Управление шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ОБЛАСТНОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ОТДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Специальность: «Автоматические системы управления»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Микросхемотехника»

на тему: «Управление шаговым двигателем с помощью микроконтроллера»

Выполнил: студент гр. 4АСУ/10

Филиппов А.

Руководитель проекта:

Подобедов В. В.

г. Раменское 2013г.

Оглавление

Введение

1. Описание структурной схемы

2. Описание конструкции

3. Расчётная часть

3.1 Расчёт схемы

3.2 Расчёт надёжности радиоэлементов в схеме

4. Разработка и метод изготовления печатных плат

5. Изготовление устройства для управления шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

6. Техника безопасности

6.1 Основные требования техники безопасности при химической обработке металлов

7. Описание электрической принципиальной схемы

7.1 Блок питания

7.2 Цоколёвка микросхемы 142ЕН5А

7.3 Схема включения

8. Разработка программы и её отладка

8.1 Описание принципа работы программы

Заключение

Список литературы

Введение

радиоэлемент цоколёвка микросхема двигатель

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели находят широкое применение в различных областях. Их основное достоинство заключается в высокой точности и высокой надёжности. По этой причине они используются в точных механизмах технологического оборудования.

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, преобразующее сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.

Сфера применения шаговых двигателей: подача плёнки и изменение масштаба изображения в камерах, факсимильные аппараты, принтеры, копировальные машины, лотки подачи и сортировщики бумаги, а также дисководы, автомобилестроение, светотехническое оборудование, теплотехника, станки с ЧПУ и т.д.

Шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми:

угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые подаются на двигатель. Этим обеспечивается прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют ошибку позиционирования не более 3-5% от величины шага, причём эта ошибка не накапливается от шага к шагу;

высокая надёжность - следствие быстрого старта/остановки/ /реверсирования, что связано с отсутствием щёток. 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;

присоединением двигателя непосредственно к валу без промежуточного редуктора может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, при этом скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Микропроцессоры и микроконтроллеры

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам со встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Применение перепрограммируемых микроконтроллеров неизбежно влечёт 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 данном проекте используется униполярный шаговый двигатель СХД 1,8/40 и микроконтроллер ATmega 8-A.



1. Описание структурной схемы

Пульт управления (ПУ). Структурная схема данного устройства состоит из 3-х блоков, один из которых является связующим, точнее служит развязкой между блоком управления (микроконтроллером) и исполнительным механизмом (шаговым двигателем). Он используется для увеличения нагрузочной способности микроконтроллера и защищает его от перегрузки.

Блок управления (БУ) реализован на микроконтроллере ATmega 8A, который работает на внутреннем тактовом генераторе на частоте 8МГц. Данный микроконтроллер весьма производителен, но возможно и использование микроконтроллера ATtiny 2313, который уступает по характеристикам, но вполне подходит для реализации данной задачи.

В качестве исполнительного механизма (ИМ) был использован шаговый двигатель от принтера.

ПУ->БУ<->ИМ



2. Описание конструкции

Конструирование аппаратуры на микросхемах включает следующие основные этапы: создание макета печатной платы, разработку метода изготовления печатной платы, конструирование корпуса прибора, в котором должна быть размещена печатная плата. Такие элементы и параметры конструкции, как сами печатные платы, приборы электрической схемы и их взаимное расположение, крепления и т.п., в значительной мере определяют габаритные размеры, массу и надёжность аппаратуры.

Конструкция радиоприбора является технологичной, если она в полной мере удовлетворяет всем требованиям, позволяет применять высокопроизводительные способы изготовления при минимальных затратах рабочей силы, рационально использовать производственное оборудование, материалы и значительно упростить производство. В требованиях к технологичности радиоаппаратуры, в отличии от требований к технологичности механических приборов и устройств, должны учитываться как условия производства, так и взаимодействие элементов друг с другом, характеризующееся как статическими, так и динамическими характеристиками радиоэлементов, свойства которых обусловлены электрическими и магнитными полями.



3. Расчётная часть

3.1 Расчёты схемы

Расчёт ширины печатного проводника

Расчёт проводится по допустимой плотности тока с учётом допустимого перегрева проводника по отношению к температуре окружающей среды:, выбираем.

где а - толщина меди, мм;

tп - ширина проводника, мм.

Определение минимального расстояния между проводниками

Это расстояние определяется электрической прочностью материала платы и зависит от атмосферного давления и относительной влажности воздуха. При разработке печатной платы следует учитывать, что в нормальных условиях могут быть использованы рекомендации таблицы.

Таблица 1 - Расстояния между проводниками при рабочем напряжении.

Рабочее напряжение, В	500	700	800	900	1000
Расстояние между проводниками, мм	0.5	1.0	1.5	2.0	3.0

Так как напряжение в схеме меньше (), то минимальное расстояние между проводниками - ? 0.2 мм.

Метод изготовления печатной платы

Соединительные проводники выполнены методом травления.

Выбор материалов печатной платы

Параметры текстолита:

толщина материала 1.5 мм;

толщина меди 0,035 мм;

удельное объёмное сопротивление не менее 9 Ом*м;

тангенс угла диэлектрических потерь 0,07.

Расчёт ширины печатного проводника

Расчёт проводится по допустимой плотности тока с учётом допустимого перегрева проводника по отношению к температуре окружающей среды.

Проверка падения напряжения

где - длина наиболее длинного проводника, по которому рассчитывается падение напряжения - 0.05 м

- ширина печатного проводника - 0,8 мм

- толщина фольги - 0,035 мм

3.2 Расчёт надёжности радиоэлементов в схеме

Количество элементов приведено в Приложении 2.

Для того чтобы рассчитать интенсивность отказов системы воспользуемся нижеприведённой формулой:



Электролитические конденсаторы:

Керамические конденсаторы:

Резисторы:

Микросхема:

Диоды:

Транзисторы:

Провода:

Печатная плата:

Соединение пайкой:

Интенсивность отказов:

Надёжность:



4. Разработка и метод изготовления печатных плат

Платы с проводниками и контактными площадками используют тогда, когда устройство предварительно хорошо отработано. В процессе настройки приходится несколько раз демонтировать отдельные детали и устанавливать другие, а печатные контактные площадки под действием многократных тепловых и механических нагрузок, как правило, отслаиваются. Поэтому на этапе отладки схемы лучше применять монтажные платы, которые являются макетом будущей печатной платы.

Для изготовления макета монтажной платы используют пластину изоляционного материала (гетинакса, текстолита и стеклотекстолита) с множеством отверстий, в которые вставляются выводы навесных радиоэлементов. Из лужёного одножильного провода изготавливают проводники платы, которые соединяют между собой выводы элементов в соответствии с электрической принципиальной схемой.

В процессе изготовления плата подвергается воздействию химических реагентов: при больших размерах платы возможно ее коробление. Размеры и очертания печатных проводников и элементов, контактных площадок, монтажных и контактных отверстий и т.п. на чертежах печатных плат указывают с помощью координатной сетки в прямоугольной системе координат.

Выполнение чертежей печатных плат производится в соответствии с ГОСТ 2.417-88; таким образом, шаг сетки в двух перпендикулярных направлениях должен равняться 2.5 мм. Для особо малогабаритной аппаратуры или в исключительных, технически обоснованных случаях, допускается применение шага в 1.25 мм. Схемные детали и печатные проводники размещают на координатной сетке в соответствии с принципиальной схемой. При этом необходимо максимально использовать площадь платы и избегать пересечений.

Элементы, имеющие большие габариты следует размещать вне печатной платы, а соединение осуществлять монтажным проводом. Все навесные детали обычно располагают с одной стороны платы, а печатные проводники - с другой. На сторону печатных проводников не должны выходить крепежные детали, так как с этой стороны выполняется пайка. В ряде случаев целесообразно применить двухсторонний монтаж. Конденсаторы, резисторы, перемычки и другие навесные элементы располагают параллельно координатной сетке. Расстояние между корпусами параллельно расположенных деталей должно быть не менее 1 мм, а расстояние по торцу не менее 1.5 мм. Центры отверстий для установки навесных деталей располагаются в точках пересечения координатной сетки.

Конструирование печатной платы начинают с разработки эскиза в программе Sprint loyal, который выполняют в увеличенном масштабе. Все элементы располагают в поле чертежа и после выбора наиболее удачного расположения наносят соединительные проводники. Печатные проводники наносят краской, лаком или специальным маркером. Последующим травлением в растворе хлорного железа удаляются медь с незащищенных участков, и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема проводников. Подготовка поверхности к нанесению рисунка заключается в отчистке поверхности фольги.

Химический метод при сравнительно простом технологическом процессе обеспечивает высокую прочность сцепления проводников с основанием, равномерную толщину проводников и их высокую электропроводимость. В настоящее время этот метод является основным; недостатками его можно считать необходимость в цилиндрических втулках при двухстороннем монтаже и повышенный расход меди.



5. Изготовление устройства для управления шаговым двигателем с помощью микроконтроллера

5.1 Изготовление БУ

Печатная плата изготавливается из однослойного стеклотекстолита.

Чертёж печатной платы распечатывается в масштабе 1:1 и переносится на печатную плату. Окись меди на поверхности проводников удаляется растворителем, ластиком; кромки плат обрабатываются напильником.

Защитный слой наносится на проводник в тех местах, в которых в дальнейшем будут располагаться токопроводящие дорожки.

Травление платы производится химическим способом: раствором хлористого железа (тара под раствор должна соответствовать размерам печатной платы и быть достаточно глубокой).

Готовая плата помещается в раствор и выдерживается там до тех пор, пока незащищённые участки проводника не растворятся; между защищёнными дорожками должен быть чистый стеклотекстолит.

С поверхности образовавшихся дорожек защитный слой удаляется растворителем, плата промывается водой и вытирается насухо ветошью.

Производится облуживание токопроводящих дорожек.

Высверливаются отверстия под радиоэлементы.

Для удобства сначала производится монтаж мелких деталей и радиоэлементов, затем более крупных.

Проверяется правильность монтажа.

Производится сборка корпуса.

5.2 Сборка устройства

1. Соединить БУ и ПУ.

2. Соединить БУ с ИМ.

6. Техника безопасности

Радиомонтажник, выполняя те или иные работы, должен помнить и выполнять основные правила техники безопасности. Знание этих правил позволяет так организовать свой труд, чтобы исключить или сделать минимальным воздействие неблагоприятных факторов в отношении себя и окружающих. Прежде всего, следует соблюдать особую осторожность при работе со станком, при работе с паяльником, с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями и токсичными веществами.

6.1 Основные требования по технике безопасности при химической обработке металлов

При химической обработке металлов (травлении) применяют следующий ряд реагентов: хлорное железо, персульфат аммония, хлорную медь, хромовый ангидрид с серной кислотой и другие токсичные вещества. Работу с реагентами следует проводить в спецодежде (халат из плотной ткани, резиновые перчатки, защитные очки).

Погружать в раствор и вынимать из раствора изделие следует при помощи специальных приспособлений или инструмента (например: пинцета) или руками в перчатках. При химических ожогах кожи поражённое место следует промыть сильной струёй проточной воды, чтобы окончательно нейтрализовать действие химического вещества.

Процесс травления должен проводиться в помещениях с вентиляцией, так как все вещества, используемые в процессе травления, очень токсичны.

В данной работе для травления печатной платы использовалось хлорное железо.



7. Описание электрической принципиальной схемы

Устройство работает автономно, используя разработанную при помощи персонального компьютера программу. Само устройство состоит из следующих элементов:

Центральная часть устройства - микроконтроллер ATmega 8-A, работающий от внутреннего тактового генератора на частоте 8МГц;

Шаговый двигатель модели СХД 1.8/40 с напряжением питания 12В, который подключается к микроконтроллеру через усилительный блок, собранный на транзисторах КТ819А структуры n-p-n. Возможно использование логической микросхемы К155ЛА18. Это микросхема повышенной мощности с открытым коллекторным выходом.

7.1 Блок питания

Напряжение на микроконтроллер подаётся от блока питания, который состоит из микросхемы 142ЕН5А - трёхвыводного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 5 вольт. Такие стабилизаторы напряжения широко используются в радиоэлектронных устройствах в качестве источников питания логических микросхем, измерительной технике, устройствах высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройствах. Ниже приведены основные характеристики микросхемы, цоколёвка, а также схема включения.

Основные характеристики:

Допустимый выходной ток - 1A

Не требуются внешние компоненты

Внутренняя термозащита

Защита выходного транзистора по току

Внутреннее ограничение тока К3



7.2 Цоколёвка микросхемы 142ЕН5А

7.3 Схема включения

Питание блока управления шаговым двигателем и шагового двигателя производится от блока питания с несколькими выходными напряжениями - от 1 до 30 вольт.

Резистор R1 используется для регулировки частоты вращения ротора шагового двигателя; он подключён к одному из трёх АЦП. Меняя напряжение питания мы изменяем значение числа в регистре МКК, что в свою очередь изменяет частоту вращения ротора.

Кнопками S1 и S2 мы изменяем направление вращения шагового двигателя: по часовой стрелке или против. Если одновременно нажать на две кнопки, то шаговый двигатель остановится.

Перемычкой Х1 можно выбирать режим вращения шагового двигателя: шаговый и полушаговый режимы. Если перемычка Х1 снята, то двигатель работает в шаговом режиме, а если поставлена, то в полушаговом режиме (в данной программе не реализовано).

Кроме того, в схеме есть 4 защитных диода, которые пропускают через себя ток самоиндукции при отключении электромагнитов. В схеме использованы кремниевые диоды Д522 с максимальным прямым током в 1А; также можно использовать другие диоды, которые выдерживают ток до 1A.



8. Разработка программы и её отладка

Программа для микроконтроллера написана на языке C. Также при записи программы на микроконтроллер необходимо запрограммировать фьюзы: CKSEL0=0, CKSEL1=1, CKSEL2=0, CKSEL3=0, SUT0=0, SUT1=1, SKOPT=1.

8.1 Описание принципа работы программы

Управляющий микроконтроллер ATmega 8-A тактируется от внутреннего тактового генератора с частотой 8МГц. В программе используются два внешних прерывания и прерывание по переполнению таймера Т0. Все прерывания определяем и настраиваем в главной функции, также настраиваем порты ввода/вывода микроконтроллера.

Для запуска двигателя в ту или иную сторону необходимо подать на его обмотки последовательность импульсов, сдвинутых по фазе. Эти последовательности импульсов определим в массивах “cw_dir[]” и “ccw_dir[]”, соответственно по часовой стрелке и против часовой стрелки. Указатель направления вращения “status” меняет своё состояние с лог. 0 на лог. 1 и наоборот при нажатии на одну из кнопок S1 и S2. Если “status==1”, то ротор двигателя вращается против часовой стрелки, если “status==0” - ротор двигателя вращается по часовой стрелке. Переменная “status” меняет своё значение при наступлении внешних прерываний (при нажатии кнопок) на входах INT0 и INT1.

Сигналы управления обмотками двигателя формируются на портах PB0 - PB3 программно. Формирование импульсных последовательностей выполняется в подпрограмме обработки прерывания таймера Т0. Переключение фаз происходит только при переполнении программного таймера. Переменная “ovftimes” определяет величину задержки между чередованиями импульсов. Её значение связано со значением АЦП: чем больше значение АЦП, тем медленнее вращается ротор двигателя и наоборот. Регулировка скорости вращения ротора двигателя осуществляется переменным резистором R1, средний вывод которого подключён к каналу ADC0. Программа представлена в Приложении 3.



Заключение

В результате проделанной курсовой работы было разработано микроконтроллерное устройство управления шаговым двигателем: приведён расчёт всех составляющих элементов, разработана электрическая принципиальная схема управления шаговым двигателем, написана и перенесена в МКК программа управления. Также в пояснительной записке приведена детальная последовательность получения печатной платы устройства методом травления и дальнейшая компоновка элементов на плате.

Всё это позволило познакомиться с организацией и основными этапами проектирования электронных устройств, усвоить основные понятия и термины, относящиеся к проектированию, закрепить и углубить знание методов расчёта электронных цепей, познакомиться с элементной базой и получить представление о способах компоновки элементов.



Список используемой литературы

1. Программа Sprint Loyal

2. Белов А. В., Создаём устройства на микроконтроллерах.

3. Дубровский А.В., Допуски, посадки и технические измерения в машиностроении.

4. Кацман М.М., Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации.

5. Григорян С.Г., Устройства и системы автоматизации в вычислительной технике.

Ссылки:

1. http://radioparty.ru/

2. http://www.radiokot.ru/

Размещено на Allbest.ru

...