Дипломная работа на тему: Спроектировать контроллер опорно-поворотного устройства антенны. писать программу для

Введение

Микроконтроллеры являются сердцем многих современных устройств и приборов, в том числе и бытовых. Самой главной особенностью микроконтроллеров, с точки зрения конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы.

На рис. 1.1 изображена структурная схема типичного современного микроконтроллера.

Рис. 1.1 Структура микроконтроллера

Из рисунка видно, что микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания.

Для сравнения: при использовании традиционных микропроцессоров приходится все необходимые схемы сопряжения с другими устройствами реализовывать на дополнительных компонентах, что увеличивает массу, размеры и потребление электроэнергии.

Давайте рассмотрим типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах.

. Центральное процессорное устройство (ЦПУ) - сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.

. Память программ. Здесь хранятся коды команд, последовательность которых формирует программу для микроконтроллера.

. Оперативная память данных. Здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.

. Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.

. Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.

. Последовательный порт - очень полезный элемент микроконтроллера. Он позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.

. Цифровые линии ввода/вывода. По сравнению с последовательным портом с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями (или проверять несколько линий).

. Таймер. Используется для отсчета временных интервалов.

. Сторожевой таймер. Это специальный таймер, предназначенный для предотвращения сбоев программы. Он работает следующим образом: после запуска он начинает отсчет заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит микроконтроллер. Таким образом, программа должна давать сторожевому таймеру сигнал - все в порядке. Если она этого не сделала, значит, по какой-либо причине произошел сбой.

.2 Шаговый двигатель

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Шаговый двигатель внешне практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми. Достоинства шагового двигателя:

1. угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель

2. двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)

. прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу

. возможность быстрого старта/остановки/реверсирования

. высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников

. однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи

. возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора

. может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов

Виды шаговых двигателей

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

двигатели с переменным магнитным сопротивлением

двигатели с постоянными магнитами

гибридные двигатели

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. 2а).

Рис. 2. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рис. 2.б). Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. 2.в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля - это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление - соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками. Это важно, если драйверы выполнены на дискретных компонентах. В настоящее время существуют специализированные микросхемы драйверов для биполярных двигателей, с использованием которых драйвер получается не сложнее, чем для униполярного двигателя. Например, это микросхемы L293E, L298N или L6202 фирмы SGS-Thomson, PBL3770, PBL3774 фирмы Ericsson, NJM3717, NJM3770, NJM3774 фирмы JRC, А3957 фирмы Allegro, LMD18T245 фирмы National Semiconductor.

Способы управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис 3.а). Этот способ называют "one phase оn" full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с "естественными" точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного - только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Рис. 3. Различные способы управления фазами шагового двигателя.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют "two-phase-оn" full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 3.б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, "one and two-phase-оn" half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рис. 3.в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом, дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.

Применение шаговых двигателей

Шаговые двигатели находят широкое применение в различном оборудовании:

Приборы точной механики и оптики

Измерительные приборы, в том числе спектрометры, газоанализаторы, приборы для анализа нефтепродуктов; оборудование для отбора проб; приборы для контроля качества зерна, муки и т. д.

Дозаторы и питатели

Перемешивающие устройства

Робототехника

Стрелочные приборы (спидометры, тахометры, комбинации, часы) для автоэлектроники, летных тренажеров и т. п.

Спектрометры

Медицинское и лабораторное оборудование

Координатные и поворотные столы

Приводы ЧПУ - фрезерные, гравировальные, шлифовочные, электроэррозионные станки, комплексы лазерной, плазменной, газовой резки.

Приводы исполнительных механизмов конвейерных систем

Упаковочное, фасовочное, сортировочное, этикеровочное оборудование

Вязальное, вышивальное оборудование

Оборудование для намотки

Полиграфические автоматы

Морские радиолокационные и гидроакустические станции

Светотехническое оборудование

Дисководы, факсимильные аппараты, принтеры, сканеры, копировальные машины, а также различная бытовая техника

Теплотехника

Приводы для систем безопасности - турникеты, поворотные камеры

Специальное технологическое оборудование

2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

На основе изложенного выше материала разработаем алгоритм функционирования контроллера опорно-поворотного устройства антенны и выделим необходимые функциональные узлы.

Управление и контроль ОПУ осуществляется с помошью:

Жидкокристаллического индикатора - для отображения угла поворота измеряемой антенны и отображения текущего режима работы;

Светодиод "+12В" для отображения наличия питания +12В;

Светодиод "Led_step" отображает управление двигателем;

Кнопка "МЕНЮ", устанавливающая нулевой угол поворота;

Кнопка поворота по часовой стрелке;

Кнопка поворота против часовой стрелки;

Разъем для подключения шагового двигателя.

Рис. 2.1 Структурная схема устройства

Наиболее важной особенностью шагового двигателя является то, что на каждый импульс управления ротор поворачивается на фиксированный угол, значение которого в градусах называется шагом. При получении команды цепь определяет, какая фаза должна быть задействована и посылает сигнал управления. Если выходной потенциал схемы высокий, возбуждается соответствующая фаза обмотки. Если выходной потенциал низкий, фаза обмотки с этим номером отключается. Двигатель вращается по часовой стрелке (вправо) при управляющей последовательности 1001=9 > 0011=3 > 1100=6 > 1000=С > 1001=9 > …, направление против часовой стрелки (влево) реализуется при обратной последовательности ..1001=9 > 1000=С > 0110=6 > 0011=3 > 1001=9... шаговый двигатель осуществляет 25 шагов на градус, таким образом, для осуществления полного поворота на 360° двигателю необходимо произвести 9000 шагов.

Рис. 2.2 Диаграмма работы в полушаговом режиме

Оглавление

- Обзор литературы

- Структура микроконтроллера

- Шаговый двигатель ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

- Принципиальная схема устройства

- Выбор элементной базы устройства

- Выбор микроконтроллера

- Выбор двигателя

- Выбор транзисторной сборки

- Выбор дисплея

- Источник питания АЛГОРИТМ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

- Моделирование устройства

- Описание среды моделирования

- Моделирование устройства ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- Список использованных источников

- Приложение

Список литературы

1. Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. - М.: ИП Радио Софт, 2002 - 176 с.

2. Голубцов М. С. Микроконтроллеры AVR: от простого сложному/ М.С., Голубцов - М.: СОЛОН-Пресс, 2003, 288с.

. Максимов. Симулятор - отладчик PROTEUS VSM ISIS

. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR - микроконтроллеров.: Перю с нем. - К.: "МК-Пресс", 2006. - 208с., ил.

. Хартов В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 240 с: ил.