Разработка устройства контроля углового смещения вала электродвигателя

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание кафедры

Разработать устройство контроля углового смещения вала электродвигателя. Устройство необходимо выполнить так, чтобы осуществлялась индикация угла поворота вала электродвигателя при помощи семисегментных индикаторов.

Содержание

1 Описание синус-косинусных вращающихся трансформаторов

2 Описание микроконтроллера ADuC812

3 Принципиальная схема

4 Блок-схема основной программы

5 Блок-схема подпрограммы преобразования АЦП

6 Блок-схема подпрограммы вывода на индикатор

7 Составление программы

7 Текст программы на ассемблере

Список использованной литературы

1 Описание синус-косинусных вращающихся трансформаторов

За получением более точной информации об угле поворота и вращении производители систем механообработки и робототехники в настоящее время обращают свое внимание в сторону синус-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и сельсинов. Данные устройства зарекомендовали себя весьма хорошо в промышленных приложениях, требующих от применяемых устройств малых размеров, долговременной надежности, измерения абсолютного положения, высокой точности и малой величины шумов.

На рис.1 показана структура сельсина и СКВТ. Как сельсин, так и СКВТ используют роторы с одной обмоткой, которые вращаются внутри неподвижных статоров. В случае простейшего сельсина, статор имеет три обмотки расположенных под углом 120° одна относительно другой и соединенных звездой. СКВТ отличается от сельсинов только тем, что их статор содержит две обмотки ориентированных друг относительно друга под углом 90°.

Рис.1. Сельсины и СКВТ.

программа трансформатор микроконтроллер смещение

Вследствие того, что сельсины содержат три статорных обмотки, расположенных под 120°, они более сложны в производстве, чем СКВТ и поэтому более дорогостоящи. В настоящее время область применения сельсинов сужается, и исключение составляют некоторые устаревшие приложения в военной технике и авиации.

Современные СКВТ производятся в бесколлекторном исполнении, при этом, они используют трансформатор для подачи сигналов на ротор. Первичная обмотка такого трансформатора располагается на статоре, а вторичная на роторе. Другой тип использует традиционное решение для подачи сигналов на обмотку ротора с помощью щеток или коллектора. Бесколлекторные СКВТ более точны, чем сельсины, т.к. не существует щеток, которые ломаются и сдвигаются во время эксплуатации. Продолжительность безотказной работы бесколлекторных СКВТ ограничивается только ресурсом их подшипников.

Большинство СКВТ специфицируется для работы с напряжениями от 2 до 40 В СКВ и с частотами от 400 Гц до 10 КГц. Диапазон угловых точностей составляет от 5 угловых минут до 0.5 угловой минуты. (60 угловых минут составляет 1 градус, 60 угловых секунд содержится в 1 угловой минуте; Следовательно, 1 угловая минута = 0.0167 градуса).

В работе сельсины весьма похожи на вращающиеся трансформаторы. Обмотка ротора возбуждается переменным опорным напряжением с частотой до нескольких кГц. Величина напряжения наведенного на любую статорную обмотку пропорциональна синусу угла и ?между осями катушки ротора и катушки статора. В случае сельсина, напряжение, получающееся на любой паре статорных зажимов, будет векторной суммой напряжений двух соединенных катушек. Например, если ротор сельсина возбуждается опорным напряжением Vsinщt, на зажимах R1 и R2, на зажимах статора напряжения будут в виде:



где и- угол поворота оси ротора.

В случае же СКВТ, при подаче на ротор опорного напряжения Vsinщt на зажимах статорных обмоток будут напряжения:

Следует заметить, что трех проводной выход сельсина можно легко преобразовать в эквивалентный формат выхода СКВТ с помощью трансформатора Скотта. Поэтому следующие далее примеры по обработке сигналов касаются только СКВТ.

Типовой цифровой преобразователь с СКВТ (СКВТ ЦП) изображен схематично на рис.2. Оба выхода СКВТ подаются на косинусный и синусный перемножители. Эти перемножители содержат в себе синусную и косинусную таблицы преобразования и работают как умножающие цифроаналоговые преобразователи. Начнем с предположения, что текущее содержимое реверсивного счетчика представляет собой число, соответствующее некоторому начальному углу ц. Преобразователь непрерывно старается подстроить цифровой угол щ ?так, чтобы он был равен углу ц? (и отслеживал его), измеряемому аналоговым образом. Выходные напряжения статора СКВТ записываются следующим образом:

где и- угол поворота ротора СКВТ. Код цифрового угла щ ?подается на косинусный умножитель, и косинус угла умножается на V1, в результате получается равенство:

Код цифрового угла ц ?подается на синусный умножитель и умножается на V2:

Данные два сигнала вычитаются один из другого с помощью усилителя ошибки, в результате получается выходной сигнал в виде:

Используя тригонометрические функции, сократим запись:

Синхронный детектор демодулирует этот сигнал ошибки переменного тока, используя напряжение ротора СКВТ в качестве опорного. Эта операция дает сигнал ошибки постоянного тока пропорциональный величине sin(и-ц).

Сигнал ошибки постоянного тока подается на интегратор, выход которого управляет ГУН (генератор управляемый напряжением), а ГУН в свою очередь управляет направлением счета реверсного счетчика, с тем чтобы:

Из этого следует:

Поэтому ц=? ?внутри одного отсчета. Следовательно, цифровой выход со счетчика ц? представляет собой угол ?. Регистр-защелка позволяет передать наружу эти данные не прерывая процесс слежения.

Рис.2. Цифровой преобразователь с СКВТ (СКВТ ЦП).

Данная цепь эквивалентна контуру управления (серво цепи) второго порядка поскольку, фактически, она содержит в себе два интегратора. Первым интегратором является счетчик, который накапливает импульсы управления, а вторым является интегратор, на который подается выход с синхронного детектора.

В контуре управления второго порядка с постоянной скоростью вращения на входе, выходное цифровое слово постоянно отслеживает входную величину без дополнительных внешних команд на преобразование и без дополнительного фазового сдвига между выходным цифровым словом и действительным углом поворота оси ротора. Сигнал ошибки появляется только во время ускорения или замедления системы. Интегральная схема (ИС) решающая задачу такого преобразования иногда называется более коротко ротационно - цифровым преобразователем (РЦП).

2 Описание микропроцессора ADuC 812

2.1 Общие технические характеристики микропроцессора ADuC812

Аналоговый ввод-вывод:

- 8-канальный прецизионный 12-разрядный АЦП;

- встроенный источник опорного напряжения (ИОН) с температурным дрейфом 40 ppm/ °С;

- высокая скорость выборок 200 К/сек;

- два 12-разрядных ЦАПа (выход - напряжение);

- внутренний температурный датчик.

Память:

- 8 КБ FLASH памяти программ;

- 640 КБ FLASH памяти данных;

-внутренний источник программирования (внешний не требуется);

- 256 Б внутренней памяти данных;

- 16 МБ адресного пространства внешней памяти данных.

8051 - совместимое ядро:

- 12 МГц номинальная частота (16 МГц - максимальная);

- Три 16-разрядных счётчика - таймера;

- порт с высоким током - Порт 3;

- девять источников прерываний, 2 уровня приоритета.

Питание:

- специфицирован для 3 В и 5 В работы;

- режимы: нормальный, холостой и дежурный.

Встроенная периферия:

- последовательный UART;

- 2-проводной (I²С) и SPI;

- охранный таймер (WDT);

- монитор источника питания.

Приложения:

- интеллектуальные датчики (в соответствии IEEE 1451.2);

- батарейные системы (портативные РС, инструмент, мониторы);

- системы слежения;

- системы сбора информации, коммуникационные системы/

2.2 Общее описание микропроцессора

Микропроцессор ADuC 812 - интегральная 12- разрядная система сбора информации, включающая в себя прецизионный многоканальный АЦП с самокалибровкой, два 12-разрядных ЦАПа и программируемое 8 разрядное - микропроцессорное ядро (совместимое с микропроцессором 8051) (MCU). Микропроцессор поддерживается внутренними 8К FLASH ЭРПЗУ программ, 640Б ЭРПЗУ памяти данных и 256Б статической памяти данных с произвольной выборкой (RAM).

Микропроцессор поддерживает следующие дополнительные функции: охранный таймер, монитор питания и канал прямого доступа для АЦП. Для мультипроцессорного обмена и расширения ввода-вывода, имеются 32 программируемых ввода-вывода линий, I²С, SPI и стандартный UART интерфейсы.

Для гибкого управления в приложениях с низким потреблением в MCU и аналоговой части предусмотрены 3 режима работы: нормальный, холостой и дежурный. Продукт специфицирован для 3В и 5 В работы в диапазоне температур и поставляется 52-выводном пластмассовом корпусе (PQF).



2.3 Функциональная блок - схема:

Таблица 1 - Описание контактов микропроцессора.

Мнемоника	Тип	Функция
DVdd	P	Положительное номинальное цифровое питание +3В или +5В.
AVdd	P	Положительное номинальное аналоговое питание +3В или +5В.
Cref	I	Блокирующий конденсатор для внутреннего ИОН. 0,1мкФ на AGND
Vref	I/О	ИОН вход/выход. Этот контакт внутри соединен через последовательный резистор с ИОН для АЦП. Номинальное напряжение ИОН 2,5 В и появляется на контакте (как только АЦП и ЦАП разрешены). Внутренний ИОН подавляется подключением к этому контакту внешнего источника.
AGND	G	Аналоговая земля. Общая точка аналоговых цепей.
P1.0-P1.7	I	Порт 1 только на ввод. Порт 1 по умолчанию настраивается на ввод аналоговых сигналов, для конфигурирования контактов на цифровой ввод следует записать 0 соответствующий бит порта. Порт 1 - многофункционален и перечисленные функции выполняет.
ADC0-ADC7	I	Аналоговые входы. 8 однофазных входов. Выбор канала осуществляется через регистр специального назначения (SFR) ADCCON2.
T2	I	Цифровой вход Таймера/Счетчика 2. Когда разрешен Счетчик 2, инкрементируется по перепаду 1-0 на входе T2
T2EX	I	Цифровой вход. Для триггера Захвата/Перезагрузки Счетчика 2, так же работает как вход управления направлением счета Счетчика 2.
SS/	I	Выбор ведомого (Slave Select). Для синхронного интерфейса (SPI).
SDATA	I/O	Выбираемый пользователем ввод/вывод для I2C и SPI.
SCLOCK	I/O	Синхронизация для I2C и SPI.
MOSI	I/O	Для SPI Ведущий Выход/Ведомый Вход.
MISO	I/O	Для SPI Ведущий Вход/Ведомый Выход
DACO	О	Выходное напряжение с ЦАП 0.
DAC1	О	Выходное напряжение с ЦАП 1.
RESET	I	Цифровой вход. Высокий уровень сигнала на этом контакте в течение 24 периодов тактовой частоты при работающем осцилляторе вызывает выполнение устройством сброса.
Мнемоника	Тип	Функция
P3.0-P3.7	I/O	Двунаправленный Порт 3 с внутренними, подтягивающими к питанию резисторами. Контакты Порта 3, с записанными в них 1 подтянуты вверх и могут использоваться так же как входы. При использовании контактов в качестве входов, следует иметь ввиду, что они дают ток во внешнюю цепь. Контакты Порта 3 - мультиплексны. Вход приемника последовательного асинхронного интерфейса (UART) или:
RxD/P3.0	I/O	Ввод/Вывод данных для синхронного. Выход передатчика асинхронного последовательного интерфейса (UART) или
TxD	О	Выход синхронизации для синхронного. .
INTO/	I	Вход внешнего прерывания 0, программируется по перепаду/уровню; устанавливается один из 2-х уровней приоритета. Контакт может использоваться как строб управления для Таймера 0.
INT1/	I	Вход внешнего прерывания 1, программируется по перепаду/уровню; устанавливается один из 2-х уровней приоритета. Контакт может использоваться как строб управления для Таймера 1.
T0	I	Вход Таймера/Счетчика 1.
T1	I	Вход Таймера/Счетчика 1.
CONVST/	I	Вход Запуска Преобразования АЦП (активный низкий уровень) при разрешенном внешнем запуске. Переход 0-1 переводит схему в режим хранения и запускает цикл преобразования.
WR/	0	Выход сигнала управления Записью. Защелкивает байт данных из Порта 0 во внешнюю память данных
RD/	0	Выход сигнала управления Чтением. Разрешает ввод данных из внешней памяти в Порт 0.
XTAL2	0	Инвертирующий выход генераторного усилителя.
XTAL1	I	Вход усилителя и вход доступа к внутренним цепям генератор
DGND	G	Цифровая земля. Общая точка цифровых цепей.
P2.0-P2.7	I/0	Двунаправленный Порт 2 с внутренними, подтягивающими к питанию резисторами.
(A8-A15) (A16-A23)		Контакты Порта 2, с записанными в них 1 подтянуты вверх и могут использоваться так же как входы. При использовании контактов в качестве входов, следует иметь ввиду, что они дают ток во внешнюю цепь. При выборке памяти программ Порт 2 содержит старший байт адреса, при обращении к памяти данных порт выдает средний и старший байты 24-разрядного адресного пространства.
PSEN/	О I I/O	Выход строба разрешения внешней памяти программ. Является сигналом управления внешней памяти программ. Активен в течение 6 периодов тактового генератора, исключая время доступа к внешней памяти данных. Контакт находится в состоянии Лог.1 при работе с внутренней памятью программ. Контакт можно использовать для разрешения режима последовательной загрузки в ЭРПЗУ, для этого контакт подключается через последовательный резистор к земле на время включения питания или генерации сигнала RESET/.
ALE	O	Выход строба записи адреса. Используется для защелкивания младшего байта адреса (при 24-разрядном пространстве - среднего байта адреса) при обращении к внешней памяти. Активен дважды в одном машинном цикле, исключая обращение к внутренней памяти данных.
EA	О	Вход разрешения доступа к внешней памяти программ. Если EA=1, выборка производится из внутренней памяти 0000Н .. 1FFFH, если EA = 0, то все инструкции выбираются из внешней памяти.
P0.0-P0.7 (A0-A7)		Двунаправленный Порт 0 с открытым истоком. Контакты порта с записанными в них 1 являются плавающими и могут быть высокоимпедансными входами. При обращении к внешней памяти программ или данных Порт 0 мультиплексирован магистралями младшего байта адреса и данных. При такой операции порт подтянут внутренним образом при наличии в нем 1.

