В настоящее время многие достижения в области науки и техники обусловлены развитием электроники. Сейчас невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики.

Проектирование электронных устройств промышленного назначения представляет собой процесс обработки информации, в ходе которого на основе исходных данных и других сведений, необходимых для решения поставленной задачи, с помощью определенных методик и соответствующего математического аппарата разрабатывается техническая документация на устройство, наилучшим образом отвечающему поставленной задаче проектирования.

Одним из важных направлений, в котором двигается технический прогресс, является разработка новых энергосберегающих систем управления и модернизация в этом аспекте существующих объектов промышленности. Это особенно актуально в настоящее время, в связи с постоянным удорожанием энергетических ресурсов.

Для промышленных устройств также очень важен показатель надежности, который характеризует работу устройства в неблагоприятных условиях. Ведь условия функционирования точного вычислительного оборудования на производстве в плане окружающей обстановки весьма неблагоприятные.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка микропроцессорной системы управления для асинхронного трехфазного двигателя главного движения токарного станка с параметрами, которые не уступают, а в ряде случаев и превосходят, параметры аналогичных устройств. Кроме того, в данную пояснительную записку включены результаты работы на всех этапах проектирования.

Раздел "Техническое задание" содержит предъявляемые к проектируемой системе требования, его параметры и характеристики.

Основная часть пояснительной записки содержит необходимые расчеты, тексты и алгоритмы программного обеспечения, выбор элементной базы, выбор схемных решений, необходимых для успешного проектирования и другие результаты.

В разделе "Безопасность и экологичность проекта" рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности человека при эксплуатации и техническом обслуживании источника тока и напряжения. Приводится расчет устойчивости объекта к смещению при взрыве газо-воздушной смеси, а также расчет уровня шума на рабочем месте у токарного станка.

Раздел "Стандартизация” посвящен сбору информации о стандартах, на которые делались ссылки по ходу дипломного проектирования.

В заключении отражены результаты проектирования, а список используемых источников содержит ссылки на литературу и другие источники, информация из которых была использована в настоящей пояснительной записке.

1. Наименование и назначение

Основанием для разработки является задание на дипломный проект.

Цель разработки.

В настоящее время на территории нашей страны действует комплекс стандартов единой системы конструкторской документации (ЕСКД), устанавливающих взаимосвязанные правила и положения о порядке разработки, оформления и обращения конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой организациями и предприятиями.

При выполнении дипломного проекта были использованы следующие ГОСТы:

ГОСТ 2710-81 обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах;

ГОСТ 2.30168 (СТ СЭВ 118178) форматы;

ГОСТ 2.30268 (СТ СЭВ 118078) масштабы;

ГОСТ 2.30368 (СТ СЭВ 117878) линии;

ГОСТ 2.30481 (СТ СЭВ 85178, 85578) шрифты чертежные;

ГОСТ 2.30568 обозначение графических материалов;

7. ГОСТ 2.31672 (СТ СЭВ 85678) правила нанесения на чертежи надписей,

технических требований и таблиц;

ГОСТ 2.743-92 обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники;

ГОСТ 2.730-84 приборы полупроводниковые;

ГОСТ 2.728-84 обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы;

ГОСТ 2.750-78 обозначения условные графические в схемах. Род тока и напряжение, формы импульсов;

ГОСТ 2.755-74 электрические связи, провода, кабели, шины;

ГОСТ 2.705-70 общие требования к текстовым документам;

ГОСТ 2.709-73 основные требования к чертежам;

ГОСТ 2.104-68 основные надписи;

ГОСТ 121.005-88 ССБТ общие санитарно-технические требования к воздуху рабочей зоны;

ГОСТ 120.002-80 ССБТ термины и определения;

ГОСТ 120.003-74 ССБТ опасные и вредные производственные факторы;

ГОСТ 120.004-85 ССБТ пожарная безопасность;

ГОСТ 121.005-76 ССБТ воздух рабочей зоны;

ГОСТ 121.009-76 ССБТ электробезопасность. Термины и определения;

ГОСТ 121.033-81 ССБТ пожарная безопасность. Термины и определения;

ГОСТ 121.007-0-75 ССБТ изделия электротехнические. Общие требования безопасности.

Патентный поиск

Задача данного блока состоит в получении информации о задании скорости и сигнала обратной связи от датчика и непосредственном формировании требуемого энергосберегающего алгоритма управления.

Блок цифро-аналогового преобразователя.

Для передачи цифрового сигнала от микропроцессора на блок аналоговых регуляторов требуется связующее звено, которым является цифро-аналоговый преобразователь. Требования к ЦАПу обусловлены высокой точностью преобразования и быстродействием, достаточным для вывода трехфазного сигнала с частотой 300 Гц.

Блок защиты от сбоев.

Предлагаемая структура микропроцессорной системы подразумевает, что для стабильной защиты выдаваемых параметров требуется постоянный контроль за правильностью работы микропроцессоров. Этим и занимается данный блок, который так же берет на себя обязанности правильного сброса микропроцессоров при первоначальном включении и контроля за питающим напряжением.

Блок преобразователей напряжения.

Этот блок предназначен для преобразования напряжения питающей сети в требуемые выходные, а так же их стабилизации и гальванической развязки от основной сети.

Рассмотренная структура микропроцессорной системы достаточна для создания системы, учитывающей совокупность входных и выходных параметров. В следующем пункте на основе разработанной структуры проведем расчет и выбор элементов принципиальной схемы.

Расчет и выбор параметров элементов принципиальной схемы

При проектировании устройства, согласно заданию, необходимо обеспечить ввод с клавиатуры требуемой скорости, а так же отображение на индикаторе текущего задания на скорость. Среди разных вариантов был выбран чип CE210, который представляет из себя контроллер семисегментного десятиразрядного светодиодного дисплея и клавиатуры с шиной I²C.

Его отличительные особенности:

- высокая скорость обмена по шине I²C

- возможность подключения до 64 клавиш

- малое количество внешних компонентов

- низкое энергопотребление

компактный корпус с 28 выводами.

Микросхема CE210 предназначена для создания дисплейных модулей, включающих индицирующую строку на основе семисегментного индикатора с числом знаков до 10, клавиатуру до 64 клавиш и устройство вывода простых тональных звуковых сигналов.

Высокая скорость развёртки (переход от разряда к разряду производится с частотой 5 кГц) полностью устраняет эффект мигания изображения не только при статическом наблюдении, но и при движении.

С помощью специального набора команд можно гибко управлять отображаемой информацией, не перегружая центральный процессор управляющей системы рутинными операциями развёртки и сканирования, а соединение через шину I2C даёт возможность использовать совместно и другие I2C-устройства и создать компактную систему.

Микросхема построена на основе современной КМОП - технологии, обладает низким собственным энергопотреблением (около 2 мА) и требует минимум внешних дискретных или интегральных компонентов. В частности, не требуется подключение кварцевого резонатора, так как тактовая частота генерируется с помощью простого RC-генератора, а наличие мощных выходных каскадов с током нагрузки до 25 мА, как у логического 0, так и 1, позволяет в большинстве случаев создать индицирующую строку, применив внешние ключи только для коммутации разрядов.

В состав микросхемы CE210 входят 11 функциональных блоков и устройств, обеспечивающих выполнение всех операций по приёму, обработке и выводу информации, а также развёртке изображения и сканированию клавиатуры.

Реализованный аппаратно блок интерфейса шины I2C осуществляет набор операций режима Slave и позволяет принимать и передавать битовые последовательности с высокой скоростью.

Передача информации в CE210 осуществляется 8-ми битовыми кодовыми словами (байтами), в которых старший бит является битом адреса, а младшие 7 битов битами данных. Операция чтения из CE210 приводит к передаче значения одного из внутренних регистров параметров, адрес которого был предварительно зафиксирован в блоке выборки параметров специальной командой.

Принятое микросхемой CE210 кодовое слово в зависимости от значения дополнительного адреса попадает либо в приёмный буфер команд (значение адреса 0) как управляющая команда, либо в блок выборки параметров контроллера (значение адреса 1) в виде адреса внутреннего регистра.

Рис.6.1

Функциональная схема СЕ210.

