Глава 2. Разработка модуля шим.

2.1 Техническое задание на разработку.

2.1.1Требования к управляющим сигналам исполнительного механизма ИМ-21АФ.

Управляющие сигналы представляют собой два ШИМ-сигнала (прямой и инверсный) с амплитудой тока не более 500 мА.

Скважность формируемого ШИМ-сигнала должна изменяться в пределах 0-100%.

Скважность выражается формулой

,

где S– скважность,N– байт управления с вычислителя,

2.1.4. Код частоты ШИМ-сигнала задается центральным вычислителем.

2.1.5. Время переходного процесса перехода из «0» в «1» не более 2 мс; из «1» в «0» не более 0,2 мс.

2.1.6. Период обновления информации от вычислителя – 20 мс.

Ограничения по коду:

• байт управления Nдолжен обеспечивать скважностьS= 10…90% (для обеспечения требований п. 2.5),

• байт, задающий код частоты, должен обеспечивать частоту ШИМ-сигнала, не превышающую 50 Гц.

2.1.2Требования к подсистеме информационного обмена.

Выдача кода управления осуществляется вычислителем по одному из двух каналов: последовательному (RS232) или параллельному (LPT-порт). Устройство управления ШИМ21 должно обеспечивать оба подключения.

Протоколы обмена информацией между устройством управления ШИМ21 и регулятором согласовываются дополнительно.

2.1.3Требования к функциям контроля

Устройство управления ШИМ21 должно обнаруживать обрывы и короткие замыкания цепей управления исполнительного механизма.

Контроль канала обмена.

Отказы ШИМ21 не должны приводить к потере работоспособности центрального вычислителя.

2.1.4Требования к электропитанию

Питание устройства управления должно осуществляться от первичного источника питания напряжением +27±10%.

Для питания своих внутренних схем устройство управления ШИМ21 должно иметь вторичные источники питания с гальванической развязкой от первичного.

Максимальная мощность потребления – не более 15 Вт (с учетом потребления ИМ‑21АФ).

2.1.5Требования к схеме внешних подключений

Длина линии связи не более 30 м.

Подключение линий связи к ШИМ21 должно осуществляться с помощью клеммных колодок (сечение провода определяется током управления).

Требования к элементной базе.

Устройство управления ШИМ21 должно быть выполнено на современной элементной базе, удовлетворяющей условиям эксплуатации.

Требования к конструкции.

8.1. Конструктивно устройство вывода ШИМ21 должно быть выполнено в виде отдельного модуля, устанавливаемого в агрегаты БУД-98, БУД-96.

8.2. Конструктивное исполнение определяется по результатам макетирования.

Условия эксплуатации.

9.1. ШИМ21 должен удовлетворять требованиям в процессе и после воздействия температуры и влажности группы В3 ГОСТ 12997-84 для температур окружающего воздуха –30…+80°С.

По устойчивости к воздействию атмосферного давления исполнение ШИМ21 должно соответствовать группе Р1 ГОСТ 12997-84.

9.2. По устойчивости к механическим воздействиям исполнение ШИМ21 должно быть виброустойчивым, соответствующим группе N3 по ГОСТ 12997-84.

9.3. Сейсмостойкость – не менее 7 баллов по шкале MSK-64.

9.4. ШИМ21 должно сохранять работоспособность при воздействии постоянных и переменных электромагнитных полей частотой 50±1 Гц, напряженностью до 400 А/м.

9.5. Напряжение радиопомех и напряженность поля радиопомех, создаваемых устройством вывода ШИМ21, не должны превышать значений, указанных в «Общесоюзных нормах допускаемых индустриальных радиопомех» (Нормы 8-72).

Требования по надежности

10.1. Срок службы ШИМ21 должен быть не менее 12 лет.

10.2. Наработка на отказ устройства управления ШИМ21 – не менее 100000 часов. ШИМ21 должен быть рассчитан для работы в непрерывном режиме.

10.3. Гарантийный срок эксплуатации должен быть не менее 18 месяцев с момента ввода в эксплуатацию, но не более 24 месяцев с момента изготовления.

2.2 Разработка структурной схемы.

2.2.1 Выбор и анализ базиса исполнения модуля.

В качестве центрального вычислителя блока выбран модуль центрального процессора 5066 фирмы OCTAGON SYSTEMS. Для реализации функции ввода-вывода дискретных, частотных сигналов и сигналов термопар выбран программируемый модуль ввода/вывода UNIO96-5.

Краткая характеристика используемых модулей.

Модуль центрального процессора 5066.

процессор 5х86/133 Мгц

операционная система – DOS 6.22 в ПЗУ

флэш-диск со встроенным программатором

файловая система флэш-памяти

до 32,5 Мбайт оперативной памяти

два последовательных порта

многофункциональный параллельный порт

сторожевой таймер

встроенное программное обеспечение самодиагностики

оптоизолированные входы запроса прерывания

питание напряжением 5В

среднее время безотказной работы 13,6 лет.

Модуль сохраняет работоспособность в диапазоне температур от -40 до +70⁰С. Допустимый диапазон значений относительной влажности воздуха от 5 до 95% при 25⁰С без конденсации влаги.

Программируемый модуль дискретного ввода-вывода UNIO 96-5.Предназначен для ввода-вывода 96 сигналов логического уровня (5В, ТТЛ). В молях используются четыре программируемые логические микросхемы (FPGA) и технология In-systemProgrammable(ISP), что позволяет изменять алгоритмы работы модулей непосредственно в системе без выключения питания.

Основные характеристики:

96каналов цифрового/частотного ввода-вывода в произвольной комбинации

обслуживание аналоговых модулей Grayhill серии 73G и 73L без использования ресурсов системы и с возможность формирования прерываний

измерение частоты по любому каналу до 50 МГц

преобразование кодов по любому каналу

напряжение питания 5В

диапазон рабочих температур от -40 до +85⁰С

среднее время наработки на отказ не менее 100 000 часов.

Модуль блока питания 7124.

импульсная защита > 100 В

выходное напряжение 5В, ток 4 А.

напряжение питания от 9 до 36 В

диапазон рабочих температур от -20 до +85⁰С

2.2.2 Структурная схема модуля.

Структурная схема блока приведена на чертеже 8Т1.001.001 Э1. Модули 5066 (А7), UNIO 96-5 (А5,А6) объединены шиной ISA. Ввод частотных сигналов (ШИМ1вна, ШИМ2вна, ШИМ1дижт, ШИМ1дижт) осуществляется с помощью двух плат ШИМ (А1, А3).

Связь между аналоговой частью платы ШИМ осуществляется с помощь микроконтроллера который также установлен на плате.

Микроконтроллер ШИМ получает от вычислителя 8-разрядный цифровой код скважности (SK0…SK7) и преобразует его в широтно-импульсный сигнал управления исполнительным механизмом ИМ21АФ (ШИМ). Частота импульсов ШИМ составляет 50 Гц.

По дополнительному дискретному сигналу FSот вычислителя возможно понижение частоты в 2 раза.

По наличию сигнала WRS от вычислителя осуществляется контроль работы канала связи с платой ШИМ.

По сигналу BLS осуществляется программная блокировка работы платы ШИМ.

От микроконтроллера с платы ШИМ формируется для вычислителя следующие контрольные сообщения:

• WORK -импульсный сигнал - признак работы микроконтроллера ШИМ. Сигнал имеет 3 состояния (табл.1).

• SW -3-хразрядное слово состояния (STATUSWORD) SW0...SW2. В слове кодируются виды отказов, обнаруживаемых микроконтроллером.

Модуль ввода UNIO96-5 служит для ввода в центральный вычислитель системы сигналов ”WORK”, ”STATUSWORD” и вывода сигналов .

Обмен данными между центральным вычислителем и модулем UNIO96-5 осуществляется посредством шины ISA.

Питание плат ШИМ и силовой части исполнительного механизма осуществляется с помощью БП (А2, А4).

2.3 Разработка платы ШИМ.

2.3.1 Требования к плате ШИМ.

2.3.2 Выбор и анализ базиса исполнения платы ШИМ.

При выборе элементной базы предпочтение отдается элементам и устройствам применяемым при производстве других блоков и устройств системы автоматического управления газотурбинной установкой.

Для управления и связи используется микросхема АТ89S8252 (микроконтроллер). АТ89S8252 - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. AT89S8252 имеет производительность около 1MIPS на МГц.

AT89S8252имеет следующие возможности:

• 2кбайт EEPROM;

• 256 RAM

• 32 линии ввода/вывода общего назначения;

• 3 16 битовых таймера/счетчиков;

• внешние и внутренние прерывания;

• программируемый универсальный последовательный порт;

• SPI последовательный порт для загрузки программ;

• Программируемый Watchdog Timer

• напряжение питания 2.7 – 6 В;

2.3.3 Разработка принципиальной схемы платы ШИМ.

Электрическая принципиальная схема приведена на чертеже 8Т5.002.001.

Разъем ХР1 предназначен для связи с универсальным модулем ВВОДА-ВЫВОДА UNIO96-5 и последующей связи с центральным вычислителем системы. На контроллер AT89S8252 (D1) поступают сигналы:

• импульсный сигнал WRS (контакт №12);

• Сигнал программной блокировки BLS(контакт №2);

• Дискретный сигнал понижения частоты в 2 раза FS(контакт №3) .

• сигналы от задающего кварцевого резонатора – контакты №18 XTAL2 и №19XTAL1;

• общий провод - контакт №20 GND;

• питание 5 В – контакт №31 VCC.

Котроллером генерируются сигналы:

• Work(контакт №15);

• 3-хразрядное слово состояния (STATUSWORD) SW0...SW2 (контакты №34,33,32 соответственно).

В качестве задающего резонатора используется кварцевый резонатор РПК01-НС-49U 11059 кГц (BQ1) имеющий высокую стабильность частоты выходного сигнала.

Основные характеристики резонатора:

• точность настройки ±0.003% при +25⁰С;

• температурная стабильность ±0.005% в диапазоне температур от -20⁰С до +70⁰С.

Согласно требованиям электрического подключения микроконтроллера АТ89S8252 необходимо использование двух конденсаторов номиналом 33пФ. Данные конденсаторы должны быть установлены на выходе кварцевого резонатора.

Основные характеристики конденсаторов C1 и С2:

• номинальная емкость – 33 пФ;

• температурный диапазон от -55⁰С до +125⁰С:

• рабочее напряжение 50В.

Описание схемы.

В схему ШИМ21 включен преобразователь напряжения 220АС/48DC вследствие недостаточности напряжения питания 27В для выполнения требований ТТ по времени нарастания тока в катушках ИМ. В результате возросло значение потребляемой мощности устройства до 30 … 35Вт.

Резисторы 1R1 и 1R2 , установленные последовательно с катушками ИМ, ограничивают ток в цепи до 500 мА. Резисторы выбраны марки ПЭВР, что позволяет настраивать ток на линиях различной протяженности. Мощность выбрана в соответствии с расчетом:

P=(Uип-(Iкат*Rкат))* Iкат,

где P - мощность ограничительных резисторов;

Uип – напряжение источника питания катушек ИМ;

Iкат – ток катушек ИМ;

Rкат – активное сопротивление катушки ИМ.

P =(48-(0,5*20))*0,5=19 Вт, наибольшее ближнее значение 25 Вт.

Сопротивление выбрано в соответствии с расчетом:

Во время работы со скважностью импульса тока 90% в длительном режиме резисторы способны нагреваться до температуры 147^оС. Их необходимо устанавливать вне корпуса ШИМ21 на металлический каркас. При нагреве резисторов, их сопротивления увеличиваются на величину не более 10%. Поэтому настройка тока катушек ИМ проводилась сперва на холодных резисторах затем после 10 минут работы на разогретых, сигнал управления при этом имел период 20 мс длительность 1 и 0 была одинакова. Величина сопротивления выбрана в соответствии с расчетом:

R=Uип/Iкат-Rкат,

R=48/0,5-20=61,6 Ом, наибольшее ближнее значение 82 Ом.

Силовые ключи 1VT1, 2VT1 осуществляют коммутацию катушек ИМ, подключая их к общему проводу источника питания поочередно. При отключении катушек, происходит выброс энергии накопленной в индуктивности в виде напряжения, величина которого ограничивается схемой гашения выбросов и суммируясь с напряжением ИП прикладывается к ключу. Требованиям электрических параметров соответствует транзистор марки КТ898А.

Предельные параметры транзистора КТ898А.

Напряжение коллектор – эмиттер, В 400 (требуемое 168В)

Ток коллектор - эмиттер, А 8 (требуемое 0,6А)

Частота переключения не менее, кГц 100 (требуемое 5 кГц)

Конденсаторы 1С1, 1С2, 2С1, 2С2 производят ускорение нарастания тока в катушках ИМ. Влияние значения форсирующей емкости на форму тока в катушках показано на рис.1 и 2 (приложение 1). Емкость конденсаторов определена методом подбора и составила 47 мкФ, марка конденсатора – K50-35 , с напряжением изолятора 100 В. Такое включение привело к росту тока до величины 500 мА за время 1 ... 1,9 мс в зависимости от ширины импульса управления, при этом ток в катушке в течении следующей миллисекунды нарастает до 550 мА, спад до 500 мА в течении 2 ... 3 мс.

Схема гашения выбросов состоит из диодов 1VD3, 2VD3 и стабилитронов 1VD6, 2VD6. Диоды включены встречно напряжению питания и пропускают ток создаваемый катушками ИМ. Стабилитроны обеспечивают крутизну спада тока в катушках ИМ. Длительность импульсов составляет 100 ... 150 мкс. Напряжение стабилизации 1VD6, 2VD6 принято 120 В.

Схема формирования квитанций исправности (далее ОС) собрана на элементах 1VD1, 2VD1, 1VD4, 2VD4, 1VD5, 2VD5, D2. Ее работа основана на регистрации выбросов эдс от катушек ИМ. Последовательно с элементами схемы гашения выбросов включены диоды 1VD4, 2VD4, 1VD5, 2VD5, на которых формируется входное напряжение оптопар 1VD1, 2VD1. Оптопары 1VD1, 2VD1 обеспечивают гальваническую развязку по каналу ОС. На выходе оптопар, при поступлении сигнала, формируются сигналы низкого уровня длительностью не более 100 мкс и поступают на входы триггера D2, на выходе которого формируются квитанции исправности аналоговой части и ИМ. Квитанция представляет собой дискретный сигнал подобный сигналам ШИМ управления.

Оптопары 1VD1, 2VD1 обеспечивают гальваническую развязку по каналу ШИМ управления. Ток на входах оптопар составляет 10 мА.

Стабилизатор напряжения питания оптопар 1VD1, 2VD1 собран на элементах DV1,C6,C7,R2. МикросхемаDV1 стабилизирует напряжение питания 24В, конденсаторыC6,C7 фильтруют напряжения на входе и выходе стабилизатораDV1, резисторR2 рассеивает избыток мощности. Температура стабилизатора в нормальных условиях достигает 47^ОС, температура резисторR2 в нормальных условиях достигает 57^ОС.

Сигналы управления силовыми ключами разнесены во времени на 100 мкс, т.к. при управлении без задержек переходные процессы выключаемой катушки ИМ оказывают сильное влияние на форму тока включаемой катушки (см. рис.3, приложение 1)). Время задержки Тз=100 мкс соответствует полной длительности переходных процессов выключаемой катушки ИМ с линией связи 30 метров.

Питание цифровой схемы ШИМ21 производится от источника +5В вычислителя, аналоговой схемы - +27В внешнее.

В качестве соединителей используются клеммные соединители фирмы WAGO 236-102 и WAGO236-102.

Основные технические данные клеммных соединителей WAGO236-102 иWAGO236-103:

• площадь сечения используемого провода – 2.5 мм²;

• максимально допустимый ток – 3А;

• максимально допустимое напряжение – 500В.

2.3.4 Разработка печатной платы ШИМ. Разработка сборочного чертежа платы ШИМ.

3. Разработка печатной платы АСВК

3.1. Общие требования при разработке ПП

3.1.1. Размещение элементов

В общем виде задача размещения заключается в определении оптимального в смысле некоторого критерия положения элементов и связей между ними в монтажном пространстве типовой конструкции. При этом должны быть удовлетворены заданные конструктивно-технологические ограничения. Задачу условно разбивают на две: размещение конструктивных элементов и трассировка связей между ними.

Исходные данные для задачи размещения: схема электрическая принципиальная, метрические параметры и топологические свойства монтажного пространства.

Главная цель размещения - создание наилучших условий для трассировки. Из-за условности разделения задач размещения и трассировки трудно установить для задачи размещения такой критерий оптимизации, который в достаточной мере удовлетворял бы требованиям трассировки.

В настоящее время используют следующие критерии: минимум суммарной длины всех соединений или длины самой длинной связи; минимум числа пересечений связей при произвольной их конфигурации; максимум числа цепей с возможно более простой конфигурацией; максимально близкое расположение модулей, имеющих наибольшее количество связей между собой.

Наиболее распространён критерий минимума суммарной длины соединений, так как при его оптимизации косвенно оптимизируется длина связей и число их пересечений, снижаются искажения сигналов. Оптимальность размещения во многом определяет эффективность трассировки.

3.1.2. Трассировка связей

Трассировка заключается в определении конкретной геометрии печатного или проводного монтажа, реализующего соединения между элементами схемы. Исходные данные для трассировки: список цепей, метрические параметры и топологические свойства типовой конструкции и её элементов, результаты решения задачи размещения, по которым находят координаты выводов элементов.

Трассировка печатных соединений предполагает выполнение следующих этапов:

1) определение порядка соединения выводов внутри цепи;

2) распределение соединений по слоям печатной платы;

3) нахождение последовательности проведения соединений в каждом слое;

4) получение конфигурации проводников, то есть синтез их геометрии.

При решении задачи трассировки используют следующие основные критерии:

1) минимум суммарной длины всех проводников;

2) минимум числа их пересечений;

3) минимум изгибов проводников;

4) минимум числа слоёв многослойной печатной платы и переходов из слоя на слой;

5) минимальная длина параллельных участков соседних проводников;

6) равномерное распределение проводников по монтажной области.

Критерий 1 приводит к уменьшению задержки распространения сигналов по линиям связи, критерии 2, 3 и 4 повышают надёжность и технологичность печатной платы, критерии 5 и 6 увеличивают помехоустойчивость конструктивной реализации схемы и вероятность проведения всех трасс.

Размещение элементов разрабатываемого устройства в данном дипломном проекте и трассировка соединений между ними были осуществлены полуавтоматизированным способом с помощью ПЭВМ в среде PCAD. Топология печатной платы представлена на чертеже ПГТУ.000.002 (плата ШИМ).

3.2. Разработка технических требований и рабочей документации на плату АСВК

3.2.1. Технические требования

Плата ШИМ изготавливается комбинированным позитивным методом. Его сущность заключается в получении печатных проводников путем химического травления (т.е. используется фольгированный диэлектрик и избирательно удаляется металлический слой) и металлизации отверстий в основании платы гальванохимическим методом. Причем металлизация отверстий производится до травления меди в пробельных местах.

Материалом для диэлектрического основания является стеклотекстолит СТФ-2-35-1.5 (ТУ16-503.161-83).

На плату наносится координатная сетка с шагом – 1.25 мм.

На плате располагаются следующие группы отверстий:

базовые;

монтажные;

крепежные.

Центры отверстий на ПП располагают в узлах координатной сетки в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Позиционные допуски расположения осей фиксирующих отверстий на ПП под автоматическую установку элементов устанавливают по 4 классу точности ГОСТ 23751-86 независимо от точности ПП.

Взаимное расположение монтажных отверстий под выводы навесных элементов должны соответствовать ОСТ4.010.030-81 и техническим условиям.

Диаметры монтажных и переходных отверстий, как металлизированных, так и неметаллизированных, выбирают с учетом толщины ПП по ГОСТ 2375-86.

Диаметр монтажных отверстий выбирают равным диаметру вывода +(0,10,4 мм).

Параметры токопроводящего рисунка приведены в таблице 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1

Диаметр отв. с металлизацией и с оплавлением (мм)	Размер контактной площадки (мм)	Количество	Примечание
0.8	 1.2 min	21	Переходное
0.9	 1.3 min	128
1.3	 1.8 min	52
1.0	 1.6 min	2
0.9	□1.3 min	128
4.2	 7.5 min	52
	2.5-0.1 x 2.5-0.1	4
	1.6-0.1 x 2.0-0.1	16
	2.0-0.1 x 1.6-0.1	20
	0.8-0.1 x 1.2-0.1	6

Таблица 3.2

Минимальная ширина печатных проводников с покрытием (мм)	Расстояние между элементами проводящего рисунка, не менее (мм)
0.15	0.2
0.4
0.7
1.7

Допускается скругление углов контактных площадок и проводников.

Если предельные отклонения не указаны, то они проставляются по ГОСТ 23751-86, 3 класс точности.

Покрытие проводящего рисунка Олово-Свинец (60 мкм).

Площадь металлизации - 0.61 дм².

Маркировка производится методом травления одновременно с проводниками; шрифт 1-2.5 4-2.5 9-2.5 - ГОСТ Р 50140-92.

После того как плату изготовили и покрыли защитной эмалью “Карапейс”, на ней закрепляют элементы в соответствии с инструкциями и ОСТ4.010.030-81. На нашем предприятии используются инструкции 8Т0.005.004Д, 010Д, 011Д, 012Д.

Эти инструкции распространяются на формовку выводов и установку на печатные платы навесных электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Требования инструкций являются обязательными при конструировании, изготовлении и приемке изделий на печатных платах. Установочные размеры даны для печатных плат с шагом координатной сетки 1.25 мм.

Размеры со знаком “” обеспечиваются инструментом. Запись в технических требованиях чертежа при ссылке на данный документ производить по следующему примеру: «Установку элементов поз. … производить по 8Т0.005.004Д.» Пайка производится припоем ПОС 61 ГОСТ 21931-76.

Основным требованием к размеру печатной платы ШИМ является соответствие габаритных размеров корпуса ??????? с помощью которого плата крепится к DIN-рейке.

Размер платы – 132,5 х 72.0.

Класс точности – 4-ый класс точности.

Материал основания – стеклотекстолит СТФ – 2 – 35 – 1.5 ТУ-16-503.161-83.

Расчет диаметров монтажных отверстий проводится по формуле:

d = d_в+ 0.2 мм

Диаметр переходных отверстий - 0.8 мм

Диаметр монтажных отверстий для соединителей XP1…XP3,XT1,XT2:

Диаметр выводов d_в= 0.7 мм

Диаметр монтажных отверстий d= 0.9 мм

Диаметр монтажных отверстий для резонатора BQ1 и микросхемыDD3:

Диаметр выводов d_в= 1.0 мм

Диаметр монтажных отверстий d= 1.2 мм

Диаметр контактных площадок:

Для отверстий диаметром 0.8 мм диаметр контактной площадки 1.2 мм.

Для отверстий диаметром 0.9 мм диаметр контактной площадки 1.3 мм.

Для отверстий диаметром 1.0 мм диаметр контактной площадки 1.8 мм.

Первый контакт соединителей XP1,XP2,XP3 обозначен контактной площадкой в виде квадрата размер стороны которого 1.3 мм.

Выбор размеров контактных площадок элементов поверхностного монтажа производился в соответствии с инструкцией 8Т0.005.004 ”Установка элементов на печатные платы изделий народного потребления”.

Ширина печатных проводников.

Для сигнальных цепей – 0.15 мм.

Для цепей питания – 0.7 мм.

Минимальный зазор между проводниками – не менее 0.15 мм.

Трассировка печатной платы ИП/АСВК приведена на чертеже 8Т7.103.001.

2.3.5 Разработка программного обеспечения модуля ШИМ.