1011

Разработка микропроцессорного устройства управления шаговым биполярным двигателем

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Разработка схемы электрической принципиальной. Выбор микросхемы и интерфейса связи. Выбор силового драйвера управления. Характеристика устройств используемых в разрабатываемой схеме. Разработка блока управления биполярным шаговым двигателем на микроконтроллере Atmega8535.

Русский

2013-01-06

517 KB

383 чел.

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова»

Кафедра «Мехатронные системы»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: «Разработка микропроцессорного устройства управления шаговым биполярным двигателем»

по дисциплине: «Микропроцессорная техника»

     Выполнил:  студент гр. 8-05-3

Клековкин А.В.

                              Проверил:  Караваев Ю.Л.                                                  

Ижевск 2012

Содержание

Техническое задание 3

Введение 4

1. Разработка структурной схемы 10

2. Разработка схемы электрической принципиальной. 11

2.1 Выбор двигателя 11

2.2 Выбор микроконтроллера 11

2.3 Выбор микросхемы и интерфейса связи 11

2.4 Выбор датчиков 12

3. Расчет схемы электрической принципиальной 13

3.1 Выбор силового драйвера управления. 13

3.2 Расчет резисторов. 13

4. Разработка печатной платы 14

5. Разработка сборочного чертежа 15

Заключение 16

Список литературы 17

Приложение А. Характеристика устройств используемых в разрабатываемой    схеме.

Приложение Б. Схема электрическая принципиальная.

Приложение В. Перечень элементов.

Приложение Г. Плата печатная.

Приложение Д. Сборочный чертеж.

Приложение Е. Спецификация.

Техническое задание

Разработать блок управления биполярным шаговым двигателем на микроконтроллере Atmega8535. Разработать схему электрическую принципиальную с перечнем элементов, на ее основе разработать чертеж печатной платы и сборочный чертеж.

Исходные данные.

Микроконтроллер:  Atmega8535-16PU.

Тип датчика обратной связи:  оптический концевой датчик.

Тип силового ключа: драйвер L298N.

Органы управления: кнопки движения, кнопка выхода в нуль.

Интерфейс связи: UART.

Введение

В настоящее время электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Двигатель обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую. Разработка высокопроизводительных, компактных, экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.   

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Существуют микроконтроллеры различных типов программирования: однократно программируемые и перепрограммируемые. Применение перепрограммируемых микроконтроллеров неизбежно влечет за собой изменение в системе управления. Малые размеры корпусов различного исполнения делают микроконтроллеры пригодными для портативных устройств. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования, наличие достаточного количества портов ввода/вывода способствуют применению микроконтроллеров в различных областях.

В нашей курсовой работе используется шаговый биполярный двигатель.

Шаговый двигатель

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Униполярный шаговый двигатель.

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Биполярный или гибридный шаговый двигатель.

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для полношагового режима.

Рисунок 3 – Последовательность управления ШД в полношаговом режиме.

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Рисунок 4 – Последовательность управления ШД в полушаговом режиме.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи и упростить систему управления двигателем, так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора. Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

1. Разработка структурной схемы

В данном разделе представлена структурная схема устройства управления двигателем (рисунок 5).

Рисунок 3 – Структурная схема системы регулирования двигателя

Данная структурная схема отображает работу микропроцессорного устройства, где главным управляющим элементом является микроконтроллер. Он формирует управляющие сигналы для силового ключа. Привод связан с микроконтроллером датчиками.

2. Разработка схемы электрической принципиальной.

2.1 Выбор двигателя

В качестве объекта управления в данной курсовой работе был выбраны:

  •  шаговый двигатель M15LS-1N

напряжение питания Uпит=5В,

потребляемый ток Iн=375 мА,

максимальная частота вращения nмакс= 900 об/мин.

2.2 Выбор микроконтроллера

В качестве основного элемента получения  и обработки сигналов был выбран микроконтроллер Atmega8535-16PU фирмы Atmel (см. приложение А). Цифровые сигнальные процессоры фирмы Atmel получили широкое распространение у радиолюбителей, так как они имеют доступную цену и достаточный набор периферии.

2.3 Выбор микросхемы и интерфейса связи

Для управления двигателем был выбран драйвер L298N (см. приложение А). С помощью этого драйвера происходит управление двигателем. Он представляет собой 2 транзисторных моста. Через них происходит изменение напряжения на обмотках двигателя, таким образом, он начинает движение. Скорость движения двигателя  задается программным путем.

В качестве интерфейса связи с компьютером в данном проекте выбран интерфейс UART.  Для преобразования логических уровней RS-232 в UART используется микросхема MAX232. Скорость передачи данных - 9600 Кбит/с.

2.4 Выбор датчиков

Для ограничения линейных перемещений устройства, в качестве датчика, используем оптопару с открытым каналом KTIR0611S.

Входные характеристики:

Напряжение питания: +5В;

Прямой ток: 20 мА;

Выходные характеристики:

Напряжение коллектор-эмиттер: 30 В;

Ток коллектора: 20 мА;

Рассеиваемая мощность: 75 мВт.

Размер:

ширина 6,1 мм;

длина 14 мм;

высота 10мм.

3. Расчет схемы электрической принципиальной

3.1 Выбор силового драйвера управления.

В последнее время очень популярны микросхемы управления фирмы STMicroelectronics: L293N и L298N. Они отличаются высоким быстродействием, относительно низкой стоимость по сравнению с другими аналогами и доступностью.

В данной работе мы используем драйвер L298N со следующими характеристиками:

Максимальное рабочее напряжение U=46 В;

Напряжение питания Uпит=5 В;

Максимальный выходной ток (на один канал): I=2 А:

Драйвер совместим со схемами, работающими под напряжением +3,3 В, +5В.

Сопротивление резистора в цепи затвора рассчитывается по формуле 1.

(1)

Принимаем стандартное значение R7…R21: 1 кОм.

Выбираем конденсаторы 0,1 мкФ при  t =10 мс

3.2 Расчет резисторов.

Вывод Reset микроконтроллера, согласно технической документации, рекомендовано подключать к питанию через подтягивающий резистор номиналом 10 кОм.

Резисторы для датчиков KTIR0611S рассчитываем по закону Ома:

R=U/I=5/0,02=250 Ом;

Чтобы ток не достигал максимального значения выбираем резисторы с сопротивление 360 Ом.

  1.  Разработка печатной платы

Разработка конструкции устройства осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к ремонтопригодности, требований технической эстетики, с учетом условий эксплуатации и других требований [6].

При конструировании печатной платы необходимо учитывать следующее.

Если нет каких-либо ограничений, печатная плата (ПП) должна быть квадратной или прямоугольной. Максимальный размер любой из сторон не должен превышать 520 мм, а соотношение линейных сторон ПП – не более 3:1. Толщина ПП должна соответствовать одному из чисел ряда: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0 в зависимости от площади ПП.

Разработку платы следует вести, ориентируясь на конкретный промышленный процесс ее изготовления.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.

Диаметр крепежных отверстий 5 мм. Диаметр монтажных отверстий, диаметры выводов микросхем колеблются в пределах 0,5…1,3 мм, а диаметры выводов резисторов и конденсаторов, диодов, колеблются в пределах от 0,5 до 0,8 мм. Для упрощения процесса изготовления, все монтажные отверстия на плате имеют диаметр 0,5 мм. Шаг координатной сетки составляет 0,635 мм.

Паять элементы припоем ПОС-61. Материал платы стеклотекстолит фольгированный СТЭФ 2-1,5-50 по ГОСТ 10316-86.

5. Разработка сборочного чертежа

В ходе разработки сборочного чертежа необходимо уделить внимание следующим требованиям:

- разработка сборочного чертежа устройства управления шаговым биполярным двигателем осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к чертежным документам;

- в соответствии со схемой деления изделия на составные части присвоить обозначение сборочной единице и ее элементам по ГОСТ 2.201-68;

-    по возможности отдать предпочтение масштабу 1:1;

-  проставить необходимые размеры согласно требованиям ГОСТ 2.109-73;

-    заполнить спецификацию, выдерживая все требования ГОСТ 2.108-68;

- нанести номера позиций деталей в соответствии с номерами, проставленными в спецификации на данное изделие. Заполнить основную надпись и выполнить другие необходимые надписи (технические требования и пр.).

 


Заключение

В процессе разработки микропроцессорного устройства управления шаговым биполярным двигателем были пройдены основные этапы проектирования.

Была составлена структурная схема, и на ее основе разработана принципиальная схема устройства управления частотой вращения двигателя.

В процессе разработки данной работы ознакомились с организацией и основными этапами проектирования электронных устройств, закрепили знание методов расчета электронных цепей, познакомились с элементной базой и получили представление о способах компоновки радиоэлементов. Современное проектирование и производство электронной аппаратуры базируется на всеобъемлющей системе государственных (ГОСТ) и отраслевых (ОСТ) стандартов.


Список литературы

  1.  Б. Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов

– М.: Солон-Р, 2001. –126 с.

  1.  Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3 – х томах.

Пер. с англ. – М.: Мир, 1993.

  1.  А.С.Касаткин. Электротехника: Учеб. пособие для вузов.

       – 4-е изд. – М.:Энергоатомиздат,1983. –440 с., ил.

