125213 (Плавный пуск двигателя постоянного тока по системе "Широтно-импульсный преобразователь - двигатель постоянного тока"), страница 2

SB1 и SB2 кнопки включения соответствующего режима.

SB3-сброс режимов (СТОП)

Rдт-нагрузочный резистор для режима динамического торможения (вмонтирован в стенде)

Р1-реле защиты VT1.

3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда

Существующие возможности:

А) Исследование системы ЧРП – АД только при линейной нагрузке на валу

Б) динамика системы ЧРП-АД

В) статический характер ЧРП-АД

Г) исследование режимов работы преобразователя при нелинейном характере нагрузки

Новые возможности:

А) реализация режимов плавного пуска ДПТ

Б) электропривод по системе ШИП-ДПТ

В) режим динамического торможения

Г) имитация различных видов нагрузки для системы ЧРП-АД

3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877

Основой системы управления является однокристальный микроконтроллер PIC 16F877. Широкий набор периферийных устройств входящих в состав серии микроконтроллеров семейства PIC 16X позволяет строить современные системы управления с высокими показателями.

PIC 16FX – семейство дешевых, высокоэффективных, 8-разрядных КМОП микроконтроллеров со встроенным аналого-цифровым (analog-to-digital) преобразователем.

Среди микроконтроллеров PIC 16F877 занимает среднее положение. Все микроконтроллеры PIC 16FX используют RISC структуру процессорного ядра. Семейство микроконтроллеров PIC 16F877 имеет расширенные возможности ядра, стек глубиной 8 уровней и множество внутренних и внешних прерываний. Гарвардская архитектура с отдельными именами команд и данных позволяет одновременно передавать 16 разрядные команды и 8 разрядные данные. Двухкомандный конвейер позволяет выполнять все команды за один машинный цикл, кроме команд ветвления программы, которые выполняются за два цикла.

Уменьшенная система команд (всего 35 команд). Высокая эффективность достигается использованием новшеств архитектуры и большого набора дополнительных регистров.

Микроконтроллер PIC 16F877 по сравнению с другими 8 разрядными микроконтроллерами такого же класса позволяет уменьшить программу 2: 1 и увеличить быстродействие 4:

1.

устройство PIC 16F877 имеет 368 байт памяти данных. Кроме того, PIC имеет 13 контактов ввода/вывода (I/O), периферийные устройства: три таймера/счетчика, два модуля сравнения и шин, два последовательных порта и 8 разрядный параллельный порт.

двухпроводная шина (I2C). Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART) также известный как последовательный интерфейс связи (SCI), а также быстродействующий 8 разрядный A/D преобразователь идеально подходит для дешевых приложений, требующих аналоговый интерфейс.

Для того чтобы уменьшить количество внешних компонентов и таким образом уменьшить стоимость, повысить надежность системы и снизить потребление, микроконтроллер PIC 16F877 имеет дополнительные возможности. Имеются 4 режима генератора: RC генератор на одном контакте обеспечивает дешевое решение, LP генератор обеспечивает минимальное потребление, XT генератор – стандартное решение и HS генератор для высокочастотных приложений. Режим останова позволяет резко уменьшить потребление. Пробуждение из режима останова может осуществляться при помощи внешних и внутренних прерываний и сбросов.

Высоконадежный сторожевой таймер со своим RC генератором обеспечивает защиту от зацикливания программы. Малогабаритные корпуса микроконтроллеров задают семейство PIC 16FX совершенными для всех приложений без ограничений. Низкая цена, малая потребляемая мощность, высокая эффективность, устройство при использовании и гибкость I/O делает PIC универсальным даже в областях, где использование микроконтроллеров прежде не рассматривалось (например, функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции ШИМ и приложения с компрессором).

Таблица 3.1 Основные электрические параметры

Принципиальная схема системы управления представлена на рисунке 3.3 Для реализации функций управления ШИП используются следующие модули микроконтроллера:

A/D преобразователь для контроля выходного тока и напряжения, скорости двигателя постоянного тока

компаратор (накопитель) ШИМ (ССP) для управления выходным силовым ключом в силовой схеме

таймер 2 для быстрого программного регулирования

I/O порты ввода – вывода.

Микроконтроллеры PIC имеют четыре различных режима генератора. Для того чтобы выбрать один из этих четырех режимов необходимо соответственно запрограммировать два бита конфигурации (OSC1: OSC2)

LP низкочастотный кварцевый генератор;

XT среднечастотный кварцевый генератор;

HS высокочастотный кварцевый генератор;

RC резистивно-емкостной генератор.

С учетом того, что требуется точное тактирование модуля ШИМ PIC контроллера (для задания частоты и скважности) наиболее применимым вариантом является использование внешнего кварцевого генератора (режим HS). В режиме HS к выводам OSC1 и OSC2 подключают кварцевый генератор. Для PIC 16F877 используют кристалл с параллельным срезом. Применение других кристаллов может привести к получению частоты, не соответствующей спецификации кристалла. В режиме HS устройство работает от внешнего тактового сигнала со входа OSC1 (рисунок 4.3)

В качестве внешнего кварца выбираем резонатор ZQ1 20 Мгц. Значения внешних конденсаторов С1 и С2 выбираем из таблицы 1 согласно рекомендациям фирмы производителя “Microchip”

Таблица 3.2. Параметры конденсаторов

Внешний сброс контроллера, по контакту MCLR, при помощи внешних компонентов предназначен для разрешения работы устройства когда эксплуатационные параметры станут в норме. Если это условие не выполняется, устройство должно быть задержано в сбросе, пока эксплуатационные режимы не установятся.

Согласно руководству применения микроконтроллеров PIC для этих целей используется внешняя RC цепочка на входе контакта MCLR. Значение RC цепочки должны находится в пределах R<40 кОм, C – 0.001÷1 мкФ (согласно руководству применения PIC контроллеров.

С учетом этого принимаем: R1 => МЛТ – 0.125 22 кОм ± 10%

C5 => 0.1 мкФ

Резистор R2 ограничивает входной ток, при начальном заряде конденсатора, контакта MCLR. Значение R2 принимаем: R2 => МЛТ – 0.125 680 Ом ± 10%

Задание установок коэффициентов регулирования осуществляется построечными резисторами R1 – R3, которые выполняют роль делителей напряжения. Снимаемое напряжения с переменных движков резисторов подается на аналоговые входы контроллера RA1 – RA3. Сигнал обратной связи по току Iос подключен на вход RA0. Неиспользуемые аналоговые входы АЦП RA4 – RA5 закорочены на корпус, с целью уменьшения энергопотребления и снижения уровня наводок помех от внешних цепей на АЦП контроллера.

Неиспользуемый порт RE запрограммирован на вход линии и подключены на общий корпус, для снижения общего энергопотребления микросхемой. Ввод информации пользователем осуществляется через клавиатуру, состоящую из 4 кнопок SB1 – SB4.

Выбор контактов RB4 - RB7 (к которым подключена клавиатура) обусловлена тем, что по входам RB4 – RB7 в PIC контроллере существует встроенная опция формирования прерывания при изменении уровня на данных линиях ввода. Входные линии подтянуты к высокому уровню через резисторы R12 – R15. Значения резисторов принимаем следующие: МЛТ 0.125 10кОм ±10% с учетом этого высокий уровень является не активным, что соответствует не нажатой ни одной клавиши. В случае нажатия какой-либо кнопки SB1 – SB4 входной уровень линий RB4 – RB7 изменится на низкий, что будет причиной возникновения прерывания подпрограммы обработки клавиатуры. Дребезг контактов клавиатуры аппаратно не осуществляется, и реализуется программным способом.

Для визуального отображения информации пользователю в состав системы управления входит светодиодная матрица индикации VD6 – VD9. С учетом того, что нагрузочная способность по току линий вывода PIC контроллера должна быть не более 20 mA, выбираем светодиоды АЛ 307, с током свечения 10 mA.

Ограничительные резисторы принимаем следующего значения: МЛТ 0.125

Сигнал ШИМ формируется на контактe RC2 и подается через ограничительный резистор R4 на силовой ключ преобразователя.

Питание микросхемы осуществляется от стабилизирующего источника “+5” В и подается на ножки VDD и общий вывод VSS. Конденсатор С3 выполняет роль фильтра высокочастотных помех, и находится в непосредственной близи от ножек питания микроконтроллера.

Рисунок 3.3 Система управления транзистором

3.5 Принципиальная электрическая схема драйвера управления

Рисунок 3.4 Драйвер управления

4. Расчет схемы замещения

Упрощенная эквивалентная схема замещения двигателя постоянного тока приведена на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 Схема замещения двигателя

Определим номинальную скорость вращения якоря исходя из каталожного значения частоты вращения

; (4.1)

рад/с;

Активное сопротивление якорной обмотки:

; (4.2)

где для двигателей постоянного тока независимого возбуждения;

для двигателей постоянного тока смешанного возбуждения.

для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Принимаем

Индуктивность обмотки якоря определяется в соответствии с формулой Уманского: