Разработка устройства контроля углового смещения вала электродвигателя
Задание кафедры
Разработать устройство контроля углового
смещения вала электродвигателя. Устройство необходимо выполнить так, чтобы
осуществлялась индикация угла поворота вала электродвигателя при помощи
семисегментных индикаторов.
Содержание
1 Описание синус-косинусных
вращающихся трансформаторов
Описание микроконтроллера ADuC812
Принципиальная схема
Блок-схема основной программы
Блок-схема подпрограммы
преобразования АЦП
Блок-схема подпрограммы вывода на
индикатор
Составление программы
Текст программы на ассемблере
Список использованной литературы
1 Описание синус-косинусных
вращающихся трансформаторов
За получением более точной информации об угле
поворота и вращении производители систем механообработки и робототехники в
настоящее время обращают свое внимание в сторону синус-косинусных вращающихся
трансформаторов (СКВТ) и сельсинов. Данные устройства зарекомендовали себя
весьма хорошо в промышленных приложениях, требующих от применяемых устройств
малых размеров, долговременной надежности, измерения абсолютного положения,
высокой точности и малой величины шумов.
На рис.1 показана структура сельсина и СКВТ. Как
сельсин, так и СКВТ используют роторы с одной обмоткой, которые вращаются
внутри неподвижных статоров. В случае простейшего сельсина, статор имеет три
обмотки расположенных под углом 120° одна относительно другой и соединенных
звездой. СКВТ отличается от сельсинов только тем, что их статор содержит две
обмотки ориентированных друг относительно друга под углом 90°.
Рис.1. Сельсины и СКВТ.
программа трансформатор
микроконтроллер смещение
Вследствие того, что сельсины содержат три
статорных обмотки, расположенных под 120°, они более сложны в производстве, чем
СКВТ и поэтому более дорогостоящи. В настоящее время область применения
сельсинов сужается, и исключение составляют некоторые устаревшие приложения в
военной технике и авиации.
Современные СКВТ производятся в бесколлекторном
исполнении, при этом, они используют трансформатор для подачи сигналов на
ротор. Первичная обмотка такого трансформатора располагается на статоре, а
вторичная на роторе. Другой тип использует традиционное решение для подачи
сигналов на обмотку ротора с помощью щеток или коллектора. Бесколлекторные СКВТ
более точны, чем сельсины, т.к. не существует щеток, которые ломаются и
сдвигаются во время эксплуатации. Продолжительность безотказной работы
бесколлекторных СКВТ ограничивается только ресурсом их подшипников.
Большинство СКВТ специфицируется для работы с
напряжениями от 2 до 40 В СКВ и с частотами от 400 Гц до 10 КГц. Диапазон
угловых точностей составляет от 5 угловых минут до 0.5 угловой минуты. (60
угловых минут составляет 1 градус, 60 угловых секунд содержится в 1 угловой
минуте; Следовательно, 1 угловая минута = 0.0167 градуса).
В работе сельсины весьма похожи на вращающиеся
трансформаторы. Обмотка ротора возбуждается переменным опорным напряжением с
частотой до нескольких кГц. Величина напряжения наведенного на любую статорную
обмотку пропорциональна синусу угла θ между
осями катушки ротора и катушки статора. В случае сельсина, напряжение,
получающееся на любой паре статорных зажимов, будет векторной суммой напряжений
двух соединенных катушек. Например, если ротор сельсина возбуждается опорным
напряжением Vsinωt, на
зажимах R1 и R2, на зажимах статора напряжения будут в виде:
где θ- угол
поворота оси ротора.
В случае же СКВТ, при подаче на ротор опорного
напряжения Vsinωt на зажимах
статорных обмоток будут напряжения:
Следует заметить, что трех проводной выход
сельсина можно легко преобразовать в эквивалентный формат выхода СКВТ с помощью
трансформатора Скотта. Поэтому следующие далее примеры по обработке сигналов
касаются только СКВТ.
Типовой цифровой преобразователь с СКВТ (СКВТ
ЦП) изображен схематично на рис.2. Оба выхода СКВТ подаются на косинусный и
синусный перемножители. Эти перемножители содержат в себе синусную и косинусную
таблицы преобразования и работают как умножающие цифроаналоговые
преобразователи. Начнем с предположения, что текущее содержимое реверсивного
счетчика представляет собой число, соответствующее некоторому начальному углу φ.
Преобразователь
непрерывно старается подстроить цифровой угол ω так,
чтобы он был равен углу φ
(и отслеживал его), измеряемому аналоговым образом. Выходные напряжения статора
СКВТ записываются следующим образом:
где θ- угол
поворота ротора СКВТ. Код цифрового угла ω подается
на косинусный умножитель, и косинус угла умножается на V1, в результате
получается равенство:
Код цифрового угла φ
подается
на синусный умножитель и умножается на V2:
Данные два сигнала вычитаются один из другого с
помощью усилителя ошибки, в результате получается выходной сигнал в виде:
Используя тригонометрические функции, сократим
запись:
Синхронный детектор демодулирует этот сигнал
ошибки переменного тока, используя напряжение ротора СКВТ в качестве опорного.
Эта операция дает сигнал ошибки постоянного тока пропорциональный величине sin(θ-φ).
Сигнал ошибки постоянного тока подается на
интегратор, выход которого управляет ГУН (генератор управляемый напряжением), а
ГУН в свою очередь управляет направлением счета реверсного счетчика, с тем
чтобы:
Из этого следует:
Поэтому φ=ө внутри
одного отсчета. Следовательно, цифровой выход со счетчика φ
представляет
собой угол ө. Регистр-защелка позволяет передать наружу эти данные не
прерывая процесс слежения.
Рис.2. Цифровой преобразователь с СКВТ (СКВТ
ЦП).
Данная цепь эквивалентна контуру управления (серво
цепи) второго порядка поскольку, фактически, она содержит в себе два
интегратора. Первым интегратором является счетчик, который накапливает импульсы
управления, а вторым является интегратор, на который подается выход с
синхронного детектора.
В контуре управления второго порядка с
постоянной скоростью вращения на входе, выходное цифровое слово постоянно
отслеживает входную величину без дополнительных внешних команд на
преобразование и без дополнительного фазового сдвига между выходным цифровым
словом и действительным углом поворота оси ротора. Сигнал ошибки появляется
только во время ускорения или замедления системы. Интегральная схема (ИС)
решающая задачу такого преобразования иногда называется более коротко
ротационно - цифровым преобразователем (РЦП).
2 Описание
микропроцессора ADuC
812
.1 Общие технические характеристики
микропроцессора ADuC812
Аналоговый ввод-вывод:
8-канальный прецизионный 12-разрядный АЦП;
встроенный источник опорного напряжения (ИОН) с
температурным дрейфом 40 ppm/
°С;
высокая скорость выборок 200 К/сек;
два 12-разрядных ЦАПа (выход - напряжение);
внутренний температурный датчик.
Память:
8 КБ FLASH
памяти программ;
640 КБ FLASH
памяти данных;
-внутренний источник программирования (внешний
не требуется);
256 Б внутренней памяти данных;
16 МБ адресного пространства внешней памяти
данных.
- совместимое ядро:
12 МГц номинальная частота (16 МГц -
максимальная);
Три 16-разрядных счётчика - таймера;
порт с высоким током - Порт 3;
девять источников прерываний, 2 уровня
приоритета.
Питание:
специфицирован для 3 В и 5 В работы;
режимы: нормальный, холостой и дежурный.
Встроенная периферия:
2-проводной (I2С)
и SPI;
охранный таймер (WDT);
монитор источника питания.
Приложения:
интеллектуальные датчики (в соответствии IEEE
1451.2);
батарейные системы (портативные РС, инструмент,
мониторы);
системы слежения;
системы сбора информации, коммуникационные
системы/
2.2 Общее описание микропроцессора
Микропроцессор ADuC
812 - интегральная 12- разрядная система сбора информации, включающая в себя
прецизионный многоканальный АЦП с самокалибровкой, два 12-разрядных ЦАПа и
программируемое 8 разрядное - микропроцессорное ядро (совместимое с
микропроцессором 8051) (MCU).
Микропроцессор поддерживается внутренними 8К FLASH
ЭРПЗУ программ, 640Б ЭРПЗУ памяти данных и 256Б статической памяти данных с
произвольной выборкой (RAM).
Микропроцессор поддерживает следующие
дополнительные функции: охранный таймер, монитор питания и канал прямого
доступа для АЦП. Для мультипроцессорного обмена и расширения ввода-вывода,
имеются 32 программируемых ввода-вывода линий, I2С, SPI
и стандартный UART интерфейсы.
Для гибкого управления в приложениях с низким
потреблением в MCU
и аналоговой части предусмотрены 3 режима работы: нормальный, холостой и
дежурный. Продукт специфицирован для 3В и 5 В работы в диапазоне температур и
поставляется 52-выводном пластмассовом корпусе (PQF).
2.3 Функциональная
блок - схема:
Таблица
1 - Описание контактов микропроцессора.
|
Мнемоника
|
Тип
|
Функция
|
|
DVdd
|
P
|
Положительное
номинальное цифровое питание +3В или +5В.
|
|
AVdd
|
P
|
Положительное
номинальное аналоговое питание +3В или +5В.
|
|
Cref
|
I
|
Блокирующий
конденсатор для внутреннего ИОН. 0,1мкФ на AGND
|
|
Vref
|
I/О
|
ИОН
вход/выход. Этот контакт внутри соединен через последовательный резистор с
ИОН для АЦП. Номинальное напряжение ИОН 2,5 В и появляется на контакте (как
только АЦП и ЦАП разрешены). Внутренний ИОН подавляется подключением к этому
контакту внешнего источника.
|
|
AGND
|
G
|
Аналоговая
земля. Общая точка аналоговых цепей.
|
|
P1.0-P1.7
|
I
|
Порт
1 только на ввод. Порт 1 по умолчанию настраивается на ввод аналоговых
сигналов, для конфигурирования контактов на цифровой ввод следует записать 0
соответствующий бит порта. Порт 1 - многофункционален и перечисленные функции
выполняет.
|
|
ADC0-ADC7
|
I
|
Аналоговые
входы. 8 однофазных входов. Выбор канала осуществляется через регистр
специального назначения (SFR) ADCCON2.
|
|
T2
|
I
|
Цифровой
вход Таймера/Счетчика 2. Когда разрешен Счетчик 2, инкрементируется по
перепаду 1-0 на входе T2
|
|
T2EX
|
I
|
Цифровой
вход. Для триггера Захвата/Перезагрузки Счетчика 2, так же работает как вход
управления направлением счета Счетчика 2.
|
|
SS/
|
I
|
Выбор
ведомого (Slave
Select). Для
синхронного интерфейса (SPI).
|
|
SDATA
|
I/O
|
Выбираемый
пользователем ввод/вывод для I2C и SPI.
|
|
SCLOCK
|
I/O
|
Синхронизация
для I2C и SPI.
|
|
MOSI
|
I/O
|
Для
SPI Ведущий Выход/Ведомый Вход.
|
|
MISO
|
I/O
|
Для
SPI Ведущий Вход/Ведомый Выход
|
|
DACO
|
О
|
Выходное
напряжение с ЦАП 0.
|
|
DAC1
|
О
|
Выходное
напряжение с ЦАП 1.
|
|
RESET
|
I
|
Цифровой
вход. Высокий уровень сигнала на этом контакте в течение 24 периодов тактовой
частоты при работающем осцилляторе вызывает выполнение устройством сброса.
|
|
Мнемоника
|
Функция
|
|
|
P3.0-P3.7
|
I/O
|
Двунаправленный
Порт 3 с внутренними, подтягивающими к питанию резисторами. Контакты Порта 3,
с записанными в них 1 подтянуты вверх и могут использоваться так же как
входы. При использовании контактов в качестве входов, следует иметь ввиду,
что они дают ток во внешнюю цепь. Контакты Порта 3 - мультиплексны. Вход
приемника последовательного асинхронного интерфейса (UART) или:
|
|
|
RxD/P3.0
|
I/O
|
Ввод/Вывод
данных для синхронного. Выход передатчика асинхронного последовательного
интерфейса (UART) или
|
|
|
TxD
|
О
|
Выход
синхронизации для синхронного. .
|
|
|
INTO/
|
I
|
Вход
внешнего прерывания 0, программируется по перепаду/уровню; устанавливается
один из 2-х уровней приоритета. Контакт может использоваться как строб
управления для Таймера 0.
|
|
|
INT1/
|
I
|
Вход
внешнего прерывания 1, программируется по перепаду/уровню; устанавливается
один из 2-х уровней приоритета. Контакт может использоваться как строб
управления для Таймера 1.
|
|
|
T0
|
I
|
Вход
Таймера/Счетчика 1.
|
|
|
T1
|
I
|
Вход
Таймера/Счетчика 1.
|
|
|
CONVST/
|
I
|
Вход
Запуска Преобразования АЦП (активный низкий уровень) при разрешенном внешнем
запуске. Переход 0-1 переводит схему в режим хранения и запускает цикл
преобразования.
|
|
|
WR/
|
0
|
Выход
сигнала управления Записью. Защелкивает байт данных из Порта 0 во внешнюю
память данных
|
|
|
RD/
|
0
|
Выход
сигнала управления Чтением. Разрешает ввод данных из внешней памяти в Порт
0.
|
|
|
XTAL2
|
0
|
Инвертирующий
выход генераторного усилителя.
|
|
|
XTAL1
|
I
|
Вход
усилителя и вход доступа к внутренним цепям генератор
|
|
|
DGND
|
G
|
Цифровая
земля. Общая точка цифровых цепей.
|
|
|
P2.0-P2.7
|
I/0
|
Двунаправленный
Порт 2 с внутренними, подтягивающими к питанию резисторами.
|
|
|
(A8-A15) (A16-A23)
|
|
Контакты
Порта 2, с записанными в них 1 подтянуты вверх и могут использоваться так же
как входы. При использовании контактов в качестве входов, следует иметь ввиду,
что они дают ток во внешнюю цепь. При выборке памяти программ Порт 2 содержит
старший байт адреса, при обращении к памяти данных порт выдает средний и
старший байты 24-разрядного адресного пространства.
|
|
|
PSEN/
|
О I I/O
|
Выход
строба разрешения внешней памяти программ. Является сигналом управления
внешней памяти программ. Активен в течение 6 периодов тактового генератора,
исключая время доступа к внешней памяти данных. Контакт находится в состоянии
Лог.1 при работе с внутренней памятью программ. Контакт можно использовать
для разрешения режима последовательной загрузки в ЭРПЗУ, для этого контакт
подключается через последовательный резистор к земле на время включения
питания или генерации сигнала RESET/.
|
|
ALE
|
O
|
Выход
строба записи адреса. Используется для защелкивания младшего байта адреса
(при 24-разрядном пространстве - среднего байта адреса) при обращении к
внешней памяти. Активен дважды в одном машинном цикле, исключая обращение к
внутренней памяти данных.
|
|
EA
|
О
|
Вход
разрешения доступа к внешней памяти программ. Если EA=1,
выборка производится из внутренней памяти 0000Н .. 1FFFH, если EA = 0, то
все инструкции выбираются из внешней памяти.
|
|
P0.0-P0.7 (A0-A7)
|
|
Двунаправленный
Порт 0 с открытым истоком. Контакты порта с записанными в них 1 являются
плавающими и могут быть высокоимпедансными входами. При обращении к внешней
памяти программ или данных Порт 0 мультиплексирован магистралями младшего
байта адреса и данных. При такой операции порт подтянут внутренним образом
при наличии в нем 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
Тактирование микроконтроллера осуществляется с
помощью генератора тактовых импульсов. Для этого к выводам микроконтроллера XTAL1
и XTAL2 подключается
цепочка, состоящая из кварцевого резонатора ZQ1
и двух конденсаторов C1
и C2 емкостью по 22 пФ
каждый. Основная резонансная частота кварца - 11,0592 МГц.
Для автоматического сброса ко входу RESET
ОМЭВМ подключается RC-цепочка,
состоящая из конденсатора C3
и резистора R5, которые
обеспечивают кратковременный импульс напряжения +5 В при включении питания.
Блок индикации состоит из трех одноразрязрядных
семисегментных индикаторов типа АЛС324Б (на схеме обозначены DA1
- DA3), на которые
выводятся сообщения о угле поворота ротора. Для коммутации отдельных
индикаторов используются три транзистора типа КТ503 (на схеме обозначены VT1-VT3),
которые по сигналам с микроконтроллера попеременно подключают аноды индикаторов
к напряжению питания. Управление сегментами индикаторов также осуществляется
микроконтроллером, но через буферный элемент - восьмиразрядный регистр,
выполненный на микросхеме типа К1533ИР22.
В качестве последовательного интерфейса RS-232
используем MAX-220:
В качестве АЦП будем использовать микросхему MAX-165
высокоскоростной восьмиканальный пяти
микросекундный аналогово-цифровой преобразователь с однополярным питанием.
Является АЦП последовательного приближения. Напряжение питания составляет +5В,
внутренне или внешнее опорное напряжение Vref=+1,23В.
связывается через управляющие сигналы CS и RD. Эти сигналы управляют началом
доступа преобразований и данных. Сигнал BUSY
указывает начало и конец преобразований.
Функция передачи АЦП. Диапазон входных
напряжений АЦП от 0 до Vref. Для этого диапазона напряжений смена
соответствующих кодов происходит посередине между последовательными квантами
(т.е. ½
LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs, .., FS-3/2 LSBs). Выходной код -
прямая в двоичном коде с 1 LSB= FS/256 или 1,23В/256 = 4,8 мВ при Vref=1,23 B.
Идеализированная функция передачи от 0 до Vref показано на рисунке.
Рисунок Функция преобразования MAX165
Временная диаграмма работы АЦП:
3 Принципиальная схема
Блок-схема основной программы
5 Блок-схема подпрограммы
преобразования АЦП
6 Блок-схема подпрограммы вывода на
индикатор
7 Составление программы
Определим напряжение на выходе датчика угловых
перемещений при максимальном угле поворота, равном 180 градусов.
Uном
= 0,096 В/град 180 град=17,3 В
Определим номинальное напряжение на входе АЦП
Uном
АЦП = 17,3/20 = 0,865 В = 865мВ (коэффициент
делителя напряжения Кд = 20)
Определим значение цифрового кода на выходе АЦП
при максимальном угле поворота (максимальном значении напряжения на входе АЦП):
Наибольший цифровой код 8-ми разрядного АЦП (28
= 256), этому цифровому коду соответствует напряжение 1230мВ
Составляем пропорцию
х = 180 - т.е. при номинальной
скорости вращения на выходе АЦП будет цифровой код 180 в десятичной системе
счисления или 00B4 в шестнадцатеричной системе
счисления.
8 Текст программы
;Устройство контроля углового
смещение вала электродвигателя
;Программа выдает полученное с СКВТ
значение угла на семисегментный индикатор
;----------------------- описание констант
----------------------------
K5 EQU #5 ;доп. коэффициент делен. для вывода
;на индикатор
;---------- присваивание имен внутренним
регистрам процессора ---------
RAZ0 EQU
00H ;\
RAZ1 EQU
01H ;- хранят
изображение символов
RAZ2 EQU 02H ;/ соответствующих разрядов
индикатора
CORN EQU 03H ;Отцифрованное значение напряжения
;на выходе АЦП
;----------------------------------------------------------------------
ORG 0000H
JMP MAIN
;---------------- инициализация портов и
регистров --------------------:
MOV PSW,#0 ;Установка банка
MOV SCON,#11110000B;Режим3(9-битная передача,9-й
бит=0)
;--------------------- основная программа
-----------------------------:
MOV 17H,#K5 ;загрузка в 2.R7 дополнительного
;коэффициента деления для индикатора
MOV 15H,#1 ;установка в 2.R5 текущего разряда
;индикатора = 0
CALL ACP ;Измеряем значение напряжения на входе
АЦП
CALL OUTCORN
;Вывод угла на индикатор
MOV
A,CORN
;Передача результата измерения
CALL TRANS ;АЦП
по
RS-232
JMP
PROG ;Переход на PROG
;--------------------- подпрограмма для АЦП
--------------------------:
MOV P0.4,#0 ;Выбор входного канала
MOV P3,#10010000B ;Включить АЦП
NOP ;Ожидание окончания преобразования
JBC P0.3,$ ;Переход, если бит Р0.3 установлен
MOV A,P2 ;
MOVX @DPTR,A ;
MOV CORN,DPTR
;Запомнить байт
RET
;---------------------- вывод на индикатор
---------------------------MOV R7,#K5 ;обновить коэффициент деления
CJNE R5,#4,OUTRAZ ;подготовка текущего разряда
MOV R5,#1MOV A,R5
MOV
R6,A
CLR
A
SETB C ;подготовка к формирования разрядаRLC A
DJNZ R6,NEXTRAZ ;формирование кода разряда
MOV P2,A ;выставить разряд в порт
MOV A,#2FH ;маска для чтения ячеек индикатора
ADD A,R5 ;вычислить адрес ячейки
;текущего разряда
MOV R0,A
MOV A,@R0 ;считать содержимое ячейки разряда
CALL GETIMGE ;получить изображение символа
MOV P1,A ;вывести символ в порт
INC R5 ;подготовиться к следующему разряду
;--------------------- вывод угла на индикатор
-----------------------
OUTCORN
PUSH ACC
PUSH B
MOV A,CORN
MOV B,#10
DIV AB
MOV RAZ2,B
MOV B,#10
DIV AB
MOV RAZ1,B
MOV RAZ0,A
POP B
POP ACC
RET
;-------------------- выдача изображения символа
---------------------
GETIMGE
PUSH DPH
PUSH DPL
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
POP
DPL
POP
DPH
RET
;------------------ подпрограмма работы с RS-232----------------------
; Передача байта
TRANS: MOV
SBUF, A
; переслать байт
JNB
TI, $ ;ожидание
прерывания передатчика
CLR
TI ; сброс флага
прерывания передатчика
RET
;----------------------- таблица символов
---------------------------
TABLE
DB 11000000B
;00-'0'
DB 11111001B ;01-'1'
DB 10100100B ;02-'2'
DB 10110000B ;03-'3'
DB 10011001B ;04-'4'
DB 10010010B ;05-'5'
DB 10000010B ;06-'6'
DB 11111000B ;07-'7'
DB 10000000B ;08-'8'
DB 10010000B ;09-'9'
;------------------------- конец программы
-------------------------
END
Список использованной литературы
1. Ковшов В.Д., Павлов О.Б.,
Каштанова С.Б. Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических
комплексах: Учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. - 114с.
Ковшов В.Д., Павлов О.Б., Каштанова
С.Б. Программирование однокристальных ЭВМ 1816ВЕ31/51: Методические указания к
лаб. раб.№2 по курсу «Микропроцессорные средства и основы телемеханики» - Уфа:
Изд-во УГНТУ, 1998. - 24с.
. Микропроцессорные системы: Учебное
пособие для вузов. Под общей редакцией Д. В. Пузанкова. - СПб.: Политехника,
2002. - 935 с.: ил.