Розробка мікроконтролерного крокового електроприводу з кроковим двигуном - Курсовая работа

Сучасні високі вимоги до виробництва різних механізмів та якість виготовлених виробів можуть забезпечуватись тільки на основі автоматизації побутових електроприводів. Успіх автоматизації значною мірою залежить від технічних засобів її реалізації, тобто від індивідуальних властивостей всіх окремих пристроїв або елементів, сукупність яких утворює побутову електромеханічну систему - автоматизований електропривод. Елементна база, що практично забезпечує автоматизацію і реалізовує необхідні властивості систем електроприводу, тобто з розвитком мікроконтролерної техніки, постала проблема використання здобутків цього розвитку в електроприводі. Крокові двигуни широко використовуються в принтерах, автоматичних інструментах, приводах дисководів, автомобільних приладових панелях і інших приладах, що вимагають високої точності позиціонування і мікропроцесорного управління.Згідно завдання на курсове проектування необхідно розробити мікроконтролерний електропривід з кроковим двигуном (КД). Електропривід повинен забезпечувати вимірювання приємистості двигуна, струму споживання та потужності споживання: - напруга живлення постійного струму 22 В;Сигнал керування, що приходить на логічний блок, забезпечує подачу сигналу керувань на комутатор, тим самим сприяючи переміщенню ротора двигуна на один крок. Проте для конкретних цілей можна сконструювати необхідний логічний блок підбором відповідної інтегральної мікросхеми, що реалізовує тригер з логічним входом, що спрацьовує по зворотному фронту сигналу управління (тригери JK - FF), і логічних схем. Нехай тригери Т2 і ТЗ знаходяться в одиничному стані, а тригер ТІ в нульовому; тоді відкритий релейний підсилювач П1 і струм проходить по обмотці першої фази. Якщо імпульси поступають по входу І, то перший імпульс через ячейку И41 поставить тригер Т2 в «0 », підтвердить стан «0 » тригера ТІ через ячейку И21 і стан «1 » тригера ТЗ через ячейку И51. Але якщо вихідні сигнали логічного блоку недостатні для управління силовими транзисторами, то необхідно між комутатором і логічним блоком включити підсилювач, як це показано на (рис.Розглянемо найпростішу схему керування кроковим двигуном без стабілізації струму в обмотках (рис. Вона складається з наступних вузлів: керування; мікроконтролера; транзисторних силових ключів; стабілізації напруги; живлення; крокового двигуна. Схема працює наступним чином, за допомогою вузла керування в мікроконтролер подається сигнал на виконання певної програми, мікроконтролер в залежності від того яка програма виконується подає певну часову послідовність керуючих сигналів на вузол транзисторних силових ключів, які в свою чергу в необхідній послідовності комутують обмотки крокового двигуна. Недоліки, що повязані із нестабільністю роботи на високих швидкостях усуваються у схемі керування кроковим двигуном з стабілізацією струму в обмотках (рис. Для цього схема доповнюється компаратором та датчиком струму в обмотках КД, які контролюють і забеспечують стабілізацію струму в обмотках, що гарантує надійну роботу системи на високих швидкостях та навантаженнях.Врахувавши переваги та недоліки всіх розглянутих варіантів структурних схем, можна констатувати наступне: схема по першому варіанту є найпростішою з точки зору її побудови та реалізації, але вона не має необхідних сервісних функцій; схема по другому варіанту відрізняється від попередньою лише наявністю датчика контролю струму обмоток КД та вузла компараторів, що являється її перевагою; особливістю схеми по четвертому варіанту являється, відносно широкі функціональні можливості та простота, а також наявність індикації результатів відпрацювання програми КД і індикації порядку комутації обмоток. Це як прості мікроконтролери серій РІС12, РІС14, які мають корпус лише на 8 - 16 виводів та однократно програмовану память (ОТР ROM) розміром від 256 до 2048 команд, тактовою частотою до 8 МГЦ; так і більш потужніші РІС17, РІС18, що характеризуються більш великою памяттю на 16 - 32 тисяч команд, широко розгалуженою системою вбудованих багатофункціональних портів, високою тактовою частотою (до 40 МГЦ) та ефективністю виконання програмного коду до 1 команда/такт. Вибираємо конденсатори СІ типу К10-17-16 ємністю 0,1 МКФ , С2 типу К10 - 7В ємністю 4,7 МКФ з номінальною напругою 16 В, СЗ і С4 типу К50 - 15 ємністю 22 МКФ.Сумарна потужність споживання блоком керування дорівнює сумі потужностей, що споживаються всіма елементами схеми . IMG_712bb60a-f8e5-4b9b-898a-51ab9fcb432a Потужність що виділяється на вихідних каскадах ключів у Вт: IMG_23a95683-47a9-47ff-b8d8-f010bbfdf2b1 Потужність що виділяється на транзисторі VT20 у Вт: IMG_64ee7eff-8c66-48d1-ba85-5c66508cabdc Потужність що виділяється на транзисторі VT1 у Вт: IMG_c5b6fed9-bbae-4389-9551-6a051a364592 (4.7) Потужність що виділяється на мікросхемі DA1 у Вт: IMG_6ebb91a6-7eb8-48c4-bcf9-ea1997a6e63dНа основі аналізу літературних джерел розробленні варіанти структурних схем та прийнято обгрунтоване рішення з проектування мікроконтролерного електроприводу та його структурної схеми.

Врахувавши переваги та недоліки всіх розглянутих варіантів структурних схем, можна констатувати наступне: схема по першому варіанту є найпростішою з точки зору її побудови та реалізації, але вона не має необхідних сервісних функцій;

схема по другому варіанту відрізняється від попередньою лише наявністю датчика контролю струму обмоток КД та вузла компараторів, що являється її перевагою;

у схему по третьому варіанту в порівнянні із попередніми введені вузол датчика кількості кроків КД та вузол обробки сигналу. Це звичайно надає їй певні переваги, але одночасно ускладнює її конструктивну реалізацію та підвищує вартість;

особливістю схеми по четвертому варіанту являється, відносно широкі функціональні можливості та простота, а також наявність індикації результатів відпрацювання програми КД і індикації порядку комутації обмоток.

Одже остаточно приймаємо структурну схему по першому варіанту.

3.2 Розробка схеми електричної принципової електропривода

Вихідними даними для розробки вузлів є основні параметри крокового двигуна типу ШД - 5 МУЗ.

Технічні характеристики КД наведені у таблиці 4.1.

IMG_b8551922-ae65-4d9d-b5d2-8e66874f6cd6

3.1 Розробка вузла мікроконтролера

3.1.1 Вибір мікроконтролера

Задачу керування електричними двигунами можна реалізувати на базі універсальних мікропроцесорів або спеціалізованих мікроконтролерів.

Використання мікроконтролерів є у даному випадку більш оправданим, оскільки вони містять в собі одночасно память (оперативну та постійну), блок обчислення, генератор тактової частоти, а також такі елементи як вбудовані порти вводу/виводу. Таким чином більш доцільним у даному випадку є застосування мікроконтролера.

Сучасна електронна промисловість надає широкий вибір, різних за своїми характеристиками, мікроконтролерів та мікропроцесорів. Наприклад, 8 - бітні мікроконтролери фірм Intel 8048, 8051, 16 - бітні 80196, 80296, i960, STRONGARM, мікропроцесори 8080, 8086, 80x86, Pentium. Історично, одним з перших та найбільш популярних є мікроконтролери на базі ядра контролера Intel 8051 (сімейство MCS - 51). Найбільш простими за функціональністю є 8 - бітні CISC - процесори. Вони характеризуються низькою швидкодією, великим розміром програмного коду, і є найбільш поширеним саме через простоту набору команд [7].

Поряд з даним широкого застосування отримав мікроконтролер фірми МІСГОСHІР, що виготовляє велику кількість високоефективних мікропроцесорів на базі RISC - ядра. Це як прості мікроконтролери серій РІС12, РІС14, які мають корпус лише на 8 - 16 виводів та однократно програмовану память (ОТР ROM) розміром від 256 до 2048 команд, тактовою частотою до 8 МГЦ; так і більш потужніші РІС17, РІС18, що характеризуються більш великою памяттю на 16 - 32 тисяч команд, широко розгалуженою системою вбудованих багатофункціональних портів, високою тактовою частотою (до 40 МГЦ) та ефективністю виконання програмного коду до 1 команда/такт. Більшість мікроконтролерів характеризуються відокремленням памяті даних та команд. Мікроконтролери фірма МІСГОСHІР не є виключенням. Однак, вони мають розрядність від 12 до 16 біт на одну команду в залежності від сімейства, при 8 бітній розрядність памяті.

Фірма Atmel пропонує поряд з аналогами MCS - 51 (серія АТ89), 8 - бітні RISC мікроконтролери сімейств АТ90 та АТ91. Окрім цього, сімейства серії АТ89, фірма Atmel виробляє 8 - бітні RISC мікроконтролери сімейства АТ90 (АТ90S2222, АТ90S8535 та ін.), а також сімейство ATMEGA (ATMEGA8, ATMEGA16, ATMEGA163, ATMEGA48 та ін.), сімейство АТ91 Arm Thumb представлені потужними 32 - бітними мікроконтролерами.

Заслуговують на увагу мікроконтролери на базі ядра MSP430 фірми Texas Instrument. Це ядро дозволяє виконувати програми із тактовою частотою до 40 МГЦ, одночасно маючи найнижчий серед усіх мікроконтролерів струм споживання - 25 МКА.

Мікроконтролери від Analog Device є найбільш популярними процесорами для обробки аналогової інформації (DSP, (digital signal procesor).

Фірма Motorola відома своїми потужними мікроконтролерами серій МС6800 та МС68000. Мікроконтролери сімейства DSP56001 більш орієнтовані на обробку аналогової інформації.

Виробництвом мікроконтролерів займаються також фірми - Analog Device, Dallas semiconductor, ISSI, National Semiconductor,NEC, Philips, SGS-Thomson, Siemens, TDK, ТЕМІС, та ряд інших.

Перевагою сучасних мікроконтролерів сумісність за живленням, розташуванням виводів, та здатність підтимувати програмне забезпечення попередніх моделей. Серед вище розглянутих, вимогам простоти та швидкодії задовольняють мікроконтролери серії ATMEGA. Таким чином для схеми вибираємо 8-ми розрядний AVR мікроконтролер з 2 Кбайт Flash памятю з внутрисистемного програмування типу АТ90S2313, цокольовка якого приведена на рис.4.1 [7].

Для побудови вузла мікронотролера необхідно забезпечити стабільність частоти роботи за допомогою кварцового резонатора. Автоматичний скид мікроконтролера забезпечується RC - колом. Схема вузла мікронтролера представлена на рис.3.5.

IMG_c2f20cb1-58a6-4ea6-ac6c-69fd9eda6c06

Малюнок 3.5 - Виводи мікроконролера АТ90S231

Вибираємо конденсатори СІ типу К10- 17- 16 ємністю 0,1 МКФ , С2 типу К10 - 7В ємністю 4,7 МКФ з номінальною напругою 16 В, СЗ і С4 типу К50 - 15 ємністю 22 МКФ. Кварцовий резонатор QZ21 з частотою 4 МГЦ. Резистор R1 типу С2 - 23 - 0,125 - 62 КОМ 10 % [9].

IMG_8780c807-d9cb-4912-a265-0d0b4100a4a4

3.2 Розробка вузла комутації обмоток КД

Вузол комутації забезпечує підключення обмоток КД до джерела живлення постійного струму у необхідній послідовності згідно команд які поступають з вузла МК. Основними вимогами до розробки вузла комутації є: - висока швидкодія;

- гнучкість керування;

- низькі втрати потужності в електронних ключах;

- захист схеми керування від силового кола;

- захист схеми від ЕРС самоіндукції фазних обмоток КД.

В якості перемикаючих елементів можуть бути електронні ключі на біполярних або польових транзисторах. Для забезпечення електричних втрат доцільніше використовувати ключі на польових транзисторах, оскільки вони мають менший опір у відкритому стані ніж ключі ніж ключі на біполярних транзисторах. Обираємо уніполярний транзистор IRFZ4N зарубіжного виробництва. На рис.3.7 показана його внутрішня схема (а), та зовнішній вигляд (б).

IMG_2e30ef58-8fb5-4c51-a387-eb14ba02b736

Параметри транзистора IRFZ44N [8]. логічний рівень - НІ;

напруга пробою стік-витік Vdss = 55 В;

опір стік-витік відкритого транзистора Rds = 0,024 Ом;

постійний струм стоку, при температурі 25°С, Id= 41 А;

постійний струм стоку, при температурі 100°С, Id = 29 А;

максимальний тепловий опір кристал-корпус R = 1,8 °С/Вт;

максимальна розсіювана потужність Pd = 10 Вт.

Для забеспечення керування вихідним ключем застосуємо два транзистори VT1, VT2 та резистори R1, R2, RЗ.

Схема вузла комутації представлена на рис.3.8.

IMG_06fd0252-2af5-4bde-a4e2-f0d8b531f2c1

Малюнок 3.8 - Схема вузла комутації

Для вузла комутації вибираємо такі елементи [6]: - транзистор VT1 типу КТЗ102А ;

- транзистор VT2 типу КТЗ107А;

- резистори R2, RЗ типу С2 - 23 - 0,125 - 12 КОМ ± 10 %;

- резистор R4 типу С2 - 23 - 0,125 - 2 КОМ ± 10 %.

Для забезпечення перемикання обмоток двигуна необхідно шість аналогічних вузлів комутації.

3.3 Розробка вузла керування

Вузол керування мікроконтролера представляє собою набір із шести кнопок, за допомогою яких можна задавати різні режими роботи: «Пуск», «Стоп», «Прискорення», «Сповільнення», «300», «Реверс».

3.4 Розробка вузлів індикації режимів роботи та порядку комутації обмоток КД

Для забезпечення індикації режимів роботи схеми дослідження КД використовуємо десятирозрядний рідкокристалічний індикатор з вбудованим контролером типу НТ1613, який через резисторні дільники підєднується до виводів мікроконтролера PDO - PD1 (рис.3.9). Для згладжування пульсацій напруги живлення індикатора використовується конденсатор С5 типу К10 - 17 - 1б ємністю 47 МКФ 16 В [9].

IMG_e9549c80-8731-4d0e-9e12-a39904a01fbd

Малюнок 3.9 - Вузол індикації режимів роботи КД

Для вузла індикації режимів роботи КД елементи [9]: - резистори R5, R6 типу С2 - 23 - 0,125 - 10 КОМ ± 10 %;

- резистор R7 типу С2 - 23 - 0,125 - 12 КОМ ± 10 %;

- резистори R8, R9, R10 типу С2 - 23 - 0,125 - 4,3 КОМ ± 10 %.

Для індикації порядку комутації обмоток КД використовуємо світлодіоди типу АЛ307Г.

3.5 Розробка блока живлення кроковий електропривід мікроконтролер

Блок живлення забезпечує подачу необхідних напруг для живлення обмоток КД та схеми керування.

Отже поставимо необхідні вимоги до схеми живлення: - постійний струм;

- стабільність напруги;

- можливість регулювання напруги живлення;

- згладженість пульсацій напруги;

- захист від перенавантажень.

Живлення всього блоку буде забезпечена від мережі змінного струму 220 В. Розрахункова потужність обраного КД ШД-5 МУЗ :

IMG_027827ac-8da9-436c-861f-982e1a1e9f8c

IMG_7103f60b-f1d7-458d-9d77-d8445c2f3d5b

Блок живлення складається з силового трансформатора, випрямляча, та стабілізатора напруги. Напруга живлення обмоток буде поступати з виходу схеми випрямлення. Для живлення кіл схеми керування служить вузол стабілізації. Схема блока живлення представлена на рис. 3.10.

IMG_036d027b-884e-49f0-9eb0-a31a9232dadc

Вузол стабілізації напруги складається із інтегральної мікросхеми стабілізатора DA1 стабілітрона YD2, транзистора VТЗ.

Вибір елементів блока живлення [9]: - конденсатори: С6 типу К50 - 35 ємністю 10000 МКФ напругою 50 В;

С7 - типу К50 - 35 220 МКФ - 25 В;

С8 - типу К50 - 35 220 МКФ - 16 В;

- резистори: R11 типу С2 - 23 - 0,125 - 10 КОМ 10 %;

R12 типу С2 - 23 - 0,125 - 1 КОМ ± 10 %;

-діод VD1ТИПУКВРС1502W;

- стабілітрон VD2 типу Д814Д;

- світлодіод HL1 типу АЛ307БМ;

- транзистор VT4 типу КТ817Г;

- інтегрований стабілізатор напруги DA1 типу К142ЕН5А.

3.6 Принцип дії схеми електричної принципової

Схема електрична принципова приведена на креслені та у додатках.

Для обертання вала двигуна необхідно подавати на його обмотки напругу 18...20 В при сумарному споживаному струмі 7,5 А.

Для комутації обмоток двигуна служать польові транзистори великої потужності з малим опором відкритого каналу, опір відкритого каналу складає лише 0,035 Ом (VT14-VT19). Це дозволяє зменшити енергетичні втрати. Формувачем імпульсів змінної шпарності служить аналогічний польовий транзистор VT20, увімкнений у загальний ланцюг живлення обмоток двигуна. Для забезпечення достатньої амплітуди імпульсів на затворах польових транзисторів, їхні вузли живляться напругою 12 В, яку знімають із першого ступеня стабілізатора напруги на транзисторі VT1 і стабілітроні VD2.

Для живлення мікроконтролера DD1 напругою 5 В передбачена друга ступінь - інтегральний стабілізатор DA1. Інформацію про режим роботи двигуна мікроконтролер виводить на цифровий десятирозрядний рідинно кристалічний індикатор HG1 з вбудованим контролером НТ1613.

Для запуску двигуна служить кнопка SB1 - для зупинки SB2. Частоту обертання вибирають із трьох можливих фіксованих значень натисканнями на кнопки SВЗ й SB4. Якщо задана частота більше мінімальної, розгін відбувається із секундними затримками на кожному із проміжних значень. При натисканні й утриманні кнопки SB5 вал обертається з мінімальною частотою (300 об/хв) незалежно від стану інших кнопок і заданої робочої швидкості. За допомогою кнопки SБ6 змінюють напрямок обертання. Індикатор приладу відображає умовний номер режиму роботи, напрямок обертання (символ І_ - проти годинникової стрілки, символ _І - за годинниковою стрілкою) і значення його частоти (300, 400 або 500).

У вузол керування рекомендується встановити два вентилятори. Перший повинен обдувати тепловідвід, на якому укріплені польові транзистори VT14-VT20 і діодний міст VD1, а другий - інші елементи блоку, особливо конденсатори С1 і С9, які сильно нагріваються великим імпульсним струмом.