Расчет системы управления электропривода

Задание на курсовую работу В данной курсовой работе необходимо выполнить расчет системы управления электропривода, разработать функциональную и принципиальную схемы, составить программу работы системы на Ассемблере, описать ее и реализовать на лабораторном стенде. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Исходные данные

Параметры выбранного шагового двигателя приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Каталожные данные двигателя FL42STH47−0406A²

1. Функциональная схема

2. Выбор типа управляющего устройства

3. Разработка и описание принципиальной схемы системы управления

3.1 Выбор требуемых источников питания

3.2 Выбор силовых ключей

3.3 Выбор коммутационной аппаратуры, элементов управления и индикации

3.4 Составление принципиальной схемы системы

4. Расчет временных диаграмм работы элементов системы

5. Разработка программы управляющего устройства (для контроллера atmega8535)

5.1 Описание выбора и расчета элементов программы

5.2 Листинг программы Библиографический список

1. Функциональная схема Рисунок 1 — Функциональная схема системы управления

1.1 Описание функциональной схемы Младшие четыре бита порта «A» микроконтроллера устанавливаем на ввод сигналов с тумблеров:

РA0 — «разрешение»;

РA1, РA2, РA3 — на задание скоростей.

Младшие четыре бита порта «B» микроконтроллера устанавливаем на управление обмотками ШД:

РB0 — А+;

РB1 — В+;

РB2 — А-;

РB3 — В-.

Весь порт «D» определим на вывод на сегменты индикаторов.

Младшие биты порта «С» микроконтроллера — на вывод на катоды индикаторов:

PС0 — HG1;

PС1 — HG2;

PC2 — HG3.

2. Выбор типа управляющего устройства В соответствие с функциональной схемой количество входов-выходов

равно 19. В качестве управляющего устройства был выбран микроконтроллер ATmega8535 фирмы Atmel. Его технические данные приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Технические данные ATmega8535

Рисунок 2 — Назначение выводов микросхемы Назначение выводов:

RESET — сброс микроконтроллера;

VCC — напряжение питания;

GND — общий провод;

XTAL1, XTAL2 — подключение кварцевого резонатора;

AVCC — аналоговое питание для АЦП;

AREF — внешний источник опорного напряжения для АЦП;

PA0…PA7 — Выводы порта А;

PB0…PB7 — Выводы порта B;

PC0…PC7 — Выводы порта C;

PD0…PD7 — Выводы порта D.

Альтернативные функции выводов:

XСK — внешний тактовый вход интерфейса USART;

T0, T1 — входы таймеров Т0, Т1;

OC0, OC1A, OC1B, OC2 — выходы таймеров Т0, Т1, Т2;

ICP — вход захвата таймера Т1;

INT0, INT1, INT2 — входы внешних прерываний;

AIN0, AIN1 — входы аналогового компаратора;

SS — сетевой режим по интерфейсу SPI;

MOSI — выход интерфейса SPI;

MISO — вход интерфейса SPI;

SCK — тактовый вход интерфейса SPI;

RXD, TXD — вход и выход USART;

SDA, SDL — линии последовательной передачи данных и тактовых импульсов по шине I2C;

TOSC2, TOSC1 — выводы подключение часового резонатора 32 768 Гц;

ADC0…ADC7 — каналы АЦП.

3. Разработка и описание принципиальной схемы системы управления

3.1 Выбор требуемых источников питания Произведем расчет тока, потребляемого индикаторами. В данной работе используется 3 индикатора, в каждом по 7 светодиодов. Ток светодиода 10−12 мА, следовательно, ток, необходимый для полной индикации равен

I_инд=3· 7·(10.12)= 210… 252 мА.

Напряжение питания микроконтроллера +5 В. Следовательно, мощность, потребляемая индикаторами

P_инд=U_пит· I_пит=5·(0,21…0,252)=1,05…1,26 Вт. (1)

По мощности, напряжению питания и току выбираем источник питания

PS-05−5, приведем его технические параметры в таблице 4.

Таблица 4 — Технические параметры источника питания PS-05−5

Выберем источник питания для силовых ключей.

Для симметричного управления напряжение источника питания равно

U_{ист.пит}?I_ф· R_ф, (2)

где I_ф — рабочий ток;

R_ф — активное сопротивление фазы выбранного шагового двигателя.

U_{ист.пит}=I_ф· R_ф=0,4·30=12 В;

P_{ист. пит.}? U_{ист.пит}· I_ф; (3)

U_{ист.пит}· I_ф =12· 0,4=4,8 Вт.

По найденным значениям напряжения и мощности выбираем источник питания PS-05−12. Его технические данные приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Технические параметры источника питания PS-30−12

3.2 Выбор силовых ключей Произведем выбор исходя из условий где k₃=2.10.

В качестве силовых ключей был выбран полевой транзистор с изолированным затвором и n-каналом IRLML2402, технические параметры которого приведены в таблице 6, а схема — на рисунке 3.