Тактирование микроконтроллера осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов. Для этого к выводам микроконтроллера XTAL1 и XTAL2 подключается цепочка, состоящая из кварцевого резонатора ZQ1 и двух конденсаторов C1 и C2 емкостью по 22 пФ каждый. Основная резонансная частота кварца -- 11,0592 МГц.

Для автоматического сброса ко входу RESET ОМЭВМ подключается RC-цепочка, состоящая из конденсатора C3 и резистора R5, которые обеспечивают кратковременный импульс напряжения +5 В при включении питания.

Блок индикации состоит из трех одноразрязрядных семисегментных индикаторов типа АЛС324Б (на схеме обозначены DA1 -- DA3), на которые выводятся сообщения о угле поворота ротора. Для коммутации отдельных индикаторов используются три транзистора типа КТ503 (на схеме обозначены VT1-VT3), которые по сигналам с микроконтроллера попеременно подключают аноды индикаторов к напряжению питания. Управление сегментами индикаторов также осуществляется микроконтроллером, но через буферный элемент -- восьмиразрядный регистр, выполненный на микросхеме типа К1533ИР22.

В качестве последовательного интерфейса RS-232 используем MAX-220:



В качестве АЦП будем использовать микросхему MAX-165

MAX165 высокоскоростной восьмиканальный пяти микросекундный аналогово-цифровой преобразователь с однополярным питанием. Является АЦП последовательного приближения. Напряжение питания составляет +5В, внутренне или внешнее опорное напряжение Vref=+1,23В.

MAX165 связывается через управляющие сигналы CS и RD. Эти сигналы управляют началом доступа преобразований и данных. Сигнал BUSY указывает начало и конец преобразований.

Функция передачи АЦП. Диапазон входных напряжений АЦП от 0 до Vref. Для этого диапазона напряжений смена соответствующих кодов происходит посередине между последовательными квантами (т.е. ? LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs, .., FS-3/2 LSBs). Выходной код - прямая в двоичном коде с 1 LSB= FS/256 или 1,23В/256 = 4,8 мВ при Vref=1,23 B. Идеализированная функция передачи от 0 до Vref показано на рисунке.

Рисунок Функция преобразования MAX165

Временная диаграмма работы АЦП:

3 Принципиальная схема

4 Блок-схема основной программы

5 Блок-схема подпрограммы преобразования АЦП

6 Блок-схема подпрограммы вывода на индикатор

7 Составление программы

Определим напряжение на выходе датчика угловых перемещений при максимальном угле поворота, равном 180 градусов.

U_ном = 0,096 В/град 180 град=17,3 В

Определим номинальное напряжение на входе АЦП

U_{ном АЦП} = 17,3/20 = 0,865 В = 865мВ (коэффициент делителя напряжения К_д = 20)

Определим значение цифрового кода на выходе АЦП при максимальном угле поворота (максимальном значении напряжения на входе АЦП):

Наибольший цифровой код 8-ми разрядного АЦП (2⁸ = 256), этому цифровому коду соответствует напряжение 1230мВ

Составляем пропорцию

х = 180 - т.е. при номинальной скорости вращения на выходе АЦП будет цифровой код 180 в десятичной системе счисления или 00B4 в шестнадцатеричной системе счисления.

