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

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.

Выбор двигателя

В качестве объекта управления в данной курсовой работе был выбраны:

· шаговый двигатель M15LS-1N

напряжение питания U_пит=5В,

потребляемый ток I_н=375 мА,

максимальная частота вращения n_макс= 900 об/мин.

 

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.

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.

 

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.

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.

 

 

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

Приложение А (обязательное)

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.