Таблица 6 — Технические параметры полевого транзистора IRLML2402

Рисунок 3 — Схема полевого транзистора с изолированным затвором

3.3 Выбор коммутационной аппаратуры, элементов управления и индикации В данной работе для задания скоростей и сигнала разрешения используются тумблеры. Выбираем тумблер МТ1. Технические параметры данного тумблера представлены в таблице 7.

Таблица 7 — Технические параметры тумблера МТ1

Для индикации выходных сигналов был выбран семисегментный индикатор фирмы Kingbright BC56−11HWA. Его схема приведена на рисунке 4, а технические параметры представлены в таблице 8.

Рисунок 4 — Схема семисегментных индикаторов BC56−11HWA

Таблица 8 — Технические параметры семисегментного индикатора BC56−11HWA

3.4 Составление принципиальной схемы системы Выбор резисторов Выберем резисторы для ограничения тока, протекающего через семисегментный индикатор. Выбор произведем, исходя из выражения:

Р = (U — U_свд)· I;

Р = (5 — 2)· 10·10^-3 = 0,03 Вт.

Тогда сопротивление выбираемого резистора равно:

Ом.

Выбираем резистор 0201 — 300 J фирмы Faithful Link Industrial, технические параметры которого приведены в таблице 9.

Таблица 9 — Технические характеристики постоянного резистора 0201 — 300 J

Выбор конденсаторов На выходе источника питания устанавливаем фильтр, состоящий из параллельно соединенных электролитического и керамического конденсаторов.

Выбираем электролитический конденсатор TREC с диэлектриком SR на выход источника питания в 5 В для питания семисегментного индикатора. Технические данные приведены в таблице 10.

Таблица 10 — Технические данные электролитического конденсатора

управление электропривод Выбираем керамический конденсатор с диэлектриком X7R фирмы SYFER на выход источника питания в 5 В. Также выбранный керамический конденсатор будем использовать в активном фильтре первого прядка, установленном на входе микроконтроллера, для устранения паразитных емкостей, но только меньшей емкости (15 пФ).

Технические данные занесены в таблицу 11.

Таблица 11 — Технические данные керамического конденсатора

4. Расчет временных диаграмм работы элементов системы

В данном случае схема — униполярная, режим — симметричный, а это значит, что в каждый момент времени включено одно управляющее устройство. Временные диаграммы работы элементов исходной системы представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 — Временные диаграммы напряжений на обмотках шагового двигателя

5. Разработка программы управляющего устройства (для контроллера ATmega8535)

5.1 Описание выбора и расчета элементов программы В данной работе производится управление шаговым двигателем с дискретным изменением скоростей n=½/4/8/100/200/400 об/мин.

Младшие четыре бита порта «A» микроконтроллера устанавливаем на ввод сигналов с тумблеров:

РA0 — «разрешение»

РA1, РA2, РA3 — на задание скоростей:

001 — 1 об/мин

010 — 2 об/мин

011 — 4 об/мин

100 — 8 об/мин

101 — 100 об/мин

110 — 200 об/мин

111 — 400 об/мин Младшие четыре бита порта «B» микроконтроллера устанавливаем на управление обмотками ШД:

РB0 — А+

РB1 — В+

РB2 — А;

РB3 — В;

Порт «D» определим на вывод на сегменты индикаторов:

PD0 — сегмент «А»

PD1 — сегмент «В»

PD2 — сегмент «С»

PD3 — сегмент «D»

PD4 — сегмент «E»

PD5 — сегмент «F»

PD6 — сегмент «G»

PD7 — сегмент «H»

Младшие биты порта «С» микроконтроллера — на вывод на катоды индикаторов:

PС0 — HG1

PС1 — HG2

PC2 — HG3

В данной работе было использовано два таймера по переполнению Т1 и Т2. Таймер Т1 используется для задания скоростей, а таймер Т2 для динамической индикации.

Произведем расчет начальных значений таймеров и коэффициента предделителя.

Остальные соотношения сведены в таблицу 12.

Таблица 12 — Соотношения скоростей и частот

Для задания скоростей в данной работе был выбран таймер по переполнению Т1.

1) 1 об/мин

(4)

Принимаем К_дел=1024 (TCCR1B=0×05)

Тогда

(5)

или TCNT1L=0xBF, TCNT1H=0xF6.

2) 2 об/мин По формуле (4) TCNT1=64 350 или TCT1L=0x5E, TCNT1H=0xFB.

3) 4 об/мин По (5) TCNT1=64 943 или TCT1L=0xAF, TCNT1H=0xFD.

8 об/мин По (5) имеем TCNT1=65 239 или TCT1L=0xD7, TCNT1H=0xFE.

5) 100 об/мин По (5) имеем TCNT1=65 511 или TCT1L=0xE7, TCNT1H=0xFF.

6) 200 об/мин По (5) имеем TCNT1=65 523 или TCT1L=0xF3, TCNT1H=0xFF.

7) 400 об/мин По (5) имеем TCNT1=65 529 или TCT1L=0xF9, TCNT1H=0xFF.

Рассчитаем значение частоты для таймера Т2 по формуле Выберем значение К_дел=64 (ТССR2=0×04), а ТСNТ2=0. Тогда частота таймера Т2:

5.2 Листинг программы

.include" m8535def. inc"

.cseg

.org 0

rjmp reset

.org 4;вектор прерывания Т2

rjmp T2

.org $ 008 ;вектор прерывания Т1

rjmp T1;по переполнению

.org $ 20

.def vhod=r19

.def star=r20

.def ml=r21

.def obmotka=r22

.def hg=r23

.def smesh=r24

reset:

ldi r16,$5 °F;инициализация стека

out spl, r16

ldi r16,$ 2

out sph, r16

;инициализация портов

ldi r16, $FF

clr r17

out DDRA, r17;порт В на вход

out PORTA, r16; подтягиваем резисторы

out DDRС, r16

out DDRB, r16

out DDRD, r16; порты B, С и D на выход

; инициализация таймера T2

ldi r16,0;остановка Т2

out TCCR2, r16

out TCNT2, r16;f=490 Гц

ldi r16, $ 04; К_дел=64

out TCCR2, r16

ldi r16,$ 40;разрешение прерываний по переполнению Т1 и Т2

out TIMSK, r16

;инициализация Т1

ldi r16,0

ldi r17,$FF

out TCCR1A, r16; остановка таймера Т1

out TCCR1B, r16

out TCNT1L, r16

out TCNT1H, r17

ldi r16,0×05

out TCCR1B, r16

ldi r16,0×44; разрешение прерываний по переполнению Т1 и Т2

out TIMSK, r16

ldi r31,2

ldi obmotka, $ 01

ldi hg, $ 01

clr smesh

SEI;глобальное разрешение

main:

in vhod, PINA; в зависимости от состояния входа задаем скорость

andi vhod,$ 0F

cpi vhod, 3

breq skor1

cpi vhod,$ 05

breq skor2

cpi vhod,$ 07

breq skor3

cpi vhod,$ 09

breq skor4

cpi vhod,$ 0B

breq skor5

cpi vhod,$ 0D

breq skor6

cpi vhod,$ 0F

breq skor7

skor0:

ldi star,$FF

ldi r30,0

rjmp main

skor1:

ldi r30,3

ldi star, $F6

ldi ml,$BF

rjmp main

skor2:

ldi r30, $ 06

ldi star, $FB

ldi ml,$ 5E

rjmp main

skor3:

ldi r30, $ 09

ldi star, $FD

ldi ml,$AF

rjmp main

skor4:

ldi r30, $ 0C

ldi star, $FE

ldi ml, $D7

rjmp main

skor5:

ldi r30, $ 0F

ldi star, $FF

ldi ml, $E7

rjmp main

skor6:

ldi r30, $ 12

ldi star, $FF

ldi ml, $F3

rjmp main

skor7:

ldi r30, $ 15

ldi star, $FF

ldi ml, $F9

rjmp main

T1:

out TCNT1L, ml

out TCNT1H, star

clc

sbis PINA, 0; если нет «разрешения» (0-ой бит порта А) прыгай на метку

rjmp m2

cpi vhod, 1;если скорость не задана прыгаем на метку

breq m2

rol obmotka

cpi obmotka, $ 10

brne met1

ldi obmotka, 1

met1:

out PORTB, obmotka

RETI

m2:

clr r26

out PORTB, r26

RETI

T2:

clc

cpi hg, $ 08;перейти, если не равно

brne met2

ldi hg,$ 01

clr smesh;очистка смещения

met2:

add r30, smesh;задаем адрес цифры во FLASH

lpm

out PORTD, r0;выводим код цифры на индикаторы

out PORTC, hg;задаем нужный катод индикатора

clc

inc smesh;инкрементируем смещение

rol hg;сдвигаем влево номер индикатора

RETI

.org $ 100 ;значение адреса

.db 0x3 °F, 0,0,0×06,0,0,0x5B, 0,0,0×66,0,0,0x7 °F, 0,0,0x3 °F, 0x3 °F, 0×06,0x3 °F, 0x3 °F, 0x5B, 0x3 °F, 0x3 °F, 0×66; запись кодов цифр во ФЛЕШ

;"0″ - 0,0,0x3F

; «1» — 0,0,0×06

; «2» — 0,0,0x5B

; «4» — 0,0,0×66

; «8» — 0,0,0x7F

; «100» — 0×06,0x3 °F, 0x3F

; «200» — 0x5B, 0x3 °F, 0x3F

; «400» — 0×66,0x3 °F, 0x3F

Библиографический список

1 Хусаинов, Р. З. Программирование микроконтроллеров ATmega8535: методические указания к выполнению лабораторных работ/ Р. З. Хусаинов, В. Б. Садов. — Челябинск: Учебная техника — Профи, 2009 — 125 с.

2 http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irlml2402.pdf

3 http://samou4ka.net/tag/ATmega8535

4 http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/atmega8.htm

5 http://www.symmetron.ru/suppliers/resistors1/passive09-resistors-smd.pdf

6 http://www.efind.ru/icsearch/?search=0603%2010

7 http://www.syfer.apls.ru/about_syfer.html