Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
Кафедра систем управления
Курсовая работа по предмету “Электроника и микросхемотехника”
ВЫПОЛНИЛ: ПРОВЕРИЛ: студент группы ФИО
Минск 2010
Содержание Введение 2 Цель работы. Постановка задачи 3 Обзор литературы 5 3. Структурная и функциональная схемы электронного блока 6 4. Электрическая принципиальная схема 12 4.1. Расчет выходного импульсного каскада 12 4.2. Расчет предмощного каскада 19 4.3. Расчет гальванической развязки 22 4.4. Расчет элементов задержки 25 4.5. Расчет модулятора 27 4.6. Информационные каскады 31 4.7. Обратные связи 36 4.8. Расчет схемы защиты от перегрузок и коротких замыканий 39 4.9. Расчет источников питания 43 5. Системные расчеты 46 5.1. Передаточная функция элементов схемы 46 5.2. ЛАХ и ФЧХ электронного блока 49 5.3. Выводы о качественных показателях САУ 51 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52 ЛИТЕРАТУРА 53 ПРИЛОЖЕНИЕ 54
Введение
При управлении производственным процессом всегда возникают сообщения о ходе процесса, которые необходимо передавать автоматическому устройству. Эти сообщения порождаются различными событиями. Сообщения о событии могут быть многообразными. Например, сообщение об изменении состава сырья, о передвижении объекта, об изменении его температуры. В некоторых случаях информация передаётся оператору, который реагирует на это событие соответствующим образом. Но этот способ регулирования использовать не рационально, так как необходимо учитывать человеческий фактор, а также дороговизну использования этого способа. Поэтому в последнее время используются средства автоматического управления, в частности, электронные. Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причём тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешёвых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения. В данном курсовом проекте необходимо разработать систему автоматического слежения за изменением температуры. В проекте широко используются электронные приборы, в том числе и микросхемы различного функционального назначения.
Цель работы. Постановка задачи
Цель курсового проектирования по электронике и микросхемотехнике - практически закрепить изучаемые теоретические разделы одноименного курса; освоить методы, приемы расчета и конструкторской разработки специальных устройств автоматики на основе оптимальных критериев качества; научиться пользоваться справочниками, пособиями, реферативными журналами и другими библиографическими изданиями, выбирать необходимые материалы из накопленных в технической литературе. Проектирование начинается с изучения технического задания. Техническое задание формирует требования к функциональным возможностям проектируемого устройства и условиям, в которых оно должно действовать; эти требования должны быть корректны. Обычно имеется несколько путей построения общей функциональной схемы, значительно большее число вариантов может быть предложено для отдельных функциональных узлов. Проектируемые электронные устройства являются частью более общей системы автоматики. Очень важно четкое представление функциональной схемы всей системы, назначение и место проектируемого электронного устройства в общей структуре, предусмотреть схемные и конструктивные способы взаимного сопряжения входа и выхода с предыдущими и последующими элементами системы, разработать приемы настройки и регулировки. Необходимо самостоятельно по исходным данным уметь составлять общую функциональную схему, указав в ней назначение и место проектируемого электронного устройства.
Обзор литературы
1.Методическое пособие по курсовому проектированию по курсу “Электроника и микросхемотехника” для студентов специальности АувТС А.Р. Решетилов, Н.И., Минск 1999г. В методическом пособии приведены правила и методики расчета курсового проекта, выбора типовых электрических элементов. 2.“Искусство схемотехники” Хоровиц П., Хилл У. Эта книга представляет собой учебник по разработке электронных схем и одновременно справочное пособие для инженеров. В ней рассмотрены основные вопросы, с которыми сталкивается разработчик, стараясь совместить прагматический подход физика-практика и точку зрения инженера, стремящегося к точности и обоснованности в разработке электронной схемы. 3.Опадчий Ю.Н.и др. “Аналоговая и цифровая электроника”, М.: Горячая линия-телеком, 766с:ил 2000г. В книге рассматривается элементная база устройств полупроводниковой электроники, диоды, транзисторы, тиристоры, приборы с зарядовой связью: приведена классификация, вольт-амперные и частотные характеристики, основные схемы включения и особенности применения конкретных приборов в различных режимах работы. Излагаются принципы построения типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Приведены способы математического описания их работы, а также основы анализа и направленного синтеза устройств с заданными техническими характеристиками. 4.Электронные справочники по полупроводниковым элементам и логике “Библиотека радиолюбителя”. В справочнике радиолюбителя описан огромный перечень применяемых электронных компонентов. Особое внимание уделено цветовой и кодовой маркировке радиодеталей, аналогам полупроводниковых приборов. Рассмотрена современная элементная база.
3. Структурная и функциональная схемы электронного блока
3.1. Структурная схема электронного блока
Одной из важнейших задач техники является автоматическое управление каким-либо процессом или объектом. Система автоматического управления должна обеспечивать определенное функционирование объекта при заданных воздействиях. Однако из-за наличия различных возмущающих воздействий фактическое состояние объекта управления будет отличаться от желаемого. Поэтому система автоматического управления должна учитывать не только алгоритм функционирования объекта, но и причины, вызывающие отклонение от заданного или фактического состояния. В настоящее время в технике используются три основных метода построения систем управления.
1. Метод разомкнутого контура
Алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного функционирования объекта управления. При наличии возмущающих воздействий состояние объекта отличается от заданного. Этот метод применяется только тогда, когда можно измерить возмущающее воздействие. Затем, по результату измерения вводится изменение в алгоритм управления, которое компенсировало бы возмущающее воздействие.
2. Существует второй метод, который применяется в САУ
Он позволяет повысить точность, но компенсируются только воздействия, которые измеряются, т.е. невозможно учесть все факторы, влияющие на функционирование схемы. В таких системах ошибку рассогласования никогда нельзя свести к нулю. Поэтому используется предыдущий метод.
3. Метод обратной связи
При управлении по методу обратной связи в алгоритм управления вносятся корректировки по фактическому положению объекта управления. Этот метод является самым оптимальным, т.к. заключает в себе следующие достоинства: а) минимальная погрешность управления; б) схема отличительно проста; в) система устойчива. В курсовом проекте необходимо спроектировать такую систему, которая поддерживала бы температуру на определенном уровне посредством изменения скорости вращения исполнительного двигателя САУ. Скорость двигателя изменяется под действием температуры. Таким образом, имеется функционально замкнутая система. В общем случае система может быть статической или астатической. Признаком астатизма является наличие в схеме интегрирующих звеньев. В астатической системе мощный каскад рассчитывается на пусковой режим двигателя с возможностью реверса. Следуя из вышесказанного и проведя анализ, выбираем следующий вид структурной схемы устройства (рисунок 3.1.1)
Рисунок 3.1.1 – Структурная схема устройства
3.2. Функциональная схема электронного блока
Система – это совокупность, состоящая из отдельных частей, находящихся в определённых связях друг с другом и составляющих целостность и единство. Изучение поведения системы осуществляется с помощью моделей. Люди изучают объекты с целью управления ими для достижения необходимых количественных и качественных характеристик. Для выработки управляющих воздействий необходимо иметь информацию о желаемом и фактическом состоянии объекта. Управление – это процесс во времени, следовательно, система управления является динамической. Задача управления заключается в том, чтобы объект управления в условиях реальной эксплуатации и обеспечивал выполнение требуемых функций. Фактическое состояние объекта управления определяется одним или несколькими рабочими параметрами y(t). Чаще всего рабочие параметры представляют собой физические величины: скорость, температура, напряжение электрического тока, линейные и угловые перемещения и т.д. В реальных условиях на объект управления оказывают влияние внешние воздействия, которые называются возмущающими z(t). Эти воздействия вызывают изменение внутреннего состояния объекта и как следствие - рабочих параметров, позволяющих осуществлять контроль. В связи с этим, для выполнения рабочих функций по заданным алгоритмам, необходимо на объект управления организовать подачу управляющих воздействий U(t) (рисунок 3.2.1).
Рисунок 3.2.1 - Объект управления
Заданный алгоритм обычно предусматривает поддержание рабочего параметра постоянным во времени или же изменение во времени по известному или неизвестному закону. Задача управления, по существу, заключается в формировании такого закона изменения управляющего воздействия, при котором обеспечивается заданный алгоритм при наличии возмущающих воздействий. Для решения этой задачи используются три фундаментальных принципа управления: разомкнутое управление, управление по возмущению (принцип компенсации) и замкнутое управление (принцип обратной связи или управление по отклонению). Структурные схемы принципов управления объектами представлены на рисунке 3.2.
а) б)
в)
УУ - управляющее устройство; ОУ - объект управления; И - измеритель возмущения; К - корректирующее устройство;
Рисунок 3.2.2 - Основные принципы управления
При разомкнутом принципе (рисунок 3.2.2а) управляющее устройство вырабатывает сигнал управления U, который поступает на исполнительные элементы объекта управления. На вход управляющего устройства подается сигнал X , представляющий собой задание. Задание задается человеком или специальным задающим устройством. Данный принцип отличается простотой технической реализации, но оказывается малоэффективным при недостаточной информации о характере возмущении. Для того чтобы учесть характер возмущений в процессе управления объектом применяют управление по возмущению (рисунок 3.2.2б). В котором управляющее устройство вырабатывает сигнал управления U в соответствии с заданным Х. Одновременно производится измерение возмущений, действующих на объект, и производится коррекция сигнала управления U’. Полученный в результате коррекции сигнал управления U поступает на объект управления. Данный принцип является более эффективным по сравнению с разомкнутым управлением, при условии, что имеется техническая возможность измерения возмущающих воздействий. Указанное условие ограничивает применение данного принципа. Принцип замкнутого управления (рисунок 3.2.2в) позволяет решить задачу управления при любом характере действующих возмущений. В этом случае сигнал задания поступает на один из входов элемента сравнения, на другой вход которого по цепи обратной связи подается измеренное с помощью датчиков фактическое значение рабочего параметра объекта управления. На выходе элемента сравнения получаем сигнал (ошибку, отклонение), который является разностью между заданным и фактическим значениями параметров, т.е. = Х-Y. Управляющее устройство в зависимости от величины и знака ошибки вырабатывает сигнал управления. Таким образом, принцип замкнутого управления учитывает не только задание, но и фактическое состояние объекта и действующих возмущений. Поэтому данный принцип является наиболее универсальным и позволяет успешно решать задачи управления, несмотря на неопределенность объекта управления и характера возмущений. Класс автоматических систем, построенных на основе принципа замкнутого управления, получил название систем автоматического регулирования. В курсовом проекте необходимо спроектировать электронный блок, который работает в температурном диапазоне от -600С до +20°С, регулируемой величиной является скорость вращения шагового двигателя ДШ-0,04, параметры которого приведены в таблице 3.1. Таблица 3.1 Основные технические характеристики двигателя
Тип двигателя UНОМ В МП Нм NНОМ об/мин МНОМ Нм IНОМ, А КПД, % ДШ-0,04 27 29,4 1050 4 1.2 50
Так как студенты не в состоянии произвести расчеты по шагам и фазам, с учебной целью принимать, что шаговый двигатель эквивалентен двигателю постоянного тока, причем скорость вращения определять по числу шагов за один оборот. С учетом того, что управление двигателем осуществляется в импульсном режиме, функциональная схема будет иметь вид[2]:
Рисунок 3.2.3 - Функциональная схема астатической системы регулирования температуры
Система действует следующим образом: при подаче сигнала на вход от задатчика начинает вращаться вал двигателя Д1, перемещая движок реостата R. В связи с этим возрастает ток двигателя Д2, вращение вала последнего через компрессор увеличивает подачу топлива в объект (печь). По мере нарастания сигнала Хос рассогласование уменьшается до нуля, вал двигателя Д1 останавливается, а двигатель Д2 продолжает действовать, поддерживая Хвых на уровне, установленном задатчиком. Импульсное управление двигателем позволяет осуществить свойство полупроводниковых транзисторов и тиристоров работать в ключевом режиме со временем перехода из закрытого состояния в открытое и обратно за микросекунды. Наибольшее распространение получили схемы якорного управления двигателем, когда на якорную обмотку двигателя независимого возбуждения периодически подается постоянное напряжение. При этом за время включенного состояния от источника к двигателю происходит передача энергии, одна часть которой передается через вал двигателя к нагрузке, а другая накапливается в виде электромагнитной энергии. За счет последней двигатель продолжает развивать вращающий момент в отключенном состоянии. Применяется 2 способа управления двигателем: - симметричный способ управления двигателем; - несимметричный способ управления двигателем.
Т-образная схема управления двигателем представлена на рисунке 3.2.4.
Рисунок 3.2.4 - Т-образная схема управления двигателем
П-образная схема управления двигателем представлена на рисунке 3.2.5.
Рисунок 3.2.5 - П-образная схема управления двигателем
Достоинством симметричного метода управления двигателем является ее несложность, а недостатки следующие: - когда вращения нет, то по цепи якоря двигателя протекает переменный ток, из-за чего возможна вибрация вращающейся части двигателя под действием переменного тока – дрожание, (военные считают это достоинством симметричного способа управления, так как при дрожании размягчается смазка, уменьшается нечувствительность); - одновременно коммутируются все четыре ключа, отсюда вытекает, что это ведет к высоким потерям на ключах в импульсе. Достоинством схемы несимметричного управления является то, что ток протекает через один ключ (в 2 раза меньше потери как в статике, так и в динамике). Т-схема лучше чем П, но ей необходимы комплементарные пары, а также транзисторы VT1, VT3 и диоды VD1, VD3 должны выдерживать двойное напряжение в сравнении с П-схемой. В данном курсовом проекте задана П-образная схема и интегральный закон управления выходным каскадом, выберем несимметричный способ управления двигателем. Данная схема подключена непосредственно к предмощному каскаду, так как для открывания мощных транзисторов необходим большой ток. Предмощный каскад подключается к оптопаре. Это необходимо для того, чтобы токи высоких частот большой силы не создали помех для работы высокочувствительного формирователя ШИМ. Гальваническая развязка на оптопарах способствует более безопасной работе схемы. Т.к. выходное напряжение с измерительного моста задатчика имеет величину нескольких мВт, то необходим усилитель этого выходного сигнала. После усилителя сигнал поступает на схему ШИМ. Устройство питается от источников напряжения стабилизированных и не стабилизированных.
