Автоматизация станка с ЧПУ

     

Рисунок 4.4 Временная диаграмма работы энкодера

     Датчики линейного и углового перемещения подключаются к модулю микроконтроллера напрямую. Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот.

     В данном дипломном проекте используется оптический датчик угла поворота (энкодер) серии HLC2701, имеющий 12500 импульсов на 1 оборот:

- два выхода с фазовым сдвигом;                                                                                     - используется совместно с кодирующим диском (линейкой) и ИК излучателем;                                                                                                              - ТТЛ/КМОП совместимый выход.

4. Разработка  принципиальной схемы блока питания

Для рассматриваемой системы необходимо обеспечить напряжения +5В.       Принципиальная схема блока питания приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 Принципиальная схема блока питания

     Для получения напряжения 5В из напряжения электросети 220 В, 50 Гц необходимо использовать понижающий трансформатор с дальнейшим выпрямлением и стабилизацией напряжений. Выберем трансформатор ТН2 (ТН-2-5/220-50) с номинальной мощностью 13.3 Вт, максимальный ток вторичных обмоток трансформатора  I2=0.35 А, I3=2.2 А.

     Выпрямитель для напряжения 5В выполняется на диодах КД202А.

     Значения  емкостей сглаживающих конденсаторов  выбираются из ряда номинальных и  представлены в перечне элементов (приложение Б).

     В качестве стабилизаторов источников питания для напряжения 5,В выбираются интегральные стабилизаторы КР142ЕН5А.

     Для защиты блока питания при возникновении  перегрузки в первичную обмотку  трансформатора включен предохранитель FU1 (ПК–30–0,5 А).

3. Проектирование  интерфейса пользователя

1. Модуль  ЖК-дисплея

     Модуль  ЖК-дисплея  является функционально законченным элементом промышленного изготовления. Связь с модулем микропроцессора осуществляется гибкими многожильными проводами, собранными в жгут. Подключение к модулю микроконтроллера осуществляется с помощью разъемного соединения.

     В разрабатываемом устройстве используем модуль МТ-16S2D, состоящий из БИС контроллера управления и ЖК-панели. Модуль отображает 2 строки по 16 символов в каждой. Символы отображаются в матрице 5 8 точек. Между символами имеются интервалы шириной в одну отображаемую точку [6].

     Каждому отображаемому на ЖК-дисплее символу  соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля.

     Модуль  позволяет:

- работать  как по 8-ми, так и по 4-х битной  шине данных (задается при инициализации);

- принимать  команды с шины данных;

- записывать  данные в ОЗУ с шины данных;

- читать  данные из ОЗУ на шину данных;

- читать  статус состояния на шину данных;

- запоминать  до 8 изображений символов, задаваемых  пользователем;

- выводить  мигающий (или не мигающий) курсор  двух типов;

- управлять  контрастностью и подсветкой;

- модуль  имеет встроенный знакогенератор.

Таблица 4.1 Назначение внешних выводов.

Продолжение таблицы 4.1

2. Устройство  сброса микроконтроллера

     В качестве устройства сброса используется кнопочный переключатель. Если переключатель замкнуть, то произойдет выключение всей системы управления. При разомкнутом положении переключателя система управления находится в рабочем состоянии. 

5. Синтез  алгоритма СУ

     Для реализации поставленных задач, разрабатываемое  устройство должно выполнять разнообразные  действия, такие как формирование импульсов различной длительности в 3 независимых каналах (управление силовыми ключами), управление устройством индикации, опрос устройств ввода информации и т.д. Так как в схеме устройства используется микроконтроллер, то для выполнения поставленных задач, необходимо разработать соответствующий алгоритм работы, поскольку именно микроконтроллер будет управлять работой схемы в целом.

1. Разработка  алгоритма микроконтроллера

     Алгоритм  работы микроконтроллера представлен  в приложении В. Работа системы начинается с запуска микроконтроллера. При подаче питания микроконтроллер переходит в состояния сброса, в счетчик команд загружается нулевое значение, программа микроконтроллера начинает выполняться с адреса 0000h. По начальному адресу памяти программ записана команда перехода на процедуру инициализации, выполняющую настройку режима работы микроконтроллера и внешних устройств. После завершения инициализации программа переходит на циклическое выполнение кода основного цикла. Основной цикл выполняется, пока не будет произведен сброс по снижению питания микроконтроллера.

     Для работы программы требуется параллельное выполнение следующих задач:

1. непрерывный опрос состояния датчиков частоты вращения и положения ротора через определенные промежутки времени;
2. выполнение процедуры сравнения данных, полученных с обоих датчиков;
3. загрузка в регистр ШИМ состояний о подключении фазных обмоток двигателя;
4. обновление информации на ЖК-дисплее.

     В общем, все процедуры, в зависимости  от задач, которые им необходимо решать, делятся на две категории. Процедуры  не критичные ко времени исполнения, такие как обновление данных устройства индикации, исполняются в основной программе, в то время как процедуры, требующие точных вызовов через определенные промежутки времени выполняются в прерываниях.

2. Процедура инициализации

     Перед тем как перейти на основной цикл программы, необходимо произвести инициализацию (блок 1). Процедура инициализации включает в себя следующие действия:

1. инициализация портов ввода-вывода;
2. инициализация основных переменных программы;
3. инициализация блока ШИМ;
4. инициализация модуля LCD;
5. инициализация таймера;
6. настройка прерываний микроконтроллера;
7. определение направления вращения ротора двигателя.

     После сброса по включению питания все  порты ввода-вывода микроконтроллера настроены как входы, поэтому  те выводы портов, по которым должна осуществляться передача данных от микроконтроллера, должны быть перенастроены как выходы. Первые 6 выводов порта Е, используемые для работы ШИМ, настраиваются как выходы для управления работой силовыми ключами. Восьмой вывод порта Е и первые два вывода порта D  настраиваются как входы, на которые поступает информация с датчиков положения ротора. Первые три вывода порта В и 13 вывод порта С, используемые в качестве шины данных ЖК-дисплея, должны быть настроены как выходы. Второй и третий выводы порта F также настраиваются как выходы, так как используются в качестве управляющей шины ЖК-дисплея.

     При работе устройства требуется формирование интервалов времени, используемых для  определения частоты вращения заготовки. Для этой цели используется шестнадцатиразрядный таймер-счетчик TMR3. Таймер настраивается для работы в реальном времени [8].

     Для правильного подключения фазных обмоток двигателя необходимо настроить  модуль ШИМ и установить скважность импульсов. Обнуляется шестнадцатиразрядный регистр ШИМ OVDCON, в который загружается информация о том, какие обмотки должны быть подключены в данный момент для поворота ротора двигателя на 4°.

     Перед началом работы основной программы необходимо определить направление вращения ротора двигателя, опросить датчики положения ротора, установить значения основных переменных, таких как текущее положение ротора, следующее положение ротора, и загрузить в регистр OVDCON данные о подключении фазных обмоток, соответствующих текущему положению ротора.

     Для корректного отображения информации LCD-модуль также необходимо инициализировать. Инициализация ЖК-дисплея проводится в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя [6]. Процедуру инициализации дисплея можно разделить на несколько шагов:

1. обязательная последовательность команд для инициализации;
2. перевод дисплея в четырехбитный режим шины данных;
3. установка режима отображения символов.

     Завершающим этапом инициализации является настройка  прерывания микроконтроллера [8]. В программе используется прерывание по выводу QEA энкодера. Прерывание вызывается по приходу фронта или спада импульса на вывод QEA. Чтобы включить (разрешить переход на вектор прерываний при возникновении прерывания) прерывание, требуется установить соответствующий бит разрешения прерываний.

3. Основной  цикл программы

      Перед основным циклом программы отводится время на разгон двигателя (блоки 2,3,4), затем, как только двигатель войдет в основной режим работы с постоянной скоростью, выполняется процедура вывода информации на ЖК-дисплей (блоки 5,6). На дисплей выводится частота вращения заготовки, рассчитанная в подпрограмме прерывания.

4. Обработка прерывания QEI

      По  приходу фронта и спада импульса от энкодера на вход QEA вызывается  прерывание. Определяется направление вращения двигателя (по часовой или против часовой стрелки) (блок 8), исходя из направления увеличиваем на единицу одну из переменных (блок 9, блок 18), отвечающих за вращение по часовой или против часовой стрелки (рисунок 5.1,а, 5.1,б). Пока значение переменной не достигнет нужной величины (поворот энкодера на 4° соответствует 287 импульсам, поступившим на вход QEA), происходит выход из прерывания в основную программу. Как только переменная, отвечающая за число импульсов, достигнет нужного значения, то есть энкодер повернулся на 4°, опрашиваются датчики положения ротора (блок 11, блок 20) и, в зависимости от текущего положения ротора и направления вращения энкодера, в регистр ШИМ OVDCON записывается информация о подключении необходимых фазных обмоток двигателя для поворота ротора на 4° (блок 13, блок 22) - при условии, что на предыдущем шаге двигатель повернулся на 4°. Если же двигатель не повернулся на предыдущем шаге и условие равенства не выполняется (блок 10, блок 19), то проверяется, прошло ли время, необходимое для разгона двигателя (блок 15, блок 24). Если двигатель находится в состоянии разгона, то в регистр ШИМ OVDCON записывается информация о подключении необходимых фазных обмоток двигателя для поворота ротора на 4° (блок 13, блок 22). Затем, исходя из времени поворота заготовки на 4°, рассчитывается частота вращения заготовки и обнуляется значение таймера( блок 14, блок 23). После того, как выполнено прерывание, происходит возврат в основной цикл программы до следующего поворота заготовки на 4°.