Блок выборки параметров позволяет получить прямой доступ к внутренним регистрам параметров и состояния контроллера. Разделение приёмных потоков на два сделано для преодоления последствий буферизации команд, так как при передаче адреса внутреннего регистра в общем потоке, управляющему процессору не было бы точно известно время обработки команды установки адреса и пришлось бы вводить задержки с гарантированным временем обработки всей очереди команд. В нашем же случае обработка адреса регистра производится незамедлительно и идущая следом операция чтения позволит получить значение правильного регистра даже в том случае, когда очередь команд ещё не обработана полностью.

Приёмный буфер команд представляет собой очередь размером 30 байтов, откуда команды подаются на вход блока обработки команд. Буферизация необходима по причине программной реализации большинства функций контроллера. По этой же причине накладывается ограничение на скорость передачи информации в CE210, которая не должна превышать 10 кбайт/с, при большем значении программа может не успеть переместить байт данных из блока интерфейса I2C в очередь команд до прихода следующего байта, и данные будут потеряны. Скорость обработки команд оценивается как 2 кбайт/с для операции вывода символов, но, естественно, она может изменяться в зависимости от сложности выполняемых операций. Наличие буфера позволяет передавать как минимум 30-ти байтовые последовательности с максимальной скоростью приёма информации. На самом деле, за время передачи 30 байтов существенная их часть уже будет обработана, и к концу передачи буфер окажется полупустым, а значит, реально можно передавать и большее количество байтов. Если на момент прихода очередного байта в буфере нет места, то пришедший байт просто игнорируется. Во избежание подобных ситуаций, в блоке параметров имеется специальный регистр, позволяющий контролировать заполненность буфера по количеству свободных байтов буфера и состоянию флага полностью свободного буфера. Последний чаще всего нужен для контроля за выполнением некоей командной последовательности, до завершения которой нельзя начинать выполнение следующей команды, обычно это команда доступа к блоку параметров, идущая в обход очереди.

Из приёмного буфера коды символов и командные последовательности попадают в блок обработки команд, в котором осуществляется вывод символов, а также логическая интерпретация и выполнение команд. Блок обработки связан практически со всеми устройствами контроллера и непосредственно управляет большинством рабочих процессов. Командные последовательности управляют не только отображаемой на экране информацией и выводом звука, но и задают все режимы работы контроллера, среди которых - число разрядов индикатора, метод сканирования строк клавиатуры, полярность сигналов управления индикатором и другие.

Как уже упоминалось выше, коды команд представлены 7-ми битовыми словами и представляют собой коды символов ASCII (20…7F), некоторые стандартные коды, в том числе CR (перевод строки) и FF (очистка экрана), а также специфические управляющие коды команд, разработанных специально для данного контроллера.

Код символа с помощью знакогенератора, расположенного в блоке обработки команд, преобразуется в его графическое представление, состоящее из сегментов, которое помещается в видеопамять, находящуюся в блоке развёртки. Одновременно, в зависимости от текущего состояния программы вывода символа (вывод мигающих/немигающих символов), в устройстве формирования сигналов мигания либо устанавливается флаг немигания символа, либо инициализируется счётчик паузы между переключениями символа. В этом устройстве имеется по отдельному счётчику на каждый символ видеопамяти, поэтому, хотя частота мигания символов постоянна и одна для всех символов, фаза их переключения может быть произвольной, ведь отсчёт паузы производится от момента вывода символа. Точки не являются отображаемыми символами и выводятся с помощью специальных команд, тем не менее, для каждой точки также имеется свой счётчик паузы смены мигания и он тоже инициализируется в момент включения точки.

Устройство сканирования клавиатуры может работать в двух режимах: 4х4 - выборка строк производится бегущим 0, и 4х16 - выборка строк производится четырёхразрядным номером строки, преобразуемым внешним дешифратором в бегущий 0. Так как нам не требуется 64 клавиши, то выбран первый способ. Выборка состояния очередной строки клавиатуры производится с сегментных линий контроллера через мультиплексор экран/клавиатура в промежутке между гашением устройством развёртки текущего разряда индикатора и подключением следующего. Переход между разрядами осуществляется с частотой внутреннего тактирования Fвнутр = Fтакт=1024, и при стандартной Fтакт = 5 МГц оказывается Fвнутр = 5 кГц.

