Микропроцессорная система управления скоростью вращения двигателя постоянного тока

Одной из характерных особенностей нынешнего этапа научно-технического прогресса является все большее применение микроэлектроники. Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации контроля и управления. Адаптация микропроцессоров к особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки соответствующего программного обеспечения, заносимого потом во внешнюю или внутреннюю память микроконтроллера.

На базе микропроцессоров, микропроцессорных комплектов и микро ЭВМ созданы различные информационно-измерительные системы, диагностические системы, системы контроля и автоматики, автоматизированные системы управления машинами, аппаратами, процессами и так далее. Практика разработки и эксплуатации этих систем показала их высокую эффективность, проявляющуюся в повышении производительности оборудования и аппаратов, в повышении надежности технологических объектов, в снижении потребления энергии и материальных средств.

Использование в системах управления и контроля микропроцессоров и микроЭВМ дает возможность выйти на качественно новый этап, так как позволяет автоматизировать широкий класс процессов и объектов, ранее не пригодных для автоматизации.

1. Описание объекта проектирования

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать микропроцессорную систему управления (МПУ) скоростью вращения двигателя постоянного тока (ДПТ). Система МПУ ДПТ должна выполнять следующие функции:

— поддержание заданной скорости вращения двигателя;

— индикацию текущей скорости двигателя.

Двигатель имеет следующие технические характеристики:

2. Разработка структурной функциональной схемы устройства

Для осуществления МПУ ДПТ потребуются следующие устройства:

— однокристальная микроЭВМ;

— датчик скорости (на эффекте Холла);

— жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

— клавиатура;

— драйвер управления IGBT транзистором.

МикроЭВМ (микроконтроллер) обеспечивает управление всей схемой и соответственно позволяет выполнять все заданные функции, т.о. микроконтроллер является основой всего устройства. Датчик скорости служит для определения скорости вращения вала двигателя путём измерения времени между двумя цифровыми сигналами, поступившими с него. ЖКИ и клавиатура позволяют выводить и задавать скорость вращения двигателя, а драйвер управления IGBT транзистором и сам IGBT транзистор делают возможным регулирование скорости ДПТ путём широтно — импульсной модуляции (ШИМ).

В основу структурной функциональной схемы МПУ (рисунок 2.1) был положен аппаратно-программный метод реализации алгоритма, предполагающий разработку как программных, так и аппаратных средств. Сюда относятся построения устройств управления с программной логикой на основе микропроцессора. Этот вариант охватывает широкие возможности для применения больших интегральных микросхем (БИС) в аппаратуре устройств защиты и позволяет в наибольшей степени согласовать разрабатываемые аппаратно-программные устройства с особенностями решаемых задач.

Рисунок 2.1 Структурная функциональная схема устройства МК — микроконтроллер ДС — датчик скорости ДПТ — двигатель постоянного тока ЖКИ — жидкокристаллический индикатор

3. Разработка аппаратного обеспечения

3.1 Выбор микроконтролера

В качестве центрального узла могут быть применены различные микропроцессоры и микроконтроллеры, например, микропроцессоры I8086, PIC — контроллеры, семейство MCS — 51. В случае использования микропроцессора потребуется подключение большого числа БИС обрамления. Поэтому рациональнее применить микроконтроллер, имеющий интеграцию всех необходимых для работы центрального микропроцессора узлов в одном кристалле.

В данном устройстве в качестве управляющего органа будет использована однокристальная микроЭВМ 80С552 фирмы Philips®. Этот кристалл содержит ядро и систему известного микроконтроллера 8051 фирмы INTEL®, но значительно превосходит его набором встроенных аппаратных средств и гибкостью их применения. Из аппаратных средств можно отметить наличие встроенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и аналогового коммутатора. Следует также отметить, что данный микроконтроллер требует наличие внешнего ПЗУ. Кристалл 80C552 имеет следующие возможности:

1. систему команд и архитектуру 8051. При использовании внешнего быстродействующего ПЗУ позволяет применять кварцы до 30 МГц. Нижний порог частоты возбуждения 1,2 МГц;

2. внутреннее ОЗУ — 256 байт, не считая управляющих SFR регистров;

3. адресует по шине до 64 кбайт внешнего ПЗУ и столько же дополнительной внешней памяти данных;

4. два 16 битных таймера Т0 и Т1 стандартной архитектуры от 8051;

5. дополнительный (плюс к двум стандартным) 16 — битный таймер Т2, сопряженный с 4 встроенными схемами чтения на «лету» и с 3 регистрами сравнения «на лету». Узел защелкивания позволяет аппаратно измерять интервалы на 4 диаграммах дискретных сигналов одновременно. Узел сравнения позволяет аппаратно генерировать одновременно до 8 диаграмм дискретных сигналов;

6. 10-битный АЦП с 8-ми канальным мультиплексором и схемой выборки-хранения при входе. Время преобразования 37,5 мкс при частоте кварца 16 Мгц. Опорное напряжение задается внешним источником. Аналоговые схемы имеют изолированные от цифровых цепей входы питания плюс Avdd и аналоговый общий Avss. Это позволяет значительно уменьшить шумы. Общий Avss должен подсоединяться внешними цепями к цифровому общему Vss в оптимальной для конкретной схеме точке (уменьшение импульсных шумов из-за бросков тока). Положительное питание Avdd не должно превышать уровень питания цифровых цепей кристалла более чем на 0,7 В. Его следует фильтровать от импульсных помех. На рис. 3.1.1 приведена схема подключения некоторого источника сигнала Vin к одному из 8-ми входов аналогового мультиплексора ADCx.

микроконтроллер память программа стабилизатор Рисунок 3.1.1. Схема питания встроенного АЦП Здесь реализована простая RC-фильтрация питания аналоговых цепей кристалла и опорных напряжений. Предусмотрена защита с помощью диодов входа 80С552 от электрического пробоя при случайном выбросе напряжения на входе Vin. Наилучший динамический диапазон АЦП дают значения опорных напряжений дают значения опорных напряжений равные + AVref = AVdd и — AVref = AVss. При этом опорные напряжения не должны выходить за указанные пределы более чем на 0,2 В.

1. два независимых 8 — битовых ШИМ генератора с программно регулируемым периодом следования (могут использоваться как выходы ЦАП);

2. пять стандартных портов ввода-вывода. Из них два использованы как микропроцессорная шина, а остальные имеют альтернативные функции;

3. сторожевой таймер T3.

Условное обозначение 80С552 показано на рисунке 3.1.2.

Рисунок 3.1.2 Условное обозначение 80С552

В таблице 3.1. приведены обозначения и назначение выводов кристалла 80С552.

Таблица 3.1. Назначение и номера выводов 80С552

3.2 Выбор внешней памяти программ

Микроконтроллер 80С552 не имеет внутренней памяти программ, поэтому для реализации микропроцессорной системы необходимо использовать внешнюю память программ.

Для хранения программы будем использовать ПЗУ типа 27C64. Это перепрограммируемое ПЗУ. Информация стирается с помощью ультрафиолетового облучения кристалла. Основные параметры 27C64 приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2.1. Основные параметры К573РФ5

Рисунок 3.2. Расположение и назначение выводов ПЗУ Таблица 3.2.2. Назначение выводов ПЗУ

3.3 Выбор устройства индикации

Принимаем в качестве устройства индикации двухстрочный ЖКИ HDD44780.

В таблице 3.3.1 приведены команды ЖКИ.

Таблица 3.3.1. Команды ЖКИ

1/D=1-инкремент адреса при вводе символа (0-декремент)

S=1-сдвиг всего изображения при вводе символа

S/C=1/0-изображение сдвигается/нет R/L=1/0-сдвиг вправо / влево

D=1-включение дисплея C=1-включение курсора

B=1-мерцание символа, под которым курсор Рисунок 3.3 двухстрочный ЖКИ HDD44780.

DB0-DB7 — входы данных;

R/W — чтение / запись;

V0 — яркость;

E — разрешение;

RS — данные / команды.

3.4 Выбор датчика скорости

В качестве датчика для измерения скорости вращения вала ДВС выбираем датчик на основе эффекта Холла GT101DC фирмы Honeywell. Внешний вид GT101DC изображен на рисунке 3.4.1, а функциональная схема изображена на рисунке 3.4.2

Рисунок 3.4.1. Внешний вид GT101DC

Рисунок 3.4.2. Функциональная схема GT101DC

Назначение внешних выводов GT101DC представлено в таблице 3.4.1.

Таблица 3.4.1. Назначение внешних выводов GT101DC

GT101DC имеет следующие технические характеристики:

Принцип действия датчика заключается в наведении разности потенциалов на границах полупроводниковой пластины с током, во внешнем магнитном поле. Усиленная датчиком разность потенциалов прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля в области его установки. Таким образом, при размещении датчика вблизи вращающейся детали на выходе будет генерироваться цифровой сигнал.

3.5 Выбор IGBT транзистора и драйвера IGBT

Для обеспечения ШИМ выбираем IGBT транзистор SKM75GB063D фирмы Semicon. Данный IGBT имеет следующие отличительные особенности:

N-канальная гомогенная кремниевая структура (NPT IGBT, непробиваемый биполярный транзистор с изолированным затвором) Малый хвостовой ток с малой температурной зависимостью Высокая стойкость к короткому замыканию, самоограничение при закорачивании затвора с эмиттером Положительный температурный коэффициент VCEsat (напряжение коллектор-эмиттер в насыщении) Очень малые емкости Cies, Coes, Cres

Исключено защелкивание Быстродействующие диоды, выполненные по запатентованной технологии CAL (управляемый осевой ресурс), с плавным восстановлением Изолированная медная базовая пластина, выполненная с использованием технологии DBC (непосредственное медное соединение) без жесткой формовки Большой зазор (10 мм) и путь утечки (20 мм) В таблице 3.5.1 указаны рабочие характеристики IGBT транзистора Таблица 3.5.1. Рабочие характеристики SKM75GB063D

Для управления SKM75GB063D с помощью микроконтроллера выбираем драйвер фирмы International Rectifier IR2118, которая выпускает широкую гамму микросхем драйверов для управления затворами IGBT и полевых транзисторов. Все драйверы выпускаются в DIP и SMD исполнении с возможностью управления затворами приборов, работающих под напряжением до1200 В при макс. выходном напряжении на затворе до 20 В. Выпускаемые драйверы предназначены для управления затворами верхних, нижних, полумостовых, верхних и нижних, раздельных трехфазных мостовых и трехфазных схем включения.

Рисунок 3.5 Схема подключения драйвера IGBT IR2118

Данный драйвер имеет следующие технические характеристики:

3.6 Выбор стабилизатора напряжения

Для питания микроконтроллера и остальных элементов схемы используем стабилизатор фиксированного положительного напряжения 5 вольт типа КР142ЕН5А. Выполнен в корпусе ТО — 220. Внешний вид и типовое включение КР142ЕН5А изображены на рисунке 3.5.

а) б) Внешний вид (а) и типовое включение (б) КР142ЕН5А На рисунке 3.5. обозначены:

1 — вход;

2 — общий;

3 — выход.

Несмотря на то, что основное назначение этого прибора — источник фиксированного напряжения, он может быть использован и как источник с регулированием напряжения и тока путем добавления в схемы его применения внешних компонентов. Внешние компоненты могут быть использованы для успокоения переходных процессов. Входной конденсатор необходим только в том случае, если регулятор находится далеко от фильтрующего конденсатора источника питания.

Основные параметры стабилизатора фиксированного напряжения 5 вольт типа КР142ЕН5А приведены ниже:

— выходное номинальное напряжение — 5В;

— выходное минимальное напряжение — 4,9В;

— выходное максимальное напряжение — 5,1В;

— входное максимальное напряжение — 15В;

— коэффициент нестабильности напряжения, максимальный — 0,05%/B;

— коэффициент нестабильности тока, максимальный — 1,33%/A;

— выходное сопротивление — 17мОм;

— ток КЗ — 750мА;

— максимальный выходной ток — 1,5А;

— рабочий диапазон температур кристалла −45… +125 °С.

4. Разработка программного обеспечения

4.1 Алгоритм работы устройства

Для реализации функции построенной принципиальной схемы необходим алгоритм, с помощью которого будут реализованы эти функции. На основе этого алгоритма будет написана программа для микроконтроллера. Первоначально вводим с клавиатуры заданную скорость вращения двигателя (от 2000 до 3000 об/мин), далее нажимаем кнопку пуск и начинается процесс запуска двигателя (задаётся предварительная скважность импульсов для разгона). Сигнал с датчика скорости поступает на вход внешнего прерывания INT1 микропроцессора. С помощью встроенного таймера-счетчика происходит определение скорости вращения вала ДПТ. Это значение сравнивается с заданным и если оно больше, то скважность импульсов увеличивается и наоборот если меньше. Далее данное значение выводится на вторую строку ЖКИ. Определение и вывод скорости вращения происходит каждый раз по приходу сигнала с датчика скорости, т. е. на каждом обороте.

4.2 Блок-схема алгоритма программы

Подпрограмма DEL

Подпрограмма UM

Подпрограмма SUM

Подпрограмма VICH

Подпрограмма обработки прерывания по INT1

4.3 Текст программы на языке ASSEMBLER

$nolist

$include (org.prc)

$include (pic_io.mac)

$include (lcd_io.mac)

$include (kbrd_io.mac)

$include (552asm.inc)

$list

LJMP START; переход на основную программу

ORG 8003h; подпрограмма обработки прерывания по INT0

RETI; выход из подпрограммы обработки прерывания по INT0

ORG 8013h; подпрограмма обработки прерывания по INT1

ADD A, TL1

JB PSW.0, M11; переход если поступило прерывание останавливающее таймер

SETB TCON.4

JMP M12

M11: CLR TCON.4; остановка таймера

MOV IEN0,#00h; блокировка прерываний

MOV TL1,#00h; обнуление счётчика импульсов

M12: RETI; выход из подпрограммы обработки прерывания по INT1

START: CALL I2cinit; проверка связи с сопроцессором

%PicGet (PIC_flg)

JC PROG

HALT: %SEND_STR_LCD (ERR1)

AJMP START

PROG: CLR CY; обнулить бит переноса

LCALL LCDinit; инициализировать ЖКИ

MOV ACC, (Scan₈_lines+INTenable+AutoRepeat_en+Beep_enable); (8 линий + прерывание по INT0)

LCALL initKBRD; инициализировать клавиатуру

NEW: %SEND_CMD_LCD (01h); очистить экран

CALL D; подпрограмма временной задержки

%PICGET (PIC_flg); проверка состояния сопроцессора

JNB ACC. KBRDRQU, NEW; переход если клавиша не нажата

%PICGET (KBRD_STS); чтение кода нажатой клавиши

%KBRD_COD; преобразование в коды ЖКИ

LCALL LCDD; вывод на экран заданного числа тысяч об/мин

MOV A, R0; преобразование кода нажатой клавиши в число об/мин

SUBB A,#30h

MOV R0, A

MOV R1,#64h

LCALL UM

MOV R6, A; запись числа оборотов в регистры R6 и R7

MOV R7, B; в регистре R7 — старшие разряды, а в R6 — младшие

M1: %PICGET (PIC_flg)

JNB ACC. KBRDRQU, M1

%PICGET (KBRD_STS)

%KBRD_COD

LCALL LCDD; вывод на экран заданного числа сотен об/мин

MOV A, R0; преобразование кода нажатой клавиши в число об/мин

SUBB A,#30h

MOV R0, A

MOV R1,#0Ah

LCALL UM

MOV R0, A

MOV R1, R6

LCALL SUM; операция сложения тысяч и сотен об/мин в регистах R6 и R7

M2: %PICGET (PIC_flg)

JNB ACC. KBRDRQU, M2

%PICGET (KBRD_STS)

%KBRD_COD

LCALL LCDD; вывод на экран заданного числа десятков об/мин

MOV A, R0

SUBB A,#30h

ADD A, R6; получение окончательного

MOV R6, A; числа об/мин в регистрах R6 и R7

MOV R0,#00h

LCALL LCDD; добавка нуля к полученному результату

OPR: MOV R3, R7; определение времени которое должно быть получено на счётчике

MOV R2, R6; между двумя импульсами от датчика скорости

MOV R0,#02h

LCALL DEL; деление скорости на 2 (N/2)

MOV R0, R2

MOV R3,#27h

MOV R2,#10h

LCALL DEL; 10 000/(N/2)

MOV R1, R2

MOV R0,#05h

LCALL UM; 10 000*5/(N/2)

MOV R6, A; занесение в регистры R6 и R7 времени

MOV R7, B; скоторым будет сравниваться время полученное на счётчике

MOV PWMP, 7Fh; задание начальной частоты повторения ШИМ

MOV TCON,#01h; установка прерывания INT0 по уровню (переход из 1 в 0)

MOV IEN0,#81h; снятие блокировки прерываний и разрешение прерывания по INT0

M3: JNB TCON.1, M3; ожидание прерывания по INT0 (включение двигателя)

MOV TMOD,#D1h; Разрешение управлять счётчиком 1 от INT1 и выбор 1 — ого режима счётчика 1 и таймера 0

MOV TCON,#44h; запуск счётчика 1 и установка прерывания INT1 по уровню (переход из 1 в 0)

MOV IEN0,#84h; снятие блокировки прерываний и разрешение прерывания по INT1

M4: JNB TCON.3, M4; ожидание прерывания по INT1 (с датчика скорости запускающего таймер)

M5: JNB TCON.3, M5; ожидание прерывания по INT1 (с датчика скорости останавливающего таймер)

SRAV: MOV A, TH0; операция сравнения заданного времени и времени с счётчика

MOV B, TL0

CLR CY

SUBB A, R7

JC UVEL

MOV A, B

SUBB A, R6

JC UVEL

JMP UMEN

UVEL: MOV A, PWMP; операция увеличения скважности импульсов

CJNE A,#01h, M6

DEC PWMP

JMP M6

UMEN: MOV A, PWMP; операция уменьшения скважности импульсов

CJNE A,#FFh, M6

INC PWMP

M6: MOV R0,#02h

MOV R3, TH0

MOV R2, TL0

LCALL DEL

MOV R0, R2

MOV R3,#27h

MOV R2,#10h

LCALL DEL

MOV R0, R2; преобразование времени счётчика в текущую скорость

MOV R1,#05h; двигателя и отображение её на ЖКИ

LCALL UM

MOV R4, A

MOV R5, B

MOV R0,#64h MOV R3, R5

MOV R2, R4

LCALL DEL

MOV A, R2

ADD A,#30h

MOV R0,#C0h

LCALL LCDC; установка курсора в начало второй строки ЖКИ

MOV R0, A

LCALL LCDD; вывод количества тысяч об/мин

MOV R1, R2

MOV R0,#64h

LCALL UM

MOV R3, R5

MOV R2, R4

LCALL VICH

MOV B,#0Ah

MOV A, R2

DIV AB

MOV R0, A

ADD A,#30h

MOV R0, A

LCALL LCDD; вывод числа сотен об/мин

MOV A, B

ADD A,#30h

MOV R0, A

LCALL LCDD; вывод числа десятков об/мин

MOV R0,#30h

LCALL LCDD; добавка нуля к полученному результату

LJMP

UM: MOV A, R0; операция умножения

MOV B, R1

MUL AB

RET

SUM: MOV A, R0; операция сложения

ADD A, R1

MOV R0, A

MOV A, R2

ADDC A, R2

MOV R1, A

MOV R7, R1

MOV R6, R0

RET

DEL: MOV A, R3; операция деления

MOV B, R0

DIV AB

MOV R3, A

MOV A, B

MOV B, R0

MOV R1,#08h

dwb3: CLR C

XCH A, R2

RLC A

XCH A, R2

RLC A

JNC dwb4

MOV R4,#FFh

XCH A, R4

DIV AB

ADD A, R2

MOV R2, A

MOV A, R4

ADD A, B

MOV B, R0

dwb4: CJNE A, B, dwb1

dwb1: JC dwb2

SUBB A, B

INC R2

dwb2: DJNZ R1, dwb3

RET

VICH: CLR C; операция вычитания

MOV A, R2

SUBB A, R0

MOV R2, A

MOV A, R3

SUBB A, R1

MOV R3, A

RET

D: %DELAY; временная задержка

RET

Заключение

В данном курсовом проекте было разработано микропроцессорное устройство задания и поддержания, измерения и инициализации скорости вращения вала двигателя постоянного тока (ДПТ). Оно позволяет измерять и наблюдать за скоростью двигателя в реальном времени.

Применение микропроцессора позволяет добиться высокой надёжности и точности устройства.

1. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.1. — М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2009 — 336 с., ил.

2. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. — 5-е издание, переработанное. — М.: «Мир», 1998.

3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов. — 2-е издание, переработанное и дополненное. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2008. — 488 с., ил.

4. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем. — М.: «Мир», 2008 — 512 с., ил.

5. Баюков А. Б. Полупроводниковые приборы: Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1987 г. — 744 с.

6. Каспер Эрни Программирование на языке ассемблера для микроконтроллеров семейства i8051: Москва 2004.

7. Интернет ресурсы www.analog.com

8. Kohonen T. 1984. Self-organization and associative memory. Series in Information Sciences, vol. 8. Berlin: Springer Verlag

9. Hebb D. 1961. Organization of behavior. New York: Science Edition.

10. Rumelhart D.E., Hinton G.E., Williams R.J. 1986. Learning internal reprentations by error propagation. In Parallel distributed processing, vol. 1, pp. 318−62. Cambridge, MA: MIT Press.

11. Werbos P.J. 1974. Beyond regression: New tools for prediction and analysis in the behavioral sciences. Masters thesis, Harward University.

12. Wasserman P.D. 1988a. Combined backpropagation/Cauchy machine. Proceedings of the International Newral Network Society. New York: Pergamon Press

13. Rumelhart D.E., Hinton G.E., Williams R.J. 1986. Learning internal reprentations by error propagation. In Parallel distributed processing, vol. 1, pp. 318−62. Cambridge, MA: MIT Press.

14. Wasserman P.D. 1988b. Experiments in translating Chinese characters using backpropagation. Proceedings of the Thirty-Third IEEE Computer Society International Conference. Washington, D.C.: Computer Society Press of the IEEE.

15. Parker D.B. 1987. Second order back propagation: Implementing an optimal 0 (n) approximation to Newton’s method as an artificial newral network. Manuscript submitted for publication.

16. Stornetta W.S., Huberman B.A. 1987. An improwed three-layer, backpropagation algorithm. In Proceedings of the IEEE First International Conference on Newral Networks, eds. M. Caudill and C. Butler. San Diego, CA: SOS Printing.

17. Pineda F.J. 1988. Generalization of backpropagation to recurrent and higher order networks. In Newral information processing systems, ed. Dana Z. Anderson, pp. 602−11. New York: American Institute of Phisycs.

18. Sejnowski T.J., Rosenberg C.R. 1987. Parallel networks that learn to pronounce English text. Complex Systems 1:145−68.

19. Burr D.J. 1987. Experiments with a connecnionlist text reader. In Proceedings of the IEEE First International Conferense on Neural Networks, eds. M. Caudill and C. Butler, vol. 4, pp. 717−24. San Diego, CA: SOS Printing.

20. Cottrell G.W., Munro P., Zipser D. 1987. Image compression by backpropagation: An example of extensional programming. ICS Report 8702, University of California, San Diego.