  1.  Э.Т. Романычева Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. / Справочник. М.: Радио и связь, 1989. – 448с.
  2.  Шаговые двигатели. URL: http://market.elec.ru/nomer/16/stepper-motor/                                                             (дата обращения 02.05.12 г.).
  3.  L298 – Dual Full-Bridge Driver – Datasheet.
  4.  Atmel, 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash Atmega 8535(L) – Datasheet.
  5.  Maxim, +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers, Max220-Max249 – Datasheet.


Приложение А (обязательное)

Характеристика устройств используемых в разрабатываемой схеме.

В данной работе используется микроконтроллер Atmega8535-16PU. Питание микроконтроллера осуществляется от источника напряжения +5В. Данный микроконтроллер обладает следующими особенностями:

  •  8 разрядный
  •  8 МГц
  •  флэш-память программ 8 кБ
  •  512 Байт ОЗУ
  •  4 канала ШИМ
  •  8 канальный, 10-разрядный АЦП
  •  порты UART, SPI
  •  два 8-разрядных таймера-счетчика, один 16-разрядный таймер-счетчик

Микроконтроллеры данного семейства содержат 8-разрядное RISC CPU, периферийные модули и гибкую систему тактирования.

Семейство Atmega имеет гарвардскую архитектуру памяти с разделенным адресным пространством для памяти программы и памяти данных. На рисунке А.1 представлена цоколевка микроконтроллера Atmega8535-16-PU.

Рисунок А.1 – Цоколевка микроконтроллера  Atmega8535-16PU.

В силовой цепи используется драйвер L298N. На рисунке А.2 представлена цоколевка данного драйвера.

Рисунок А.2 – Цоколевка драйвера L298N.

В качестве преобразователя логических уровней RS-232 – UART была выбрана микросхема Max232. Цоколевка микросхемы представлена на рисунке А.3. 

Рисунок А.3 – Цоколевка микросхемы Max232.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3122. Реализация параллельной работы нескольких процессов программным методом 258 KB
  При написании программы выяснилось, что имеющиеся в Borland Pascal функции вывода (Write[Ln]) не подходят, т. к. в том случае, когда несколько процессов выводят информацию на экран может случиться
3123. Платежные карты: Бизнес-энциклопедия 115.64 MB
  Платежные карты: Бизнес-энциклопедия Важнейшая социально-политическая задача, которую решает сегодня банковская система России, —повышение доступности финансовых услуг для граждан страны. Банковская активность, связанная с...
3124. Расчет режима резания при точении аналитическим способом 42 KB
  Расчет режима резания при точении аналитическим способом Цель работы: изучить методику расчета режима резания аналитическим способом. Ознакомиться и приобрести навыки работы со справочной литературой. Задание: На токарно-винторезном станке 16К20 про...
3125. Расчет режима резания при фрезеровании 43 KB
  Расчет режима резания при фрезеровании Цель работы: Изучить методику назначения режима резания по таблицам нормативов. Ознакомиться и приобрести навыки работы с нормативами. Задание: На горизонтально-фрезерном станке 6Р82Г,производиться ...
3126. Адвокатура, общественные и частные правоохранительные органы 93 KB
  Адвокатура, общественные и частные правоохранительные органы ВВЕДЕНИЕ. Адвокатура - это добровольное профессиональное объединение граждан, осуществляющее в установленном законом порядке защиту на предварительном следствии, дознании, в суде по уголов...
3127. Потенциал предприятия: формирование и оценка 433 KB
  Теоретическая часть Сравнительный подход в оценке недвижимости и его методы: компании-аналог а, сделок отраслевых коэффициентов. Понятие ценовых мультипликаторов и их виды Сравнительный подход эффективен в случае существования активного рынка с...
3128. Анализ платежеспособных предприятий и разработка методов финансовой санации 268.5 KB
  Введение Финансово-устойчивым является такой хозяйствующий субъект, который за счет собственных средств покрывает средства, вложенные в активы (основные фонды, нематериальные активы, оборотные средства), не допускает неоправданной дебиторской и кред...
3129. Безопасности Жизнедеятельность и Промышленной Экологии 64.5 KB
  Введение Как и всякая отрасль науки экология имеет свои законы,  которые характеризуют взаимоотношение, различных элементов экосистемы и, в конечном итоге, все процессы в биосфере. К сожалению, по сей день не стало доминирующим и безусловным по...
3130. Малый бизнес в России на современном этапе его развития 404 KB
  Современное российское общество переживает чрезвычайно сильный кризис, который проявляется в политике, экономике, идеологии и других сферах жизни общества. Россия в очередной раз стоит перед необходимостью выбора ориентиров для своего дальнейшего развития, и здесь нельзя ошибиться.