Разработка системы управления роботом

     – выбрать принцип управления двигателем постоянного тока;

     – выбрать и рассчитать электрические  элементы, требуемые для корректной работы устройства управления двигателем постоянного тока;

     – разработать алгоритм и программу системы управления двигателем постоянного тока для управляющих элементов;

     – спроектировать и спаять плату системы управления двигателем постоянного тока.

     По  предложению технического руководителя необходимо выбрать следующие управляющие звенья: программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 150УL и микроконтроллер MSP430C1101 для формирования управляющего сигнала с ШИМ, и помимо этих звеньев для визуализации проекта микроконтроллер PIC16F628A.

     Управление двигателем постоянного тока будет осуществляться по следующему принципу:

     – оператор на персональном компьютере, к которому через интерфейс RS-232 был  подключен программируемый логический контроллер, будет увеличивать или уменьшать частоту вращения двигателя, подавая управляющий сигнал, характеризующий изменение значения скважности ШИМ;

     – этот сигнал будет подаваться на микроконтроллер PIC16F628A, обрабатываться и передаваться на микроконтроллер MSP430C1101;

     – во время передачи сигнала на MSP430C1101 будут загораться светодиоды, сигнализирующие о передаче данных;

     – в зависимости от управляющего сигнала  на MSP430C1101 будет изменяться длительность рабочего импульса (скважность сигнала), сформированного модулем таймера Timer_A. Сигнал с ШИМ подается на драйвер, который управляет двигателем постоянного тока. При необходимости может быть включен режим реверса. Так как будет изменяться скважность сигнала управления, то будет изменяться и средняя мощность, подаваемая на двигатель, что и определит скорость вращения двигателя постоянного тока.

     – к двигателю будет подключен фотоимпульсный датчик, соединенный с ОВЕН ПЛК 150УL. Программное обеспечение ПЛК будет организовано так, что при движении с каждым изменением входного сигнала происходит прибавление "1" в счетчике. Таким образом, в ОВЕН ПЛК 150УL будет накапливаться значение, пропорциональное пройденному расстоянию робота.

Помимо этого, для тестирования интерфейса RS-232 и  протокола UART, будет разработан алгоритм и программа для связи персонального компьютера с микроконтроллером PIC16F628A через приемопередатчик MAX232. При каждом сбросе микроконтроллера управляющая программа будет передавать на персональный компьютер строку ASCII символов.

      

 

1 Разработка устройства управления двигателем постоянного тока 

1.1 Разработка схемы электрической принципиальной 

     Электрическая принципиальная схема блока управления шаговым двигателем приведена в  графической части бакалаврского  проекта

     Электрическая схема состоит из:

     – конденсаторов – С1 … С4;

     – микросхем – DD1 … DD4;

     – резисторов – R1 … R9;

     – диодов – VD1 … VD6;

     – транзисторов – VT1…VT4;

     – различных разъёмов – XP1 … XP3.

     Электрическая принципиальная схема практической части блока управления шаговым  двигателем приведена в графической  части бакалаврского проекта

     Электрическая схема состоит из:

     – конденсаторов – С1 … С7;

     – микросхем – DD1 … DD3;

     – резисторов – R1 … R2;

     – диодов – VD1 … VD2;

     – различных разъёмов – XP1 … XP3. 
 
 

 

1.2 Разработка печатной платы 

     Разработка  конструкции блока управления двигателем постоянного тока осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к ремонтопригодности, требований технической эстетики, с учетом условий эксплуатации и других требований.

     При конструировании печатной платы  учитывалось следующее:

     – печатная плата (ПП) разработана прямоугольной  формы размерами 106х162 мм. Толщина  ПП, равная 1,5 мм, соответствует одному из чисел ряда: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0;

     – разработка платы спроектирована, ориентируясь на конкретный промышленный процесс  ее изготовления;

     – центры отверстий расположены в  узлах координатной сетки. Каждое монтажное  и переходное отверстие охвачено контактной площадкой;

     – диаметр крепежных отверстий 5 мм. Диаметр монтажных отверстий 0,8 мм. Шаг координатной сетки составляет 2,54 мм;

     – в качестве материала припоя выбран ПОС-61 для пайки элементов. Материал платы стеклотекстолит фольгированный СТЭФ 3-1,5-50 по ГОСТ 10316-86. Плта состоит из 3-х слоёв;

     – кроме того, предусмотрена раздельная прокладка цифровой и аналоговой земли;

     – внутренний слой предназначен для заземления электротехнических элементов печатной платы;

     отдано  предпочтение масштабу 2:1.

 

1.3 Разработка сборочного чертежа 

     В ходе разработки сборочного чертежа  было уделено внимание следующим  требованиям:

     – разработка сборочного чертежа блока управления двигателем постоянного тока осуществлялась на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к чертежным документам;

     – в соответствии со схемой деления  изделия на составные части присвоено  обозначение сборочной единице и ее элементам по ГОСТ 2.201-68;

     – отдано предпочтение масштабу 2:1;

     – проставлены необходимые размеры  согласно требованиям ГОСТ 2.109-73;

     – заполнена спецификация, выдерживая основные требования ГОСТ 2.108-68;

     – нанесены номера позиций деталей в соответствии с номерами, проставленными в спецификации на данное изделие;

     – заполнена основная надпись и  указаны технические требования.

 

1.4 Выбор элементов системы управления 

     Широтно-импульсная модуляция позволяет управлять  как маломощными, так и мощными двигателями. При этом схема управления не изменяется, меняются только силовые ключи в схеме H-моста. Это является несомненным преимуществом такого способа регулирования. Для управления двигателем разработано множество драйверов H-моста. Функции драйвера сводятся к своевременному открыванию и закрыванию определенных транзисторов H-моста. На входе драйвера, как правило, должен быть ШИМ - сигнал.

     Схема управления двигателем постоянного  тока представлена в виде блоков на рисунке 1.

     Рисунок 1. Схема управления двигателем постоянного тока.

     Данная  структурная схема отображает работу устройства, где главным управляющим  элементом является микроконтроллер (MSP430C1101), он выдает управляющий сигнал с ШИМ, который передается на драйвер HIP4802. Этот драйвер в свою очередь подключает двигатель постоянного тока. В качестве объекта управления использован двигатель постоянного тока ESCAP 35NT2R32. Благодаря интерфейсу связи появляется возможность удалённого управления. В данной выпускной бакалаврской работе выбраны интерфейс связи RS-232. Датчик обратной связи (энкодер) выполняет функцию передачи данных от двигателя к ПЛК, тем самым повышается точность позиционирования двигателя. 
 

     1.5 Выбор двигателя постоянного  тока 

     В данной выпускной бакалаврской работе выбран двигатель постоянного тока ESCAP 35NT2R32. Внешний вид двигателя представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид двигателя ESCAP 35NT2R32.

Таблица 1. Основные технические характеристики двигателя ESCAP 35NT2R32.

 

 

1.6 Выбор фотоимпульсного датчика (энкодера) 

      Выбираем  фотоимпульсный датчик фирмы ООО  «СКБ ИС Центр»  ЛИР 212-А с разрешающей  способностью преобразователя до 32000 дискрет/оборот. Схема и характеристики фотоимпульсного датчика представлены на рисунке 3.

     Рисунок 3. Схема и характеристики фотоимпульсного датчика.

     В качестве рекомендуемой схемы подключения  фотоимпульсного датчика воспользуемся  рекомендованной производителем схемой с применением оптрона. Схема  подключения фотоимпульсного датчика  изображена на рисунке 4.

     Рисунок 4. Схема подключения фотоимпульсного датчика.

      Применим  оптрон с логическим выходом Fairchild Optoelectronics Group. Выбор обосновывается невысокой ценой и совместимостью с устройствами. На рисунке 5 представлен внешний вид оптрона HCPL2631SD.

     Рисунок 5. Внешний вид оптрона HCPL2631SD.

      На  рисунке 6 изображены характеристики оптрона HCPL2631SD.

     Рисунок 6. Характеристики оптрона HCPL2631SD.

     Таким образом, на выход А будут поступать  прямые и инверсные импульсные сигналы, которые будут обрабатываться микроконтроллером и использоваться для определения пройденного расстояния.

     В соответствии с заданием примем, что  за один импульс платформа проходит расстояние в 0,5 мм.

 

1.7 Выбор конденсаторов,  диодов, резисторов, транзисторов 

           В качестве силовых ключей выбираем MOSFET транзисторы с запасом по току и напряжению.

     Марка транзистора IR2910 корпус ТО220AB.

     Достоинства транзистора марки IRFP450:

       – высокие динамические характеристики;

       – рабочая температура кристалла 175°С;

       – низкое сопротивление во включенном состоянии;

       – низкая мощность управления;

       – высокое коммутируемое напряжение.

     Необходимые характеристики транзистора:

     – максимальное напряжение U_DSS=100 В;

     – максимальный ток I_D=55 А;

     – рассеиваемая мощность Pw=200 Вт;

     – время включения t_on=11 нс;

     – время задержки включения t_r=100 нс;

     – время выключения t_off=49 нс;

     – время задержки выключения t_f=50 нс;

     – сопротивление открытого p-n перехода R_DS(on)=0,4 Ом;

     – суммарный заряд затвора Q_з =140 нКл.

     Для управления транзисторами выбираем драйвер Н-канального моста марки HIP4082 со следующими характеристиками:

     – диапазон рабочих температур = -55 +125 ºC;

     – напряжение шины = 1…80 В;

     – рабочий ток = 1,25 А;

     – максимальная частота = 250 КГц;

     – время нарастания сигнала = 30 нс;

     – драйвер совместим со схемами, работающими под напряжением +3,3 В, +5В, +12В.

     В цепь затвора транзистора необходимо включить сопротивления R=R3=R4=R5=R6.

     Сопротивление резистора в цепи затвора рассчитывается по формуле 1