8 Текст программы

;Устройство контроля углового смещение вала электродвигателя

;Программа выдает полученное с СКВТ значение угла на семисегментный индикатор

;----------------------- описание констант ----------------------------

K5 EQU #5 ;доп. коэффициент делен. для вывода

;на индикатор

;---------- присваивание имен внутренним регистрам процессора ---------

RAZ0 EQU 00H ;\

RAZ1 EQU 01H ;- хранят изображение символов

RAZ2 EQU 02H ;/ соответствующих разрядов индикатора

CORN EQU 03H ;Отцифрованное значение напряжения

;на выходе АЦП

;----------------------------------------------------------------------

ORG 0000H

JMP MAIN

;---------------- инициализация портов и регистров --------------------

MAIN:

MOV PSW,#0 ;Установка банка

MOV SCON,#11110000B;Режим3(9-битная передача,9-й бит=0)

;--------------------- основная программа -----------------------------

PROG:

MOV 17H,#K5 ;загрузка в 2.R7 дополнительного

;коэффициента деления для индикатора

MOV 15H,#1 ;установка в 2.R5 текущего разряда

;индикатора = 0

CALL ACP ;Измеряем значение напряжения на входе АЦП

CALL OUTCORN ;Вывод угла на индикатор

MOV A,CORN ;Передача результата измерения

CALL TRANS ;АЦП по RS-232

JMP PROG ;Переход на PROG

;--------------------- подпрограмма для АЦП --------------------------

ACP:

MOV P0.4,#0 ;Выбор входного канала

MOV P3,#10010000B ;Включить АЦП

NOP ;Ожидание окончания преобразования

JBC P0.3,$ ;Переход, если бит Р0.3 установлен

MOV A,P2 ;

MOVX @DPTR,A ;

MOV CORN,DPTR ;Запомнить байт

RET

;---------------------- вывод на индикатор ---------------------------

OUTIND MOV R7,#K5 ;обновить коэффициент деления

CJNE R5,#4,OUTRAZ ;подготовка текущего разряда

MOV R5,#1

OUTRAZ MOV A,R5

MOV R6,A

CLR A

SETB C ;подготовка к формирования разряда

NEXTRAZ RLC A

DJNZ R6,NEXTRAZ ;формирование кода разряда

MOV P2,A ;выставить разряд в порт

MOV A,#2FH ;маска для чтения ячеек индикатора

ADD A,R5 ;вычислить адрес ячейки

;текущего разряда

MOV R0,A

MOV A,@R0 ;считать содержимое ячейки разряда

CALL GETIMGE ;получить изображение символа

MOV P1,A ;вывести символ в порт

INC R5 ;подготовиться к следующему разряду

RET

;--------------------- вывод угла на индикатор -----------------------

OUTCORN PUSH ACC

PUSH B

MOV A,CORN

MOV B,#10

DIV AB

MOV RAZ2,B

MOV B,#10

DIV AB

MOV RAZ1,B

MOV RAZ0,A

POP B

POP ACC

RET

;-------------------- выдача изображения символа ---------------------

GETIMGE PUSH DPH

PUSH DPL

MOV DPTR,#TABLE

MOVC A,@A+DPTR

POP DPL

POP DPH

RET

;------------------ подпрограмма работы с RS-232----------------------

; Передача байта

TRANS: MOV SBUF, A ; переслать байт

JNB TI, $ ;ожидание прерывания передатчика

CLR TI ; сброс флага прерывания передатчика

RET

;----------------------- таблица символов ---------------------------

TABLE DB 11000000B ;00-'0'

DB 11111001B ;01-'1'

DB 10100100B ;02-'2'

DB 10110000B ;03-'3'

DB 10011001B ;04-'4'

DB 10010010B ;05-'5'

DB 10000010B ;06-'6'

DB 11111000B ;07-'7'

DB 10000000B ;08-'8'

DB 10010000B ;09-'9'

;------------------------- конец программы -------------------------

END

Список использованной литературы

1. Ковшов В.Д., Павлов О.Б., Каштанова С.Б. Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах: Учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. - 114с.

2 Ковшов В.Д., Павлов О.Б., Каштанова С.Б. Программирование однокристальных ЭВМ 1816ВЕ31/51: Методические указания к лаб. раб.№2 по курсу «Микропроцессорные средства и основы телемеханики» - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. - 24с.

3. Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов. Под общей редакцией Д. В. Пузанкова. - СПб.: Политехника, 2002. - 935 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru