Розробка структурної та електричної схеми вимірювального каналу швидкості обертання вала електродвигуна

Проектування електричної схеми індикатора швидкості обертання вала електродвигуна. Вихідні та вхідні передумови написання програми для мікроконтролера. Перетворення кутової швидкості в частоту. Часова діаграма роботи цифрового тахометра миттєвих значень.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык украинский
Дата добавления 13.05.2016
Размер файла 3,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗМІСТ

ВСТУП

1.КОРОТКА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАСОБІВ ТА МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ ВАЛА ЕЛЕКТРИЧНОГО ДВИГУНА

1.1 Фізичні величини які характеризують швидкість обертального руху твердого тіла

1.2 Огляд засобів вимірювання швидкості електричного двигуна

1.3 Основні принципи вимірювання частоти обертання

2.РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ ТА ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ВАЛА ЕЛЕКТРОДВИГУНА

2.1 Розробка структурної схеми вимірювального каналу

2.2 Розробка електричної схеми датчика швидкості

2.3 Розробка електричної схеми індикатора швидкості обертання вала електродвигуна

3.РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ РОБОТИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ

3.1 Вихідні передумови написання програми для мікроконтролера

3.2 Розробка алгоритму роботи програми

3.3 Розробка програми та програмування мікроконтролера

4.МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ

5. ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ДВИГУНА

ВИСНОВКИ

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

вимірювальний обертання вал швидкість

ВСТУП

Однією з важливих механічних координат електропривода є швидкість обертання вала приводного двигуна чи приводного механізму. Часто виникає потреба контролю швидкості [1, 4] обертання для роботи систем керування електроприводами [3] до складу яких входять зворотні зв'язки за обертами на виході системи. Параметри таких зворотних зв'язків в значній мірі залежать від параметрів датчика та вимірювального пристрою та принципу обчислення швидкості по параметрах вихідного сигналу датчика швидкості.

Також розробка дешевих надійних та багатофункціональних тахометрів з легким монтажем датчика, дозволить полегшити налагоджування електроприводів та підвищити інформативність систем електропривода. Крім того такі тахометри будуть корисні для застосування в лабораторних стендах кафедри ЕМСАПТ в лабораторіях для дослідження обертових електричних машин, враховуючи те що штатні тахометри лабораторій вже застаріли і часто виходять з ладу або мають незадовільну точність чи стабільність, погіршує обстановку ще й те, що старі тахометри мають погану ремонтоздатність.

Тому метою даної бакалаврської дипломної роботи є розробка дешевого, надійного та легкого в монтажі вимірювального каналу швидкості обертання для широкого спектра застосування та можливістю застосування в замкнутих систем керування електроприводами та систем моніторингу його роботи.

1. КОРОТКА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАСОБІВ ТА МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ ВАЛА ЕЛЕКТРИЧНОГО ДВИГУНА

1.1 Фізичні величини які характеризують швидкість обертального руху твердого тіла

Положення твердого тiла, що обертається навколо нерухомої вісi, визначається кутом повороту , тобто двогранним кутом мiж двома площинами, що проходять через вiсь обертання, з яких одна нерухома, а iнша жорстко закріплена з твердим тiлом і обертається разом з ним. Пiд час обертання кут повороту є функцiєю часу [2]

= f(t)(1.1)

Дане рівняння називають рівнянням обертання. Якщо воно задано, то для будь-якого моменту часу t можна визначити значення кута , що визначає положення тiла. Якщо взяти два моменту t і t+t часу і розкласти f(t) в степеневий ряд, по приросту t, отримаємо:

f(t+t) =f(t) +(t)t + (t) + … , (1.2)

Приріст =f(t + t) -f(t) за проміжок часу запишеться таким чином:

= (t)t + (t) + … ,(1.3)

де (t) і (t) вiдповiдно кутова швидкiсть і кутове прискорення в момент часу t. Членами, що вміщують у собi t вище другої степенi, в першому наближенні можна знехтувати. Якщо поділити обидвi частини (1.3) на t, отримаємо:

(t) + (t)+ … .(1.4)

Кутова швидкiсть дорiвнює похiднiй кута повороту за часом:

.(1.5)

Якщо обертання є рiвномiрним. У цьому випадку рівняння обертання:

=t + 0,(1.6)

де 0 _ початковий кут повороту.

При нульових початкових умовах рiвняння рiвномiрного обертання прийме вигляд:

=t .(1.7)

За основну одиницю кутової швидкостi прийнято рад/с. На практицi часто використовують термiн швидкiсть обертання n - величина, яка дорiвнює вiдношенню кількості обертiв, здiйснених тiлом, до часу обертання.

1.2 Огляд засобів вимірювання швидкості електричного двигуна

Засіб вимiрювання (ЗВ) кутової швидкості називається тахометром. Відомі тахометри будуються на основi трьох принципiв вимiрювання кутової швидкостi [2]:

- вимірюється приріст часу t, за який точка об'єкту, що обертається, повернеться на фiксований кут . Кутова швидкість розраховується за (1.5);

- вимірюється кут , на який точка об'єкту, що обертається, повернеться за фiксований проміжок часу t. Кутова швидкість також розраховується за виразом (1.5);

- значення кутової швидкості безпосередньо перетворюється в іншу фізичну величину, яка вимірюється вторинним засобом вимірювання і опосередковано визначається кутова швидкість.

Вимірювальні пристрої, що здійснюють перетворення кутової швидкості, кута повороту, часу, за який відбувається поворот на фіксований кут, в іншу фізичну величину, називаються тахометричними перетворювачами (ТП).

В теперішній час, за допомогою будь-якого одного тахометра неможливо з високою точнiстю виконувати вимiрювання в усіх дiапазонах можливої зміни кутових швидкостей. Практично тахометри будуються як спецiалiзованi технiчнi засоби, призначенi для перекриття тiльки певних дiлянок дiапазону. Дана обставина зумовлює велику кількість існуючих в теперішній час ТП і тахометрів на їх основі.

Узагальнена структурна схема ТП наведена на рисунку 1.1. ТП подається як двовимiрний перетворювач енергiї. Енергiя до нього пiдводиться вiд об'єкта вимiрювання (ОВ) і вiд внутрiшнього джерела енергiї (ДЕ). В якостi приймача енергiї (ПЕ) може бути використаний один з перетворювачiв, вiдповiдний по фiзичнiй сутi джерелу енергiї. В ТП вiдбувається модуляцiя узагальненого потоку Ф по закону змiни або і на виходi модулятора М, тобто на входi ПЕ буде модульований потiк енергії Фм. ПЕ перетворює інформативний параметр у модульованому потоці енергії в фізичну величину Y (як правило електричний сигнал), зручну для вимірювання.

ТП можна класифікувати за наступними ознаками :

За способом сполучення з валом об'єкту вимірювання ТП поділяються на контактні і безконтактні. До контактних належать ТП, що знаходяться в постiйному чи тимчасовому з'єднаннi з ОВ. З'єднання виконують муфтою, щiтками та iншими способами. До них можна вiднести вiдцентровi, гiроскопiчнi, тахогенераторнi та iншi ТП. До безконтактних ТП вiдносяться перетворювачi, якi не змiнюють момент iнерцiї ОВ і не створюють гальмівний момент. Вони не з'єднуються з ОВ безпосередньо, а передавання вимірювальної інформації здійснюється за допомогою свiтлового потоку, електромагнiтного поля і т.ін.

Рисунок 1.1 _ Узагальнена структурна схема ТП

За типом внутрішнього джерела енергії, що створює потік Ф ТП поділяються на ТП з джерелом електростатичної енергiї; з джерелом гiдроаеродинамiчного потоку; з джерелом електромагнiтної енергiї, якi, в свою чергу, подiляються за частотним дiапазоном на радiохвильовi, оптичнi, промислової частоти (електромагнiтнi і радiоактивнi); з джерелом електрохiмiчної енергiї; з джерелом механiчної енергiї.

За видом інформативного параметра вихідної фізичної величини Y ТП поділяються на ТП амплітудного перетворення, ТП частотно-часового перетворення і просторового кодування.

Амплітудні тахометричні перетворювачі. До даного класу ТП відносяться тахогенератори змінного та постійного струму, фотоелектричні перетворювачі з просторовими фільтрами, амплітудні фотоелектричні перетворювачі та інш.

Тахогенераторами (ТГ) називаються електричні машини невеликої потужності, призначені для перетворення кутової швидкості в електричний сигнал. Тахогенератори представляють собою перетворювачі механічної енергії в електромагнітну. Основними вимогами, які пред'являються до тахогенераторів є : лінійність статичної характеристики; велика крутизна характеристики; малий вплив на статичну характеристику зміни температури навколишнього середовища і навантаження; мінімум пульсацій напруги на колекторі. Тахогенератори бувають постійного та змінного струму.

У тахогенераторів постійного струму вихідна постійна напруга прямо пропорційна кутовій швидкості. Рівняння перетворення тахогенератора постійного струму має вигляд:

,(1.8)

де UТГ - вихідна напруга тахогенератора;

UЩ - напруга на щітковому контакті;

kЕ - постійна машини;

kК - конструктивний коефіцієнт;

kp - коефіцієнт пропорційності між струмом якоря та потоком;

RЯ - опір обмотки якоря;

Rнав - опір навантаження.

Схематичне креслення тахогенератора постійного струму наведено на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 _ Тахогенератор постійного струму

В процесі обертання ротора у полі статора на щітковому контакті виникає постійна напруга. Залежність вихідної напруги тахогенератора від кутової швидкості має високу лінійність, але при її нульовому значенні не дорівнює нулю, тобто присутня зона нечутливості. Окрім того вихідна напруга тахогенератора постійного струму має пульсуючу складову, яка зумовлює виникнення додаткової похибки первинного перетворення. Наявність щіткового контакту підвищує момент опору на валу тахогенератора.

Тахогенератори змінного струму використовуються в автоматичних пристроях для перетворення частоти обертання в амплітуду змінної ЕРС. Найбільше розповсюдження серед генераторів змінного струму отримали асинхронні тахогенератори з полим ротором, конструкція яких не відрізняється від конструкції виконавчого електродвигуна з полим немагнітним ротором. Частота вихідного сигналу асинхронного тахогенератору з полим ротором не залежить від кутової швидкості (на відміну від інших типів тахогенераторів), і дорівнює частоті мережі живлення.

Залежність амплітуди вихідного сигналу тахогенератора змінного струму від кутової швидкості в першому наближенні описується рівнянням

,(1.9)

де - коефіцієнт передачі тахогенератора.

Тахометричні перетворювачі просторового кодування. У ТП просторового перетворення інформація про кутову швидкість утворюється шляхом диференціювання кутового переміщення вала за часом.

Простими і зручними кодуючими пристроями, які одержали найбільш широке поширення є кодові диски. Значення розрядних коефіцієнтів (1 або 0) задається в них у вигляді провідних і непровідних, прозорих і непрозорих, магнітних і немагнітних ділянок. Відповідно використовують контактні, фотоелектричні, індуктивні і інші зчитуючі пристрої. На один кодовий розряд необхідно мати один зчитуючий пристрій. На рисунку1.3. а, б показані варіанти кодових дисків (а - двійковий код, б - код Грея).

Рисунок 1.3 _ Кодові диски

Вихідний код представляє собою код кутового положення диску відносно нульового положення. Кутова швидкість знаходиться шляхом цифрового диференціювання залежності вихідного коду від часу за виразом:

,(1.10)

де n - кількість кодових доріжок;

- значення вихідного коду ТП в моменти часу .

Вираз (1.10) визначає середню кутову швидкість за проміжок часу від до . Точність ТП просторового кодування визначається розрядністю коду, точністю виготовлення кодового диску, точністю зчитування інформації і точністю виконання операції цифрового диференціювання.

Тахометричні перетворювачі частотно-часового перетворення здійснюють перетворення вимірюваної кутової швидкості в імпульсну послідовність, частота якої прямо пропорційна, а період є оберненою функцією до вимірюваної швидкості.

Схематичне креслення найпростішого фотоелектричного ТП частотно-часового перетворення з перериванням світлового потоку наведено на рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 _ Фотоелектричний ТП частотно-часового перетворення з

перериванням світлового потоку

Принцип дії цього ТП засновано на перериванні освітленості робочої поверхні фотоприймача за допомогою модулятора, який має вигляд диску з виконаними в ньому радіальними отворами і який жорстко з'єднаний з валом об'єкту вимірювання. Фотоприймач освітлюється лампою через прорізі модулятора. При обертанні останнього здійснюється переривання світлового потоку, який попадає на фотоприймач (фотодіод на рисунок 1.4), в результаті чого струм фотодіоду має імпульсний характер. Формувач F перетворює імпульси струму (які мають складну форму і тривалість яких залежить від кутової швидкості) в прямокутні імпульси напруги UF калібровані за тривалістю та амплітудою. Як правило в такий ТП додатково вводять другий фотоприймач, зсунутий відносно першого на половину кута між отворами модулятору. Це необхідно для забезпечення можливості визначення напрямку обертання валу об'єкту вимірювання.

Частота та період вихідних імпульсів цього ТП з кутовою швидкістю пов'язані таким співвідношенням

,(1.11)

де - кількість імпульсів, що формуються на виході ТП частотно-часового перетворення за один оберт валу (для розглядаємого ТП дорівнює кількості отворів модулятора).

Перетворення кутової швидкості в частоту може також реалізуватися за допомогою магнітоелектричних, електромагнітних, гальваномагнітних та багатьох інших видів ТП. Розглянемо найпростіший гальваномагнітний ТП (рисунок 1.5), принцип дії якого заснований на фізичному ефекті Гауса або Хола.

Рисунок 1.5 _ Гальваномагнітний ТП

В основу побудови гальваномагнітних ТП покладено ефекти, суть яких полягає в зміні фізичних властивостей провідників або напівпровідників при протіканні через них струму з одночасним впливом на них магнітного поля. Найбільше розповсюдження в практиці вимірювань знайшли ТП з використанням ефектів Хола і Гауса (магніторезистивний ефект).

Елемент Хола або магніторезистор виконує роль чутливого елементу, напруга або опір якого змінюється при обертанні модулятора - магнітного або феромагнітного зубчатого диску. Зміна опору або напруги носить імпульсний характер, частота імпульсів прямо пропорційна кутовій швидкості.

Роздільна здатність гальваномагнітних ТП може бути доведена до 1000-15000 квант/мм. Однак їх використання обмежується достатньо складними електронними схемами зчитування і обов'язковим екрануванням від зовнішніх магнітних полів.

На основі ТП частотно-часового перетворення можливе створення як аналогових, так і цифрових тахометрів. Принцип дії цифрових тахометрів полягає у визначенні відношення

,(1.12)

де відповідно кут та час повороту ТП, який встановлено на валу об'єкту вимірювання.

1.3 Основні принципи вимірювання частоти обертання

В залежності від того, який з вище вказаних параметрів вимірюється, розрізнюють цифрові тахометри середнього значення і цифрові тахометри миттєвого значення [1, 2].

У цифрових тахометрах середніх значень методом підрахунку імпульсів визначають кут повороту вала об'єкту за зразковий інтервал часу, який задається зовнішнім зразковим генератором, тобто цифровий тахометр будується за схемою цифрового частотоміра середніх значень. Такі вимірювачі придатні тільки для статичних вимірювань кутової швидкості. Їх рівняння перетворення має вигляд

,(1.13)

де _ зразковий часовий інтервал, що формує зразкова міра часу від цифрового частотоміра середніх значень;

_ виміряне значення кутової швидкості;

_ код у двійковому лічильнику частотоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал .

На рисунку 1.6 приведена часова діаграма роботи цифрового тахометра середніх значень

Рисунок 1.6 _ Часова діаграма роботи цифрового тахометра середніх

значень

У цифровому тахометрі миттєвих значень здійснюється вимірювання часу повороту валу ТП на фіксований кут, тобто вимірюється період сигналу ТП шляхом квантування цього часового інтервалу імпульсами зразкової частоти від зовнішнього генератора. На рисунку 1.7 приведена часова діаграма роботи цифрового тахометра миттєвих значень.

Рисунок 1.7 _ Часова діаграма роботи цифрового тахометра миттєвих

Значень

Цифровий тахометр будується за схемою цифрового періодоміра. Кутова швидкість визначається за співвідношенням

,(1.14)

де - відповідно миттєва кутова швидкість та миттєве кутове прискорення;

- час між двома вихідними імпульсами;

- частота зразкового генератору підраховане за час ;

- код у двійковому лічильнику періодоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал .

Працює такий тахометр циклічно, в кінці кожного періоду вихідного сигналу ТП вимірювальна інформація передається та запам'ятовується у зовнішньому запам'ятовуючому пристрою для опосередкованого визначення кутової швидкості.

Висновки: В результаті проведеного аналізу методів та засобів вимірювання швидкості обертання вала двигуна обираємо для реалізації цифровий тахометр миттєвих значень так як він потребує малої кількості поділок на оберт вала. В якості датчика обираємо оптичний датчик бо він не має механічних звязків, надійний та простий в монтажі.

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ ТА ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ВАЛА ЕЛЕКТРОДВИГУНА

2.1 Розробка структурної схеми вимірювального каналу

До складу вимірювального каналу входять вихідний вал електродвигуна, датчик швидкості, блок вибору режиму, мікроконтролер, пристрій виведення інформації, персональний комп'ютер.

З вихода датчика швидкості обертання отримуємо імпульсний сигнал, тривалість імпульсів якого пропорційна швидкості обертання вала двигуна, Отримані сигнали поступають на вхід мікроконтролера, який після розрахунку виводить, згідно внутрішнього алгоритму, результат на дисплей пристрою виведення інформації. Для вибору режиму роботи передбачений блок вибору режиму, який корегує значення інформації на блоці виведення інформації відповідно до типу датчика (його роздільної здатності).

Рисунок 2.1 - Структурна схема вимірювального каналу швидкості

обертання вала двигуна

Для обміну інформацією вимірюваного каналу з персональним компютером необхідно передбачити зв'язок по послідовному каналу.

2.2 Розробка електричної схеми датчика швидкості

Виходячи з області застосування розроблювального датчика обрано оптичний датчик так як він має ряд переваг перед іншими конструкціями:

дешевизна;

легкість монтажу;

безконтактний спосіб вимірювання;

простота налаштування.

До складу датчика входить світловипромінювач та фотоприймач в якості яких, як правило використовують світлодіоди та фототранзистори з випромінюванням в області інфрачервоного спектра. Проведемо вибір фотоелементів та вивчимо їхні основні характеристики.

Інфрачервоний діод ( ІЧ-діод) _ це напівпровідниковий діод, який при протіканні через нього прямого струму випромінює електромагнітну енергію в інфрачервоній області спектра.

Принцип роботи ІЧ-діода такий же, як світловипромінюючого. На відміну від останнього випромінювання ІЧ-діода не може бути сприйнято людським оком, а реєструється лише фізичним фотоприймачем, чутливим у відповідній смузі спектра.

Основними матеріалами для виготовлення ІЧ-діодів є арсенід галію й структури галій - алюміній - миш'як, побудовані на арсенідгаліевій подложці методом рідиннофазної епітаксії. Спектральні характеристики діодів мають виражений максимум в інтервалі довжин хвиль від 0,87 до 0,96 мкм. Випромінювальна ефективність ІЧ-діодів вище, ніж у світловипромінюючих.

Специфічними параметрами ІЧ-діодів є наступні:

потужність випромінювання Рв -- потік випромінювання певного спектрального складу, випромінюваного діодом. Виміряється при заданому прямому струмі через діод;

імпульсна потужність випромінювання Рв.і -- амплітуда потоку випромінювання, вимірювана при заданому імпульсі прямого струму через діод;

ширина спектра випромінювання Дл0,5 - інтервал довжин хвиль, у якому спектральна щільність потужності випромінювання діода становить половину максимальної;

максимально припустимий прямий імпульсний струм Іпр.і.м (ІЧ - діоди часто використовуються в імпульсному режимі випромінювання);

час наростання імпульсу випромінювання tнар.в - інтервал часу, протягом якого потужність випромінювання діода наростає від 0,1 до 0,9 максимального значення;

час спаду імпульсу випромінювання tсп.в - інтервал часу, протягом якого потужність випромінювання діода змінюється від 0,9 до 0,1 максимального значення;

Виберемо [7] для датчика ІЧ-світлодіод АЛ120А параметри якого приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 _ Параметри ІЧ-світлодіода АЛ120А

Параметри

Значення

Потужність випромінювання при Іпр=50 мА, мВт

0,8

Пряма напруга при Іпр=50 мА, В

2

Максимум спектрального розподілу на довжині хвилі, мкм

0,88

Ширина спектра випромінювання на рівні 0,5, мкм

0,05

Час наростання імпульса випромінювання, нс

Час спаду імпульса випромінювання, нс

20

Параметри, що визначають статичні режими роботи ІЧ-діодів (пряма й зворотна напруга, прямий струм), такі ж, як для світловипромінюючих діодів. Характеристикою діода як джерела інфрачервоного випромінювання є ватамперная характеристика _ залежність потужності випромінювання у ватах (міліватах) від прямого струму, що протікає через діод. Ватамперні характеристики для різних значень температур навколишнього середовища приведені на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 _ Ватамперна характеристика ІЧ-діода АЛ120А

На графіках, що приводяться для серійних приладів, зміна потужності випромінювання від струму часто дається у відносних одиницях величини, зазначеної в основних параметрах для даного типу діода, при номінальному струмі.

Спектральний склад випромінювання діодів характеризується спектральними характеристиками. Варто мати на увазі, що діоди деяких типів мають великий розкид лмах від зразка до зразка. Це необхідно враховувати при спектральному узгодженні випромінювального діода з фотоприймачем. На графіках вказується звичайно усереднене положення спектральної характеристики.

Рисунок 2.3_Спектральні характеристики світлодіода АЛ120А

Діаграма спрямованості випромінювання діода показує зменшення потужності випромінювання залежно від кута між напрямком випромінювання й центральною оптичною віссю приладу. Більшість діодів має остронаправленное випромінювання.

При використанні випромінювальних діодів необхідно враховувати значне зменшення потужності випромінювання й відхід лмах убік довгих хвиль при підвищенні температури.

Важливим параметром випромінюючих ІЧ-діодів є швидкодія, що характеризується часом наростання й спаду імпульсу випромінювання, що приводиться в довідкових даних для серійних приладів.

Рисунок 2.4 - Діаграма спрямованості світлодіода АЛ120А

Інфрачервоні діоди знаходять застосування в різноманітних пристроях, принцип роботи яких ґрунтується або на електричному керуванні потужністю випромінювання діода (шляхом зміни прямого струму), або на керуванні коефіцієнтом передачі оптичного каналу при постійній потужності випромінювання.

Перспективної вважається область застосування ІЧ-діодів як перетворювач енергії й джерела передачі інформації, у вузлах і лініях, що вимагають оптичного зв'язку або гальванічної розв'язки.

Конструктивне виконання датчика швидкості приведено на рисунок 2.1 [5, 6], що являє собою перетворювач кут в код. Постійне випромінювання, спрямоване на вал з поздовжніми смугами, що чергуються, чорного й білого кольорів, відбивається на фотоприймач, що при обертанні вала послідовно одержує світлові імпульси. Частота проходження цих імпульсів у будь-який момент відповідає частоті обертання вала. Після перетворення їх в електричні імпульси на виході пристрою фіксується код обертання.

Рисунок 2.5 _ Перетворювач «кут - код»

На рисунку 2.6 [10] наведена схема оптичного перемикання на основі ІЧ-діода й фототранзистора. Світлонепроникна заслінка може переміщатися перпендикулярно оптичному каналу й відлічати відкривання й запирання фототранзистора.

Рисунок 2.6 - Оптичний перемикач

Граничний елемент, підключений до колекторів транзисторів, усуває інерційність включення й виключення фототранзистора,

В якості фотоприймача відбитого випромінювання використаємо фототранзистор КТФ102А. Розглянемо основні експлуатаційні характеристики фототранзисторів.

Фототранзистор - фоточутливий напівпровідниковий приймач випромінювання, за структурою подібний біполярному p-n-р або n-р-n транзистору. На відміну від фотодіода він не тільки перетворить світлове випромінювання в електричний сигнал, але й забезпечує його підсилення. Напруга живлення до приладу підводиться так, щоб колекторний перехід був закритий, а емітерний - відкритий. Базу найчастіше залишають відключеною.

Конструктивно фототранзистор виконаний так, що весь світловий потік, що надходить через вхідне вікно, поглинається базою, утворюючи в ній фотогенеровані пари носіїв струму. У результаті, при прикладені до фототранзистора напруги, через нього починає протікати колекторний струм.

Так як в основі роботи приладу лежить дифузія носіїв, робоча частота фототранзисторів звичайно не перевищує декількох десятків кілогерців.

Серійно випускаються в основному кремнієві фототранзистори. Але існує кілька типів приладів, що виготовляються на основі германія.

Висока чутливість фототранзисторів, а також порівняно низька вартість дозволяють широко використовувати ці прилади в системах контролю й автоматики, що не вимагає максимальної швидкодії, у різних датчиках освітленості, пожежних, охоронних і ін., у фотореле, апаратурі аналізу оптичних властивостей рідин і газів.

Фототранзистор КТФ102А. працює в інфрачервоній (ІЧ) області випромінювання.

Кремнієві пленарні n-p-n фототранзистори КТФ102А с площею фоточутливого елемента 0,64 мм2 випускають у пластмасовому корпусі із твердими лудженими виводами. Маса КТФ102А - не більше 0,2 гр.

Основні технічні характеристики фототранзистора КТФ102А при Тнав.ср = 25°С приведені в таблиці 2.2

Таблиця 2.2 _ Параметри фототранзистора КТФ102А

Параметри

Значення

Фотострум колектора, при напрузі колектор-емітер 5 В і значенні освітленості 0,5 мВт/см2 з довжиною хвилі 0,85 мкм

0,95 А

Фотострум колектора, при напрузі колектор-емітер 5 В і значенні освітленості 0,1 мВт/см2 з довжиною хвилі 0,85 мкм

0,2 А

Темновий колекторний струм, мкА

0,1

Час наростання імпульсу при подачі опромінення, при освітленості 0.06 мВт/см2 на довжині хвилі 0,85 мкм

0,2 мкс

Область спектральної фоточутливості, мкм.

0.73...1.05

Довжина хвилі максимуму спектральної фоточутливості, мкм

0.87

Найбільший фотострум колектора. мА

40

Робочий інтервал температури навколишнього середовища. °С

-10...+55

Найбільша напруга колектор-емітер, В

10

Найбільша потужність розсіювання, мВт

30

Вольт-амперна характеристика фототранзистора при різних умовах освітленості показана на рисунку 2.7, Відносну спектральну чутливість приладів ілюструє рисунок 2.8 - відношення фотоструму колектора при поточному значенні довжини хвилі випромінювання до фотоструму на довжині хвилі максимальної чутливості).

Як видно з рисунку 2.7 фототранзистор різко змінює свій опір при освітленості в області інфрачервоного випромінювання.

Рисунок 2.7 _ Вольт-амперна характеристика фототранзистора

КТФ102А при різних умовах освітленості

Рисунок 2.8 - Спектральні характеристики фототранзистора КТФ102А

На рисунку 2.9 приведена схема датчика швидкості обертання вала електродвигуна. До складу якої входять фотодіод VD1, фототранзистор VT1, аналоговий компаратор DA1, підстроювальні резистори RP1 та RP2, індикаторний світлодіод видимого спектра VD1.

Рисунок 2.9 - Електрична схема датчика швидкості обертання вала

електродвигуна

При подачі позитивного полюса напруги живлення +5В на вивод 2 затискача ХТ1 та спільного провода на 3 затискач ХТ1, отримує живлення ІЧ-світлодіод VD1 та мікросхема аналогового компаратора DA1. Для обмеження струму на рівні 10мА через діод використаний резистор R1 визначимо його номіал:

(2.1)

де _ струм через ІЧ-світлодіод VD1;

_ напруга живлення датчика (),

Вибираємо резистор С2-22 номіналом 470 (Ом) та потужністю 0,125Вт. Для регулювання інтенсивності випромінювання діода використане послідовне ввімкнення підстроювального резистора RP1. Обираємо змінний резистор 1кОм типу RV16LNT-B5K-1KQ.

Через резистор R2 подається напруга живлення на колектор-емітер фототранзистора VT1. В якості резистора R2 вибираємо резистор С2-22 номіналом 10 (кОм) та потужністю 0,125Вт. В якості аналогового компаратора використаємо мікросхему LM311 параметри якої наведені в таблиці 2.3

Таблиця 2.3 _ Параметри мікросхеми аналогового компаратора LM311

Параметри

Значення

Напруга живлення номінальна, В

5

Мінімальна диференційна напруга спрацювання, мВ

2

Час спрацювання, нс

20

Вхідний максимальний струм, нА

150

Струм споживання, мА

50

Максимальна напруга живлення, В

15

Максимальна вхідна диференційна напруга, В

30

Робочий інтервал температури навколишнього середовища. °С

-55...+125

Максимальна споживана потужність, мВт

135

Для відображення стану виходу аналогового компаратора використовується світлодіод VD2, який ввімкнений через струмообмежувальний резистор R4, при спрацюванні компаратора діод гасне. В якості останніх виберемо світлодіод А200К та резистор типу С2-22 номіналом 470 (Ом) та потужністю 0,125Вт.

Для регулювання порогу спрацювання компаратора використаємо підстроювальний резистор RP2, в якості якого обираємо змінний резистор 10кОм типу RV16LNT-B5K-10KQ.

Для забезпечення стабільності напруги живлення та напруги спрацювання використаємо конденсатори С1 та С2 типу CKL-21 на 0,1мкФ, 16В.

Розроблена схема працює наступним чином: коли відбитий сигнал випромінювання діода від світлої рухомої поверхні освітлює фототранзистор це спричиняє його відкривання, і як наслідок, на вхід компаратора -IN поступає сигнал логічного нуля, при цьому на вході +IN присутній деякий позитивний потенціал, значення якого залежить від положення регулювального резистора RP2, отже на виході OUT компаратора присутній сигнал логічної одиниці, тобто компаратор спрацював, це індикується згасанням світлодіода VD2. При проходженні темної рухомої ділянки випромінювання діода поглинається і фототранзистор не відкривається, в цьому випадку на вході -IN поступає сигнал логічної одиниці, при цьому на вході +IN присутній деякий позитивний потенціал але менший 5В. За таких умов компаратор закривається, та на його виході встановлюється сигнал логічного нуля, про що індикує загоряння світлодіода VD2.

Для регулювання дальності та роздільної здатності датчика використовуються змінні резистори RP1 та RP2

2.3 Розробка електричної схеми індикатора швидкості обертання вала електродвигуна

На рисунку 2.10 зображено електричну схему індикатора швидкості обертання вала електродвигуна, який здійснює обробку первинної вимірювальної інформації датчика та виведення інформації на дисплей.

Основним елементом схеми є мікроконтролер DD2. На сучасному етапі розвитку систем керування електроприводами мікропроцесорні системи керування набувають все більшої актуальності за рахунок їхньої гнучкості та багатофункціональності.

Побудуємо мікропроцесорний індикатор швидкості обертання. На першому етапі визначимось з типом мікроконтролера (МК). В якості МК вибираємо RISC мікроконтролер фірми Microchip PIC16F628А [8], який для вирішення поставленої задачі має в своєму складі модуль 10 - розрядного АЦП, модуль ССР який може працювати в режимі таймера модуля захвата та в режимі ШІМ, адресований модуль USART та підтримка RS-232, RS-485, має оптимізовану структуру та систему команд. Основні технічні характеристики мікроконтролера PIC16F628А приведені в таблиці 2.4

Таблиця 2.4 _ Основні технічні характеристики мікроконтролера PIC16F628А

Параметри

Значення

Об'єм пам'яті програм, байт

2048

Об'єм пам'яті SRAM, байт

224

Об'єм пам'яті EEPROM, байт

128

Кількість портів вводу/виводу

16

Кількість аналог. компараторів

2

Таймери біт 8/16

2/1

Напруга живлення, В

2-5

Максимальна частота генератора, МГц

20

Робочий інтервал температури навколишнього середовища. °С

-25...+100

Максимальна споживана потужність, мВт

500

На вхід RB3 мікроконтролера (вхід CCP) поступають цифрові сигнали з датчика швидкості обертання частота яких пропорційна швидкості вала двигуна. Кнопка Reset забезпечує скид контролера. Кнопки S1 та S2 відповідно призначені для вибору режиму налаштування, та зміни коефіцієнта множення. В схемі застосовані підтягуючі резистори R1,2,3 типу С2-22 номіналом 470 (Ом) та потужністю 0,125Вт. Для забезпечення стабільності роботи мікроконтролера застосовано зовнішній кварцевий резонатор HC-49US з частотою резонансу 8 МГц.

Рисунок 2.10 - Електрична схема індикатора швидкості обертання вала

електродвигуна

Для скиду контролера підключена кнопка Reset через резистори R3 та R4 відповідно 10кОм та 470Ом. При натисненні кнопки на вхід скиду подається низький логічний рівень яким програма контролера переводиться на нульовий адрес лічильника команд.

Для індикації числа обертів застосовано рідиннокристалічний дисплей WC1602A [9] підключений по чотирипровідному інтерфейсу до контролера. Дисплей має два рядки по 16 символів. Для регулювання контрасту використаємо підстроювальний резистор RP1, в якості якого обираємо змінний резистор 1кОм типу RV16LNT-B5K-1KQ.

Для зв'язку МК з персональним комп'ютером (ПК) по інтерфейсу RS-232 необхідно узгодити сигнали послідовної шини МК та ПК для цієї мети служить мікросхема МАХ232 підключення якої зображено на рисунку 2.11.

Рисунок 2.11 - Підключення мікроконтролера до комп'ютера по

інтерфейсу RS-232

Для спрацювання датчика необхідно на валу двигуна встановити диск з чергуючими білими та чорними секторами кількість секторів визначатиме вихідну частоту датчика при швидкості обертання 3000 об/хв можна становити диск з одним сектором при частоті обертання 1500 для отримання тієї ж частоти 50 Гц на виході необхідно встановити диск з двома секторами (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Диски датчика на валу двигуна

Для живлення пристроїв автоматики та керування необхідно розробити стабілізований блок живлення до складу якого входить трансформатор, діодний міст, інтегральний стабілізатор вхідні та вихідні ємності. Живлення необхідне для контролера +5В, для цього використаємо відповідний інтегральний стабілізатор L7805CV. Схема трансформаторного блоку живлення приведена на рисунку 2.13.

Рисунок 2.13 - Схема трансформаторного блоку живлення

Висновки: В даному розділі проведено розробку електричних схем датчика та індикатора швидкості та обрано елементну базу для їх реалізації.

3. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ РОБОТИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ

Як уже зазначалось в попередньому розділі основним елементом вимірювального каналу швидкості обертання вала двигуна являється мікроконтролер алгоритм його роботи і буде визначати експлуатаційні характеристики каналу.

3.1 Вихідні передумови написання програми для мікроконтролера

Для роботи вимірювального каналу використаємо режим захвата, який реалізовано в обраному мікроконтролері РІС16F628A. Структурну схему модуля ССР в режимі захвата приведено на рисунку 3.1

Рисунок 3.1 - Структурна схема модуля ССР в режимі захвата

При виникненні події захвата 16-розрядне значення лічильника TMR1 передаються в регістри CCPR1L: CCPR1H модуля CCP1. Подією захвата можуть бути:

Кожний задній фронт сигналу на вході RB3/CCP1;

Кожний передній фронт на вході RB3/CCP1;

Кожний 4 передній фронт на вході RB3/CCP1;

Кожний 16 передній фронт на вході RB3/CCP1;

Тип події захвата встановлюється бітами CCP1M3: CCP1M0 в регістрі CCP1CON<0:3>. Після виконання захвата встановлюється флаг переривання CCP1F(PIR1<2>) в «1» який повинен бути скинутий програмно. Якщо проходить подія захвата до того як попередні дані були прочитані, старе значення буде втрачено.

Знайдемо максимальне десяткове значення результату захвата:

(3.1)

де n - розрядність лічильника TMR1 (n = 16),

Розглянемо роботу канала при частоті обертання n2 = 3000 об/хв при наявності одного сектора z =1, врахувавши, що коефіцієнт подільника частоти k1 = 4 а тактова частота генератора Fos = 8000000 Гц. Знайдемо кількість імпульсів, які вкладаються в період вимірювальної частоти

(3.2)

При зменшенні частоти обертання період зростає, зростає і кількість імпульсів, при цьому необхідно врахувати те що ми не повинні допустити переповнення таймера. Знайдемо мінімальну частоту для запропонованого режиму:

(3.3)

Для вимірювання нижчих швидкостей необхідно збільшити кількість секторів чи вводити коефіцієнт корекції при досягненні низької частоти.

3.2 Розробка алгоритму роботи програми

Алгоритм роботи основної частини програми мікроконтролера представлений на рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 - Алгоритм роботи мікроконтролера

Після проведення ініціалізації проводиться сканування стану кнопки вибору режиму при ненатисненій кнопці проводитьсь індикація та вимірювання з коефіцієнтом корекції 1 при натисненні кнопки вибору здійснюється перехід в меню вибору коефіцієнта корекції в залежності від кількості секторів. Вимірювання здійснюється по другому задньому фронту інформаційного сигналу.

Більш детально принцип роботи вимірювального каналу проілюстровано на рисунку 3.3.

Рисунок 3.3 - Часова діаграма роботи вимірювального каналу швидкості обертання електричного двигуна

Прямокутні імпульси (на рисунку 3.3) це сигнали датчика обертання при досягненні першого заднього фронту відбувається обнулення лічильника та регістра результату захвата, так як режим захвата ввімкнений знову поченається нарощення цифрового коду в лічильнику. При досягненні другого заднього фронта імпульса запрацьовує флаг і результат захвату передається через регістр захвату в регістри обчислення.

3.3 Розробка програми та програмування мікроконтролера

Для розробки програми мікроконтролера використане програмне забезпечення mikroC PRO for PIC яке виконує компіляцію проекта в файл прошивки. Для прошивки мікроконтролера використана фірмена програма від Microchip MPLAB,в якості програматора використаний ICD2. Лістинг програми мікроконтролера приведений в додатках.

Висновки: В даному розділі проведена розробка алгоритму роботи мікроконтролера та способу реалізації тахометра миттєвих значень на основі режима захвата модуля ССР мікроконтролера. По алгоритму написана та прокомпільована програма мікроконтролера на мові програмування С.

4. МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ

Для перевірки правильності функціонування та налаштування вимірювального каналу необхідно використати спеціальну програму симулятор Proteus Professional 7.2, яка дозволяє провести наглядне моделювання електронних схем. На рисунку 4.1 зображено вікно моделювання вимірювального каналу швидкості обертання вала двигуна в симуляторі Proteus Professional 7.2 при частоті датчика 50Гц.

Рисунок 4.1 - Моделювання вимірювального каналу швидкості обертання вала двигуна в симуляторі Proteus Professional 7.2 при частоті

датчика 50Гц

Схема в симуляторі відповідає електричній схемі, для генерації прямокутних імпульсів датчика швидкості використаний візуальний генератор імпульсів. Параметри налаштування мікроконтролера в Proteus Professional 7.2 приведені на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 - Параметри налаштування мікроконтролера вимірювального каналу в Proteus Professional 7.2

Коректність роботи вимірювального каналу при зниженні частоти до 25 Гц видно на рисунку 4.3. Спостерігається пропорційне зниження швидкості обертання.

Рисунок 4.3 - Моделювання вимірювального каналу швидкості обертання вала двигуна в симуляторі Proteus Professional 7.2 при частоті

датчика 25Гц

Рисунок 4.4 - Вибір кількості секторів

Висновки: Отже проведене комп'ютерне моделювання розробленої мікропроцесорної системи в програмі-симуляторі довело роботоздатність та адекватність програми та алгоритму до фізичної суті протікання процесів в вимірювальній системі.

5. ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ДВИГУНА

Впевнившись в роботоздатності комп'ютерної моделі здійснимо практичну реалізацію розробленого каналу вимірювального каналу швидкості двигуна.

Використовуючи програму Sprint-Layout 5.0 здійснимо розробку друкованої плати датчика обертів згідно електричної схеми (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Монтажна плата оптичного датчика швидкості обертання

вала двигуна виконана в програмі Sprint-Layout 5.0

Зовнішній вигляд розібраного оптичного датчика швидкості обертання зображено на рисунку 5.2. Для зв'язку датчика з індикатором використовується екранований кабель для запобігання імпульсних завад.

Перевірка роботи датчика зображена на рисунку 5.3 з якого видно спрацювання діода на темній поверхні та його погасання на світлій.

Рисунок 5.2 - Зовнішній вигляд розібраного оптичного датчика

швидкості обертання

Рисунок 5.3 - Тестування роботи датчика

Використовуючи програму Sprint-Layout 5.0 здійснимо розробку друкованої монтажної плати індикатора обертів згідно електричної схеми (рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 - Монтажна плата індикатора швидкості обертання

вала двигуна виконана в програмі Sprint-Layout 5.0

Висновки: В даному розділі приведені відомості про практичне втілення розроблених схем та програмних алгоритмів з використанням програм для створення монтажних електронних плат.

ВИСНОВКИ

Отже мета бакалаврської дипломної роботи досягнута, розроблено реалізовано та протестовано вимірювальний канал швидкості обертання електричного двигуна

Проведено розробку електричних схем датчика та індикатора швидкості та обрано елементну базу для їх реалізації.

Здійснена розробка алгоритму роботи мікроконтролера та способу реалізації тахометра миттєвих значень на основі режима захвата модуля ССР мікроконтролера. По алгоритму написана та прокомпільована програма мікроконтролера на мові програмування С.

Проведене комп'ютерне моделювання розробленої мікропроцесорної системи в програмі-симуляторі довело роботоздатність та адекватність програми та алгоритму до фізичної суті протікання процесів в вимірювальній системі.

Приведені відомості про практичне втілення розроблених схем та програмних алгоритмів з використанням програм для створення монтажних електронних плат.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

Володарський Є.Т., Кухарчук В.В., Поджаренко В.О., Сердюк Г.Б. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю. Навчальний посібник. -Вінниця: ВДТУ, 2001. -219с.

Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Долгополов В.П., Грумінська Л.В. Метрологія та вимірювальна техніка. Навчальний посібник. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. -252с.

Електромеханічні системи автоматичного керування та електроприводи: Навч. посібник / М.Г. Попович, О.Ю. Лозинський, В.Б. Клепіков та ін.; За ред. П.Г. Поповича, О.Ю. Лозинського. - К.: Либідь, 2005. - 680 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Частоти обертання та кутові швидкості валів. Розрахунок на втомну міцність веденого вала. Вибір матеріалів зубчатих коліс і розрахунок контактних напружень. Конструювання підшипникових вузлів. Силовий розрахунок привода. Змащування зубчастого зачеплення.

    курсовая работа [669,0 K], добавлен 14.05.2013

  • Вибір конкретного типорозміру електродвигуна. Кінематичний розрахунок швидкості обертання валів. Співвісна реверсивна циліндрична зубчаста передача. Перевірка на динамічну вантажність підшипника та кріплення корпусу привода. Змащування зубчастих коліс.

    курсовая работа [290,8 K], добавлен 30.06.2015

  • Вибір електродвигуна привода технологічного апарата для привода з регулюванням швидкості в широкому діапазоні. Складання схеми автоматизованого пуску двигуна, опис його конструктивних елементів й пускової апаратури (реле, контакторів, магнітних пускачів).

    курсовая работа [535,1 K], добавлен 22.11.2010

  • Значення функціональних частин, які має у своєму складі реверсивний електропривод. Регулювання координат реверсивного електроприводу для мінімальної швидкості і навантаження. Побудова схеми регулятора швидкості та струму. Переваги автоматизованих ЕП.

    курсовая работа [165,9 K], добавлен 22.12.2010

  • Кінематичний розрахунок приводу. Вибір електродвигуна. Визначення обертаючих моментів на валах. Розрахунок зубчатої передачі. Конструювання вала-шестерні. Розробка технологічного процесу механічної обробки вала–шестерні для умов серійного виробництва.

    дипломная работа [4,2 M], добавлен 08.09.2014

  • Ознайомлення з принципом роботи цифрового годинника. Розрахунок схеми електричної принципової і розрахунок основних характеристик виробничого процесу і собівартості цифрового годинника. Виготовлення макетного зразка друкарської платні, розводка і збірка.

    курсовая работа [230,2 K], добавлен 26.04.2009

  • Будова, характеристики, принцип роботи ліфта. Шляхи технічних рішень при модернізації та автоматизації. Розробка та розрахунок циклограми і електричної схеми ліфта. Розробка математичної моделі схеми управління. Розрахунок надійності системи автоматики.

    курсовая работа [5,3 M], добавлен 14.05.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.