Система управления электроприводом с микроконтроллером

Размещено на http://www.allbest.ru

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Факультет информационных технологий и робототехники

Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок и

технологических комплексов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Микропроцессорные средства в автоматизированном

электроприводе»

на тему: Система управления электроприводом с микроконтроллером»

Исполнитель:

И. А. Шевцов

Руководитель: О. Ф. Опейко

МИНСК 2022

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Архитектура микроконтроллера и его интерфейсные устройства

2. Выбор режима работы ADC10. Прерывания ADC10

3. Выбор режима работы UART. Прерывания от UART

4. Разработка алгоритма управления

4.1 Вывод выражений для формирования сигнала управления

4.2 Алгоритм управления

5. Разработка программы управления в интегрированной среде CCS

5.1 Расположение переменных в памяти

5.2 Инициализация устройств вывода и ввода

5.3 Текст программы

5.4 Проверка работы программы при возможных входных сигналах и

результаты выполнения программы

6. Схема принципиальная электрическая системы

Заключение

Список использованных источников

электропривод микроконтроллер сигнал

ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе необходимо разработать систему управления электроприводом перемещения тележки мостового крана с микроконтроллером.

Управление электроприводом осуществляет оператор при помощи

кнопок «Вперёд», «Назад», «Стоп». При нажатии кнопки, задающей направление («Вперёд» или «Назад») осуществляется разгон до заданной скорости за 5 секунд и движение тележки с этой скоростью до нажатия оператором кнопки «Стоп». После этого осуществляется торможение электропривода за 5 с.

Функциональная схема электропривода представлена на рисунке 1. Принцип действия функциональной схемы:

В соответствии с заданием требуется, чтобы оператор осуществлял управлением посредством пульта управления. Сигнал от кнопки «Вперёд» или «Назад» должен поступать на микроконтроллер MCU1, который сформирует разгон электропривода до заданной скорости за время 5 с. После осуществления плавного пуска электропривод должен работать с постоянной скоростью до нажатия кнопки «Стоп», после чего осуществляется торможение электропривода за время 5 с. Формирование сигнала начинается только при условии нормальной температуры нагрева преобразователя UZ1. Встроенный датчик температуры преобразователя подаёт аналоговый сигнал температуры преобразователя на аналоговый вход микроконтроллера MCU1.

На аналоговый вход микроконтроллера поступает сигнал от датчика температуры в блоке преобразователя. В случае, если температура превышает аварийное значение, то осуществляется отключение электропривода. Если температура в блоке преобразователя превышает нормальное значение, но меньше аварийной, то осуществляется включение вентилятора дополнительного охлаждения.Питание элементов в схеме осуществляется при помощи блока питания GB.

MCU1- микроконтроллер; UZ1 - преобразователь частоты; M1 -

асинхронный двигатель; НВ - неуправляемый выпрямитель; АИН - автономный инвертор напряжения; ПКУ - пульт кнопочного управления; QF1 -автоматический выключатель; GB - блок питания; БДО - блок дополнительного охлаждения

Рисунок 1 Функциональная схема электропривода

1. АРХИТЕКТУРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА И ЕГО ИНТЕРФЕЙСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Микроконтроллеры MSP430 выполнены на основе 16разрядного

RISC ЦПУ с 27 инструкциями и 7 режимами адресации, периферийными устройствами и гибкой системой синхронизации. Блоки контроллера соединены шинами адреса и шинами данных общей фоннеймановской памяти (MAB и MDB, соответственно). Объединение современного ЦПУ с модульными аналоговыми и цифровыми периферийными устройствами ориентирует микроконтроллеры MSP430 на приложения смешанной обработки сигналов. MSP430 являются очень экономичными МК, поэтому они широко распространены в 8 и 16разрядных измерительных приложениях с батарейным питанием.

Кроме традиционных портов вводавывода общего назначения (GPIO) микроконтроллеры MSP430 могут содержать узлы, необходимые для работы с аналоговыми сигналами (АЦП, ЦАП, компараторы, операционные и трансимпедансные усилители) и цифровыми сигналами (таймеры, ШИМмодуляторы, сигнальные процессоры, модули расчета CRC). В состав каждого, даже самого простого микроконтроллера обычно входит как минимум один модуль, позволяющий ему обмениваться данными с помощью интерфейсов: USART, SPI, USB и других. Кроме этого, в семействе MSP430 существуют специализированные микроконтроллеры, предназначенные для работы с жидкокристаллическими индикаторами, сенсорными клавиатурами, ультразвуковыми датчиками и другой специфической аппаратурой.

2. ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ ADC10. ПРЕРЫВАНИЯ ОТ ADC10

Модуль ADC10 представляет собой быстродействующий 10битный

аналогоцифровой преобразователь, который обеспечивает быстрое выполнение 10битных аналогоцифровых преобразований. В составе модуля имеется 10битное ядро с регистром последовательного приближения, блок

управления выборкой, генератор опорного напряжения и контроллер пересылки данных (DTC).

Модуль ADC10 имеет следующие особенности:

максимальная скорость преобразования - более 200 тыс. выборок/с при определённых настройках;

10битный преобразователь с монотонной характеристикой без пропуска кодов;

устройство выборки/хранения с программируемым временем выборки;

запуск преобразования производится программно или по сигналу от таймера В;

программно конфигурируемый внутренний генератор опорного напряжения (1,5 В или 2,5 В);

внешний или внутренний источник опорного напряжения (выбирается программно);

восемь каналов преобразования внешних сигналов;

четыре режима преобразования: одноканальный, многократный одноканальный, последовательный и многократный последовательный.

Внешние входы модуля ADC10 мультиплексированы с линиями портов ввода/вывода, которые представляют собой цифровые схемы на КМОП элементах. Аналоговый сигнал, поступающий на вход КМОПэлемента, может вызвать сквозной ток, протекающий от линии питания Vcc к земле (GND). Этот паразитный ток появляется в том случае, если входное напряжение близко к пороговому напряжению элемента. Отключение буфера вывода порта исключает появление паразитного тока и, таким образом, уменьшает общее потребление микроконтроллера. Биты ADC10AEx позволяют от ключать входные и выходные буферы соответствующих выводов порта.

Модулю ADC10 выделен один вектор прерывания, с которым связан

единственный флаг. Флаг прерывания ADC10IFG устанавливается при за

грузке результата преобразования в регистр ADC10MEM. Если установлены

биты ADC10IE и GIE, то при установке флага ADC10IFG генерируется запрос прерывания. Флаг ADC10IFG автоматически сбрасывается при обработке прерывания или может быть сброшен программно.

Для реализации задачи, поставленной в курсовой работе, понадобится один аналоговый вход ADC10 (выбираем вход А0, настраиваемый битом ADC10AE1) в режиме одноканального циклического преобразования. В этом режиме периодически выполняется преобразование канала, заданного битами ICNHx (в данном случае ICNHx). Результат преобразования заносится в регистр ADC10MEM.

3. ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ ИНТЕРФЕЙСА UART. ПРЕРЫВАНИЯ ОТ UART

В асинхронном режиме USART подключает MSP430 к внешней системе через два внешних вывода: URXD и UTXD. Режим UART выбирается при очистке бита SYNC.

Режим UART имеет следующие возможности:

? 7 или 8разрядные данные с проверкой четности/нечетности и без контроля четности

? Независимые сдвиговые регистры передачи и приема ? Раздельные буферные регистры передачи и приема

? Передача и прием начинаются с младшего бита данных

? Встроенные коммуникационные протоколы свободной линии и адресного бита для многопроцессорных систем

? Определение в приемнике стартового фронта сигнала для автоматического пробуждения из режимов LPMx

? Программируемая скорость передачи с модуляцией для поддержки дробных величин скоростей

? Флаги статуса для обнаружения ошибок, блокировки и определения адреса

? Возможны независимые прерывания для приема и передачи

В режиме UART модуль USART передает и принимает символы на скорости, асинхронной другому устройству. Синхронизация каждого символа основана на выбранной скорости передачи USART. Для выполнения функций передачи и приема используется одинаковая скорость в бодах.

