99329

Разработка микропроцессорной системы управления манипулятором

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В настоящее время в перспективе в одной из актуальных технически сложных задач является цифровое измерение угловых и линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Этого требует широкое использование в информационно – измерительных системах микропроцессорных наборов цифровых микросхем для обработки информации и управления различными процессами. Цель работы заключается в разработке микропроцессорной системы управления манипулятором. Манипулятор должен быть оснащен конечными...

Русский

2016-09-09

134 KB

2 чел.

?

Введение.

В настоящее время в перспективе в одной из актуальных технически сложных задач является цифровое измерение угловых  и линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи перемещений (ЦПП).

В век технологических открытий и новых идей, актуальным является вопрос, как точно и качественно можно измерить необходимую величину, проследить изменение этой величины в течение определенного промежутка времени.

В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований. К их числу относятся: большая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, низкое энергопотребление, высокие устойчивость и надежность, технологичность, и низкая стоимость. Диапазон этих требований чрезвычайно широк, что создает серьезные препятствия на пути унификации ЦПП, являющейся организационно – технической задачей первостепенной важности.

Известно, что ЦПП в аппаратуре обычно работают по разомкнутой схеме, поэтому выдаваемая ими измерительная информация не корректируется в последующем. Это предъявляет к таким изделиям дополнительные требования по достоверности выходной информации. Развитие ЦПП – поставщиков первичной информации в значительной степени обусловлено повсеместным использованием управляющих микроЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других БИС и СБИС.

ЦПП строятся на разных структурных и физических принципах. При их создании используется огромное число конкретных схемотехнических решений. Вместе с тем, как показывает практика последних лет, наибольший вклад в развитие ЦПП вносит микроэлектроника, применение которой позволяет кардинально решить проблему технологичности, обеспечив максимальное упрощение, как правило, прецизионных механических узлов. Поэтому современный ЦПП состоит из относительно простого, насколько это возможно для обеспечения заданной точности, электромеханического первичного преобразователя, непосредственно воспринимающего измеряемое перемещение, и вторичного преобразователя – электронного узла, обрабатывающего полученную информацию, представляющего ее в цифровой форме.

Создание нового поколения миниатюрных информационно – измерительных  систем стало возможным вследствие ряда взаимосвязанных особенностей развития современной электронной аппаратуры. К числу наиболее важных особенностей можно отнести:

- переход централизованной структуры информационно – измери- тельной системы к распределенной.

- расширение требований к функциональным возможностям этой системы.

- создание микроэлектронных средств обработки аналоговых сигналов на базе микросхем с различной степенью интеграции схемных функций.

В соединение с непрерывным совершенствованием схемотехнических принципов построения информационно – измерительных систем, опирающихся на применение цифровых ЭВМ, указанные возможности обусловливают возможность перехода на новый уровень в технике обработки аналоговых сигналов.

В начале 80-х годов в основном завершилось совершенствование параметров отечественных аналоговых микросхем средней степени интеграции и создана достаточно широкая номенклатура операционных усилителей, перемножителей, компараторов, таймеров и др. Превилегирирующей тенденцией в развитие аналоговых микросхем является увеличение степени интеграции схемных компонентов и функций в одной конструктивной единице – микросхеме, в первую очередь за счет размещения на одном кристалле аналоговых и цифровых микросхем. Этого требует широкое использование в информационно – измерительных системах микропроцессорных наборов цифровых микросхем для обработки информации и управления различными процессами. Очевидна все большая потребность, в этих системах, которые позволяют организовать программное управление операцией над аналоговым сигналом или выполнить преобразование аналоговых сигналов цифровые либо цифровых в аналоговые. В результате успешных работ в одном направление в последние годы были созданы однокристальные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Индивидуальное задание.

Цель работы заключается в разработке микропроцессорной системы управления манипулятором.

Манипулятор имеет три управляемые оси, оснащенные датчиками скорости и положения. Степени движения осей заданы кинематической схемой (6-я в задании).

  1.  Разработать функциональную схему автоматизации манипулятора. Манипулятор должен быть оснащен конечными выключателями по каждой оси, кнопкой аварийного останова, отладочным пультом управления для ручного поворота по всем координатам, датчик угла поворота типа ФИ, датчик скорости типа ТГ/А – Ч. Схват оснастить аналоговым датчиком усиления, сопротивление которого пропорционально усилию сжатия R=f (F).
  2.  Разработать преобразователи “скорость – код”, “положение – код” и “усилие – код”.
  3.  Разработать схему сопряжения ввода информации в ЭВМ через интерфейс приборной магистрали. Каналы ввода релейных сигналов должны содержать схемы антидребезга. Для обработки сигналов с кнопок управления использовать каналы прерывания. Остальные сигналы о состоянии внешней среды должны вводится путем программного опроса, через равные промежутки времени. Предусмотреть полную гальваническую развязку цепей манипулятора с входами ЭВМ.
  4.  Разработать схему алгоритма работы устройства управления манипулятора.
  5.  Фильтр, имеющий в аналоговом виде передаточную функцию W(p)=T1/(T2p+1), преобразовать к виду, удобному для реализации на ЭВМ. Полученный цифровой фильтр проверить на устойчивость, и в случае если он не устойчив, скорректировать до устойчивого.
  6.  Разработать программу на языке низкого уровня по обработке прерывания, обмена информацией с платой сопряжения; программу реализации цифрового фильтра, считая, что последний находится в цепи датчика скорости. Программу составить в системе команд микро – ЭВМ К1810. Рассчитать переходный процесс при скачкообразном входном воздействии для данного цифрового фильтра и аналогового прототипа.
  7.  Разработать печатную плату блока сопряжения.

  1.  Функциональная схема манипулятора.

 Функциональная схема автоматизации включает в свой состав следующие подсистемы:

 - подсистему управления скорости колонны и звеньев, которое включает командное устройство YE, регулятор скорости SC, электродвигатель М1, датчик скорости SE, датчик угла поворота GE. Подобных подсистем внутри схемы – 6 (для управления поворотом звеньев);

- подсистему управления схватом грейдгера, включающую электромагнит М, преобразователь SC и датчик усилия сжатия схвата РЕ.

- систему конечных выключателей блокировок безопасности движущихся органов манипулятора GS.

-    так же содержит систему индикации работы SA.

Все датчики и устройства управления регуляторами являются адресуемыми устройствами, прием и передача данных в которые обеспечивается при помощи платы сопряжения управляющей микро-ЭВМ.

Буква А применяется для обозначения функции “сигнализация” независимо от того, вынесена ли сигнальная аппаратура на какой – либо щит или для сигнализации используются лампы, встроенные в сам прибор.

Буква S используется для обозначения контактов в устройствах только для включения, отключения, переключения и блокировки. Буквенное обозначения устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операций, независимо от того, в состав какого комплекта они входят, начинаются с буквы Н.

Описание работы манипулятора.

Манипулятор состоит из поворотной колонны и двух звеньев. На звене L2 (рис.1) установлен схват. Перемещение звеньев обеспечивается электродвигателями по средствам статических преобразователей с интегральным законом управления. При этом информация о задающем воздействии поступает со стороны платы сопряжения от управляющей микро – ЭВМ в виде кодового сигнала, который преобразуется в аналоговый сигнал управления статическим преобразователем.

Информация о текущем значении частот вращения приводных двигателей и углах поворота звеньев поступает в управляющую ЭВМ через плату сопряжения. Кроме того, предусматривается подача в ЭВМ данных о состоянии конечных выключателей блокировки безопасности движущихся частей манипулятора.

Кинематическая и функциональная схемы манипулятора.

Плата сопряжения с микроЭВМ

Датчик угла поворота колонны                              1

Датчик положения поворота 1 – го звена              2

Датчик положения поворота 2 – го звена              3

Датчик скорости поворота колонны                      4

Датчик скорости поворота 1 – го звена                 5

Датчик скорости поворота 2 – го звена                 6

Управление регулятором движения колонны      7

Управление регулятором движения 1 – го звена 8

Управление регулятором движения 2 – го звена 9

Управление регулятором схвата                           10

Датчик усилия сжатия схвата                                11

Конечные выключатели схвата                             12,13

Конечные выключатели движения колонны       14,15

Конечные выключатели движения 1 – го звена  16,17

Конечные выключатели движения 2 – го звена  18,19

Ручное управление движением колонны             20,21

Ручное управление движением 1 – ой оси           22,23

Ручное управление движением 2 – ой оси           24,25

Аварийный останов                                               26

Индикация работы                                                 27,34

Рис. 1. Функциональная схема

Разработка преобразователей.

Преобразователь “скорость – код”.

Устройство для преобразования сигналов с аналогового датчика скорости – тахогенератора – может строиться как преобразователь “аналог-частота” с последующим преобразованием аппаратно или программно в код.

Схемное решение должно выбираться исходя из следующих условий:

- максимальная скорость вращения двигателей W=1500 об/мин ;

- минимальная W=1,5 об/мин ;

- период съема информации с платы сопряжения – период квантования – Тк=5 мс

- точность измерения скорости не хуже 0,1 Wтек.

Для выполнения задания по построению преобразователя “аналог-код” следует руководствоваться следующими рекомендациями:

- коэффициент преобразования тахогенератора принять равным 0,03В·об/мин

- точность 10 %

- частота 0 – 10 кГц

- реализация на 1108ПП1

Так как двигатели могут вращаться в любом направлении, то напряжение на выходе тахогенераторов – знакопеременное и перед использованием оно должно быть соответствующим образом преобразовано (например, выпрямлено с использованием выпрямителя на операционных усилителях К140УД6).

Рис.2. Схема выпрямителя на операционных усилителях

При положительной полярности входного сигнала открыт диод VD1 и обратная связь замыкается через резистор R4. При отрицательной полярности входного сигнала открыт диод VD2 и обратная связь замыкается через резистор R5. Так как открытый диод входит в прямую цепь замкнутого контура, то падание напряжения практически не сказывается на выходном напряжении, следовательно можно сделать следующий вывод:

при Uвх>0 получаем Uвых1=0, Uвых2 = -Uвх·R4/R3, а при Uвх<0 получим Uвых1 = -Uвх·R5/R3, Uвых2=0.

 Расчет выпрямителя.

Umax=Wmax·Kтг=1500·0,03=45 В

Umin=Wmin· Kтг=1,5·0,03=45 мВ

Так как Uвх max преобразователя АЧ равно 10 В, то необходим делитель, построенный на рис2 на резисторах R1,R2 рассчитаем этот делитель:

Примем R2=10 кОм, тогда R1=36 кОм.

Если Uвх>0, то

Если Uвх<0, то

Из выше приведенных формул видно, если принять R=R3=R4=R5=R7=R8 то получим что Uвых=|Uвх|

Рис.3. диаграммы работы выпрямителя

В качестве преобразователя АЧ используем микросхему КР1108ПП1.

Рис.4 Схема включения ИС КР1108ПП1.

 Данная микросхема представляет собой высокочастотный АЦП, преобразующий входное напряжение в последовательность импульсов, с частотой, пропорциональной входному сигналу. Выходные импульсы имеют прямоугольную форму с калиброванной длительностью частотой до 500 кГц. Схема включения ИС КР1108ПП1 показана на рисунке 3. Входное напряжение 0…10 В преобразуется в частоту 0…10 кГц. Микросхема имеет встроенный источник Uоп=(7,5…8,5) В.

Основные параметры КР1108ПП1: погрешность (δл) линейного преобразования в диапазоне частот 5 Гц…10 кГц не превышает 0,01%; δпш=±10%; Iпот≤3,5 мА. Частота генерирующих импульсов устанавливается с помощью внешних элементов, она прямо пропорциональна Uвх и обратно пропорциональна R10, C1. Уровни выходных сигналов согласуются с ТТЛ ИС с помощью внешних резисторов и источника питания.

Цифровая часть преобразователя.

Рис.5. Цифровая часть преобразователя(ЦЧП)

 ЦЧФ состоит из счетчика, на который поступает сигнал с преобразователя напряжение частота, и регистра в который записывается сигнал со счетчика. Счет импульсов осуществляется за период Т=5мс. Когда на ПНЧ подается минимальное напряжение равное 0,15В, следовательно f =1500Гц, за время Т=5мс будет передано 7 импульсов. При изменении на 10% получим U=0,165 следовательно 8 импульсов, а значит условие точности измерения скорости не хуже 0,1Wтек. Также заметим что максимальное количество импульсов равно 500.

Счетчик берем на основе микросхемы К555ИЕ19, но необходим 9-ти разрядный счетчик.

Рис.6. 9-ти разрядный счетчик

 Считываемая со счетчиков информация, записывается в регистр. Берется два регистра К555ИР23.

Рис.7. Микросхема К555ИР23

Генератор импульсов.

Рис.8. Генератор импульсов

Принцип действия основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора через резистор. Через резистор осуществляется отрицательная обратная связь по постоянному току, а через конденсатор положительная обратная связь  по переменному.

 Предположим, что в начальный момент времени конденсатор разряжен. На выходе элемента DD1.2 действует напряжение низкого уровня, поэтому начинается заряд конденсатора. По мере его заряда, напряжение на нем повышается, а на выходе элемента DD1.1 уменьшается. Когда напряжение на выходе DD1.1 станет соответствовать низкому уровню, выходное напряжение DD1.2 станет увеличиваться. Этот прирост напряжения через конденсатор поступит на вход DD1.1, что приводит к резкому уменьшению его выходного напряжения. Значит к резкому увеличению выходного напряжения элемента DD1.2. Это в свою очередь приводит к резкому уменьшению напряжения на выходе DD1.1 и так далее. Таким образом, устройство скачком переключается в другое состояние с напряжения высокого уровня на выходе DD1.2. С этого момента начинается перезаряд конденсатора, в результате чего напряжение на входе DD1.1 уменьшается, а на выходе увеличивается, когда на выходе DD1.1 напряжение достигает высокого уровня, устройство скачком переключается в исходное состояние и процесс повторяется.

 Расчет элементов генератора.

 f = 200Гц. Примем сопротивление резистора R = 10кОм, тогда

.

Гальваническая развязка.

 Для увеличения помехоустойчивости и надежности работы платы сопряжения все сигналы от датчиков заводятся через гальваническую развязку.

Гальваническая развязка выполняется на основе транзисторной оптопары АОТ110Б.

Рис.9. Гальваническая развязка

Со следующими параметрами:

 Uвх=2В,

 Uвых. ост=1,5В,

 Iут.тем=100мкА

 Iвх.мах=30мА

 Iвых.ном=100мА

 R2=(0,1…1)Мом

 Uвых>2,4В уровень ТТЛ

Принимаем R2=100кОм.

R3 – примем равным 1кОм, тогда

I2’ = 5/R3 = 5/1000 = 5мА,

I2 = I2’+ IВХ0, где IВХ0 = 0,4мА,

I2 = 5,4мА

Uвх.мах=2,7В, следовательно

R1 = (U1 – UVD)/I1 = 1,6кОм

Дифференцирующая цепь.

Дифференцирующая цепь используется для создания задержки на запись в регистр и для сброса счетчика. Она выполняется на микросхеме К555АГ3.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51726. Компьютерная грамотность как исходная цель введения курса ОИВТ в школу 33 KB
  План Организационный момент Постановка цели занятия и проверка домашнего задания Создание схемы к теории Подведение итогов занятия и задание на дом Тип занятия: комбинированный. Продолжительность занятия: 1 часа. 2004 Организационный момент приветствие учащихся проверка посещаемости Постановка цели занятия. Проверка домашнего задания желающие выходят к доске и рассказывают конспект несколько человек отвечают письменно Создание схемы Подведение итогов занятия и задание на дом повторить пройденные темы и быть...
51728. Хімія – природнича наука. Хімія в навколишньому світі. Короткі відомості з історії хімії 35 KB
  Хімія – природнича наука. Хімія в навколишньому світі. Чи чули ви слово хімія Що ж таке хімія Для чого вона нам потрібна ІІІ. До них належить і хімія.
51729. Правила техніки безпеки під час роботи в кабінеті хімії. Прийоми роботи з лабораторним посудом і нагрівальними приладами 211 KB
  Правила техніки безпеки під час роботи в кабінеті хімії. Прийоми роботи з лабораторним посудом і нагрівальними приладами. Мета: сформувати початкові навички практичної роботи з хімічними речовинами й лабораторним устаткуванням; перевірити знання техніки безпеки під час виконання практичної роботи в кабінеті хімії; сформувати вміння використовувати лабораторний посуд лабораторний штатив нагрівальний прилад; формувати навички й уміння проведення хімічного експерименту й аналізу явищ що спостерігаються робити висновки в ході практичної...
51730. Поняття про періодичну систему хімічних елементів Д. І. Менделєєва 89.5 KB
  Поняття про періодичну систему хімічних елементів Д. Мета уроку: ознайомити учнів з будовою періодичної системи хімічних елементів Д. Менделєєва; сформувати початкові навички визначення положення хімічного елемента в періодичній системі; продовжити знайомство із символами й назвами елементів за сучасною українською номенклатурою. Обладнання: періодична система хімічних елементів Д.
51731. Сім нот магічного кохання 72 KB
  Дербенева Шановні учні вчителі і гості свята Ми раді Вас вітати Любов це саме велике почуття. Слово любов на всіх мовах світу зрозуміле без перекладу. Почуття любові саме поетичне піднесене чисте прекрасне.
51732. СИЛА КАНОНА 45.5 KB
  придворный скульптор фараона Ментухотепа высек на надгробной плите следующие слова: Я знал тайну божественных слов ведение обряда богослужения Но я был и художником опытным в своём искусстве превосходящим всех своими знаниями Я умел передать движение фигуры мужчины походку женщины положение размахивающего мечом и свернувшуюся позу поражённого Я умел делать инструкции которые не горели от огня и не смывались водой. Рассмотрим знаменитую стелу фараона Нармера созданную на заре египетской художественной культуры на рубеже IVIII тыс....