Блок восстановления работоспособности предназначен для приведения микросхемы в рабочее состояние после возникновения серьёзных сбоев, приведших к невозможности работы внутреннего логического автомата. Такая ситуация возможна при прохождении сильной помехи по цепи питания, или просто от статистически допустимого сбоя в работе электронных устройств. Блок восстановления работоспособности распознаёт ситуацию зависания автомата и проводит цикл полной инициализации контроллера, аналогичный производимому по сигналу Reset.

Для завершения полной картины работы контроллера CE210 следует упомянуть об организации выполнения внутренних процессов. В обычном режиме работы внутренний автомат контроллера выполняет параллельно пять процессов методом разделения времени. Каждый из процессов обладает своим приоритетом и, как следствие, соответствующим временем реакции. Наивысший приоритет у процесса передачи данных от блока интерфейса шины I2C к приёмному буферу команд, за ним идёт процесс генерирования звука, который также выполнен программным способом, следующими - неконкурирующие процессы развёртки изображения и сканирования клавиатуры, и последним - процесс обработки и выполнения команд, поступающих из приёмного буфера.

Рис.6.2

Базовая схема включения микросхемы CE210

При большой загрузке процесса приёма данных наблюдается эффект сдвига фазы в реакции процессов с более низким приоритетом.

Здесь может быть применён десятиразрядный индикатор с соединёнными в каждом разряде на общий катод светодиодами и клавиатура 4 x 4. Так как в текущей разработке нам не требуется больше трех индикаторов, то подключены не все выходы микросхемы и в программной инициализации она переведена в режим трехразрядного отображения. Однако дорожки на печатной плате для отсутствующих индикаторов предусмотрены и при дальнейшем наращивании возможностей системы можно будет легко вернуться к полной 10-разрядной схеме.

В качестве индикаторов применены оптоэлектронные изделия фирмы HP - HDSP-F103.

Рис.6.3 Внешний вид индикатора HDSP-F103

Это индикаторы с током потребления 1мА на сегмент

Назначение внешних выводов контроллера СЕ210: GND - земля, VCC - напряжение питания +5 В, INT - выход сигнала запроса прерывания по нажатию клавиши, SCL и SDA { стандартные линии шины I2C).

Конденсаторы C1 и C2 номинальной ёмкостью соответственно 100 мкФ и 0.1 мкФ представляют собой входной фильтр питания.

Микросхеме CE210 не требуется подавать сигнал сброса, так как в ней имеются встроенные схемы запуска при подаче напряжения питания, но так как нам требуется сбрасывать контроллер не только при включении, но и в других случаях (например при срабатывании watchdog-timer), то вход Reset подключен к соответствующим выходам управляющей системы.

Резистор R3 и конденсатор C3 образуют RC-цепочку тактового генератора контроллера. Максимальная тактовая частота = 5 МГц при Vcc = 5 В получается при R3 = 4: 3 кОм и C3 = 20 пФ. Возможно понижение тактовой частоты через увеличение номиналов R3 и C3, но, учитывая высокое энергопотребление светодиодов, никакой смысловой нагрузки подобная операция не несёт. Использование меньших номиналов R и C для повышения тактовой частоты может привести к неустойчивой работе тактового генератора, и поэтому не рекомендуется.

Выходы A…H контроллера формируют импульсы зажигания сегментов очередного разряда. Резисторы R13 … R20 сопротивлением 100 Ом ограничивают ток через выходные транзисторы контроллера, который не должен превышать 25 мА. Выходы K1…K10 управляют ключами коммутации разрядов индикатора. Так как в данном случае применён индикатор с общим катодом, ключи выполнены на транзисторах структуры n-p-n с управлением выборкой разрядов положительным потенциалом на выходах K1…K10. Базовые резисторы R21…R30 сопротивлением 220 Ом обеспечивают ток базы для перевода транзисторов коммутации разрядов в ключевой режим - Iб = Iк/10, где Iк max = Iсегм * 8.

Матрица клавиатуры 4 x 4 подключена к выводам A…H через токограничивающие резисторы сопротивлением 1 кОм, предназначенные для исключения искажения информации на индикаторе при нажатии клавиш.

Выводы SCL и SDA микросхемы CE210 подтянуты к линии питания +5 В резисторами R1 и R2 и подключены к соответствующим линиям шины I2C.

Контроллер CE210 имеет выход INT с открытым коллектором для формирования сигнала запроса прерывания при нажатии на клавишу. Сигнал представляет собой отрицательный потенциал, появляющийся непосредственно после попадания в буфер клавиатурного кода, и сбрасываемый обратно в неактивное состояние при прочтении содержимого буфера. Этот сигнал используется для того, чтобы дать знать процессору управляющей системы о необходимости считывания символа, введенного с клавиатуры.

После прохождения сигнала Reset и окончания цикла инициализации микросхемы (длящегося не более 100 мс) она переходит в пассивный режим работы, в котором не производится отображение информации и сканирование клавиатуры, линии управления индикатором переведены в состояние высокого импеданса и ожидаются команды по шине I2C. Следует отметить, что автоматически генерируемый при включении питания сигнал сброса может иметь значительно большую длительность, чем цикл инициализации, и достигать 500 мс, поэтому при начальной инициализации управляющего процессора введена программная задержка.

Для связи по шине I2C микросхеме CE210 назначен базовый адрес 70h. Передача информации осуществляется как одиночными информационными байтами, то есть каждый передаваемый байт сопровождается своим Start- условием, адресом и Stop условием, так и групповым способом, когда на одну пару Start-условие и адрес (70h) приходится пакет последовательно идущих информационных байтов, завершающийся одним Stop-условием. Этот протокол полностью соответствует спецификациям фирмы Philips.

Рис.6.4

Диаграмма процесса передачи данных по шине I2C.

Рис.6.5

Диаграмма "Старт"/"Стоп" условия шины I2C

Рис.6.6

Диаграмма подтверждения приёма байта по шине I2С.

Разработанная фирмой Philips шина I2C (Inter-Integrated Circuit), - это двунаправленная асинхронная шина с последовательной передачей данных и возможностью адресации до 128 устройств. Физически шина I2C содержит две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 10 кОм.

Все абоненты шины делятся на два класса - Master и Slave. Устройство Master генерирует тактовый сигнал (SCL) и, как следствие, является ведущим. Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое Slave-устройство с целью передачи или приёма информации. Все Slave-устройства слушают шину на предмет обнаружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию.

В начальный момент времени, в режиме ожидания, обе линии SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзистор выходного каскада с ОК закрыт). В режиме передачи бит данных SDA стробируется положительным импульсом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. Slave-устройство может єпридерживать линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом Master-устройство обязано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжить передачу информации.

Рис.6.7

Формат операции чтения/записи.

Для синхронизации пакетов шины I2C различают два условия - Start и Stop, ограничивающие начало и конец информационного пакета. Для кодирования этих условий используется изменение состояния линии SDA при единичном состоянии линии SCL, что недопустимо при передаче данных. Start-условие образуется при отрицательном перепаде линии SDA, когда линия SCL находится в единичном состоянии, и

наоборот, Stop-условие образуется при положительном перепаде линии SDA при единичном состоянии линии SCL.

Передача данных начинается по первому положительному импульсу на линии SCL, которым стробируется старший бит первого информационного байта. Каждый информационный байт (8 битов) содержит 9 тактовых периодов линии SCL. В девятом такте устройство-получатель выдаёт подтверждение (ACK) - отрицательный импульс, свидетельствующий о взаимопонимании передатчика и получателя.

Как уже упоминалось в начале этого раздела, с логической точки зрения все приходящие на контроллер СЕ210 по шине I2C команды и параметры являются семибитовыми. Восьмой бит задаёт адрес получателя - блок обработки команд в случае 0, и блок выборки параметров в случае 1. Разделение по адресному признаку производится по жёсткой схеме до логической интерпретации команд, поэтому, если передать только два байта трёхбайтовой команды и, не завершив её, поработать с блоком выборки параметров, то, вернувшись затем к блоку обработки команд, можно продолжить передавать команду непосредственно с прерванной точки. Другими словами, это означает, что три потока данных (два внутрь и один наружу) весьма слабо связаны друг с другом и воздействуют один на другой лишь косвенно.

