جامعة دمشق
كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية
قسم الهندسة الإلكترونية
التحكم بمحرك تيار مستمرDC ( سرعة - اتجاه )
مشروع أعد لنيل شهادة البكالوريوس في الهندسة الإلكترونية
إشراف الدكتور المهندس
عبد الرزاق البدوية
تصميم و إعداد الطلاب
فرج الهوارين شجاع الجندي كمال الشحادة
فراس العلي أيهم دهبر حسين قاسم
1999 - 2000
فكرة عامة عن المشروع
يقوم الحاسب بإخراج بايت تعبر عن السرعة المطلوبة للمحرك ويتم استقبالها بواسطة دارة ومن ثم تطبق على مبدل DAC يقارن خرجه مع دارة مولد سن منشار ثم يتم تحديد خرج المقارن وقلب قطبيته بحيث نحصل على نبضات بقطبيتين مختلفتين لهما نفس العرض والذي يتناسب مع خرج المبدل .
تطبق هذه النبضات على ناخب ويتم انتخاب أحدهما أو الأرضي بواسطة خطوط انتخاب مرسلة من قبل الحاسب وعددها 2bit . خرج الناخب يطبق على دارة قيادة المحرك التي تؤمن تيار عالي للمحرك وكذلك تؤمن قلب قطبية النبضات المنتخبة .
وعلى محور المحرك يثبت قرص مثقب يدور بين مرسل للأشعة تحت الحمراء ومستقبل لها يقطع الإضاءة وبالتالي يولد إشارة ذات تردد متناسب مع سرعة الدوران ويتم عد النبضات خلال نافذة زمنية بواسطة عداد وإيداع النتيجة في الماسك ومن ثم ترسل نبضة إلى الحاسب تعلمه أنه بإمكانه قراءة السرعة لتخزن وتصحيح السرعة المرسلة .
هناك طريقة أخرى لقياس سرعة المحرك بدءاً من الإشارة ذات التردد المتناسب مع السرعة وذلك بإدخالها على مبدل من تردد إلى جهد ثم إلى مبدل من تمثيلي إلى رقمي ثم إدخالها إلى الحاسب بعد انتهاء عملية التبديل ولقد أخذنا الطريقة الأولى نظراً لارتفاع ثمن المبدل من تمثيلي إلى رقمي وكذلك المبدل من تردد إلى جهد بالمقارنة مع سعر العداد والمهتز الأحادي الاستقرار .
الخلاصة : يتلخص عمل الحاسب بما يلي :
- إرسال السرعة المطلوبة .
- عندما يطلب قياس السرعة يرسل نبضة تصفر العداد وتعلن عن بداية عد جديد .
- عندما ينتهي العد تقوم دارة العداد بإرسال نبضة تعلم الحاسب بالجاهزية حيث يمكنه قراءتها .
دارات المشروع
1 - دارة إخراج السرعة المرغوبة للمحرك :
يتم ربط مخارج الطابعة ( D0....D7 ) إلى مداخل دارة مؤهلة بشكل دائم وهي عبارة عن الشريحة ( 74245 ) ومخارجه إلى مداخل مبدل من رقمي إلى تمثيلي التي تمثلها الشريحة ( 0800 ) إن خرج هذا المبدل تيار وليس جهد لذلك نطبق خرجه على دخل دارة قالب من تيار إلى جهد .
حيث يتم الحصول على دارة قالب من تيار إلى جهد بواسطة مكبر عمليات op.amp وفقاً للتشكيلة الموضحة أعلاه .
حيث يلاحظ أن : Vo=RxI
إن جهد خرج المبدل يتناسب بصورة درجيه مع الكلمة الرقمية المطبقة على دخله و مطال كل درجة حوالي 0.04V . بحيث عندما تكون الكلمة الرقمية المطبقة على دخل المبدل هي ( 00000000 ) يكون خرج المبدل Vo = 0V .
وعندا تكون الكلمة الرقمية على الدخل هي ( 11111111 ) يكون خرج المبدل Vo = 0.04x255 V .
إن خرج المبدل من أجل كلمة
رقمية معينة سوف يكون عبارة
عن مستوى ثابت من أجل
المستويات الممثلة في المنحني .
2 - دارة توليد سن منشار ( Samtooth-wave generator ) :
تتألف دارة سن المنشار من مهتز عديم استقرار ذو تردد متحكم به ويستخدم لهذا لغرض دارة مؤقت 555 وفقاً للتشكيلة الموضحة أدناه وعدة مراحل معالجة بغية الحصول على الشكل المرغوب .
نحصل من خرج عديم الاستقرار من الرجل رقم 6 على إشارة شحن وتفريغ مكثف ولكنها غير صافية أي ذات مركبة مستمرة .
يتم حذف المركبة المستمرة بواسطة مكثفة ذات سعة كبيرة نسبياً وتكبر الإشارة بحيث يصبح مطالها ( +5V,-5V ) ثم يضاف لها جهداً مستمراً قدره ( +5V ) بواسطة تشكيلة مكبر جامع وبالتالي نحصل على إشارة شبه سن منشار مطالها يتراوح بين الصفر والعشرة فولت . لن تكون العلاقة بين عرض النبضات الناتجة عن المقارن بين سن المنشار وجهد خرج المبدل من جهة أخرى خطية لعدم مثالية إشارة سن المنشار وجهد خرج المبدل من جهة أخرى خطية لعدم مثالية إشارة سن المنشار ( شحن وتفريغ مكثف ) .
3- دارة المقارن ودارة توليد نبضات ذات عرض متغير ( Square-wave generator ) :
تتألف هذه الدارة من مكبر عمليات يعمل وفق نمط الدارة المفتوحة بدون تغذية راجعة يطبق على دخليه العاكس وغير العاكس إشارة سن المنشار وإشارة خرج المبدل على الترتيب ويحدد خرجه بواسطة الثنائي ثم يطبق على دارة مكبر عمليات بتشكيلة عاكس في خرج العاكس نحصل على نبضات ذات متغير وبقطبية موجبة وفي خرج الثنائي نحصل على نبضات وقطبية سالبة ومطابقة لسابقتها الموجبة .
4 - دارة الناخب ( MUX ) :
بواسطة شريحة تحتوي على عدد من المفاتيح ( لا يقل عن عدد الإشارات المطلوب تمريرها ) ذات أقطاب تحكم مثل ( 4051 ) يتم تشكيل ناخب تمثيلي عن طريق قصر المفاتيح الخروج وتطبيق الإشارات المنتخبة على مداخل المفاتيح عند تأهيل إحدى المفاتيح عن طريق قطب التحكم الخاص به تظهر الإشارة الموجودة على دخل المفتاح المؤهل على الخرج المشترك .
وهناك حظر لابد من ذكره هو لا يجوز انتخاب
إشارتين بنفس الوقت الأمر الذي يؤدي إلى قصر
لقطب الشريحة .
إذا كان C1 مؤهل فإن Y = X1
إذا كان C2 مؤهل فإن Y = X2
إذا كان كلا المفتاحين مؤهلين عندها تتشكل دارة
قصر ويمر فيها تيار يتحدد بالعلاقة :
حيث Rd هي مقاومة المفتاحين المؤهلين في حالة الوصل وهي عادة صغيرة وبالتالي فإن التيار Isc سوف يكون كبير الأمر الذي يشكل خطر على الشريحة .
Z = X1 at a = 5V , b = c = 0V
Z = X2 at b = 5V , a = c = 0V
Z = X3 at c = 5V , a = b = 0V
نلاحظ من خلال هذه الدارة أهمية وصل
ثنائي زينر بصورة عكسية .
5 - دارة مفكك الترميز ( Decoding circuits ) :
يقوم الحاسب قبل إرسال أي كلمة ( السرعة المرغوبة ) بتحديد اتجاه الدوران ويتم ذلك عن طريق إرسال كلمة مؤلفة من 2Bit يتم بموجبها تحديد اتجاه الدوران أو التوقف حيث تدخل هذه الكلمة على شبكة منطقية يتم بناءً عليها تأهيل إحدى ثلاث إشارات على دخل الناخب إلى خرجه .
6 - دارة قيادة المحرك ( Motor driver circuit ) :
تتألف الدارة المستخدمة من ديودي توجيه يقومان بتوجيه النبضات القادمة من الناخب حسب قطبيتها إلى أحد قاعدتي ترانزيستورين متتامين موصولين بالطريقة الموضحة بالشكل:
عندما يتم انتخاب النبضات السالبة عندها يكون الثنائي D1
قاطع ويمرر الثنائي D2 الذي يؤدي إلى فتح الترانزيستور
PnP وبالتالي يطبق على المحرك جهد متقطع مطاله -15V
فيدور المحرك باتجاه معين وبسرعة تتناسب مع عرض
النبضات .
وعند تطبيق النبضات الموجبة عندها D1 هو الذي يوصل ويوصل الترانزيستور NpN وبالتالي يطبق على المحرك نبضات مطالها +15V فيدور بالاتجاه المعاكس للسابق وبنفس السرعة إذا لم تتغير الكلمة الرقمية المخرجة من الحاسب في كلا الحالتين . إن تشكيلة الترانزيستورين المتتامتين بالإضافة إلى قدرتها على عكس جهة دوران المحرك فإنها تعتبر كمرحلة خرج وتؤمن تيار عالي للمحرك .
1 - دارة المبدل مع سرعة التردد ( V/F converter ) :
تتألف هذه الدارة من حساس ضوئي انعكاسي يتكون من ديود مرسل للأشعة تحت الحمراء ومن ترانزيستور ضوئي موجودان في نفس الـ IC . ومن قرص من مادة لا تمرر الأشعة تحت الحمراء ويحتوي على عدد من الثقوب عند دوران القرص المثقب بين المرسل والمستقبل تتقطع الأشعة تحت الحمراء وهذا يؤدي إلى تغير مقاومة الترانزيستور الضوئي وبالتالي يتغير الجهد الكهربائي على قاعدة ترانزيستور سريع الذي بدوره يفتح ويغلق فيتغير جهد مجمعه مشكل نبضات ذات تردد يتناسب مع سرعة المحرك يتم إعادة تشكيلها عن طريق إدخالها إلى عاكس لتصبح متوافقة مع منطق TTL .
2 - دارة توليد نافذة زمنية عرضها Tsec متحكم بها :
تتألف هذه الدارة من أحادي استقرار نستخدم من أجل ذلك مؤقت 555 مع دارة تكييف من أجل النبضة متوافقة مع منطق TTL .
عندما يريد الحاسب قياس سرعة المحرك فإنه يرسل نبضة إلى أحادي الاستقرار فيولد نافذة زمنية يتم خلالها عد النبضات المعبرة عن السرعة .
3 - دارة تبديل عدد النبضات الزمنية خلال نافذة زمنية إلى كلمة رقمية :
تتألف هذه الدارة من بوابة And وبوابة OR وكذلك من عداد ثنائي وماسك معطيات 8bit .
نطبق خرج مبدل السرعة إلى تردد والنافذة الزمنية على بوابة And ومن خرج بوابة And نحصل على النبضات خلال الفترة T فقط التي بدورها تدخل على بوابة OR مع النبضة القادمة من الحاسب والتي تولد النافذة نفسها وسوف نوضح لاحقاً الغاية من البوابة OR .
نطبق خرج البوابة OR على مدخل Clock للعداد الثنائي الذي يكون مؤهلاً خلال الفترة الزمنية وعندها يعد العداد عدد النبضات خلال النافذة وعندما تنتهي النافذة يزول تأهيل العداد ويؤهل ماسك للمعطيات موصول إلى خرج العداد فتنتقل نتيجة العد إلى خرج الماسك حيال هبوط النافذة .
وبنفس الوقت ترسل نبضة إلى الحاسب عن طريق دارة تفاضل ذات ثابت زمني مناسب مع محدد لحذف النبضة الموجبة تخبره بجاهزية النتيجة .
ولن يتمكن العداد من التصفير بالرغم من وجود Clear على المستوى السالب لعدم توفر Clock .
فعندما يطلب الحاسب مرة أخرى
العد عندها العداد قد يراكم النبضات
الجديدة مع السابق ولتجنب ذلك
أدخلنا على بوابة OR وعلى إحدى
دخليها نبضة بداية العد والتي هي
نفسها تصفر العداد وتؤهله لعملية عد
جديدة وتضمن لنا عدم المراكمة.
4 - دارة إدخال بايت إلى الحاسب عن طريق بوابة الطابعة :
يتم أولاً إدخال نصف البايت السفلي ثم نصف البايت العلوي ويتكفل البرنامج بهذا حيث يقوم الحاسب بتأهيل العازل الأول والقراءة ومعالجة النتيجة وتخزينها في متحول ثم تأهيل العازل الثاني والقراءة ومعالجة النتيجة وجمعها مع السابقة لنحصل على البايت كاملاً وضمن متحول في البرنامج ليدخل بعدها في عمليات التصحيح والمعالجة اللاحقة .
الاستنتاجات والتطوير
إن طريقة قياس سرعة المحرك المتبعة في المشروع تكون جيدة جداً عندما تكون السرعة كبيرة أما إذا كانت سرعة المحرك منخفضة فعندها يكون خطأ القياس كبير جداً ويمكن تجاوز هذه السيئة بزيادة عدد الثقوب في القرص المثقب أو زيادة النافذة الزمنية التي يتم خلالها عد النبضات وهذا يكون على حساب دقة التحكم .
لذلك من أجل التحكم الدقيق يجب إضافة دارة تضاعف التردد وتحسن دقة قياس سرعة المحرك وبفترة زمنية قصيرة جداً أو استخدام طريقة قياس السرعة باستخدام ( تاكومتر ) يحول السرعة إلى جهد وفقاً لعلاقة خطية ثم تبديل إشارة الجهد إلى كلمات رقمية تعبر عن السرعة وإدخالها إلى الحاسب .
إن التحكم بسرعة محرك يؤثر على نقطة مادية يتحكم بسرعتها في اتجاههن فقط أما إذا تم التحكم بسرعة محركين يؤثران على نقطة مادية باتجاهين متعامدين عندها يتم تحريك النقطة المادية على أي مسار ضمن المستوي وباتجاه يتحدد بنسبة السرعتين وبقيمة سرعة تتحدد بجذر مجموع مربعي السرعتين .
في التحكم بسرعة ثلاث محركات تؤثر على نقطة مادية بثلاث اتجاهات متعامدة عندها يمكن للنقطة أن تسلك أي مسار مرسوم لها في الفراغ .
في هذا المشروع كان همنا الوحيد تصحيح خطأ الحالة الدائمة أما في التطبيقات ذات الأهمية الكبرى من المفيد تصحيح خطأ الحالة العابرة بواسطة شبكة تصحيح عددية تحكمها معادلة فروق تتحدد من حالات النظام المتحكم به .
إن دارة قياس التردد المستخدمة وبالتالي السرعة المبدلة إلى تردد تعتمد المبدأ التالي :
يقوم أحادي الاستقرار بتوليد نبضة زمنية معيارية يتم من خلالها عد النبضات القادمة من دارة المبدل من سرعة إلى تردد بواسطة عداد .
إذا كان التردد منخفض بالمقارنة مع طول الفترة الزمنية يكون خطأ القياس كبير .
مثلاً : إذا كانت الفترة الزمنية T=1sec والتردد
المجهول حوالي 1Hz عندها قراءة العداد تتعلق
بالوضع النسبي بين النافذة والنبضات والتي لا يمكن
أن نحكمها والشكلان التاليان يوضحان ذلك :
في الشكل الأول تمر نبضتان من خلال الفترة وبالتالي سوف يكون التردد المقروء 2Hz والخطأ سوف يكون تقريباً 50% وهذا غير مقبول .
أما في الشكل التالي فإن العداد سوف يعد نبضة واحدة خلال
النافذة وبالتالي القراءة صحيحة .
كلما كان التردد المجهول أعلى كلما كان خطأ القياس أقل
فمثلاً إذا كان التردد 50Hz أقل عدد نبضات ضمن النافذة
هو 49 .
العدد المثالي هو 50 بالتالي يكون الخطأ 2% في حين كان
50% في الحالة الأولى .
وبالتالي عندا تكون سرعة المحرك صغيرة يكون خطأ القياس
كبير لذلك لجأنا إلى زيادة التردد عن طريق زيادة عدد الثقوب
ضمن القرص.
زيادة عدد ثقوب القرص يؤدي إلى زيادة دقة القياس من
ناحية ومن ناحية أخرى يسبب أخطاء عند السرعات العالية
للمحرك بسبب الطول المحدد للعداد إذ قد يمتلئ ويصفر من
جديد لذا يجب اختيار عدد الثقوب بشكل مناسب .
المخطط الصندوقي الكامل
المخطط الصندوقي التفصيلي
يتألف من مخرج الطابعة LPT وبطاقة الموائمة التي تربط بين الحاسب والدارة الخارجية .
تتألف بطاقة الموائمة من عازل 8bit لإخراج الكلمة إلى الدارة وكذلك عازلين 4bit ليتم من خلالهما إدخال 8bit إلى الحاسب قادمة من الدارة الخارجية 4bit و 4bit على التسلسل ويخرج من هذا الصندوق أيضاً 2bit لتحديد اتجاه المحرك و 1bit للإيعاز ببداية العد وهي من مخارج المصافحة للطابعة .
يتألف من دارة المبدل من رقمي إلى تمثيلي ومبدل من تيار إلى جهد يدخل إلى هذا الصندوق 8bit قادمة من الصندوق الأول نبدل إلى تيار تمثيلي بواسطة المبدل ( D/A ) ثم نبدل إلى جهد تمثيلي .
يتألف من مهتز عديم الاستقرار ومقارن وعاكس . نقارن خرج الصندوق الثاني مع خرج عديم الاستقرار الذي يكون بشكل سن منشار فنحصل في خرج المقارن على إشارة معدلة بطريقة عرض النبضة وبواسطة عاكس يقلب القطبية وخرج هذا الصندوق هو عبارة عن إشارتين معدلتين بعرض النبضة لهما نفس الشكل مختلفتين بالقطبية .
وهو عبارة عن ناخب مع كاشف ترميز تدخل عليه الإشارتين القادمتين من الصندوق 3 وإشارة ثالثة من الأرض وكذلك تدخل عليه 2bit ( التي تحدد الاتجاه ) القادمة من الصندوق 1 وحسب الحالة المنطقية يتم انتخاب إحدى الإشارات الثلاث . إذاً للصندوق 4 خرج وحيد وقد يكون نبضات ( معدلة بخرج المبدل D/A ) موجبة أو سالبة أو صفر .
هو عبارة عن مرحلة الخرج يتألف من ديودي توجيه وترانزيستورين متتامين . حسب الخرج القادم من الصندوق 4 تقوم الديودات بتوجيه النبضات إلى إحدى قاعدتي الترانزيستورين وبالتالي توصيل التغذية إلى المحرك بالقطبية المرغوبة .
يتألف من أحادي استقرار يولد فترة زمنية معيارية يتم خلالها قياس سرعة المحرك عندما تأتي إليه نبضة قادمة من الصندوق 1 . وكذلك يتألف من مرسل ومستقبل للأشعة تحت الحمراء والتي تتقطع بواسطة قرص مثقب مثبت على محور المحرك وبذلك يولد نبضات تمرر على قادح شميث لإعادة تشكيلها بحيث تكون مناسبة للمنطق TTL ويتم إجراء عملية And بين الفترة الزمنية المعيارية والنبضات التي تعبر عن السرعة ويتم إخراج الناتج إلى الصندوق 7 .
يتألف من عداد ثنائي يقوم بعد النبضات القادمة من الصندوق 6 والتي تعبر عن السرعة خلال الفترة الزمنية المعيارية ويتم نقل خرج العداد إلى عازل 8bit ويتم نقلها فيما بعد إلى الصندوق الأول ( بطاقة الموائمة ) . وقبل كل عملية عد يجب تصفير العداد حيث نضمن عدم المراكمة ويتم ذلك بواسطة الخرج القادم من الصندوق 1 الذي يؤثر أيضاً على أحادي الاستقرار في الصندوق 6 .
موضوع: DC motor 
الجمعة 20 مارس 2009 - 10:06
