Схема цифрового управления приводом постоянного тока

2С (2-States Output-2S) - выход с двумя активными состояниями (нуль и единица), стандартный ТТЛ-совместимый выход.

ЗС (3-States Output-3S) - выход с тремя состояниями (два активных: нуль и единица, третье -- пассивное, отключенное), а также само третье состояние выхода в отличие от двух активных состояний.

Адрес - закодированный номер, определяющий, куда передается информация или откуда она принимается.

Активный уровень сигнала - уровень, соответствующий приходу, наличию сигнала, то есть выполнению этим сигналом соответствующей ему функции.

Асинхронный сигнал - сигнал, не привязанный по времени к внутренним процессам схемы, не синхронизованный со схемой.

Асинхронный (последовательный) счетчик - счетчик, выходные разряды которого переключаются по очереди, начиная с младшего.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь (ADC), преобразующий величину входного аналогового сигнала в выходной цифровой код.

Байт - группа двоичных разрядов, битов (8 бит), содержащая какой-то код.

Биполярный сигнал - сигнал, который может быть как положительным, так и отрицательным.

Бит (от англ. Binary Digit - двоичное число) - единица двоичной информации, разряд двоичного кода, принимающий значения 0 и 1.

БИС - большая интегральная схема (LSI).

Ввод данных - то же, что чтение, считывание, прием.

Вентиль, ключ (key) - минимальное устройство. Обрабатывает, передает и может хранить 1 бит информации.

Вывод данных - то же, что запись, передача.

Выводы микросхемы - металлические контакты на корпусе микросхемы для входных и выходных сигналов, подключения внешних элементов и подачи питания.

Временная диаграмма - графики зависимости от времени входных и выходных сигналов цифрового устройства в различных режимах работы.

Гига - (Г) - приставка для обозначения миллиарда, 10⁹.

Данные - передаваемая в закодированном виде цифровая информация.

Двоичная система счисления - система счисления по модулю два, в которой разряды числа кодируются 0 или 1 и представляют собой степени числа 2.

Двунаправленная линия (шина) - линия (шина), по которой сигналы могут передаваться в обоих направлениях (по очереди).

Дешифрация - преобразование входного двоичного кода в номер выходного сигнала.

Задержка - временной сдвиг между входным и выходным сигналами устройства, узла, микросхемы.

Задний фронт сигнала (спад) - переход сигнала из активного уровня в пассивный.

Защелка (flip-flop) - триггер или регистр, стробируемый уровнем сигнала и пропускающий входной сигнал на выход при активном управляющем сигнале (стробе).

Импульс - сравнительно короткий сигнал.

Инверсный выход - выход, выдающий сигнал инверсной полярности по сравнению с входным сигналом.

Инвертирование или инверсия сигнала - изменение полярности сигнала.

Интерфейс - соглашение об обмене между электронными устройствами. Включает в себя требования по электрическому, логическому и конструктивному сопряжению устройств.

ИС - интегральная микросхема, ИМС, чип.

КЗ - короткое замыкание.

Кило - (к) -- приставка для обозначения тысячи, 10³.

КМОП - комплементарная технология МОП (CMOS).

Код - информация, передаваемая несколькими двоичными разрядами, битами.

Коэффициент разветвления - число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения его работы. Определяется отношением выходного тока к входному. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одной серии равна 10.

Линия (линия связи) - проводник (электрический или оптоволоконный), передающий сигнал.

Меандр - сигнал со скважностью, равной двум, то есть длительность импульсов равна длительности паузы между ними.

Мега - (М) - приставка для обозначения миллиона, 10⁶.

Микро- (мк) - приставка для обозначения одной миллионной доли, 10^-6.

Милли- (м) - приставка для обозначения одной тысячной доли, 10^-3.

МОП - полупроводниковая технология на основе полевых транзисторов типа «металл - окисел - полупроводник» (MOS).

Мультиплексирование - передача различных сигналов по одной линии (шине) в разные моменты времени.

Нагрузочная способность - параметр выхода микросхемы, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения его работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления.

Нано - (н) - приставка для обозначения одной миллиардной доли, 10^-9.

Обратная связь - передача сигнала или его части с выхода схемы на ее вход или один из ее входов.

Обратный (инверсный) счет - счет на уменьшение выходного кода.

OK - выход с открытым коллектором.

Опорное напряжение - напряжение эталонного уровня, с которым сравнивается входной сигнал (в АЦП), или из которого формируется выходной сигнал (в ЦАП).

Отрицательная логика - система сигналов, в которой логической единице соответствует низкий уровень напряжения, а логическому нулю - высокий.

Отрицательный сигнал (сигнал отрицательной полярности, нулевой сигнал) - сигнал, активный уровень которого - логический нуль. То есть единица - это отсутствие сигнала, нуль - сигнал пришел.

Отрицательный фронт сигнала (спад) -- переход сигнала из единицы (из высокого уровня) в нуль (в низкий уровень).

Пассивный уровень сигнала - уровень, в котором сигнал не выполняет никакой функции.

Перепад (переход) сигнала - переключение сигнала из нуля в единицу или из единицы в нуль, то же что фронт сигнала.

Передний фронт сигнала - переход сигнала из пассивного уровня в активный.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, постоянная память (ROM).

Пико - (п) -- приставка для обозначения одной триллионной доли, 10^-12.

Погрешность абсолютная - разность между измеренной величиной и ее истинным значением (погрешность измерения); разность между сформированной величиной и требуемым ее значением (погрешность формирования, погрешность воспроизведения).

Погрешность относительная - отношение абсолютной погрешности к требуемому (или истинному) значению данной величины. Часто измеряется в процентах.

Положительная логика - система сигналов, в которой логической единице соответствует высокий уровень напряжения, а логическому нулю - низкий.

Положительный сигнал (сигнал положительной полярности, единичный сигнал) - сигнал, активный уровень которого - логическая единица. То есть нуль - это отсутствие сигнала, единица - сигнал пришел.

Положительный фронт сигнала (или просто фронт) - переход сигнала из нуля (из низкого уровня) в единицу (в высокий уровень).

Помехи - паразитные сигналы, накладывающиеся на информационные сигналы и искажающие их. Помехи могут наводиться извне (электромагнитным полем), а также возникать в цепях питания.

Помехозащищенность - параметр, характеризующий величину входного сигнала помехи, который еще не может изменить состояние выходных сигналов. Определяется разницей между напряжением U_1H и порогом срабатывания (помехозащищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и U_1L (помехозащищенность нулевого уровня).

Порог срабатывания - уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже - как нуль. Для ТТЛ микросхем он примерно равен 1,3...1,4 В.

Принципиальная схема - наиболее подробная схема электронного устройства с указанием всех элементов, связей, входов и выходов, выполненная в соответствии со стандартом.

Протокол - порядок обмена сигналами между цифровыми устройствами.

Прямой выход - выход, выдающий сигнал положительной полярности.

Прямой счет - счет на увеличение выходного кода.

Разрядность (кода, шины) - количество двоичных разрядов кода или количество цифровых сигналов для передачи кода по шине.

Реверсивный счетчик - счетчик, работающий как в режиме прямого счета, так и в режиме обратного (инверсного) счета.

Слово (двоичное) - группа бит (обычно 16, 32 или 64 бита), состоящая из нескольких байт.

Синхронизация - обеспечение согласованной во времени работы нескольких устройств, например, по общему тактовому сигналу.

Синхронный (параллельный) счетчик - счетчик, все разряды которого переключаются одновременно, синхронно с тактовым сигналом

Синхросигнал - то же, что тактовый сигнал.

Скважность - отношение периода следования импульсов к длительности этих импульсов.

Спад сигнала - то же, что задний фронт сигнала (обычно - отрицательный фронт).

Строб (стробирующий сигнал) - управляющий сигнал, который своим уровнем определяет момент выполнения элементом или узлом его функции. В общем смысле строб - это любой синхронизирующий сигнал, тактовый сигнал.

Стробирование - согласование во времени работы узлов и устройств с помощью строба.

Структурная схема - упрощенная схема электронного устройства, показывающая только основные узлы и важнейшие связи между ними.

Такт - то же что тактовый сигнал, а также период тактового сигнала.

Тактовый сигнал -- управляющий сигнал, который своим фронтом определяет момент выполнения элементом или узлом его функции. Иногда то же, что и стробирующий сигнал.

Тера - (Т) - приставка для обозначения триллиона, 10¹².

Точность - показатель близости функционирования данного устройства к идеалу, обычно измеряется с помощью величины погрешности.

ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика и соответствующая ей полупроводниковая технология (TTL).

ТТЛШ - технология ТТЛ с диодами Шоттки (TTLS). Характеризуется более высоким быстродействием при той же потребляемой мощности.

Фронт сигнала - переход сигнала из нуля в единицу или из единицы в нуль, иногда в более узком значении «передний положительный фронт».

Функциональная схема - не слишком подробная схема электронного устройства, показывающая подробно только схемы отдельных, принципиально важных узлов устройства.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь (DAC), преобразующий входной цифровой код в величину аналогового сигнала (тока или напряжения).

Цикл - последовательность обмена сигналами, в течение которого выполняется только одна операция.

Чип (Chip) - то же, что интегральная микросхема, ИМС.

Шина (Bus) - группа сигнальных линий, объединенных по какому-то принципу, например, шиной называют сигналы, соответствующие всем разрядам какого-то двоичного кода (шина данных, шина адреса). Иногда шиной называют также провод питания («шина питания») и общий провод («шина земли»).

Шифрация - преобразование номера приходящего входного сигнала в выходной двоичный код.

Ячейка (памяти) - элемент памяти (одноразрядный или многоразрядный), который служит для хранения информационного кода и может быть выбран с помощью кода адреса памяти.

AND - логическая функция И.

AC (Alternating Current) - переменный ток.

ADC (Analog-to-Digital Converter) - АЦП, аналого-цифровой преобразователь.

ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - стандартный американский код обмена символьной информацией.

BCD (Binary-Coded Decimal) - двоично-десятичный код.

BiCMOS (Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) - биполярно-полевая технология изготовления микросхем, сочетающая на одном кристалле биполярные и КМОП структуры.

Buffer - буфер.

Bus - шина, магистраль.

Chip - микросхема, чип.

Clear - очистка, сброс в нуль.

Clock - тактовый, тактирующий сигнал.

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) - комплементарная МОП технология (КМОП, то же самое что и КМДП).

Coder (encoder) - шифратор, кодер.

Comparator - компаратор.

Converter - преобразователь.

Counter - счетчик.

DAC (Digital-to-Analog Converter) - ЦАП, цифроаналоговый преобразователь.

DC (Direct Current) - постоянный ток.

Decoder - дешифратор, декодер.

Delay - задержка.

DIC (Dual In-line Ceramic package) - керамический корпус микросхемы типа DIL.

DIL (Dual In-Line package) - корпус микросхемы с двухрядным вертикальным расположением выводов.

DIP (Dual In-line Plastic package) - пластмассовый корпус микросхемы типа DIL.

Driver - выходной буфер, драйвер.

Flip-flop - триггер.

Gate - логический элемент, вентиль.

GND (Ground) - общий провод схемы, «земля».

Н (High) - высокий уровень сигнала, единичный уровень при положительной логике.

IС (Integrated Circuit) - интегральная микросхема, ИС.

Inverter - инвертор.

I/O (Input/Output) - ввод/вывод (В/В), вход/выход.

L (Low) - низкий уровень сигнала, нулевой уровень при положительной логике.

Latch - триггер (регистр) типа «защелка».

LCD (Liquid Crystal Display) - жидкокристаллический дисплей, индикатор.

Master - ведущее, главное устройство, участвующее в обмене информацией, задатчик.

Monostable multivibrator - ждущий мультивибратор, одновибратор.

Multiplexer - мультиплексор.

Multivibrator - мультивибратор.

NAND - логическая функция И-НЕ.

NOR - логическая функция ИЛИ-НЕ.

OR - логическая функция ИЛИ.

Preset - предварительная установка.

Pull-up Resistor - нагрузочный резистор, включаемый между выходом микросхемы и шиной питания.

Register - регистр.

Reset - сигнал установки микросхемы или устройства в нулевое или исходное состояние.

Schmitt trigger - триггер Шмитта.

Set - сигнал установки выхода в единичное состояние.

Slave - ведомое, пассивное устройство, участвующее в обмене информацией, исполнитель.

Strobe - стробирующий сигнал, строб.

Terminator - оконечное согласующее устройство на линии связи (обычно -- резистор).

Trigger - триггер.

TTL (Transistor-Transistor Logic) - транзисторно-транзисторная (биполярная) логика, ТТЛ.

(Transistor-Transistor Logic Schottky) - транзисторно-транзисторная логика Шоттки, ТТЛШ.

V - напряжение (Voltage), вольт (Volt).

Z (Z-state) - третье (высокоимпедансное) состояние выхода микросхемы.

Техническое задание

В соответствии с ТЗ изобразим функциональную схему привода (Рис 2.1). С приходом системной команды записи WR (Write) вычислительного устройства (ВУ) информация с шины ВУ записывается в регистр управления (РУ). Биты D0 и D1 содержат информацию управления двигателем - Start/Stop и Left/Right. Биты D2-D5, содержащие 4-разрядный код скорости вращения двигателя, поступают в ШИМ-контроллер, где формируется цифровой ШИМ сигнал, частота повторения которого задается генератором импульсов (ГИ), а длительность импульса пропорциональна двоичному коду. Такой контроллер обеспечивает 2⁴=16 градаций скорости вращения.

Рис 2.1 Функциональная схема привода

Цифровые сигналы Start/Stop и Left/Right и ШИМ поступают в схему-драйвер двигателя и управляют скоростью и направлением вращения двигателя. Вал двигателя механически связан с устройством контроля положения привода в пространстве (на рис. 2.1 пунктирная линия), в состав которого входит инкрементный (накапливающий) датчик угла поворота (энкодер) и концевые выключатели ESL и ESR. Информация о положении привода в пространстве фиксируется в регистре состояния (РС). Эта информация считывается ВУ при подаче системной команды чтения RD (READ).

Состояние концевых выключателей ESL или ESR равное 0 указывает, что платформа привода вышла за границы рабочего пространства вправо или вправо. Сигналы концевых выключателей блокируют драйвер двигателя таким образом, что при ESL=0 у привода блокируется перемещение влево, но вправо перемещение остается разрешенным. При ESR=0 блокируется перемещение вправо, но влево остается разрешенным.

В библиотеке компонентов EWB отсутствует цифровой энкодер. Поэтому в рамках данной работы воспользуемся аналого-цифровым вариантом энкодера на библиотечных компонентах, функциональная схема которого показана на рис 2.2.

Рис 2.2. Функциональная схема энкодера (датчика угла порота привода).

Аналоговый сигнал с DC Motor, пропорциональный скорости вращения двигателя интегрируется в аналоговом интеграторе и оцифровывается в АЦП (библиотечные элементы EWB). В результате на выходе имеем двоичный код пропорциональный числу оборотов двигателя (углу поворота платформы привода). Концевые выключатели L и R представляют собой компаратор (библиотечный элемент EWB), на вход которого подано напряжение с интегратора, которое сравнивается с опорным напряжением Uоп1 и Uоп2. С выходов компараторов снимается логический сигнал достижения приводом крайних положений L и R.

Схема включения электродвигателя

В библиотеке EWB имеется только одна модель электродвигателя - DC Motor/Ideal. Перед нами стоит задача разработать модель двигателя с заданными параметрами. Информации по существующей модели в статье Help недостаточно. Чтобы оценить влияние отдельных параметров, проведем исследование идеальной модели и по результатам, скорректируем идеальную модель в соответствии с заданием.

Исследование модели двигателя DC Motor/Ideal

The component is a universal model of an ideal DC motor which can be used to model the behavior of a DC motor excited in parallel, in series or separately. The excitation type of the component is determined by the interconnection of the terminals between armature windings (terminals 1 and 2) and field windings (terminals 3 and 4).

To excite the DC motor in parallel, connect the positive terminal of a DC source to terminals 2 and 4; then connect the negative terminals of the DC source to terminals 1 and 3. To excite the DC motor in series, connect terminal 2 to terminal 3 (use a connector); then connect the positive terminal of a DC source to terminal 4 and connect the negative terminal of the DC source to terminal 1. To excite the DC motor separately, connect a DC source to terminals 2 and 1 (positive and negative, respectively); then connect another DC source to terminals 4 and 3 (positive and negative, respectively).

Terminal 5 is the DC motor's output. The output is the motor's rpm value. To display this value:

ѕ attach a voltmeter to terminal 5 (connect the other side of the voltmeter to ground) and simulate, or

ѕ attach the oscilloscope to terminal 5 and simulate (the rpm value is the voltage that appears), or

ѕ attach a connector to terminal 5, then choose an appropriate analysis from the Analysis menu (for example, if you choose Analysis/DC Operating Point, the rpm value is the voltage at the connector).

This component connects the electrical and mechanical parts of a servo-system. Input to the motor is electrical while output is mechanical.

The motor RPM (from a tachometer output) is proportional to voltage (1 RPM per volt).

Speed characteristics may be investigated by varying the field or armature supply voltages. Speed may be varied by inserting a variable resistance in series with the field. This method only allows an increase of RPM as field current decreases.

Speed may also be varied by inserting a variable resistance in series with the armature. This method only allows for a decrease of RPM as resistance is increased.

In the example circuit shown below, the series resistance in both field and armature is minimum when the percentage indicates 0%. Field resistance is increased by pressing <shift>R and for the armature circuit by pressing <shift>A.

Перевод статьи DC Motor/Ideal из Help EWB:

Для изменения направления вращения двигателя необходимо переключать направление тока в одной из обмоток двигателя. Обычно это реализуется с помощью мостовой схемы, показанной на рис 3.4.

Рис 3.4. Схема управления направлением вращения двигателя

Пара ключей нормально замкнутая, а другая пара нормально разомкнутая. Вольтметр показывает число оборотов двигателя - об/мин (RPM - revolutions per minute). Переключение ключей изменяет направление тока в роторе, при неизменном направление тока в статоре. При этом меняется направление вращение от -1899 об/мин до +1899 об/мин. Для контроля токов в обмотках статора и ротора и общего тока потребления в соответствующие цепи включены амперметры. В статическом режиме для двигателя DC Motor Ideal при питании обмоток Uп=115 В, токи потребления в статорной обмотке Iст=0.898 А, в роторной обмотке Iрот=3.558 А.

Для изменения направления вращения двигателя следует использовать мостовую схему управления.

Схема управления скоростью вращения