А. Выбор и расчет средств реализации дискретного управленияДу

Рассмотрим задачу выбора и расчета средств сопряжения сигнала дискретного управления на типовом примере включения и выключения какого либо клапана с элек- тромагнитным приводом (рис. 2.52). Следует отметить, что приводимые в примерах рас- четов исходные данные и результаты являются типовыми, и для получения конкретных результатов, следует пользоваться параметрами, приводимыми в технической документа- ции наиспользуемые компоненты.

DD1

D RG ^Q

0 ₀

+ Uвя

R1

R3

X1 _X2

+ Uн

^{1 1} Uсд

2

2

DA1

Цепь Конт.

Конт.

Цепь

VD1

3 ₃

4 ₄

^{5 5} Вкл0

О/К 1

О/Э 2

1. О/К

2. О/Э

U_к

_Uб VТ1

^{R н} KL1

6 ₆

^{7 7} R2

C

OE

Рис. 2.52

VD2

R4

Регистр DD1 доступен для записи для вычислительного ядра и, если в его 6-ой бит записать нуль, сработает светодиод оптопары DA1. Оптопара здесь применена, чтобы со- гласовать сигнал вычислительного ядра с линией связи с объектом управления и гальва- нически развязать вычислительное ядро и объект по питанию. Это защитит вычислитель- ное ядро от проникновения помех по цепям питания и управления, сигналы передаются от светодиода к фототранзистору, но не наоборот. Обратите внимание, что мы зажигаем све- тодиод нулем, а не единицей, таккак нагрузочная способность ТТЛ и n-МОП схем выше в нуле. Регистр DD1 должен быть согласован по нагрузочной способности с входным током оптопары. Номинальный ток зажигания светодиода составляет около 10 мА и типовой ре- гистр способенв нуле принять такой ток, но выдатьего вединицене сможет.

Если возникает настоятельная необходимость включать элемент объекта единицей, на месте DD1 следует применять k-МОПкомпонент, либоквыходу бита DD1 подключить инвертор.

Балластный резистор R1 определяет ток через светодиод I_СД. Сумма напряжения нуля (U₀=0,6…0,8 И), падения напряжения на светодиоде (U_СД≈1,6 В) и падения напряже- ния на резисторе R1 (I_СД*R1) должна равняться напряжению питания вычислительного ядра U_ВЯ. Отсюда значениерезистораR1 равно:

_{R1 }U_ВЯ U_СД U_{0 .}

^IСД

Фототранзистор оптопары подключен к разъему Х1, от которого начинается линия связи. Цепи коллектора и эмиттера оптопары названы О/К (открытый коллектор) и О/Э (открытый эмиттер). Фототранзистор гальванически несвязан с вычислительным ядром и питается напряжением U_н (напряжением нагрузки), которое формируется на объекте управления вне вычислительного ядра.

Здесь применена оптопара с выводом от базы фототранзистора (рис. 2.13, в), в ко- торой есть возможность ограничения его темнового тока для более надежного закрытия ключевого транзистора при выключенном светодиоде. Значение резистора R2 выбирается из рекомендаций по применению конкретной используемой оптопары. Его типовое значе- ние составляет 50 кОм.

Линия связи здесь сформирована как витая пара. Это сейчас наиболее распростра- ненный, дешевый и надежный вариант ее исполнения. Внешние электромагнитные поля наводят в витках линии связи встречно направленные ЭДС индукции, что минимизирует действие помехна сигналв линии. Витая пара и не излучает электромагнитных помехпри передаче сигнала, точнее, минимизирует их, так как в противоположных направлениях те- чет равный ток. Магнитные поля прямого и встречного тока уничтожают друг друга. Та- кие линии связи называют симметричными, старайтесь использоватьих, дажепроигрывая в числе и длине проводов. При скручивании добиваются приблизительно двух витков на сантиметр линии связи.

Здесь сигнал передается током, что вполне естественно, так как в качестве ключа использован биполярный транзистор. Но, даже если используется ключ на полевом тран- зисторе, формируйте управляющий потенциал на его затворе токовым сигналом, как это было показано на рис. 2.10. Там следует оптопару также разместить вблизи вычислитель- ного ядра и соединить ее эмиттер и коллектор с ключом симметричной витой парой.

Ток включения в линии связи следует выбирать в пределах 10…20 мА. Это разум- ный компромисс между энергетическими потерями, возбуждаемыми сигналом помехами и надежностью передачи сигнала, так какс увеличением тока уменьшаетсяотносительное влияние помех на величину сигнала. Для ключей на биполярных транзисторах Дарлинг- тона, очень распространенных для коммутации электрических токов в 2..3А при напряже- нии до 60В базового тока в 20 мА бывает достаточно для надежного включения и обеспе- чения режима насыщения.

Резистор R3 ограничивает базовый ток транзистора VT1 и задает максимальный ток в линии связи I_ЛС. Сумма падений напряжения на его базе U_Б, на открытом фототранзи- сторе U_ФТ и на резисторе R3 (I_ЛС*R2) должно быть равно напряжению питания нагрузки U_H. Отсюда выбирается значение резистора R3:

_{R3 }U _H U_ФТ U _{Б .}

^IЛС

Максимальный ток в линии связи (ток включения) снизу ограничен помехозащищенно- стью линии (10 мА) и возможностью открытия ключевого транзистора (20 мА для бипо- лярных транзисторов Дарлингтона). Более 20 мА токи обычно не используют и просто до- бавляют дополнительные усилительные элементы к ключевому транзистору. С целью унификации обычно задают единый ток I_ЛС для всех ключевых элементов в 20 мА. Это стандарт«дефакто», такого тока вполне достаточно длявключения оригинальных ключей собственных разработок, широкой гаммы покупных ключей в интегральном исполнении, твердотельных реле и других ключевых элементов широкого применения.

