Рисунок 5.2 - Осциллограммы сигналов в схеме модулятор - демодулятор

Помимо упомянутых микросхем, в плате М-ДМ использованы следующие микросхемы:

- высокочастотный операционный усилитель OP213;

- Операционные усилители ОP07 и УД608;

- Источник стабильного напряжения REF 198 G0651.

Высокочастотный усилитель OP213 преобразует однополярный сигнал с ATmega 8535 в двуполярный, источник стабильного напряжения выдает стабильный сигнал смещения на операционный усилитель OP213. Операционные усилители OP07 и УД608 служат для усиления сигналов в необходимых точках схемы, к ним не предъявляются высокие требования точности.

Ниже представлена краткая информация по микросхемам ATmega 8535 и AD633JN.

ATmega 8535

Отличительные особенности:

· Высокая производительность при малом потреблении

· Разввитая RISC архитектура

130- команд, большинство исполняемых за один машинный такт

32x8 рабочих регистра общего назначения

Полностью статический режим

До 16 MIPS производительность при 16 МГц Встроенный 2-х тактный умножитель

· Энергонезависимая память программ и память данных

8К байтов FLASH памяти программ с внутрисистемным самопрограммированием

000 циклов записи- стирания

Загрузочная область памяти с независимыми ключевыми битами

512 байтов EEPROM

100 000 циклов записи- стирания

512 байтов внутренней SRAM

Программируемый ключ доступа к программам и памяти данных

· Периферия

Два 8- битных таймера/счётчика с программируемым предделителем и режимом сравнения

Один 16 битный таймер/ счётчик с программируемым предделителем, режимом сравнения и захвата

Счётчик реального времени с программируемым генератором

Четыре ШИМ генератора

8 канальный, 10- битный АЦП 8 простых униполярных входа

7 дифференциальных входа ( только для TQFP)

дифференциальных входа с программируемым усилением (x1, x10, x200) (только для TQFP)

Байт ориентированный двухпроводный интерфейс

Программированный последовательный USART

Master/Slave SPI

Встроенный аналоговый компаратор

Программируемый Watchdog с переключаемымим генераторами

Специальные функции контроллера.

Reset при включении и понижении напряжения питания

Внешние и внутренние источники прерывания

Внутренний калиброванный RC генератор

Шесть режимов энергосбережения: Idle, подавление шума АЦП, экономичный, Выкл. , ожидания и расширенный режим ожидания

· 40- выводной корпус PDIP, 44-выводной TQFP, 44-х PLCC, и 44-х MLF.

· 32 программируемых входа-выхода

· Рабочее напряжение питания:

В до 5.5 В ATmega8535L

В до 5.5 В ATmega8535

· Рабочая тактовая частота:

8 МГц ATmega8535L

· 0-16 МГЦ ATmega8535

Расположение выводв и блок- схема микроконтроллера ATmega8535 представлены соответственно на рисунке 5.5 и 5.6

Рисунок 5.5 - Расположение выводов микроконтроллера ATmega 8535

Рисунок 5.5 - Блок схема микроконтроллера ATmega 8535

Умножитель сигналов AD633JN

AD633 это функционально законченный, четырехквадрантный аналоговый мультиплексор, включающий в себя дифференциальные входы X и Y c высоким сопротивлением и высокоомный суммирующий вход Z. На выходе умножителя напряжение изменяется от 0В до 10В. AD633 калиброван лазером с гарантируемой точностью 2% от полного масштаба. Нелинейность для Y-входа обычно меньше чем 0,1%, шумы на выходе обычно меньше 100 mV/ms в диапазоне от 10 Гц до 10кГц, в диапазоне частот 1 МГц шумы достигают уровня 20 V/ms.

Функциональная схема и основная схема подключения представлена на рисунке 5.6 и 5.7 соответственно.