Информацию, поступающую в блок обработки команд, можно разделить на две категории - символьную и командную. Символьная информация представляет собой коды символов ASCII, имеющие значения 20h…7Fh.

Коды команд располагаются в области значений 00h…1Fh и являются либо законченными командами, либо инициируют приём командной последовательности в том случае, если команда требует дополнительных операндов. В первую группу входят команды, управляющие собственно выводом символов на экран.

Кроме того, имеется группа команд, осуществляющая программирование режимов работы контроллера. Эти команды реализованы через код ESC (1Bh) и имеют формат: ESC + команда + операнд.

Для доступа к внутренним регистрам контроллера реализована стандартная

операция чтения из устройства I2C (базовый адрес 71h для CE210). При её выполнении производится передача в управляющую систему содержимого регистра, адрес которого был предварительно установлен командой записи в регистр адреса параметра. Установка адреса, как упоминалось раньше, производится передачей управляющего байта с установленным в 1 старшим битом, при этом оставшиеся семь битов образуют устанавливаемый адрес.

Для реализации требуемого интерфейса ввода и отображения задания на скорость требуется контроллер, работающий по протоколу I2C в качестве "Мастер" устройства. В качестве такого контроллера был выбран микроконтроллер фирмы ATMEL - AT89C51, работающий на частоте 12 МГц, который представляет из себя базовый вариант MCS51-совместимого контроллера с 4 Кб флэш памяти.

Был разработан алгоритм функционирования программы. Написано и отлажено программное обеспечение.

Вот перечень тех задач, которые выполняет управляющий микроконтроллер:

- полная программная поддержка протокола I2C и, как следствие, возможность в дальнейшем подключения других периферийных устройств с этим протоколом;

- ввод и отображение на индикаторе текущего задания на скорость;

- проверка корректности введенных значений;

- выдача сигнала ошибки, в случае неправильно введенного значения;

- коррекция неправильно введенного значения;

- выдача на основной процессор сигнала задания на скорость в параллельном коде.

- возможность проведения диагностики силовой части системы и выдачи соответствующих кодов ошибки.

Алгоритм работы и программное обеспечение данного микроконтроллера приводятся в приложении 1 и 2 дипломного проекта.

Для ввода данных была выбрана специализированная пылевлагозащищенная клавиатура (KP-3) фирмы Oktagon Systems.

Блок обработки и выдачи данных.

Данный блок непосредственно реализует энергосберегающие законы частотного управления асинхронным двигателем.

Согласно структурной схеме он включает в себя функциональные узлы, выполняющие программно следующие преобразования сигналов:

- ограничение скорости изменения цифрового сигнала задания скорости _З [n] (задание интенсивности);

- формирование цифрового кода скорости [n] из импульсного сигнала частотного таходатчика (аналоговый датчик скорости не пригоден);

- вычисление цифрового сигнала рассогласования задания с измеренной скоростью [n];

- вычисление цифрового сигнала задания момента М_З [n] в соответствии с алгоритмом выбранного цифрового регулятора скорости, а также с учетом ограниченной перегрузочной способности двигателя;

- вычисление цифровых сигналов задания реактивного I [n] и активного I_a [n] токов статора в системе вращающихся вместе с магнитным полем статора координат;

- вычисление скорости скольжения _c [n] ротора относительно скорости магнитного поля и соответствующей скорости магнитного поля _s [n], пропорциональной частоте токов статора f_S;

- преобразование цифрового кода _s [n] в частотный сигнал, являющийся опорным для задания фазных токов статора в естественной системе координат;

- преобразование выходного сигнала в параллельный код, понятный ЦАПу.

Была проведена работа по поиску наилучшего микропроцессора для реализации данных задач. В итоге был выбран новейший высокоскоростной микроконтроллер фирмы Dallas Semiconductor - DS89C420.

Этот микроконтроллер представляет из себя первый полностью 8051-совместимый прибор с рекордной скоростью выполнения машинных инструкций за такт. Его быстродействие равно одной инструкции за такт или 50MIPs при тактовой частоте 50MHz. Результаты тестов показывают, что компании Dallas Semiconductor удалось достичь 50-кратного роста производительности по сравнению с промышленным 8051 стандартом и, в то же время, 6-ти кратного роста производительности по сравнению с высокоскоростными 8051-микроконтроллерами, которые также являются фирменными разработками DSC.

25 стандартных команд выполняется за один такт, минимальная длительность которых составляет 20нс. Еще 54 команды выполняются за 2 такта. Остальные команды выполняются за 3 или 4 такта. Наиболее долго выполняются команды умножения и деления (9 и 10 тактов соответственно).

Наряду с рекордной производительностью, DS89C420 располагает 16К энергонезависимой Flash памяти, что позволяет программировать его в любом из трех режимов: после встраивания в систему, из прикладной программы или стандартным методом параллельного программирования. Эти возможности являются результатом заново спроектированного 8051 ядра и улучшенных методов адресации и доступа к памяти. В то же время, DS89C420 остается полностью (по расположению и назначению выводов и набору инструкций) совместимым с существующими 8051 системами.

Уникальная архитектура памяти способствует повышению быстродействия и позволяет оперативно изменять программу. Встроенная логика управления памятью позволяет прикладной программе динамически конфигурировать блоки памяти, исполняя пользовательские процессы в одном блоке и, одновременно, перепрограммируя другой блок. Когда данный блок перепрограммирован, программа может переключиться на другой блок для стирания и перепрограммирования. Flash boot loader поддерживает внутрисистемное программирование через последовательный порт, открывая внутреннюю Flash память для доступа из внешнего программного кода. В третьем режиме DS89C420 также поддерживает Flash или EPROM программаторы.

В силу изначально высокого быстродействия, DS89C420 поддерживает функцию удлиненных тактов, а также постраничный или линейный интерфейсный режимы для взаимодействия с более медленными внешней памятью и периферийными устройствами.

DS89C420 содержит два указателя на данные, которые могут быть использованы для перемещения блоков данных как вперед, так и назад. Эта уникальная возможность автоматического изменения числа указателей снижает количество инструкций и повышает скорость операций. Дополнительно существуют 13 источников прерываний с пятью уровнями приоритетности вместо трех, три 16-ти битных таймера/счетчика и сторожевой таймер. Внутренний делитель частоты позволяет использовать режим управления потреблением (Power Management Mode), когда DS89C420 выбирает скорость операций, исходя из сигналов программы, и поддерживает все процессы на низких уровнях потребления без выключения. В дополнение ко всему этому, умножитель частоты позволяет выполнять полноскоростные операции с медленных, более доступных, кристаллов.

Основные особенности DS89C420:

· длительность машинного цикла равна 1 такту кварцевого резонатора;

· 8052-совместимая система команд;

· работа на тактовой частоте до 50МГц;

· 16Kb Flash-память с внутрисистемным программированием;

· 1 Кбайт ОЗУ доступного по команде MOVX;

· два указателя данных DPTR с автоматическим инкрементом/декрементом;

· два последовательных порта передачи данных;

· программируемый сторожевой таймер;

· три 16-битных таймера/счетчика;

· возможность программного переключения на более низкую частоту для уменьшения энергопотребления;

· генерация сигнала RESET при включении и при уменьшении питания.

Все вышеперечисленные характеристики позволили полностью реализовать требуемый алгоритм работы системы без применения дорогостоящих 16 разрядных микроконтроллеров и средств отладки под них.

Главной проблемой при реализации контура скорости является точность определения частоты вращения двигателя. Измерение скорости традиционным или даже бесконтактным аналоговым тахогенератором с присущей этому способу погрешностью приводит к весьма значительной ошибке задания момента.

Использование любых двух из трех гибких 16-разрядных таймеров/счетчиков в составе микроконтроллера существенно упрощает задачу формирования цифрового кода скорости [n]. Так, в заданном диапазоне частот вращения вала двигателя (90…4500) мин^-1 при использовании датчика положения ПДФ-7, формирующим 1500 импульсов за оборот и схемы учетверения сигнала, которая обеспечивает выдачу 6000 импульсов за оборот (при этом реализуется простейший М-метод формирования числового эквивалента скорости), частота счетных импульсов изменяется в пределах от 9 кГц до 420 кГц. Если принять интервал счета, а следовательно и период дискретизации цифрового контура равным 10 мс, (учитывая высокое быстродействие микроконтроллера DS89C420), то ошибка квантования на нижней границе диапазона частот вращения составляет менее 2%. В течении принятого периода дискретизации T_o микроконтроллер выполняет целый ряд вычислительных операций. Во-первых, реализуются функции задатчика интенсивности в соответствии со следующим конечно-разностным уравнением:

'_З [n] = '_З [n - 1] + () sign{_З [n] - '_З [n - 1] },

где _З [n] - текущее, введенное в микроконтроллер, задание скорости, - приращение системного задающего сигнала '_З [n] в соответствии с выбранной интенсивностью. () /T_O.

Далее микроконтроллер реализовать алгоритм регулятора скорости, который для пропорционально-интегрального регулятора представляется следующими конечно-разностными уравнениями:

[n] = '_З [n] - [n]; M_З [n] = M_З [n - 1] +A [n] +B [n - 1];

где коэффициенты А и В определяются параметрами регулятора. Полученное задание на момент M_З [n] должно быть соотнесено с максимально допустимым значением: M_З [n] M_Зmax, где M_Зmax=₁M_ном при '_З [n] _ном и M_Зmax=₂P_ном/'_З [n] при '_З [n] _ном, а ₁, _{2 -} допускаемые коэффициенты перегрузки двигателя.

В соответствии с энергосберегающим законом управления микроконтроллер определяет задание на реактивный ток статора I_:

I [n] =I' ₍C+DM_З [n] ) при '_З [n] _ном, или

I [n] =I' ₍C+E M_З [n] '_З [n] ) при '_З [n] _ном,

где I'=F (_З [n]) - табличная функция, хранимая в памяти микроконтроллера, зависящая от параметров двигателя, C,D,E - коэффициенты, также зависящие от параметров двигателя.

И, наконец, микроконтроллер определяет задание на активный ток статора и частоту скольжения:

I_a [n] =G M_З [n] / I [n];

_C [n] = M_З [n] /H I ² [n];

где G,H - коэффициенты, зависящие от параметров двигателя.

Учитывая, что ЦП микроконтроллера 80С296SA выполняет обычную команду за 20 нс, команду умножения за 180 нс (при тактовой частоте 50 МГц), время реализации всей совокупности вычислительных операций составило около 200 мкс. Это очень малая величина по отношению к выбранному периоду Т_о, что позволяет не принимать во внимание запаздывание вычислителя.

Дополнительной задачей цифрового контура скорости является преобразование заданий на ток статора, представленных в системе пространственных координат, связанных с вращающимся магнитным полем двигателя, в задание фазных токов:

I_a [k] = - I_a cos (2k/N) + I sin (2k/N);

I [k] =I cos (2k/N) + I_a sin (2k/N).

Здесь k - порядковый номер интервала ступенчатой аппроксимации гармонической функции, N - число интервалов на периоде T_S =1/f_S.

Особенностью является изменяющаяся в широких пределах частота тока статора f_S (до 300 Гц), вычисляемая согласно соотношению:

f_S [n] =K ( [n] +_C [n]).

При разбиении T_S на 24 интервала (N=24), что обеспечивает вполне приемлемую форму задающих сигналов, минимальный ресурс времени для координатного преобразования составляет около 100 мкс. При табличной реализации гармонической функции вычисление значений I [k] и I [k] микроконтроллер DS89C420 производит практически мгновенно, а для тактирования процесса координатного преобразования используется третий таймер в составе микроконтроллера. Счетчик интервалов k реализовывается программным путем.

При тактовой частоте 50 МГц временные задержки таймера программируется в двух пределах: 20 нс - 1,31 мс и 240 нс - 15.7 мс, что позволяет выбрать базовый временной интервал величиной 10 мс без применения перезагрузки базового таймера.

Сигналы задания фазных токов I_3A, I_3B, I_3C в установившемся режиме работы являются синусоидальными функциями времени, сдвинутыми относительно друг друга на треть периода, то есть образуют симметричную систему. Они формируются программным координатным преобразователем на основе данных, задающих частоту фазных токов, и сигналов задания активного Ia и реактивного I токов, определяющих амплитуду фазных токов. Преобразование осуществляется в две ступени. Вначале рассчитывается двухфазная система сигналов: