Расчет системы управления электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

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

Мст, кг·см	Схема	Тип привода	Управление	Тип задания скорости	Кол-во дискретных скоростей, об/мин	Наличие реверса	Индикация
3	уни	скор	симметр	дискр	7:1/2/4/8/100/200/400	-	об/мин

Параметры выбранного шагового двигателя приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Каталожные данные двигателя FL42STH47-0406A²

Рабочий ток/фаза, А	Сопротивление/ фаза, Ом	Индуктивность/ фаза, мГн	Крутящий момент, кг·см2	Длина, мм	Момент инерции ротора, г·см2
0,4	30	25	3,17	48	68

Оглавление

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

№	Параметр	Значение
1	Память программ (FLASH), кБ	8
2	ОЗУ (Static RAM), байт	512
3	Память данных (EEPROM), байт	512
4	Рабочая тактовая частота, МГц	0…16
5	Напряжение питания, В	4,5…5,4
6	РОН	32х8
7	8-разрядный таймер/счетчик	2
8	16-разрядный таймер/счетчик	1
9	10-разрядный АЦП, каналов	8
10	Встроенный аналоговый компаратор	+
11	Программируемые входы/выходы	32
12	Внутренний RC-генератор	+
13	Внутренние и внешние источники прерывания	+
14	Последовательный интерфейс USART	+
15	Последовательный интерфейс SPI	+
16	Количество команд	130
17	Последовательный интерфейс I2C	+
18	ШИМ, каналов	4



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 32768 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

Параметр	Значение
Входное напряжение	85-264 В AC / 120-370 В DC
Выходное напряжение	DC 5 В
Выходной ток	1 А
Мощность	5 Вт

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

Параметр	Значение
Входное напряжение	85-264 В AC / 120-370 В DC
Выходное напряжение	DC 12 В
Выходной ток	2,2 А
Мощность	40 Вт

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

Параметр	Значение
Конфигурация и полярность	N
Напряжение сток-исток UDSS	20 В
Сопротивление открытого канала RDS	250 мОм
Ток стока ID	1,2 A
Время нарастания trr	9,5 с
Время спадания tf	4,8 с

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

Параметр	Значение
Ток	0,0005-4 А
Напряжение	0,5-30 В
Мощность	70 Вт
Масса	13 г

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

Параметр	Значение
Схема включения	общий катод
Цвет свечения	красный
Количество сегментов	8
Количество разрядов	3
Максимальное прямое напряжение	2,5 В
Максимальный прямой ток	25-30 мА
Максимальное обратное напряжение	5 В
Обратный ток	10 мкА
Мощность рассеивания	150 мВт
Макс. импульсный прямой ток	140-160 мА

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

Параметр	Значение
Номинальное сопротивление	300 Ом
Допустимое отклонение от номинала	5%
Номинальная мощность	0,05 Вт
Рабочее напряжение	15 В
Максимально допустимое напряжение	50 В
Рабочий диапазон температур	- 55…+120?С

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

Параметр	Значение
Рабочее напряжение, В	15
Ёмкость, мкФ	100
Диапазон ТРАБ, ?С	-40…+85

управление электропривод

Выбираем керамический конденсатор с диэлектриком X7R фирмы SYFER на выход источника питания в 5В. 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

Параметр	Значение
Рабочее напряжение, В	10
Ёмкость, мкФ	0,1
Диапазон ТРАБ, ?С	-40…+85

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=1/2/4/8/100/200/400 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

n, oб/мин	f, Гц
1	3,3
2	6,6
4	13,2
8	26,4
100	330
200	660
400	1320

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

1) 1 об/мин

(4)

Принимаем К_дел=1024 (TCCR1B=0x05)

Тогда

(5)

или TCNT1L=0xBF, TCNT1H=0xF6.

2) 2 об/мин

По формуле (4) TCNT1=64350 или TCT1L=0x5E, TCNT1H=0xFB.

3) 4 об/мин

По (5) TCNT1=64943 или TCT1L=0xAF, TCNT1H=0xFD.

8 об/мин

По (5) имеем TCNT1=65239 или TCT1L=0xD7, TCNT1H=0xFE.

5) 100 об/мин

По (5) имеем TCNT1=65511 или TCT1L=0xE7, TCNT1H=0xFF.

6) 200 об/мин

По (5) имеем TCNT1=65523 или TCT1L=0xF3, TCNT1H=0xFF.

7) 400 об/мин

По (5) имеем TCNT1=65529 или TCT1L=0xF9, TCNT1H=0xFF.

Рассчитаем значение частоты для таймера Т2 по формуле

Выберем значение К_дел=64 (ТССR2=0х04), 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,$5F;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 r16,0x05

out TCCR1B,r16

ldi r16,0x44; 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 0x3F,0,0,0x06,0,0,0x5B,0,0,0x66,0,0,0x7F,0,0,0x3F, 0x3F, 0x06,0x3F, 0x3F, 0x5B, 0x3F, 0x3F, 0x66; запись кодов цифр во ФЛЕШ

;«0» - 0,0,0x3F

; «1» - 0,0,0x06

; «2» - 0,0,0x5B

; «4» - 0,0,0x66

; «8» - 0,0,0x7F

; «100» - 0x06,0x3F,0x3F

; «200» - 0x5B,0x3F,0x3F

; «400» - 0x66,0x3F,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

Размещено на Allbest.ru