Рисунок 5.6 - Функциональная схема

Рисунок 5.7 - Схема подключения умножителя AD633JN

Основные характеристики умножителя представлены в таблице 5.1

Таблица 5.1 - Технические характеристики умножителя AD633JN

Продолжение таблицы 5.1

5.1.5 Адаптирование программы преобразователя частоты в напряжение к высокочастотному энкодеру

Помимо разработки платы модулятор-демодулятор была проведена корректировка программы ПЧН к импульсам высокой частоты. ПЧН реализован на микроконтроллере ATmega 8535, описанном ранее.

Программа для микроконтроллера написана на языке высокого уровня С [7] с использованием программного обеспечения ICCAVR.

В программе использованы следующие переменные:

n2 - окончательное число импульсов таймера T0;

cnt1 - число переполнений таймера T0;

n1 - окончательное число импульсов фазы A энкодера;

n1c - промежуточное число импульсов фазы А энкодера;

bc1, bc2 - переменные для проверки знака скорости с защитой от шумов;

znak - знак скорости;

pro - признак отсечки (вышло время измерения);

prki - признак конца измерения (можно считать скорость);

prs - признак счета;

promin - признак окончания минимального времени измерения;

cod - конечное значение скорости;

znak_real - логичекая переменная, сообщающая о смене знака скорости;

old_znak - предыдущее значение знака скорости.

Листинг программы с пояснениями приведен ниже.

#include <iom8535v.h> //подключение библиотеки микроконтроллера

#include <macros.h>//инициализация переменных

unsigned int n2=0,cnt1;

unsigned char n1=0, n1c=0, bc1=0, bc2=0, znak=0;

long cod=0;

unsigned char pro=0,prki=0,prs=0,promin=0;

unsigned char znak_real=0, old_znak=0;

void port_init(void)

//подпрограмма инициализации портов микроконтроллера

{

PORTA = 0xFF;

DDRA = 0x00;

PORTB = 0xFF;

DDRB = 0x00;

PORTC = 0xFF;

DDRC = 0x00;

PORTD = 0x0F;

DDRD = 0xF0;

}

void timer0_init(void)

//подпрограмма инициализации таймера T0 в режиме счета импульсов генератора //с предделителем 8

{

TCCR0 = 0x00;

TCNT0 = 0x00;

OCR0 = 0xDC;

TCCR0 = 0x00;

}

#pragma interrupt_handler timer0_comp_isr:20

void timer0_comp_isr(void)

//подпрограмма обработки прерывания по совпадению таймера T0

{

CLI(); //запрет прерываний

if(cnt1==6) //минимальное время измерения закончилось

{

promin=1; //установка признака окончания минимального времени

}

if(cnt1==38) // максимальное время измерения закончилось

{

TCCR0=0x00; //остановка таймера

TCNT0=0x00;

cnt1=0;

n1c=0; //обнуление счетчика импульсов А

promin=0; //сброс признака окончания минимального времени

prs=0; //и признака счета

pro=1; //установка признака отсечки

OCR1A=0; //обнуление выходов микроконтроллера

OCR1B=0;

}

SEI(); //разрешение всех прерываний

}

#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10

void timer0_ovf_isr(void)

//подпрограмма обработки прерывания по переполнению таймера T0

{

CLI(); //запрет прерываний

++cnt1; //счет числа переполнений

SEI(); //разрешение прерываний

}

void timer1_init(void)

//подпрограмма инициализации таймера T1 для работы в режиме двухканального

//ШИМ с разрядностью 10 бит

{

TCCR1B = 0x00;

TCNT1H = 0x00;

TCNT1L = 0x00;

OCR1AH = 0x00;

OCR1AL = 0x00;

OCR1BH = 0x00;

OCR1BL = 0x00;

TCCR1A = 0x83;

TCCR1B = 0x09;

}

#pragma interrupt_handler int1_isr:3

void int1_isr(void)

//подпрограмма обработки внешнего прерывания

{

CLI(); //запрет прерываний

GIFR&=0x40;

GICR=0x40;

PORTB=~PINB;

if(prs!=0) //проверка признака счета

{

if(promin!=0) //проверка признака окончания минимального времени

{

TCCR0=0x00; //остановка таймера T0

if((TIFR&0x01)==0x01) //проверка флага переполнения T0

{

cnt1+=1; //дополнительный счет переполнения

TIFR&=0x03; //обнуление флага прерывания T0V

}

++n1c; //счет последнего импульса фазы А энкодера

n2=(cnt1<<8)+TCNT0; //считывание накопленного времени;

n1=n1c; //сохранение числа импульсов фазы А,

n1c=0; //затем обнуление

TCNT0=0; //сброс счета T0

cnt1=0;

prki=1; //установка признака конца измерения

pro=0; //сброс признаков отсечки, окончания

promin=0; //минимального времени и счета

prs=0;

old_znak=znak; //сохранение старого значения знака

}

else ++n1c; //если минимальное время не кончилось, счет

} //импульсов

Else

{

TCCR0=0x02; //если счет не запущен, запускается таймер T0

OCR0=0xDC;

cnt1=0; //обнуляется предыдущее значение //счетчика импульсов

prs=1; //устанавливается признак счета

}

SEI(); //разрешение прерываний

}

#pragma interrupt_handler int0_isr:2

//подпрограмма обработки внешнего прерывания 2

void int0_isr(void)

{

CLI(); //запрет всех прерываний

GIFR&=0x80;

GICR=0x80;

bc1=PIND&0x08; // определение знака скорости

if(bc1==0x08) znak=0;

else znak=1;

SEI();

}

void init_devices(void)

//подпрограмма инициализации устройств контролера

{ CLI(); //запрет прерываний

port_init(); //вызов подпрограмм инициализации портов,

timer0_init(); //таймеров

timer1_init();

MCUCR = 0x0C; //инициализация внешних прерываний

GICR = 0x80;

TIMSK = 0x03; //разрешение прерываний от таймера T0

SEI(); //разрешение прерываний

}

void main(void)

//основная программа

{

init_devices(); //вызов подпрограммы инициализации устройств контролера

while(1) //бесконечный цикл

{

if(prki!=0) //Если установлен признак конца измерения, ведется подсчет

{ //скорости

cod=1850L*n1/n2; //получение модуля скорости

if(cod>0x3FF) cod=0x3FF; //ограничение скорости на 2000об/мин

OCR1A=cod; //передача значения в регистры таймера Т1

OCR1B=cod;

if(znak==0)

{

TCCR1A=0x83; //вывод первым каналом при положительном

} //знаке

Lse

{

TCCR1A=0x23; //вывод вторым каналом при отрицательном

} //знаке

prki=0; //обнуление признака конца измерения

}

}

}

Данная программа была отлажена при работе в составе лабораторного стенда. Каких-либо видимых неисправностей в работе программы не выявлено.

5.2 Информация по элементам разработки

5.2.1 Компания LЕМ создала широкий ассортимент гальванически изолированных датчиков, ставших стандартами в области преобразований электрического тока и напряжения. Датчики тока и напряжения позволяют решить большинство проблем в области силовой электроники, связанных с созданием систем обратной связи в электрооборудовании, а также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Датчики обеспечивают точную изолированную ОС в системах управления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике. Промышленные (стандартные) датчики тока перекрывают диапазон измерений от 0 до 10000 А и могут применяться в робототехнике, системах электроснабжения, промышленных приводах, сварочных машинах, электропечах, лазерной и медицинской технике, радиосвязи и т.д.

5.2.2. Датчики напряжения, основанные на эффекте Холла, соответствуют основам построения датчиков тока. Датчики напряжения практически собраны на основе датчиков тока. Главное отличие в первичной цепи, катушка которой изготовлена с большим количеством витков. Это позволяет создать необходимое количество ампер-витков для создания первичной индукции, и, таким образом, при минимальном значении первичного тока, обеспечивается минимальное потребление из входной цепи (цепи преобразуемого напряжения).

Поэтому для измерения напряжения достаточно обеспечить первичный ток, эквивалентный этому напряжению, который и будет преобразовывать датчик. Это достигается с помощью резистора последовательно соединенного с первичной обмоткой.

Таким образом, датчики напряжения, основанные на эффекте Холла, представляют собой датчик тока с первичной многовитковой обмоткой и добавочным резистором R1. Этот резистор может быть внешним или встроенным в конструктив датчика (рисунок 4.6).

Рисунок 5.6 - Датчик напряжения с внешним резистором

5.2.3. Для данной конструктивной разработки был выбран датчик тока HY-05-Р. Датчик предназначен для электронного преобразования токов: постоянного, переменного, импульсного и т.д. в пропорциональный выходной сигнал с гальванической развязкой между первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепями. На рисунке 4.7 показан внешний вид датчика тока. В таблице 4.1 приведены основные параметры выбранного датчика.

Рисунок 5.7 - Внешний вид датчика тока HY-05-P

Отличительные особенности датчика:

· Датчик на эффекте Холла;

· Гальваническая развязка между первичной и вторичной цепями;

· Разработан для установки на печатную плату;

· Низкое энергопотребление;

· Расширенный диапазон преобразования (3-Ipn);

· Изолированный негорючий пластиковый корпус;

· Сверхмалый вес.

Преимущества:

· Простота монтажа;

· Малые габаритные размеры;

· Общий конструктив для всех диапазонов.

Таблица 5.1 - Параметры датчика тока HY-05-P

Электрические параметры
Наименование параметра	Обозначение	Величина	Наименование параметра	Обозначение	Величина
Первичный ток, эфф.знач., А	Ipn	5	Электрическая прочность изоляции,50 Гц, 1мин, кВ	Ud	2,5
Диапазон преобразования, А	ip	±15	Рабочее напряжение первичной цепи, В	Ub	500
Напряжение питания (±5 %), В	Uc	±15	Выходное напряжение при ±Ipn, RL=10 кОм, ТА=25°С, В	Uout	±4
Ток потребления, мА	Ic	<10	Выходное внутреннее сопротивление, Ом	Rout	100
Допустимая перегрузка (1 мс), А	Ijc	50*Ipn	Величина нагрузочного резистора, кОм	Rl	>1
Выходной ток, мА	Iout	<2
Справочные данные
Рабочая температура, °С	Та	-10...+80	Вес (не более), rp	m	14
Температура хранения, °С	Ts	-20...+85	Сопротивление изоляции при 500В, Та=25°С, Мом	Ris	>1000

Рисунок 5.8 - Габаритные размеры и маркировка контактов датчика HY 05-P

Назначение выводов:

1) напряжение питания +15 V;

2) напряжение питания -15V;

3) выходной сигнал по напряжению U out;

4) 0 V;

5) Ipn вход;

6) Ipn выход.

5.2.5. В качестве датчика напряжения был выбран датчик LV 25-Р. Он построен по принципу преобразования входного тока пропорционально приложенному напряжению (постоянному, переменному, импульсному и т.д.) в пропорциональный выходной ток с гальванической развязкой между первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепями.

Принцип работы: преобразуемое напряжение подается на входные клеммы датчика через внешний резистор R1, величина которого выбирается пользователем, исходя из номинального входного тока датчика. Внешний вид датчика напряжения показан на рисунке 5.9. В таблице 5.2 приведены основные параметры выбранного датчика.

Преимущества:

· Отличная точность;

· Хорошая линейность;

· Низкий температурный дрейф;

· Оптимальное время задержки;

· Широкий частотный диапазон;

· Высокая помехозащищенность;

· Высокая перегрузочная способность.

Рисунок 5.9 - Внешний вид датчика напряжения LV 25-P

Таблица 5.2 - Параметры датчика HY-05-P

Электрические параметры
Наименование параметра	Обозначение	Величина	Наименование параметра	Обозначение	Величина
Первичный ток, эфф. знач., мА	Ipn	10	Электрическая прочность изоляции, 50Гц, 1мин, кВ	Vd	2,5
Диапазон преобразования	Ip (мА)	0..±14	Выходное внутреннее сопротивление при Та=85 0С, Ом	Rout	110
Напряжение питания (±5%)	Uc (В)	±12…15
Ток потребления	Ic (мА)	10
Номинальный аналоговый выходной ток, мА	Isn	25	Величина нагрузочного резистор при ±12 В, Ом	Rм	±10мА max	Rм min	Rм max
						30	190
					±14мА max	Rм min	Rм max
						100	350
Коэффициент преобразования	Кn	2500: 1000	Величина нагрузочного резистор при ±15 В, Ом	Rм	±10мА max	Rм min	Rм max
						100	350
					±14мА max	Rм min	Rм max
						100	190
Справочные данные
Рабочая температура, 0С	ТА	-25...+70	Вес (не более), гр	m	22
Температура хранения, 0С	ТS	-40…+85

На рисунке 5.10 приведены габаритные размеры и маркировка контактов датчика напряжения LV 25-P. На рисунке 5.11 дана схема подключения.

Рисунок 5.10 - Габаритные размеры и маркировка контактов датчика напряжения



Рисунок 5.11 - Схема подключения датчика напряжения

Контакты датчика напряжения LV 25-Р:

1) Вывод + : напряжение питания ±12...15В;

2) Вывод М: измерительный

3) Вывод - : напряжение питания ±12...15В;

3) R1- внешний входной резистор;

4) Rм - нагрузочный резистор;

5) ±НТ - вход датчика.

В качестве преобразуемого номинального напряжения берется напряжение величиной 400 В.

Исходя из величины номинального входного тока датчика напряжения, величина входного резистора составит:

R1 = 400 В / 10мА = 40 кОм.

5.3 Схемы подключения датчиков

5.3.1 Схемы подключения датчиков тока и напряжения приведена на рисунке 4.12, а схема источника питания - на рисунке 4.13

Рисунок 5.12 - Схемы подключения датчиков тока (а) и напряжения (б)

Рисунок 5.13 - Схема источника питания датчиков тока и напряжения

6. Экспериментальные характеристики

При построении механической характеристики синхронного электропривода воспользуемся структурной схемой контура регулирования скорости для установившегося режима работы (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Структурная схема контура регулирования скорости

В режиме идеального холостого хода электропривода, когда МС=0, наблюдается UЗИ=UДС, а UРС=0. По мере постепенного нагружения электропривода сигнал на выходе регулятора скорости увеличивается, вызывая увеличение момента М синхронного двигателя и препятствуя тем самым снижению скорости. Когда же регулятор скорости насытится, то контур регулирования скорости разомкнется, и дальнейшее увеличение нагрузки уже не будет вызывать увеличения UРС, а следовательно, и момента двигателя. Это приведет к резкому снижению скорости n электропривода. Если контуры регулирования фазных токов статора считать безынерционными во всем диапазоне скоростей вращения двигателя, то механическая характеристика синхронного электропривода в режиме насыщения регулятора скорости идет вертикально (участок 2 на рисунке 6.2).

При этом в режиме перегрузки по моменту синхронный двигатель никогда не может выпасть из синхронизма, так как частота напряжения на статоре двигателя всегда жестко определяется скоростью вращения ротора двигателя.



Рисунок 6.2 - Механическая характеристика синхронной машины

На рисунке 6.3 изображена зависимость изменения величины напряжения (действующего значения) на статоре от момента.

При работе электропривода на участке поддержания заданного значения скорости увеличение момента статической нагрузки на валу двигателя вызывает увеличение напряжения UРС и тока статора IС. В результате увеличивается площадь моментного треугольника, величина магнитного потока в зазоре и, следовательно, напряжение на якоре.

Зависимость изменения тока статора от момента носит линейный характер и представлена на рисунке 6.4

Статическая характеристика регулятора тока изображена на рисунке 6.5 Опытные данные сведены в таблицу 6.1

Рисунок 6.3 - Зависимость изменения величины напряжения на статоре от момента



Рисунок 6.4 - Зависимость изменения тока статора от момента

Рисунок 6.5 - Статическая характеристика регулятора тока

Таблица 6.1 - Экспериментальные данные для построения статической характеристики регулятора тока

UВХ,В	0	1,4	2,8	4,2	5,6	7,0	8,4	8,9	11,4	13,0	13,8
UВЫХ,В	0	1,6	3,1	4,6	6,1	7,6	9,0	9,57	9,60	9,61	9,62
UВХ,В	0	-1,5	-2,9	-4,4	-5,7	-7,2	-8,6	-10	-11,6	-13,2	-14,1
UВЫХ,В	0	-1,5	-3,0	-4,5	-5,9	-7,4	-8,9	-9,4	-9,45	-9,47	-9,47

На рисунке 6.6 изображены осциллограммы напряжений ряда элементов системы управления: регулятора скорости UРС, модулятора UМД , статора сельсина 2С UВЕ и демодулятора UДМ.

Напряжение на выходе регулятора скорости UРС в начальный момент времени плавно нарастает до установившегося значения с темпом, определяемым задатчиком интенсивности. Максимальное значение сигнала UРС ограничено блоком ограничения.

Рисунок 6.6 - Осциллограммы напряжений элементов системы управленияАмплитуда колебаний напряжения на выходе модулятора UМД соответствует напряжению регулятора скорости UРС, а частота колебаний определяется частотой опорного сигнала с выхода ГНЧ.

По мере вращения вала исследуемого двигателя, а следовательно и вала сельсина ВЕ, амплитуда колебаний на его статоре UВЕ изменяется. В определенные моменты меняется и знак колебаний по отношению к знаку сигнала UМД. Частота смены знака колебаний по отношению к знаку сигнала UМД определяется скоростью вращения вала сельсина ВЕ.

Демодулятор выпрямляет сигнал UВЕ, в результате чего на его выходе устанавливаются синусоидальные колебания UДМ, частота которых определяется частотой вращения вала исследуемого двигателя, а амплитуда зависит от значения сигнала UРС.

Заключение

В ходе работы над дипломным проектом значительная часть времени была уделена практической реализации узла “модулятор-демодулятор” и обеспечению его устойчивого функционирования совместно с преобразователем Control Technic Maxi Maestro.

За период дипломного проектирования были выполнены следующие работы:

- проверка синхронной машины и электродвигателя нагрузочного устройства на нагрев;

- выбор силового трансформатора;

- выбор источника питания синхронного двигателя;

- синтез функциональной и структурной схем электропривода.

Выполненный объем работ позволил снять статические и динамические характеристики элементов системы управления, построены логарифмические амплитудно-частотные характеристики регуляторов скорости и тока.

В экономическом разделе была определена себестоимость разработки и изготовления лабораторного стенда.

Литература

1 Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов: Учебное пособие. - Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2001 - 360с.

2 Выпрямители ТПЕ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

3 Гельман М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие в 3-х частях. - Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2002

4 Вольдек А.И. Электрические машины. - М.Энергия, 1973 - 711с.

5 Правила устройства электроустановок, 2003

6 С.В.Белов, А. В. Ильницкая, А. Ф. Козьяков и др Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов /.; Под общ. ред. С. В. Белова. -- М.: Высшая школа, 1999.

7 Стандарт предприятия. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования к оформлению. Техн. редактор А.В. Миних. - Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2004 - 50с.

8 Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. Учебник для ВУЗов.-6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат,1981 - 576с.

9 Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат,1985 - 560с.

10 Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат,1990 - 288с.

11 ГОСТ 12.0.003-80 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

12 ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования

13 Экономика предприятия: Учебник для ВУЗов. Под ред. В.П. Грузинова. - М.:, 1998 - 535с.

Размещено на Allbest.ru

...