После включения модуля USCI сбросом бита UCSWRST передатчик готов к работе и находится в состоянии ожидания. Контроллер скорости передачи находится в состоянии готовности, но не генерирует никаких тактовых сигналов, поскольку задающий тактовый сигнал на него не поступает.Передача инициируется записью значения в регистр UCA0TXBUF.

При этом включается контроллер скорости передачи, а содержимое регистра пересылается в сдвиговый регистр передачи по следующему после опустошения сдвигового регистра такту сигнала BITCLK. После того, как регистр UCA0TXBUF будет готов к получению новых данных, устанавливается флаг UCA0TXIFG.

Процесс передачи осуществляется до тех пор, пока имеются данные,

загружаемые в регистр UCA0TXBUF до завершения передачи предыдущего значения. Если к моменту завершения передачи очередного значения регистр UCA0TXBUF оказывается пустым, то передатчик возвращается в состояние ожидания, а контроллер скорости передачи выключается.

Модуль USCI имеет по одному вектору прерывания для передачи и приёма.

Прерывание USCI при передаче

Флаг прерывания UCAxTXIFG, устанавливаемый передатчиком, показывает готовность регистра UCAxTXBUF к загрузке нового символа. Если установлены биты GIE и UCAxTXIE, то при установке флага UCAxTXIFG генерируется запрос прерывания. Флаг UCAxTXIFG автоматически сбрасывается при записи в регистр UCAxTXBUF.

Флаг UCAxTXIFG устанавливается после сигнала сброса PUC или при UCSWRST=1. Бит разрешения прерывания UCAxTXIE сбрасывается после сигнала сброса PUC или при UCSWRST=1.



4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Вывод выражений для формирования сигнала управления

Цикл работы электропривода имеет вид, представленный на рисунке

4.1.

Рисунок 4.1 - Цикл работы электропривода

Принимаем, что максимальная скорость составляет:

?max ?150 рад/с.

Тогда определяем угловое ускорение:

???max ?150 ?30 рад/с2, р



где tр ?5 с - время разгона механизма до максимальной скорости.

Определяем время между возрастаниями значения скорости на дискрету при плавном разгоне:

?? t1 ? 5 ?0,033 с. max

12

Рассчитываем количество повторений цикла инкрементирования для

реализации указанных выдержек времени:

x ? fп ??,

где fп ?1?106 Гц - частота процессора;

t заданная выдержка времени;

N?4 количество тактов.

Тогда:

x ? fп ??1?106 ?0,033 ?8250.

Так как значение не превышает значения 65536, то для реализации

выдержки времени требуется один цикл.

Для ввода сигнала от датчика температуры преобразователя будем

использовать модуль ADC10, выводы которого мультиплицированы с входами параллельного порта Р2.

Для вывода сигнала задания скорости будем использовать последовательный порт UART, выводы которого мультиплицированы с выводами параллельного порта Р3.

Для ввода сигналов с пульта управления будем использовать парал

лельный порт Р1:

Р1.0 - сигнал «Вперёд»;

Р1.2 - сигнал «Назад»; Р1.3 - сигнал «Стоп».

Для вывода дискретных сигналов управления преобразователем и блоком дополнительного охлаждения будем использовать параллельный порт Р4:

Р4.0 - сигнал направления «Вперёд» для преобразователя; Р4.1 - сигнал направления «Назад» для преобразователя; Р4.2 - сигнал включения дополнительного охлаждения.

4.2 Алгоритм управления

Алгоритм основной программы управления приведен на рисунке 4.2.

В начале осуществляется инициализация микроконтроллера (настройка портов) и ввод начальных условий (начальное значение скорости и допустимая температура преобразователя). Далее в зависимости от того, какое за дано направление движения кнопкой оператора («Вперёд» или «Назад») осуществляется задание соответствующего направления на вход преобразователя и включение прерываний от порта ADC10. С блока 9 начинается разгон механизма (путём инкрементирования сигнала задания на дискрету) до достижения заданного значения скорости. Торможение начинается после нажатия кнопки «Стоп». Плавность разгона и торможения достигается при помощи соблюдения заданного интервала между инкрементированием или декрементированием сигнала задания (подпрограмма выдержки времени TIME).После того, как окончено торможение, отключаются прерывания от порта ADC10.

Алгоритм подпрограммы выдержки времени представлен на рисунке 4.3. Выдержка времени реализуется за счёт того, что заранее рассчитанное значение последовательно декрементируется. Когда переменная, хранящая расчётное значение, обнулится, то выдержка времени окончена.

Алгоритм подпрограммы прерывания ADC10 представлен на рисунке 4.4. Когда осуществляется прерывание от порта ADC10. происходит прерывание основной программы управления и осуществляется переход по вектору прерывания, где записана подпрограмма прерывания. Осуществляется ввод значения от ADC10 и сравнение текущего значения температуры в блоке преобразователя (Тт) с аварийным значением ( a) и нормальным значением (Тн). В зависимости от результата сравнения осуществляется либо отключение электропривода (если Тт ??Та), либо включение дополнительного охлаждения (если Тт ?Тн) либо возврат в основную программу, если температура нормальна.

Рисунок 4.2 - Алгоритм основной программы управления

Рисунок 4.3 - Алгоритм подпрограммы выдержки времени TIME

Рисунок 4.4 - Алгоритм подпрограммы прерывания ADC105. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ СРЕДЕ CCS

5.1 Расположение переменных в памяти

Значение регистра сторожевого таймера

5.2 Инициализация устройств ввода и вывода

Инициализация параллельных портов P1 - Р3:

P1DIR = 0x00 - настройка Р1 на ввод;

P2DIR = 0x00 - настройка Р2 на ввод;

P2SEL=0x07 - настройка Р2 на функцию АЦП.

P3DIR = 0xFF - настройка Р3 на вывод;

P3SEL=0xFF настройка Р3 на функцию последовательного порта.

P4DIR = 0xFF - настройка Р4 на вывод.

Настройка регистра управления ADC10CTL1

INCH_1выбор входного канала (А0);

CONSEQ_3 последовательноциклический режим преобразований; ADC10AE1 = 0x01Выбор Р2.0 как внешних выводов ADC10.

Настройка регистра управления ADC10CTL0 ADC10SHT_2 время выборки 4 такта;

ADC10ONвключение ADC;

ADC10IE разрешение прерываний.

Для настройки последовательного порта UCA0 на передачу в режиме UART, рассмотрим регистры управления UCA0CTL0 и UCA0CTL1.

UCA0CTL0|=UCMODE_3 - настройка UCA0.

UCMODE - режим работы модуля USCI. Настраиваем режим UART с

автоматическим определением скорости обмена;

UCA0CTL1&=~UCSWRST перевод в рабочее состояние.

UCSWRST - перевод в рабочее состояние.

5.3 Текст программы

#include "msp430x22x4.h" //головной файл

void main(void)

{

int uz=0, i=0; //Описание переменных #define Vpered 0x01;

#define Nazad 0x02;

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // отключение таймера WDT

P1DIR = 0x00;

P2DIR = 0x00;

//Настройка порта Р1 на ввод

//Настройка порта Р2 на ввод

P2SEL = 0xFF; //Настройка на режим ADC10

P3DIR = 0xFF; //Настройка порта Р3 на вывод

P3SEL = 0xFF; //Настройка на режим UART

P4DIR = 0xFF; //Настройка порта Р4 на вывод

UCA0CTL0|=UCSSEL_2+UCMODE_3;//Настройка SMCLK

UCA0CTL1&=~UCSWRST; //Перевод порта в рабочее состояние

ADC10CTL0=ADC10SHT_2+ADC10ON+ENC; //Настройка аналогового порта ADC10 ADC10CTL1=INCH_1+CONSEQ_3+ADC10AE1;

for (;;) //Бесконечный цикл {

if ((P1IN&0x07)!= 0x00) //Если нажата какаялибо кнопка {

while ((P1IN&0x01) == 0x01) //Пока нажата кнопка «Вперёд» {while ((P1IN&0x04) == 0x04)

{P4OUT = 0;

}

P4OUT = Vpered;

}

while ((P1IN&0x02) == 0x02)

{

while ((P1IN&0x04) == 0x04) {P4OUT = 0;

}

P4OUT = Nazad; }

ADC10CTL0|= ADC10IE; while (uz <= 150)

{

//Пока нажата кнопка «Стоп»

//Останов

//Движение вперёд

//Пока нажата кнопка «Назад»

//Пока нажата кнопка «Стоп» //Останов

//Движение назад

//Разрешение прерываний

//Пока значение скорости <=150

uz=uz++; //Инкрементирование выходного сигнала

while (!(IFG2&UCB0TXIFG));

UCB0TXBUF = uz;

for (i=0; i=8250; i++);

}

while ((P1IN&0x04) == 0x04)

{

while (uz >= 0)

{

//Вывод значения на порт UCA0

//Выдержка времени

//Пока нажата кнопка «Стоп»

//Пока значение скорости >=0

uz=uz; //Декрементирование выходного сигнала

while (!(IFG2&UCB0TXIFG))

UCB0TXBUF = uz;

for (i=0; i=8250;i++);

}

}

//Вывод значения на порт UCA0

//Выдержка времени

ADC10CTL0&=~ADC10IE;

}

}

}

#pragma vector=ADC10_VECTOR

void ADC10_ISR (void)

{

if (ADC10MEM >=40) //Если температура выше нормальной {

{

while (ADC10MEM >=80)//Если температура выше аварийной

P4OUT = 0;

}

P4OUT |= 0x04;

else

P4OUT &= ~0x04;

}

// Останов

// Включение вентиляции

//Иначе

// Выключение вентиляции



5. СХЕМА ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМЫ

На формате А3 представлена принципиальная электрическая схема

соединения контроллера с объектом управления. На рисунке обозначены:

SB1 - кнопка «Вперёд»;

SB2 - кнопка «Назад»;

SB3 - кнопка «Стоп»;

BT - датчик температуры блока преобразователя;

М1- асинхронный двигатель; GB1 - блок питания;

QF1 - автоматический выключатель; MCU1 - микроконтроллер;

VD1VD6 - силовые ключи неуправляемого выпрямителя;

VD7 - VD12 - силовые возвратные диоды инвертора напряжения; VT1 - VT6 - IGBTтранзисторы автономного инвертора напряжения. Питание микросхем осуществляется от блока питания GB1. Тактирование микроконтроллера MSP430 осуществляется при помощи кварцевого резонатора, подключенного на входы XIN и XOUT микроконтроллера.21



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе была разработана система управления

электроприводом передвижения тележки мостового крана. При этом был

применён микроконтроллер MSP430F2274.

Были изучены структура, архитектура, команды и способы адресации

выбранного микроконтроллера. Программа написана на языке С. Полученная

программа занимает: Текст - 366 байт, данные - 22 байт.

Для реализации необходимо использование 4 порта: 2 параллельных, 1 последовательный в режиме UART и 1 канал АЦП.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Технические характеристики микроконтроллера MSP430F2274 -

Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.ti.com.

2. Семейство микроконтроллеров MSP430x2xx. Архитектура, программирование, разработка приложений / пер. с англ. Евстифеева А. В. - М.:

ДодэкаXXI, 2010. - 544 с.: ил. - (Серия «Мировая электроника»), ISBN 9875941202218.

3. Микропроцессорные средства в автоматизированном электроприводе: учеб. Пособие/ О. Ф. Опейко, Ю. Н. Петренко. - Минск: Амалфея, 2008. - 340 с.

Размещено на Allbest.ru

...