Резистор R4 обеспечивает закрытие ключевого транзистора при отсутствие сигнала на линии. Даже если светодиод не горит, через фототранзистор протекает темновой ток I_T, который может составлять для некоторых типов оптопар до миллиампера. Резистор R4 отводитэтот ток и не дает ему течь через базовый переход ключевого транзистора. Значе- ние этого резистора должно быть настолько мало, чтобы при протекании максимального темнового тока падение напряжение на нем не превышало половины вольта и настолько велико, чтобы не отводить более 2мА (10% тока линии связи) при открытом ключевом транзисторе. Обычно его для биполярных дарлингтоновских транзисторов принимают около 200 Ом. Особое внимание при выборе резистора R4 следует уделять при использо- вании более дешевых оптопар без компенсации темнового тока.

Диоды VD1 и VD2 шунтируют ЭДС самоиндукции при включении и выключении нагрузки. Мы уже рассматривали ранее их назначение. По параметрам они должны вы- держивать номинальный ток нагрузки и иметь хороший запас по обратному напряжению. Обратное напряжение в 300…400В – типовое значение большинства диодов широкого применения. Их и следует использовать в ключах.

Одной из задач при проектировании линий дискретного управления является обес- печение требуемого начального состояния объекта при включении. Дело в том, что ин- формация, которая может оказаться в регистрах связи с объектом, подчас бывает не опре- делена. Из-за этого на объекте могут «самопроизвольно» включиться некоторые элемен- ты, если не принять специальных мер.

Часто на платах связи с объектом предусмотрены средства программной активиза- ции регистров. После подачи питания и автоматического сброса или содержимое этих ре- гистров аппаратно обнуляется или, наоборот, в них записываются единицы, или регистры переводятся в высокоимпедансноесостояние. В последнем случае перед активизацией ли- нийразрешения выдачи ОЕследует записатьв регистры допустимое начальное состояние элементов объекта. В случае, если выводы регистров после включения будут активны и информация в них определена, нужно проектировать линии связи так, чтобы по каждой линии после включения устанавливалось допустимое начальное состояние управляемого элемента. Этого можно добиться, при необходимости инвертируя сигналы.

В портах микроконтроллера семейства MCS-51, который описан в третьей главе, после включения питания и автоматического сброса бывает установлены сигналы высоко- го уровня. Это удобно, поскольку все элементы объекта при использовании линий по рис.

2.52 будут выключены.

Грамотно проектируя средства сопряжения и линии связи с объектом можно обес- печить повышенную надежность его функционирования в случае «зависания» микрокон- троллера. Чтобы не потерять управление и сохранить состояние объекта на момент обна- ружения и устранения последствий программных сбоев, линии связи делают триггерного типа. Например, управляют ответственным приводом не по одной линии, включая его ак- тивным уровнем и выключая пассивным, а по двум. По одной линии передают импульс- ный сигнал «включить», а по другой «выключить». На рис. 2.53 приведен пример такого

сопряжения. Трехфазный при- вод М1 включается управ- ляющим импульсом (током в

M1on

OS1

M1off

K1 K2

K1.1

K2.1 K2.2 K2.3 K2.4

OS2

M1

20 мА) по линии М1on и вы- ключается импульсом по ли- нииM1off.

Каждая линия связи по- строена как и на рис. 2.51. Ре- гистр связи зажигает светоди- од транзисторной оптопары (на рис. 2.53 не показана), фо- тотранзистор которой, откры-

Рис. 2.53

ваясь, формирует ток через

светодиод оптосемисторов OS1 и OS2. Необходимо предусмотреть питание линий и бал- ластные резисторы светодиодов, ограничивающие ток через них. Запитать линии лучше постоянным напряжением 12 или 24В, гальванически не связанным с вычислительным ядром. Тогда получим надежную двойную гальваническую развязку от привода. Само- стоятельно прорисуйте и рассчитайте эту часть схемы.

При подаче сигнала на линию М1on включается оптосемистор OS2 и катушка си- лового контактора К2. Он своим контактом К2.1 шунтирует оптосемистор и остается включенным через нормально замкнутый контакт К1.1 вспомогательного реле К1 даже

100

когда управляющий импульс на M1on пропадает. Контакты К2.2, К2.3 и К2.4 подключают трехфазный двигатель М1.

Для выключения привода следует подать активный уровень на линию M1off. При этом включается катушка К1 вспомогательного реле, контакт К1.1 размыкается, катушка силового контактора К2 обесточивается и двигатель отключается.

При зависании контроллера вероятность получить импульсные сигналы по линиям M1on и M1off, способные изменить состояние привода мала. Так что, на время переза- грузки и восстановления состояния микроконтроллера привод останется в прежнем со- стоянии. Для типовых микроконтроллеров это гораздо менее 1..2 секунд.

Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»

МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru