема управления шаговым двигателем

В качестве драйвера шагового двигателя применен драйвер фирмы «Ай эМ Си Компьютерс» (imc Computers) ISD7050 High Performance Microstepping driver. ISD7050 изображен на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 - Драйвер шагового двигателя фирмы «IMC Computers» ISD7050

Драйвер ISD7050 предназначен для управления двухфазными вращательными или линейными шаговыми двигателями (ШД) с максимальным током в обмотке 8А.

Отличительная особенность данной разработки в том, что модуль ISD7050 обеспечивает высокую точность задания синусоидального тока в широком диапазоне скоростей вращения двигателей. Это позволяет повысить качество движения шагового привода, в особенности на высоких скоростях. Оригинальные алгоритмы управления режимами работы выходного силового моста позволили значительно уменьшить пульсации тока в нагрузке, что снижает потери в двигателе, уменьшает его нагрев. В особенности это важно для двигателей с малой индуктивностью обмоток. Модуль имеет возможность коррекции таблицы синусоиды фазных токов.[7]

Драйвер имеет два разъёма ввода/вывода:- подключение сигналов управления и контроля;- подключение питания и двигателя;

Назначение выводов разъема XT1 и XT2 приведено в таблицах 3.4 и 3.5 соответственно.

Таблица 3.4 - Назначение выводов разъема XT1

Таблица 3.5 - Назначение выводов разъема XT2

Общая схема подключения драйвера представлена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Общая схема подключения драйвера ISD7050

Согласно руководству пользователя для ISD7050 резистор R2 следует выбрать номиналом 2850Ом. Резистор R1 выберем 10КОм, что будет соответствовать току покоя в 1.1А. Мощность резисторов следует выбирать не менее 0.125Вт.

Сигналы ENABLE и RESET являются асинхронными и могут устанавливаться в любое время. Время предустановки относительно сигналов STEP/DIR - 100 мкс. Минимальная длительность сигнала RESET - 350 нс.

Диаграмма работы драйвера представления на рисунке 3.19. Нулевой уровень на рисунке соответствует протеканию тока через оптрон. Перемещение на шаг осуществляется по положительному фронту сигнала STEP.

Рисунок 3.19 - Диаграмма работы драйвера ISD7050

Для управления драйвером выберем 8 разрядный микроконтроллер PIC16F873, представленный на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Цоколевка микроконтроллера PIC16F873

Схема синхронизации аналогична схеме синхронизации микроконтроллеров МК1 и МК2, за исключением того что используется кварцевый резонатор на 2MHz.

Последовательный канал связи устройства с компьютером через протокол RS232 организован через микросхему MAX232A. Обмен данными происходит так же как и в устройстве управления скоростью.

3.5.2 Выбор измерительных датчиков для управления нагружением

·      датчик крутящего момента АД1 - для определения аварийной ситуации, когда испытываемая шина разрушена и необходимо остановить испытания;

·        датчик начального положения шагового двигателя - контроль положением двигателя;

·        датчик линейного перемещения - соответствие выполненного перемещения заданному параметру.

На сегодняшний день измерение крутящего момента осуществляется с помощью тензометрических, оптических и индуктивных датчиков.

Из соображений распространенности, надежности и конечной стоимости будем использовать тензометрические датчики момента вращения.

Тензометрический датчик в качестве чувствительного элемента имеет мост из тензорезисторов. Тензодатчик может быть с выходом по напряжению и по току. Сигнал с тензодатчик поступает на измерительный усилитель (тензоусилитель) или систему сбора данных (тензостанцию) для последующего анализа. Они гарантируют точное и простое измерение момента, переданного от объекта с высокими частотами вращения.

В качестве требований предъявляемых к датчику выделим следующие:

датчик должен измерять крутящий момент до 400 Нм;

Исходя из вышеперечисленных требований, был выбран тензометрический датчик серии 8652 известной немецкой фирмы Burster (рисунок 3.20). В соответствии с параметрами будем использовать модель 8652-Z004, рассчитанный на крутящий момент до 500 Нм и частоту вращения до 8000 об/мин.

Рисунок 3.20 - Тензометрический датчик серии 8652

Особенности датчиков крутящего момента серии 8652:

Измерительные диапазоны: от 0 ... ± 0.2 Нм до 0 ... ± 5000 Нм;

Высокая линейность: 0.1 % от полной шкалы;

Частота вращения до 50000 об/мин;

Аналоговый выход 0 … 5В;

Интегрированный измерительный усилитель;

Измерение частоты вращения

Типичное применение: испытательные стенды для двигателей, турбин и коробок передач, машиностроение, приводное оборудование, автомобильная промышленность.

Измерительная электроника установлена на валу. Она преобразует измеренные значения в цифровую форму с высокой нормой осуществления выборки и передает ее без контакта к статору. Там этот сигнал снова преобразуется в аналоговое напряжение и нормализуется. Для номинального вращающего момента М датчик выдает сигнал 0 … 5В. Питание, необходимое для электроники измерительного вала, передается индуктивно, без контакта. Контрольный вход может использоваться для проверки функции передачи сигнала крутящего момента.

Технические данные датчика:

Потребляемый ток: 150 - 200 mA;

Выходной сигнал при ± номинальном моменте (M), 1 и 2 измерительных диапазона: ± 5 В;

Частота среза (-3дБ): 1 кГц;

Внутреннее сопротивление (Выход): 10 Ом;

Защита от короткого замыкания на землю;

Сопротивление нагрузки: > 10 кОм;

Электрическое подключение: разъем на 12 выводов (таблица 3.6).

Таблица 3.6 - Описание выводов датчика момента кручения

При установке датчика должны применяться соответствующие муфты, чтобы избежать воздействия на датчик недопустимых нагрузок в результате параллельного или углового смещения валов.

Применительно к датчикам фирмы Burster используются компенсационные муфты компании Rex Thomas.

Для датчика начального положения применим оптический датчик фирмы Honeywell HOA0963-T51, диод/транз щелевой. Щелевые ИК оптические датчики имеют разнесенные на определенном расстоянии друг от друга инфракрасный (ИК) излучатель и ИК приемник (фотодиод, фототранзистор, транзистор Дарлингтона), оптические оси которых направлены друг на друга. Расстояние между излучателем и приемником (щель в корпусе датчика) и составляет рабочую область датчика. В обычном рабочем режиме излучатель светит на фотоприемник, который поддерживает на выходе высокий ток. При появлении непрозрачного объекта в рабочей области датчика луч прерывается и ток на фотоприемнике падает. Если в качестве фотодетектора использован не фототранзистор, а интегрированный фотодетектор, то подключение датчика в рабочую схему значительно упрощается, поскольку он уже включает в себя фотодиод, усилитель, регулятор напряжения, триггер Шмидта и NPN транзистор с нагрузочным резистором. В результате, на выходе датчика снимается уже не ток, а цифровые уровни "1" или "0". Такие сигналы полностью совместимы с микросхемами TTL логики или микроконтроллерами. используют ИК излучение для определения положения, угла поворота и направления вращения объекта.

Общий вид датчика HOA0963-T51 представлен на рисунке 3.22.

Рисунок 3.22 - Общий вид датчика HOA0963-T51

Электрические характеристики датчика представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Электрические характеристики HOA0963-T51

Принцип использования с шаговым двигателем показан на рисунке 3.23.

Рисунок 3.23 - Принцип использования датчика положения с шаговым двигателем

На вал шагового двигателя устанавливается металлический диск (1) с одной прорезью, на уровне которой устанавливается датчик HOA0963-T51. Наличие сигнала с датчика свидетельствует о начальном положении двигателя. Ширина металлического диска, либо диска из другого непрозрачного материала должна составлять 2.5-3 мм.

В качестве датчика линейного перемещения применим датчик серии Micropulse BTL5-A11-M0275-K-K15 компании BALLUFF.

Измерители пути фирмы BALLUFF, благодаря прочному корпусу, оптимально подходят для измерения в диапазоне от 50 до 4000 мм при самых неблагоприятных условиях окружающей среды. По сравнению с традиционными измерительными системами, измерители пути компании BALLUFF обладают следующими основными преимуществами:

·      нечувствительность к ударам, вибрациям, влиянию температур, загрязнению, влажности и помехам, создаваемыми различными полями;

·        не изнашиваемость и отсутствие потребности в уходе благодаря бесконтактному принципу работы;

·        наличие абсолютного выходного сигнала. Даже после прерывания напряжения, нет необходимости возвращаться в начальную точку;

·        высокое разрешение;

Датчик имеет следующие параметры:

аналоговый выход 0 - 10В;

- измеряемый путь 275мм ;

- питание +24В;

разрешение системы ≤0,1 мВ.

Принципиальная схема устройства управления нагружением представлена на листе 7 графического материала.

Для питания устройств управления скоростью и нагружением необходим источник постоянного напряжения с тремя цепями на 5В, 10В и 24В. Можно использовать готовый модульный блок питания MeanWell AD155B, который имеет три цепи питания 24В/8А, 5В/3А и 10В/1А, защиту от перегрузки, короткого замыкания, перенапряжения.

3.6 Выводы по главе

В данной главе были разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы устройств нагружения и управления скоростью.

Был произведен выбор и обоснование датчиков для измерения необходимых величин для реализации заданного закона управления двигателями (асинхронными и шаговым); выбор управляющих микроконтроллеров; реализация последовательного канала связи с управляющим компьютером.

Принципиальные схемы устройства управления скоростью вращения обкаточного барабана и устройства управления скоростной ударной нагрузкой идентичны, так как управления обоих систем заключается в реализации метода векторного управления асинхронным двигателем. Однако из-за того что мощность используемых двигателей различна, то в принципиальной схеме управления скоростной ударной нагрузкой присутствует запас по мощности, пусковым и рабочим токам. Это позволяет оставить запас на дальнейшую модернизацию данного стенда, путем внедрения более мощного двигателя, вплоть до 15КВт. Для этого достаточно просто изменить константы, отвечающие за характеристики двигателя и параметры ПИД регуляторов в управляющей программе микроконтроллера (МК2).

4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДОМ

4.1 Программное обеспечение пульта управления стендом

Программное управление разработано при помощи среды разработки Borland C++ Builder 6. Borland C++ Builder 6 - выпущенное компанией Borland средство быстрой разработки приложений, позволяющее создавать приложения на языке C++, используя при этом среду разработки и библиотеку компонентов Delphi.++ Builder 6 предоставляет быстродействующий компилятор с языка C++, эффективный инкрементальный линкер и усовершенствованные средства отладки, как на уровне исходных инструкций, так и на уровне ассемблерных команд - в расчете удовлетворить высокие требования программистов-профессионалов.