Маругин А.П. Элементы систем автоматики - файл n1.doc

приобрести
Маругин А.П. Элементы систем автоматики
скачать (2185.7 kb.)
Доступные файлы (12):
n1.doc84kb.04.01.2006 04:54скачать
n2.doc319kb.04.01.2006 15:30скачать
n3.doc65kb.04.01.2006 10:17скачать
n4.doc428kb.04.01.2006 07:23скачать
n5.doc458kb.04.01.2006 05:40скачать
n6.doc406kb.04.01.2006 08:38скачать
n7.docскачать
n8.doc148kb.04.01.2006 10:05скачать
n9.doc339kb.04.01.2006 12:53скачать
n10.docскачать
n11.docскачать
n12.doc468kb.17.01.2006 01:05скачать

n1.doc



Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение


высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

А. П. Маругин




ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ




Конспект лекций




Утверждено Редакционно-издательским советом

Уральского государственного горного университета

в качестве учебного пособия

Екатеринбург – 2006




УДК

М 25

Маругин А. П.

М 25 Элементы систем автоматики: Конспект лекций. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006.

224 с.
Конспект лекций включает разделы: «Управляющие элементы дискретного действия», «Микропроцессорные системы управления», «Структура приводов с микропроцессорными регуляторами», «Технологические датчики», «Тиристорные и транзисторные регуляторы напряжения», «Интерфейс микропроцессорных систем управления».

В работе рассмотрены вопросы теории электромагнитных процессов, конструкции и эксплуатационные характеристики электроприводов, датчиков, а также схемы, принцип действия, интерфейс и программирование микропроцессоров.

Конспект предназначен для студентов специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Рис. 103. Табл. 23. Библ. 16, назв.

Конспект лекций рассмотрен на заседании кафедры ЭГП «___»___________ 2006 г. (протокол № ___) и рекомендован для издания в УГГУ.


Рецензенты - Журавлев В. Ф., канд. техн. наук, доцент кафедры МТ ЭЭФ РГППУ;

Прокофьев Е. В., канд. техн. наук, профессор кафедры АКТ УГГУ

Печатается по решению Редакционно-издательского совета

Уральского государственного горного университета

© Уральский государственный

горный университет, 2006

© Маругин А. П., 2006


ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………………………………………………………...5

  1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ . . . . . 8

  2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………….10

    1. Структура микропроцессорных контроллеров . . . . . . . . . . . . . . ………….. 10

    2. Взаимодействие узлов микропроцессора ... . . . . . . . . . . . . . . . . …………… 13

    3. Микропроцессорный комплект К580 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………… 15

      1. Микросхема КР580ВМ80А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 15

      2. Сопряжение микропроцессора с объектами . . . . . . . . . . . . . . . . … 23

      3. Согласование микропроцессора с ЗУ и УВВ . . . . . . . . . . . . . . . … 25

      4. Микросхема КР580ГФ24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 26

      5. Микросхемы КР580ВК28 и КР580ВК38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 28

      6. Микросхемы КР580ВА86 и КР580ВА87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 29

      7. Микросхемы КР580ИР82 и КР580ИР83 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………… 31

  1. ИНТЕРФЕЙС МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ . . . . …………….. 33

    1. Интерфейс ЗУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… 34

    2. Интерфейс с устройствами ввода – вывода данных . . . . . . . . . . . ………… 36

    3. Интерфейс с реальными портами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… 37

      1. Микросхема КР580ВВ55 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

      2. Последовательный интерфейс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

      3. Микросхема КР580ВВ51 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

      4. Подключение микросхемы КР580ВВ51 к МПС . . . . . . . . . . . . . . . 49

    4. Микросхема КР580ВИ53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……….. 51

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………. 53

  1. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ . . . . . . . . . . . . . …………… 54

    1. Запись программ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. 58

    2. Методы адресации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……….. 59

    3. Состав команд арифметических действий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………... 60

    4. Состав команд логических операций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… 64

    5. Команды перемещения данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. 66

    6. Команды операций перехода и передачи управления . . . . . . . . . . ……….. 67

    7. Команды операций вызова подпрограмм и возврата в основную

программу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 70

    1. Команда загрузки в стек и возврата в основную программу . . . . …………. 71

    2. Команды управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. 72

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………. 74

  1. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ……………………………………………... 76

    1. Полупроводниковые БИС ЗУ……………………………………………….. 79

    2. Оперативные БИС ЗУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……….. 81

    3. Постоянные ЗУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. 85

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………. 88

  1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………... 89

    1. Цифро-аналоговые преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………… 89

    2. Преобразователи аналоговых величин в цифровые . . . . . . . . . …………… 91

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………. 94

  1. МИКРОПРОЦЕЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ……………………………………………………………. 95

    1. Классификация и характеристика……………………… . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    2. Программируемые логические контроллеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

    3. Промышленные компьютеры…………….. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    4. Промышленные контроллеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    5. Однокристальные микроЭВМ………………………………………………… 110

    6. Микроконтроллеры серии PIC16……………………………………………… 111

Вопросы для самопроверки…………………………………………………… 121

  1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………………… 122

    1. Классификация измерительных преобразователей . . . . . . . . . . . …………… 123

      1. Резистивные измерительные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . …. 125

      2. Электромагнитные измерительные преобразователи . . . . . . . . . …. 129

      3. Электростатические измерительные преобразователи . . . . . . 131.

      4. Тепловые измерительные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.

      5. Фотодатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. 136

      6. Магнитные датчики и магнитоэлектроника . . . . . . . . . . . . . . . . . …. 140

      7. Интегральные полупроводниковые датчики . . . . . . . . . . . . . . . .….. 148

Вопросы для самоконтроля………………………………………………….…….. 151

  1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ . . . . . . . ………………. 152

    1. Трехфазные выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… 152

    2. Управляемые выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. 156

    3. Преобразователи частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………….. 164

    4. Системы управления преобразователями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… 167

      1. Типовые структуры перспективных систем управления

приводами переменного тока………………………………………. 169

    1. Общие сведения о преобразователях постоянного напряжения в

переменное . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………… 173

    1. Инверторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………... 173

      1. Инверторы с прямым цифровым управлением . . . . . . . . . . . . . . . . 177

    2. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения . . . . . . ………….. 180

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………………188

  1. ИНТЕРФЕЙС МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ . . . . . . 189

    1. Каналы связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …….. 190

    2. Переносчики информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……… 191

    3. Проводные линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 195.

    4. Принцип организации многоканальной связи . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 198

    5. Высокочастотная связь по линиям электропередач . . . . . . . . . . . …….. 202

    6. Каналы связи по радио . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 204

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………... 207

  1. КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА И ИНДИКАТОРЫ . . . . . . ……………… 208

    1. Переключатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …… 208

    2. Электромагнитные реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 209

    3. Трансформаторы питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …….. 210

    4. Индикаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 212

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………….. 213

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………… 214

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………………………. 215

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………………………... 216


Введение
Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60 % всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.

Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники: было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое - мехатронный модуль движения.

Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:

1. Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в начале следующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10 % от общего числа приводов.

2. Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80 %) нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.

3. Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е. электронно-коммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных безколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.

4. Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов - индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводами постоянного тока.

В последнее время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом. Отличительной особенностью этих решений является предельно высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики (фуззи-логики). Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы, в первую очередь, на транспорт, на использование в кранах, лифтах, робототехнике. Усложнение структур управления приводами потребовало резкого увеличения производительности центрального процессора и перехода к специализированным процессорам с объектно-ориентированной системой команд, адаптированной к решению задач цифрового регулирования в реальном времени. Ряд фирм (Intel, Texas Instruments, Analog Devices и др.) выпустили на рынок новые микроконтроллеры для управления двигателями (из серии Motor Control) на базе процессоров для обработки сигналов DSP-микроконтроллеры. Они не только обеспечивают требуемую производительность центрального процессора (более 20 млн.оп./сек.), но и содержат ряд встроенных периферийных устройств, предназначенных для оптимального сопряжения контроллера с инверторами и датчиками обратных связей. Среди встроенной периферии особое место занимают универсальные генераторы периодических сигналов, обеспечивающие самые современные алгоритмы управления инверторами, в частности, алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции.

Перспективные системы управления электроприводами разрабатываются с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу нескольких приводов в составе промышленной сети. Управление сетью берет на себя промышленный контроллер или управляющая ЭВМ. Наиболее перспективные типы интерфейсов: RS-485 и CAN. CAN-интерфейс постепенно становится стандартом для распределенных систем управления на электрическом транспорте, автомобильной технике и робототехнике.

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Системы автоматического управления (САУ) обеспечивают поддержание на заданном уровне выходных параметров механизмов и технологических установок (числа оборотов приводов, напряжения и частоты генераторов, температуры, давления и т. д.) за счет наличия в цепях обратной связи датчиков, контролирующих параметры, а также усилителей сигнала и регулирующих элементов. Связь между выходным (у) и входным (х) сигналами системы автоматического управления может быть линейной или нелинейной и записывается как:

y = ?(p)x, (1.1)

где ; хо и уо - значения входного и выходного сигналов в установившемся режиме; х и у - их приращения; ?(p) - передаточная функция.

Техническая реализация САУ возможна на различной элементной базе: механической, электромеханической, электрической и электронной. В настоящее время, благодаря выпуску микропроцессорных контроллеров, САУ технологическими процессами n механизмами стала более надежной, более просто перестраиваемой на новый режим работы, более точной и быстродействующей.

Для удаленных объектов с большим числом датчиков появилась возможность выполнять системы с двухпроводным каналом связи.

Учитывая изложенное, рассмотрим структурную схему САУ, выполненную с использованием микропроцессоров, аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), современных цифровых интерфейсов, индикаторов и программного обеспечения.

Обобщенная структурная схема микропроцессорной САУ, приведенной на рис. 1.1, состоит из микропроцессорного контроллера, драйвера, исполнительного устройства объекта управления, датчиков состояния объекта, преобразователя сигналов с выхода датчиков к параметрам входов микроконтроллера, модуля ввода команд и вывода информации о параметрах сигналов на входах и выходах микроконтроллера. Для программирования микроконтроллера используется ПЭВМ и программатор, подключаемый к их последовательным портам.

Программирование позволяет быстро изменять режим работы механизмов или ход технологических процессов без существенного изменения технических параметров оборудования САУ. Такая организация изготовления САУ и управления их работой снижает стоимость, время проектирования и внедрения, увеличивает их надежность, быстродействие и точность регулирования технологических процессов.

В качестве элементной базы для разработки и изготовления микропроцессорных контроллеров САУ используются процессоры фирм Intel, MOTOROLLA, ANALOG DEVICES, MICROCHIP, PHILIPS, SIMENS; датчики состояния объектов фирм ATMEL, ANALOG DEVICES, TEXAS INSTRUMENTS; силовые транзисторы драйверов фирм INTERNATIONAL RECTIFIER, PHILIPS, FUJI; преобразователи сигналов фирм TEXAS INSTRUMENTS, SHARP, SUNLIKE, твердотельные и электромагнитные реле фирм BESTAR, WANJIA, IR, а также стандартная логика, кнопки и клавиатура, индикаторы, источники питания и корпуса.

Изучение дисциплины «Элементы систем автоматизации» целесообразно начать с основных разделов: микропроцессоры и преобразователи.



Государственное образовательное учреждение
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации