Управление двигателем постоянного тока

 Министерство образования Республики Беларусь

 

Учреждение  образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Факультет   информационных технологий и управления

Кафедра   теоретических основ электротехники

К защите допустить:

___________________       

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовой  работе

на тему:

 

 

Управление  двигателем постоянного тока

 

 

 

 

Студент:

 

                                                                                                      

Руководитель:

Кандидат технических  наук, доцент Д.П. Кукин

 

 

 

 

Минск 2013

 

Содержание

Введение. ……………………….……………………..……………………..……3

Анализ задачи………………………….…………………………………………...5

Предварительное проектирование системы……………………………………....6

Проектирование  аппаратных средств системы……………………..………….…9

Проектирование  программного обеспечения.……………………………………10

Заключение………………………………………………………………………...18

Литература………………………………………………………………………….19

 

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная.

Приложение  2. Перечень элементов (спецификация).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Микроконтроллер — это электронный компонент объединяющий в себе  8-16 разрядный микропроцессор, RAM, ROM на флеше и ряд периферийных устройств: порты, ШИМ, AD/DA преобразователи и т.д.

Больше 10ти лет использования, микроконтроллеры зарекомендовали себя, как неприхотливые, дешёвые  устройства для различного спектра задач.

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 дает возможность выйти на качественно новый этап, так как позволяет автоматизировать широкий класс процессов и объектов, ранее не пригодных для автоматизации.

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать микропроцессорную систему управления (МПУ) скоростью вращения двигателя  постоянного тока (ДПТ).

Принцип работы

При регулировании  скорости вращения двигателя с помощью  широтно-импульсной модуляции (ШИМ, в  англоязычных текстах - PWM, pulse-width modulation) на двигатель подается полное напряжение питание, но регулируется время, в течение которого оно подается. Как правило, период подачи питания одинаков, а меняется лишь время, в течение которого оно подается. Условно говоря, мы нажимаем на кнопку питания двигателя каждую секунду, но если нам нужно только 25% мощности двигателя, то мы удерживаем кнопку нажатой всего четверть секунды, а если 50% мощности - то полсекунды. Когда же нам нужна от двигателя полноя мощность, мы держим кнопку нажатой полную секунду (то есть фактически ее просто не отпускаем).

Конечно же, в большинстве реальных случаев  питание подается на двигатель с частотой много выше, чем один раз в секунду, но принцип остается тем же.

 

 

То, что с  помощью дискретного сигнала ("включено/выключено") можно управлять аналоговой величиной (частотой вращения двигателя), делает этот способ очень популярным при использовании цифровых схем управления и, в частности, микроконтроллеров.

Обычно частота ШИМ  бывает довольно высока и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен герц. В этом случае при емкостной нагрузке происходит сглаживание пульсаций питающего напряжения и фактически мы подаем на двигатель некоторое эффективное напряжение. Скажем, при напряжении питания 10В и длительности импульса 50% от периода, мы получим точно такой же результат, как если бы просто подали на двигатель напряжение 5В. Часто именно это и требуется. Более того, это один из наиболее популярных способов регулирования аналогового напряжения в цифровых схемах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АНАЛИЗ  ЗАДАЧИ

 

          Функциональная спецификация для проектируемой системы:

 

1. В качестве устройства управление используем микроконтроллер способный генерировать ШИМ сигнал. 
2. Транзисторный ключ позволит управлять двигателями с большим диапазоном мощностей.
3. На ключевой каскад с микроконтроллера будет подаваться ШИМ сигнал с разной скважностью.
4. Для изменения скважности импульса используем две кнопки, увеличении и уменьшение.
5. Для более удобного использования устройства реализуем световую индикацию

 

Требования  к проектируемой системе:

 

1. стабильность работы
2. низкое энергопотребление
3. хорошее соотношение массогабаритных характеристик и мощности
4. внешнее изменение скорости
5. возможность работы в опасных средах

 

 

 

Основные  требования к микроконтроллеру:

- возможность  генерировать ШИМ 

- изменение  частоты и скважности ШИМ 

-иметь минимум 8 портов вывода для световой индикации и 2 порта входа для подключения кнопок

- низкое энергопотребление

-гибкость (возможность усовершенствования системы, подключение датчика скорости, второго двигателя и т.д.)

-надежность  и небольшая стоимость 

 

 

 

 

 

 

 

Предварительное проектирование системы

 

Устройство управления двигателем постоянного тока можно разделить на следующие модули:

1. Микроконтроллер
2. Транзисторный ключ
3. Двигатель
4. Устройство управления
5. Устройство индикации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание работы модулей устройства

Устройство управление состоит из двух кнопок. Первая служит для увеличения скорости вращения вала двигателя, вторая для уменьшения. При одном нажатии скважность будет увеличиваться или уменьшаться на определенную величину, тем самым изменяя частоту двигателя.

Устройство индикации выполнено виде двух 7-ми сегментных индикатора, которые имеют по 4 вывода и управляются двоичным кодом. Программа прошивки микроконтроллера включает в себя перевод с шестнадцатеричной системы счисления в десятичную. На них отображается заполненность ШИМ сигнала в процентах. Это служит для визуального определения текущей загрузки двигателя, запаса мощности и т.д.

В качестве связующего звена микроконтроллера и двигателя используется простейший транзисторный ключ. Двигатель по условию 12-ти вольтовый, но установить можно любой все зависит от используемого транзистора.

 

 

 

 

Выбор микроконтроллера

В качестве центрального узла могут  быть применены различные микроконтроллеры. Основой для  данной системы остановимся на микроконтроллерах семейства ATmega фирмы Atmel. Данный микроконтроллер  построен по так называемой Гарвардской архитектуре, то есть использована раздельная адресация памяти программ и памяти данных. Преимущества этой архитектуры заключаются в повышенном быстродействии, например ATmega выполняет одну инструкцию за один тактовый импульс, то есть при частоте 16МГц МК выполняет 16 миллионов операций в секунду.

Микроконтроллер ATmega8 (мега8, mega8) от компании AVR выбирают тысячи радиолюбителей и профессионалов по всему миру благодаря идеальному сочетанию цены, функциональности и простоте применения в проектируемых электронных устройствах. Для прошивки микроконтроллера ATMega8 не требуется сложного специализированного оборудования.

Отличительные особенности микроконтроллера :

Технические параметры:

- Память для программ составляет 8 Кб с возможностью перезаписать 10 000 раз

- 512 байт флеш-памяти для хранения переменных (100 000 циклов перезаписи)

- 1 Кб ОЗУ и 32 регистра общего назначения

- Два 8-разрядных Таймера/Счетчика с раздельным прескалером, режим сравнения

- 16-разрядный Таймер/Счетчик с раздельным прескалером, режим сравнения, режим захвата

- Таймер реального времени с независимым генератором

- 3 канала ШИМ

- Программируемый сторожевой таймер с отдельным независимым -генератором

- Встроенный аналоговый компаратор

- Сброс при включении питания, программируемая защита от провалов питания

- Встроенный калиброванный RC-генератор

- Обработка внутренних и внешних прерываний

- 5 режимов с пониженным энергопотреблением: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, и Standby

- Напряжение питания 4.5 - 5.5В

- Тактовая частота 0-16 МГц

 

23 порта ввода/вывода, объединенных в 3 группы:

Порт В (PB0 - РВ7): Два вывода (РВ6 и PB7) используются для подключения кварцевого резонатора. Выводы РВ2 - РВ5 зарезервированы для внутрисхемного программирования. Таким образом, для общего применения остаются порты PB0 и PB1.

Порт С (PC0 - РС6 : 7 выводов): Порты PC0 - РС5 можно использовать в качестве аналоговых входов. РС6 обычно используется для сброса.

Порт D (PD0 - PD7 : 8 выводов): Эти порты можно использовать для общего применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор транзистора 

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный  на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение  электропроводности транзистора, обусловливающее  переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его базу управляющего напряжения (сигнала) определённой полярности и уровня. Нагрузка, подключённая к  транзисторному ключу, оказывается  зашунтированной большим или  малым сопротивлением транзистора. В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме. Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей) Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление.  В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor). МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом

Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует  крайне мало энергии, так как практически  не потребляет входного тока.

Надежность работы у полевых транзисторов высокая, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

Для реализации транзисторного ключа используем MOSFET с N–каналом.

Транзистор IRF640 – электронный прибор из полупроводникового материала, в индивидуальном корпусе, с тремя выводами, позволяет управлять током в электрической цепи.

Характеристики транзистора IRF640:

 Тип транзистора: MOSFET с полярностью N

 Максимальная рассеиваемая мощность: 125 Вт

 Предельно допустимое напряжение сток-исток: 200В

 Предельно допустимое напряжение затвор-исток: 20В

 Максимально допустимый постоянный ток стока: 18А

 Максимальная температура канала (Tj): 150 ⁰С

 Выходная емкость (Cd), pf: 2100

Верхняя граничная частота: 100Hz