Кроме вышесказанного микроконтроллер должен обладать быстродействием достаточным  для выполнения возложенных на него функций.

     Основываясь на вышеизложенных требованиях, был выбран микроконтроллер производства компании Microchip Inc. dsPIC30F2010. Его основные технические характеристики [7]:

      - высокоскоростная RISC архитектура;

- состав  команд – 84 инструкции;

- частота  задающего генератора – до 40 МГц (скорость работы до 30 MIPS);

- 4096 слов электрически перезаписываемой  памяти программ;

- 512 байт  оперативной памяти;

- 1024 байт энергонезависимой памяти  данных;

- до 14 источников прерываний;

- 21 линия ввода-вывода;

- высокая  нагрузочная способность портов ввода-вывода (до 25 мА);

- 3 таймера-счетчика;

- 3 модуля  ШИМ;

- модуль  квадратурного энкодера.

2. Анализ  аппаратных ресурсов микроконтроллера и обоснование их использования

      Рассмотрим  подробнее задачи, которые предстоит  решать микроконтроллеру, а также необходимые для этого аппаратные ресурсы.

     4.1.2.1  Управление силовыми ключами (ШИМ)

     Управление  ключами происходит путем подачи на них импульсов определенной длительности, формируемые программно-реализованными блоками широтно-импульсных модуляторов. В качестве порта управления силовыми ключами используется порт Е (PORTE).

     ШИМ-контроллер способен работать в различных режимах  работы:

     - стандартный однотактный режим (повышающие, понижающие и инвертирующие DC/DC-преобразователи малой мощности);

     - комплементарный однотактный режим (повышающие, понижающие и инвертирующие DC/DC-преобразователи средней мощности);

     -двухтактный режим (гальванически развязанные DC/DC-преобразователи на основе трехобмоточного трансформатора со средней точкой);

     -многофазный режим (мощные инверторы и источники бесперебойного питания - UPS);

     -режим с изменяющейся фазой (мощные DC/DC-преобразователи с высоким КПД);

     -режим управления скважностью в зависимости от тока (корректор коэффициента мощности);

     -режим частотного управления с фиксированным временем выключенного состояния транзистора (повышающие, понижающие и инвертирующие DC/DC-преобразователи малой и средней мощности);

     -режим управления скважностью в зависимости от тока внешнего транзистора и фиксированным временем его включенного состояния;

     -многоканальный режим с независимым управлением каждого канала (одновременное управление корректором коэффициента мощности и преобразователя в мощных инверторах, выполненного по мостовой схеме).

     4.1.2.2  Управление жидкокристаллическим дисплеем

     Для соединения ЖК-модуля с управляющей  системой используется параллельная синхронная шина, насчитывающая четыре линии  данных, и две линии управляющей  шины.

     Наиболее  рациональным является использование  в качестве порта линий управления индикатором – порта F. PORTF – двунаправленный четырехразрядный порт ввода-вывода. В качестве шины данных индикатора будем использовать три вывода порта В (PORTB,0, 1, 2) и один вывод порта С (PORTC,13) .

     4.1.2.3  Опрос оптического энкодера и датчиков положения ротора

     Для подключения энкодера используем специально предназначенные для этого выводы INDX, QEA, QEB, а для датчиков положения - выводы внешних прерываний INT0, INT1 и INT2 . 

     4.1.2.4  Опрос переключателя

     Переключатель подключается к выводу сброса микроконтроллера

.

3. Модуль  микроконтроллера

     Основой устройства является микроконтроллер DD1, управляющий работой всех периферийных модулей [7].

     В качестве задающего генератора для  микроконтроллера используется кварцевый  резонатор на частоту 4 МГц (ZQ1). Конденсаторы С2, С3 увеличивают стабильность частоты генератора.

     Вход  сброса подключен непосредственно на питание, устойчивый сброс обеспечивает активизированный встроенный таймер сброса при включении питания контроллера. Также используется таймер включения питания, обеспечивающий задержку, для достижения напряжением питания его номинального значения. Это позволяет не опасаться влияния переходных процессов в цепи питания, возникающих при включении схемы.

     Цепь  питания модуля зашунтирована конденсатором С1.

2. Проектирование  силовой части схемы

1. Устройство  сопряжения и транзисторный ключ

Принципиальная  схема транзисторного ключа приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 Принципиальная схема транзисторного ключа

  В качестве силового транзистора VT7 взят транзистор марки КТ812А со следующими характеристиками [5]: 

U_{кэ7 max}= 400 В;    I_{к7 max}= 8 А;    I_{б7 max}= 3 А;

U_{кэ7 нас}= 1,6 В;     U_{бэ7 нас}= 2 В;    h_{21Э min}= 4.

     Так как в закрытом состоянии на силовые  транзисторы падает коммутируемое напряжение питания, т. е. 220 В, то напряжение U_{кэ max} должно быть не меньше 220 В.

     Ток коллектора транзистора определяется током нагрузки двигателя. Т.к. номинальный ток двигателя равен 1,7 А, то ток коллектора транзистора принимаем (с учетом перегрузок двигателя) равным 4А. Тогда I_{к7 нас}= 4 (А);

 

(А)

     Для того, чтобы создать такой ток I_б7нас применен каскад усиления на транзисторе VT4 марки КТ815А со следующими характеристиками [5]:

U_{кэ4 max}=25 В;    I_{к4 max}=1,5 А;    I_{б4 max}=0,5 А;

U_{кэ4 нас}=0,2 В;    U_{бэ4 нас}=0,9 В;    h_{21Э min}=30.

 Тогда

(Ом),

где I_к1» I_б7нас=1А.

     Мощность  резистора R17 равна (Вт).

     Ток базы насыщения транзистора VT4 равен:

(А).

     Резистор  R18 = 2кОм необходим для надежного запирания транзистора VT7.

     В качестве устройства сопряжения с силовой  частью здесь применена оптопара U1 типа АОТ110Б со следующими характеристиками [1]:

- коммутируемое напряжение U_ком = 50 В;

- максимальное значение входного тока I_вхmax = 30 мА;

- максимальное значение выходного тока I_вых = 100 мА.

     Сигнал  с системы управления составляет примерно U_су= 4 В. Поэтому для ограничения входного тока оптопары применен резистор R8. Его сопротивление:

(Ом).

     Выбираем  R8=68 Ом.

     Уточняем  значение тока:

(А).

     Мощность  резистора R8 равна (Вт).

     Резистор  R11=100 кОм необходим для надежного закрывания транзистора оптопары.

     Для обеспечения тока базы насыщения транзистора VT4 выбираем значение резистора R14 в соответствии с формулой:

(Ом).

     Мощность  резистора R14 равна (Вт).

     В качестве обратного диода выбран диод марки КД206А со следующими характеристиками:

I_пр.max=5 А;     I_пр.и.max=100 А;   U_обр.max=400 В.  

2. Датчики положения ротора

     Информация  о положении ротора двигателя  может быть получена с датчиков положения  ротора, которые используются для  своевременного подключения фазных обмоток двигателя (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 Принципиальная схема датчиков положения ротора

     Технически  это реализовано установкой на ротор  двигателя непрозрачного диска  с окнами по восемь угловых градусов, с промежутками между ними в 16°(всего 15 окон). На статоре двигателя установлено 3 фотодиода (VD1-VD3) через 8° с одной стороны диска, а с другой – 3 светодиода (HL1-HL3). Сигналы от фотодатчиков усиливаются и подаются на выводы микроконтроллера, который в зависимости от полученной информации формирует сигналы управления, подаваемые на ключи управления соответствующей фазной обмоткой. 

     В качестве датчиков положения ротора применены фотодиоды ФД256Б и светодиоды АЛ107Б. При подключении катода фотодиода к плюсу источника питания, а анода к базе управляющего транзистора, будет обеспечено открывание управляющего транзистора датчика положения ротора и, следовательно, подача импульса на вывод микроконтроллера, во время ИК - излучения  фотодиода соответствующим светодиодом.

      Рассмотрим  временные диаграммы, получаемые с датчиков положения ротора (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 Временные диаграммы

     С выходов датчиков положения ротора получаются импульсы, сдвинутые друг относительно друга на 4°, так как могут быть включены одновременно 2 обмотки двигателя для поворота ротора на полшага (4°). В соответствии с полученной информацией микроконтроллер сформирует сигнал управления соответствующими фазными обмотками. Для поворота двигателя на 4° обмотки включаются последовательно через определенные промежутки времени, формируемые микроконтроллером. Т.е., как видно из временных диаграмм, для поворота ротора двигателя на 4° подключается обмотка А, на следующие 4° - обмотки А и В, затем еще на 4° - обмотка В, и так далее по кругу: В и С, С, А и С, А…

3. Оптический  энкодер

     Датчики являются одной из наиболее значимых частей любой системы, в которой  производятся измерения. От быстродействия датчиков и достоверности представляемых ими результатов зависит качество функционирования системы в целом, поэтому выбор датчиков состояния объекта управления представляет собой задачу первостепенной важности.

     В качестве датчика частоты вращения ротора двигателя используем оптический датчик частоты вращения (энкодер).

     Оптический энкодер относится к типу энкодеров, которые предназначены для указания направления движения или углового перемещения внешнего механизма. Оптический энкодер периодически формирует импульсы, соответствующие углу поворота вала. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Оптический энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

     Принцип работы энкодеров проиллюстрирован на рисунке 4.4. Оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока - измерительной головки, включающей в себя источник света и фотодетектор. Оптический диск включает поверхность из прозрачных и непрозрачных участков. Маркерами могут быть, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику.

     Фотодетектор  генерирует сигнал частотой, равной частоте  следования кодовых элементов, в цифровой форме или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При добавлении второй пары "светодиод-фототранзистор" с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов - канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90°. Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика, позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.