Контроллер шагового двигателя на микроконтроллере. Реферат
 Скачать 1.5 Mb.
|
|
2 Оглавление РЕФЕРАТ ................................................................................................................. 3 ABSTRACT .............................................................................................................. 4 ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ..................................... 5 Введение ................................................................................................................... 6 1. Общие сведения о применяемых компонентах в системах позиционирования ................................................................................................... 7 1.1 Шаговые двигатели. ....................................................................................... 7 1.2. Способы управления обмотками шагового двигателя. ........................... 12 2. Разработка устройства позиционирования цифровой камеры ..................... 18 2.1 Постановка задачи ....................................................................................... 18 2.2. Блок-схема разрабатываемого устройства ............................................... 19 2.3. Выбор компонентов для устройства ......................................................... 21 2.4. Разработка принципиальной схемы устройства позиционирования ..... 29 2.5. Разводка печатной платы ........................................................................... 40 3. Разработка программного кода для устройства ............................................. 43 3.1 Описание разработанного программного кода ......................................... 43 3.2. Проверка шаговых импульсов с помощью осциллограммы .................. 73 4. Разработка программы испытаний устройства на устойчивость к климатическим и механическим воздействиям ................................................. 77 4.1. Общие сведения о типах воздействий ...................................................... 77 4.2. Классификация воздействий ...................................................................... 78 4.3. Разработка программы испытаний устройства ........................................ 79 Заключение ............................................................................................................ 82 Список использованной литературы ................................................................... 83 3 РЕФЕРАТ Пояснительная записка 83 стр., 31 рис., 1 табл., 8 ист., 5 прил. СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ, ЦИФРОВАЯ КАМЕРА, ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Объектом разработки является система позиционирования цифровой камеры. Цель работы – получение принципиальной схемы устройства, разработка печатной платы и программного кода. В данной работе была проведена разработка принципиальных схем системы позиционирования цифровой камеры. Схема работает под управлением микроконтроллера ATMega 8. Управление шаговым двигателем происходит с помощью драйвера DRV 8834. После разработки принципиальных схем был разработан дизайн 2‐х слойной печатной платы. Разработка программного кода на языке C велась в компиляторе IAR. Когда печатная плата была изготовлена, было проведено ее тестирование для определения корректности функционирования. 4 ABSTRACT This diploma work is devoted to the development of positioning system based on stepper motor which can be used for digital cameras. With using digital cameras we can solve many various current challenges in science and technology. Independent development of such devices in some cases allows to choose the most preferred components, the best software and also allows to choose the most optimal dimensions of device. It consists of principal schematics, PCB design project and program code in C. All circuit design work was done with Altium Designer. The program code was developed in IAR compiler. When the development work had been completed, it was starting the testing of PCB. The results of testing indicate that the PCB is working correctly and meets the set objectives. 5 ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ В настоящей дипломной работе используются следующие термины с соответствующими определениями: МК – микроконтроллер ПО – программное обеспечение ПП – печатная плата СД – светодиод ЧПУ – числовое программное управление 6 Введение С помощью устройств фото- и видео- фиксации решаются различные научные и производственные задачи. В некоторых случаях, когда от устройства требуется специфический функционал и предполагаются различные нестандартные условия применения таких приборов, становится целесообразно разрабатывать свои собственные решения. Такой подход позволяет избавиться от некоторых искусственных ограничений, накладываемых на параметры устройства, среди которых габариты, тип применяемых компонентов, необходимость использовать строго определенное ПО и некоторые другие. Кроме того, в случае серийности данного прибора подобным подходом можно снизить стоимость изготовления конечного устройства. Основной задачей разработки является получение принципиальных схем устройства, макета печатной платы. Требуется разработать собственный код, что позволит решить задачу на более качественном уровне. В конечном результате планируется получить реальный функционирующий прототип печатной платы, и провести его тестирование. 7 1. Общие сведения о применяемых компонентах в системах позиционирования 1.1 Шаговые двигатели. Шаговые двигатели широко применяются в тех случаях, когда необходима высокая точность перемещений. По сравнению с обычными электрическими двигателями в шаговом двигателе отсутствует щеточный узел, для управления шагами используются обмотки, которые в свою очередь управляются внешней электроникой или драйверами. Таким образом, в отличие от обычного электрического двигателя, в котором ротор вращается постоянно, в шаговом двигателе вращение ротора происходит по шагам. По типу обмоток шаговые двигатели делятся на: -Шаговые двигатели с постоянным магнитом -Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением -Гибридные шаговые двигатели Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет ротор из постоянного магнита, а вращение происходит за счет изменения полярности на обмотках. Величина шага такого двигателя лежит в диапазоне 45-90°. На рисунке 1 изображена конструкция такового двигателя. Рис. 1. Шаговый двигатель с постоянным магнитом 8 Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением не имеет постоянного магнита, ротор изготавливается из магнитомягкого материала и имеет форму, напоминающую шестеренку. Статор может быть изготовлен либо в виде, напоминающем внутреннюю шестерню, либо иметь большое количество не связанных друг с другом обмоток. Такой шаговый двигатель имеет величину шага в пределах 5-15°, но крутящий момент ниже, из-за чего такой двигатель может просто не справиться с нагрузкой. Пример подобной конструкции изображен на рисунке 2. Рис. 2. Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением 9 Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе преимущества двигателя с постоянным магнитом и двигателя с переменным магнитным сопротивлением. На роторе такого двигателя имеется постоянный магнит и зубчатые диски, один из которых приварен к положительному, другой к отрицательному полюсу. Диски при этом смещены друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Таким образом, получается комбинация из большого числа пар разноименно заряженных зубцов. Описанная конструкция схематически изображена на рисунке 3. Рис. 3. Гибридный шаговый двигатель 10 Двигатели этого типа имеют более высокие характеристики крутящего момента и при этом обеспечивают очень точное позиционирование ротора в пределах 0.9 – 5 °. При этом может обеспечиваться значительно более высокая скорость вращения. Но такие двигатели очень сложны в производстве, так как требуется очень высокая точность изготовления, что относит его к прецизионным приборам. Кроме того, имеются определенные ограничения по размерам, которые не позволяют создавать на основе этого двигателя приборы малых габаритов. Данный тип шаговых двигателей нашел применение в высокоточных станках ЧПУ и роботизированной технике. На рисунках 4 и 5 изображен пример реализации такой конструкции. Рис. 4. Гибридный шаговый двигатель 11 На приведенном выше рисунке 4 отображен ротор с зубчатыми дисками по 50 зубов на каждом, которые смещены друг относительно друга. Точность шага и устойчивость к ошибкам напрямую зависит от точности изготовления. На рисунке 5 изображена та же самая конструкция, только под другим углом. Рис. 5. Гибридный шаговый двигатель 12 1.2. Способы управления обмотками шагового двигателя. Рассмотрим различные способы управления обмотками шагового двигателя. 1) Одним из способов управления является волновое управление одной из обмоток двигателя, т.н. полношаговый режим управления одной обмоткой. Его суть заключается в том, что в каждый момент времени протекание тока происходит только через одну обмотку, что позволяет ощутимо снизить энергопотребление. Используется он редко, т.к. крутящий момент в таком режиме крайне низкий и недопустимо давать на двигатель ощутимую нагрузку. Величина шага в таком режиме составляет 90°, что является очень большой величиной. Такой режим представлен на рисунке 6. Рис. 6. Полношаговый режим управления одной обмоткой 13 2) Полношаговый режим управления двумя обмотками заключается в протекании тока через две обмотки одновременно. Энергопотребление в таком режиме будет выше, но зато будет обеспечиваться оптимальный крутящий момент. Это самый частый в реализации способ. Шаг двигателя получается достаточно грубым, однако применение этому способу находится в широком спектре задач. Такой режим представлен на рисунке 7. Рис. 7. Полношаговый режим управления двумя обмотками. 14 3) Достаточно удобным является способ полушагового режима. При этом способе одновременно могут использоваться либо все обмотки одновременно, либо только две. Это позволяет повысить точность позиционирования, величина шага составляет 45°. Двухобмоточный вариант представлен на рисунке 8. Рис. 8. Полушаговый режим при двухобмоточном управлени Другой разновидностью полушагового режима является режим, в котором одновременно используются все обмотки. Он представлен на рисунке 9. 15 Рис. 9. Полушаговый режим с управлением всеми обмотками. 4) На сегодняшний день одним из самых применяемых является микрошаговый режим управления. Основной идеей является то, что сигнал подается не в режиме однотипных импульсов, а в режиме синусоидоподобных сигналов. Этот способ выводит точность позиционирования шаговых двигателей на качественно более высокий уровень, сохраняя простоту конструкции шагового двигателя. Величина шага при таком режиме лежит в широком диапазоне 1.9 – 45°. Кроме того, перемещение становится значительно более плавным и похожим на движении ротора обычного двигателя постоянного тока, снижаются рывки и дерганья в работе. 16 Такой режим управления используется в высокоточных системах позиционирования станков ЧПУ, робототехнике, при управлении положением камер, датчиков, различных заслонок и многого другого. Структура сигнала изображена на рисунке 10. Рис. 10. Структура управляющего сигнала 17 Пример управления шаговым двигателем в таком режиме отображен на рисунке 11. Рис.11. Микрошаговый режим управления Этот метод целесообразно использовать в том числе и для поставленной задачи в рамках дипломного проекта. С использованием этого метода не происходит особого усложнения всей конструкции, основная задача ложится на задание алгоритма управления. Далее будет проведен анализ решений подходящих для указанного применения. 18 2. Разработка устройства позиционирования цифровой камеры 2.1 Постановка задачи Требуется разработать устройство, с помощью которого можно будет управлять положением цифровой камеры по одной из осей. Для данной цели удобно использовать шаговый двигатель. Управление шаговым двигателем может осуществляться посредством специальной управляющей схемы с использованием микроконтроллера. Нужно изучить возможность выполнения платы в размерах не более 70х40 мм. Питание платы осуществляется от внешнего источника 5В. Рекомендуется использовать МК серии ATMega. 19 2.2. Блок-схема разрабатываемого устройства Для понимания общей структуры разрабатываемого устройства в первую очередь целесообразно выделить основные элементы прибора в определенные группы, сформированные в зависимости от функциональной принадлежности компонентов, то есть создать «блок-схему». Данная схема изображена на рисунке 12. Рис. 12. Блок-схема системы управления шаговым двигателем 20 Следует дать развернутое пояснение для каждой группы элементов по отдельности. -Система управления шаговым двигателем: Данный блок включает в себя различные вспомогательные средства для управления шаговым двигателем. -Шаговый двигатель: Биполярный шаговый двигатель , подходящий по условиям эксплуатации. -Интерфейс для управления: Представляет собой интерфейс для связи устройства с компьютером, через который будут отправляться основные команды. -Интерфейс для программирования: Служит для прошивки программы в память МК ATMega 8. -ATMega 8: Микроконтроллер, который планируется использовать в устройстве. 21 2.3. Выбор компонентов для устройства Основными компонентами предполагаемой электронной схемы являются микроконтроллер, элементы управления шаговым двигателем, сам шаговый двигатель, а также элементы, отвечающие за связь устройства с терминалом управления. Оптимальным микроконтроллером для решения поставленной задачи является ATMega 8. Для реализации системы управления шаговым двигателем был выбран наиболее оптимальный способ, который основан на использовании специальных драйверов для электродвигателей. Микросхемы этого типа осуществляют контроль за сигналом на обмотках двигателей посредством внутренней логики, а также усиливают его. При изучении различных микросхем-драйверов наиболее подходящей была признана DRV8834. Микросхема DRV8834 является удобным и гибким решением для управления электромотором в таких областях применения как камеры, принтеры, развлекательные устройства и различные мехатронные задачи. Драйвер DRV 8834 имеет два H-моста, которые используются для управления биполярным шаговым электродвигателем или двумя электродвигателями постоянного тока. Каждый выходной управляющий блок содержит в себе силовые n- канальные полевые транзисторы, формирующие H-мост, который используется для управления выбранной обмоткой шагового двигателя или двигателем постоянного тока. Каждый H-мост позволяет регулировать или ограничивать ток обмоток, обеспечивая функционирование при постоянных токах до 1,5 А при температуре 25 °c и питающем напряжении двигателя Vm=5 В, кроме того возможно функционировании в кратковременных импульсных 22 режимах при токах до 2,2 А. При снижении питающего напряжении двигателя токовые характеристики незначительно снижаются. Предусмотрен спящий режим. Предусмотрены внутренние функции отключения для защиты от перегрузки по току, от короткого замыкания, перегрева, а также в случае работы при пониженном напряжении. При этом на соответствующий pin fault выводится информация о событии. Микросхема поставляется в корпусах HTSSOP и VQFN, изготовлена в соответствие с технологиями RoHS & no Sb/Br. Рис. 13. Упрощенная схема использования DRV 8834 23 Рис. 14. Типы корпусов микросхемы DRV 8834 Таблица 1. Назначение ножек микросхемы по данным производителя Ножка (pin) Ввод/вывод Описание Обозначение HTSSOP номер VQFN номер Питание GND 21, PPAD 18, PPAD - Земля должна быть подключена одновременно к соответствующим ножкам и PPAD VM 18, 19 15, 16 - Подсоединяются к напряжению питания электромотора, рекомендуется соединять с землей через конденсатор с минимальной емкостью 10 мкФ. VINT 20 17 - Внутренний источник питания. Рекомендуется соединять с 24 землей через конденсатор 2.2 мкФ. Может использоваться для предоставления высокого логического уровня на конфигурационных pin, за исключением nSLEEP. VREFO 24 21 O Базовое выходное напряжение. Этот pin может быть подключен к AVREF/BVREF, фильтрующий конденсатор не требуется VCP 17 14 O Подсоединяется к VM через конденсатор 0.01 мкФ Управление nENBL/AENBL 10 7 I Режим счетчика: низкий логический уровень сигнала включает все выходы для управления обмотками. Фазовый режим управления: высокий логический уровень включает выходы AOUTx STEP/BENBL 11 8 I Режим счетчика: нарастающий фронт сигнала передвигает счетчик на 1 шаг вперед Фазовый режим управления: высокий логический уровень включает выходы BOUTx DIR/BPHASE 12 9 I Режим счетчика: логический уровень сигнала указывает 25 направление шага. Фазовый режим управления: высокий логический уровень на этой ножке задает высокий логический уровень на выводе BOUT1 и низкий на выводе BOUT2. M0/APHASE 13 10 I Режим счетчика: используется для выбора режима микрошага совместно с ножкой M1. Фазовый режим управления: высокий логический уровень на этой ножке задает высокий логический уровень на выводе AOUT1 и низкий на выводе AOUT2. M1 14 11 I Режим счетчика: используется для выбора режима микрошага совместно с ножкой M0. Фазовый режим управления: определяет состояние выводов при xENBL=0 CONFIG 15 12 I Используется для определения режима работы устройства: высокий логический уровень переводит драйвер в режим счетчика, низкий логический уровень переводит устройство в режим фазового управления. 26 nSLEEP 1 22 I Высокий логический уровень на этой ножке включает драйвер, низкий переводит в режим бездействия, при этом вся внутренняя логика сбрасывается. AVREF 22 19 I Этой ножкой задается базовое напряжение для управления обмоткой AOUT. В режиме счетчика она должна быть подключена к базовому напряжению для внутреннего ЦАП(например VREFO). В режиме фазового управления она может быть подключена к внешнему ЦАП для осуществления микрошага. BVREF 23 20 I Этой ножкой задается базовое напряжение для управления обмоткой BOUT. В режиме счетчика она должна быть подключена к базовому напряжению для внутреннего ЦАП(например VREFO). В режиме фазового управления она может быть подключена к внешнему ЦАП для осуществления микрошага. 27 ADECAY 3 24 I Определяет скорость затухания для H-Bridge A, либо одновременно для A и B в режиме счетчика. BDECAY 2 23 I Определяет скорость затухания для H-Bridge B Статус nFAULT 16 13 OD Низкий логический уровень свидетельствует о неполадках(перегрев, перегрузка по току, низкое напряжение) Выходные ножки AISEN 5 2 IO Следует подключить к токоограничивающему резистору моста А, либо к земле, если контроль по току не нужен BISEN 8 5 IO Следует подключить к токоограничивающему резистору моста B, либо к земле, если контроль по току не нужен AOUT1 4 1 O Подключается к обмотке A. AOUT2 6 3 O BOUT1 9 6 O Подключается к обмотке B. BOUT2 7 4 O 28 Для использования был выбран шаговый двигатель 24BYJ48S. Это биполярный шаговый двигатель, рассчитанный на работу при постоянном напряжении 5В. Сопротивление каждой из его обмоток составляет 25 Ом. Обеспечивается крутящий момент до 0.035 Нм. Связь с управляющим терминалом будет осуществляться посредством интерфейса RS 232, который будет реализован с использованием микросхемы- драйвера SP232EEN. Последовательный интерфейс RS-232 был разработан более 25 лет назад. Первоначально предполагалось использование данного интерфейса для связи модема с компьютером. В настоящее время эта функции почти не используется, как и сами модемы. Однако он все еще применяется для связи компьютера с различным специальным оборудованием. 29 |