Разработка многоканального высоконадежного драйвера шаговых двигателей

при довольно широком диапазоне входных напряжений, а так же, при динамически изменяющихся нагрузках, оптимальным является использование обратноходовой топологии преобразователя. В качестве задающего генератора была выбрана микросхема MAX608 производства Maxim Integrated. Данный генератор был выбран по ряду причин: малые габаритные размеры корпуса; высокий КПД в широком диапазоне входных напряжений и выходных мощностей;

наличие защит от низкого отпирающего напряжения и превышения тока силового ключа;

возможность построения преобразователей, работающих от низких напряжений, вплоть до 1.8 вольта.

Для обеспечения гальванической развязки выходных цепей от входных, индуктивность преобразователя была изготовлена трехобмоточной [3] . Конструктивно индуктивность выполнена на броневом Ш-образном сердечнике из феррита марки n87, производства Epcos. Для предотвращения насыщения, центральный керн сердечника выполнен с зазором в 0.2 мм. Одна вторичная обмотка используется для питания самого преобразователя и обратной связи по напряжению, вторая - для формирования стабилизированного выходного напряжения 5 вольт. Упрощенная схема разработанного преобразователя представлена на рисунке 1. Для обеспечения запуска преобразователя при подаче питания в схему введен резистор R1. Резистор R2 формирует сигнал обратной связи по превышению тока транзистора, или выходной мощности [4].

Рисунок 1 - схема электрическая принципиальная

Для защиты от превышения входного напряжения, в схему может быть введен диод-супрессор, с номинальным напряжением открытия в 36 вольт.

В результате проведенной работы была предложена реализация импульсного преобразователя напряжения, способного работать в диапазоне входных напряжений 4-30 вольт, обеспечивая при

этом стабильность выходного напряжения [5]. Среди преимуществ предложенного решения можно отметить: широкий диапазон входных напряжений, высокий КПД, наличие защит от превышения мощности, тока ключевого транзистора и перенапряжения на входе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доросинский, А. Ю. Исследование погрешности селектора октантов, входящего в состав АЦП сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Измерительная техника.

- 2011. - № 2. - С. 29-32.

2. Доросинский, А. Ю. Анализ функционирования АЦП сигналов вращающегося трансформатора с помощью имитационной модели / А.Ю. Доросинский, В.Г. Недорезов // Сб. статей междунар. конф.:Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажёров. - Пенза, Изд-во Пенз. гос. технолог, ун-та, 2015. - Вып. 2. - С. 56-60.

3. Basic Concepts of Linear Regulator and SwitchingMode Power Supplies. Режим доступа: http://cds.linear.com/docs/en/application-note/AN140fa.pdf, свободный (дата обращения 28.03.2016).

- Заголовок с экрана.

4. Switched Mode Power Supplies. Режим доступа: http://www.nxp.com/documents/applica-tion note/APPCHP2.pdf, свободный (дата обращения 28.03.2016). - Заголовок с экрана.

5. Доросинский, А. Ю. Системы контроля параметров прецизионных резисторов / А. Ю. Доросинский, В.И. Андреев, Ю.В. Варламов // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 2. - С. 71-75.

УДК 004.942

Баранова. И.А., Иванкова М.В. , Куличенко И.В,

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНОГО ВЫСОКОНАДЕЖНОГО ДРАЙВЕРА ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Представлена структурная схема многоканального высоконадежного драйвера шаговых двигателей, подключаемого к управляющему устройству посредством параллельного порта LPT. Особенностью устройства является применение оптопар, для осуществления гальванической развязки между многоканальным драйвером и LPT портом компьютера. Представлена структурная схема устройства, дано описание принципа работы, приведен общий вид многоканального драйвера. Ключевые слова:

драйвер, шаговый двигатель, надежность, оптическая развязка, многоканальность.

Введение

В последние десятилетия широкое распространение получили шаговые двигатели, которые преимущественно используются для систем, в которых важна не только автоматизация, но и точность позиционирования [1, 2]. Так же от коллекторных двигателей их отличает возможность фиксирования ротора в определённом положении, что позволяет использовать их в старт-стопном режиме в механизмах, где на роторе имеется внешняя нагрузка, не связанная с нагрузкой, появляющейся непосред-

ственно при вращении вала [3-5]. Например, открытие вертикальных ставней, в отличие от открытия горизонтальных ворот, для коллекторных электродвигателей невозможно без специальных блокирующих устройств.

Простота управления заключается не только в отсутствии обратной связи. Чтобы управлять валом, достаточно подавать напряжение в обмотки шагового двигателя. Главное делать это в строгой последовательности и по определенным правилам, а так же в определённом диапазоне частот.

Непосредственное управление вращением ротора шаговых двигателей осуществляется специальными драйверами или иной силовой частью, реализованной на транзисторах, специальных микросхемах (ULN200x). Однако управление силовой частью происходит при помощи ЭВМ, специального пульта ДУ, сигналов, подаваемых от отдельного или встроенного микроконтроллера [6-8].

Основная часть

Разрабатываемый многоканальный драйвер (рис. 1) подключается к компьютеру или иному цифровому устройству посредством параллельного порта LPT,

где каждая линия разъема DB-25 представляет собой отдельный управляющий сигнал (кроме линий с 18 по 25).

Сигнал ENABLE - общий для всех драйверов, он позволяет работу устройства, роторы двигателей при этом фиксируются. Сброс этого сигнала в логический 0 равноценен выключению устройства.

Сигнал DIR задает направление вращения ротора электродвигателя, при этом не подразумевается, что если он равен единице, то ротор вращается по или против часовой стрелки. Это зависит не только от настроек управляющей программы, но и от того, как подключены обмотки шаговых двигателей к драйверу ШД.

Рисунок 1 - Структурная схема многоканального драйвера

После получения сигнала STEP, драйвер проворачивают ротор на один шаг в сторону, соответствующую сигналу DIR. Величина этого шага зависит от типа шагового электродвигателя и от настроек дробления шага. При этом сигнал DIR должен прийти на логический вход раньше сигнала STEP.

Частота сигнала STEP определяет скорость вращения ротора ШД. Ее можно разделить на четыре диапазона:

1) Диапазон низких частот. Ему характерны невысокие скорости вращения ротора шагового двигателя, но высокие моменты вращения на валу.

2) Диапазон резонансной частоты. При входе шагового двигателя в резонанс, происходит падение нагрузочного момента до нуля, может произойти срыв.

3) Диапазон рабочих частот. Ему характерны высокие скорости вращения ротора шагового двигателя, но средние моменты вращения на валу.

4) Диапазон высоких частот. Частота может ограничиваться возможностями драйвера ШД, при превышении максимально возможной частоты импульсов сигнала происходят пропуски тактов. Однако если драйвер имеет высокочастотный внутренний тактовый генератор, это все равно не гарантирует работу шагового двигателя на высоких оборотах. При достижении некоторой частоты вращения, происходит срыв ротора, это может быть связанно как с неправильно подобранной величиной ускорения на ранней стадии разгона электродвигателя, так и с падением момента вращения до 0 на крайней стадии разгона электродвигателя.

Гальваническая развязка концевых датчиков не требует таких высоких скоростей передачи сигнала как драйвера ШД, потому используются более дешевые оптроны. Так же, оптопары, используемые для концевых датчиков, выполняют функцию согласования уровней напряжения.

Далее, драйвер, получив на логические входы управляющие сигналы, посредством ШИМ регулирует ток в обмотках ШД, фиксируя ротор в новом положении. Если произошло короткое замыкание или перегрев устройства, драйвер аварийно останавливает работу электродвигателя и сигнализирует о

неисправности, зажигая соответствующий световой индикатор.

Для подключения обмоток шаговых двигателей предусмотрены удобные, двухэтажные, разъемные клеммники, позволяющие быстро подключать/отключать разъемы обмоток электродвигателей, но предотвращающие обрыв цепи от самопроизвольного отсоединения разъема при вибрации или под действием иных слабых внешних сил.

Управление выходным током осуществляется под-строечным резистором и задается для каждого электродвигателя отдельно.

Через разъемные клеммы, аналогичные тем, что используются для подключения обмоток ШД, осуществляется питание и съем данных с концевых датчиков индуктивного типа, расположенных на каждой из трех осей фрезерного станка.

В заднюю стенку корпуса (рис. 2) будет вмонтирован разъем DB-25M, необходимый для коммутации драйвера с управляющим устройством. От разъема протянется шлейф к участку платы, с расположенными на ней оптопарами. Оптопары осуществляют гальваническую развязку между устройствами, передающими между собой сигналы, но имеющие различные источниками питания, например: между многоканальным драйвером и LPT портом компьютера.

Рисунок 2 - Общий вид многоканального драйвера ШД

На передней панели будет доступ только к расположенным на плате светодиодам, сигнализирующим о сбое работы какого-либо шагового электродвигателя. Последнее может случиться случае короткого замыкания обмоток ШД, перегрева драйверов

или при превышении уровня

шаговых двигателей напряжения. Заключение

Заметный вклад в скорость распространения сигнала вносит оптоизоляция устройства. Потому

оптроны подбираются с достаточной частотой переключения, тем самым уменьшая свой замедляющий вклад, в скорость работы многоканального драйвера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Структурное обнаружение и различение вырывов проводящего рисунка печатных плат / Григорьев А.В., Юрков Н.К., Затылкин А.В., Данилова Е.А., Држевецкий А.Л. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 4 (28). С. 97-108.

2. Затылкин, А.В. Алгоритм и программа расчета статически неопределимых систем амортизации бортовых РЭС с кинематическим возбуждением / Затылкин А.В., Лысенко А.В., Таньков Г.В. // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 223-225.

3. Затылкин, А.В. Модели и методики управления интеллектуальными компьютерными обучающими системами / Затылкин А.В. // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Пензенский государственный университет. Пенза, 2009.

4. Володин, П.Н. Установка для экспонирования фоторезиста на печатных платах в условиях учебной лаборатории / Володин П.Н., Затылкин А.В. // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 34-35.

5. Затылкин, А.В. Инновации в образовательных учреждениях и интерактивные программы обучения / Затылкин А.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 155-158.

6. Голушко, Д.А. Методика прогнозирования ресурса электрорадиоэлементов печатного узла в условиях внешних вибрационных воздействий / Голушко Д.А., Затылкин А.В., Калашников В.С. // Вопросы радиоэлектроники. 2015. № 6 (6). С. 105-112.

7. Таньков, Г.В. Исследование моделей стержневых конструкций радиоэлектронных средств / Таньков Г.В., Трусов В.А., Затылкин А.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2005. Т. 1. С. 156-158.

8. Затылкин, А.В. Исследование динамических характеристик стержневых элементов конструкций РЭС волновым методом / Затылкин А.В., Голушко Д.А., Рындин Д.А. // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 129-135.

УДК 621.317:622.276

Краснов А.Н., Коловертнов Г.Ю.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия

АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В СКВАЖИНАХ ПРИ НАЛИЧИИ УТЕЧКИ МЕЖДУ ЖИЛАМИ КАБЕЛЯ

В статье проводится анализ погрешностей измерения давления и температуры в скважинах при наличии утечки между жилами кабеля при измерении давления и температуры в скважине одним тензорезистивным датчиком. Выявлены основные источники погрешностей предложенных способов измерений. Ключевые слова:

погрешности измерения, каротажный кабель, тензомост, информационно-измерительная система

В последнее время становится доступными (в том числе и по цене) трехжильные (не считая брони) высокотемпературные каротажные кабели. Естественно, появилась необходимость разработки информационно-измерительной системы (ИИС), использующих эти кабели в качестве ЛС. Изображенная на рис.1 схема поясняет способ измерения давления и температуры одним мостовым тензоре-зистивным датчиком давления с использованием такого кабеля [1, 2, 3].

Способ измерения давления и температуры одним датчиком включает подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерения напряжений, по которым определяют значение измеряемых параметров. При этом, согласно изобретению, измеряют напряжения на выводах источника тока V , между одним питающим тензомост проводом и потенциальным и2 и между другим питающим тензомост проводом и потенциальным V3 , а значение давления и температуры определяют из соотношений:

Р = Кр- АКр = -

Т = К-АД = -

на тензомосте;

; Д

номинальное сопротивление

тензомоста (при отсутствии давления и номинальной температуре).

ИИС для одновременного измерения давления и температуры одним датчиком содержит (рис. 2) тензомост, трехпроводную линию связи, значение сопротивления каждого провода которой равно Д

однополярный источник тока ИТ и измерительно-вычислительное устройство ИВУ.

При протекании тока I от источника ИТ по жилам а и с линии связи на ее зажимах действуют напряжения:

и- = I  (КрН + АД + 2Дл) ; I

3)

и2 =1

I

из = - (Дрн-АКр + Щ + Дл) •

Рисунок 1 - Структурная схема, поясняющая способ измерения P и T с помощью одного тензомостового датчика давления

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства для измерения P и T одним тензомостовым датчиком давления

где ио =I Крн - номинальное падение напряжения