Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет информационных систем

(факультет)

КафедраИнформатики и вычислительной техники

Специальность230101 «Вычислительные машины, комплексы,

системы и сети»

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема «Разработка стробоскопического тахометра»

Разработал О.В. Данилина .

Воронеж

2015

ЗАДАНИЕ

1 Тема дипломного проекта (работы)

«Разработка стробоскопического тахометра» утверждена распоряжением по факультету № от " " 20 г.

2 Технические условия для разработки программного средства необходим IBM совместимый компьютер, работающий под управлением ОС Windows ХР или более поздние версии, ОЗУ не менее 512 MБ, не менее 10 ГБ свободного места на HDD, монитор с разрешением не менее 800x600 пикселей, манипулятор мышь, клавиатура.

3 Содержание (разделы, графические работы, расчеты и проч.) Анализ технического задания, обзор научно-технической литературы, описание принципа работы, разработка конструкции стробоскопического тахометра, выбор материалов и обоснование конструкции, расчет точности печатного монтажа, расчет надежности, разработка технологии изготовления стробоскопического тахометра, анализ технологичности конструкции, разработка технологии сборки, разработка технологии влагозащиты, разработка технологии контроля изделия, технико-экономическое обоснование разработки и ее безопасность, экологичность, графическая документация.

4 План выполнения дипломного проекта (работы) с " " 20 г. по " " 20 г.

Название элементов работы	%	Сроки	% выполн.	Подпись рук., консул.
Общетехнический раздел	22	20.11.2014	10	Кондусов В.А.
Конструкторский раздел	20	18.12.2014	25	Кондусов В.А.
Технологический раздел	15	29.12.2014	50	Кондусов В.А.
Организационно-экономический раздел	19	14.01.2015	70	Салогубова Н.И.
Безопасность жизнедеятельности	11	27.01.2015	85	Ефимова Л.В.
Графические работы	13	10.02.2015	100	Кондусов В.А.

Реферат

Пояснительная записка 123 с., 18 рисунков, 28 таблиц, 27 источников.

Ключевые слова - МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ, ТАХОМЕТР, СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР.

Объект проектирования - стробоскопический тахометр для измерения частоты вращения.

Цель работы - разработка конкурентоспособного устройства, разработка комплекта конструкторской документации и технологии изготовления.

Методы исследования - расчеты, анализ.

Полученные расчеты и их новизна - разработка комплекта конструкторской документации на изделие.

Степень внедрения - опытно-конструкторские расчеты, изготовление макета.

Область применения - лаборатории, автомастерские, предприятия промышленности и приборостроения, конвейерные линии, контрольно-измерительные центры.

Содержание

• Введение
• 1. Обзор научно-технической литературы
• 1.1 Общие сведения о ахометрах
• 1.2 Сферы применения и принцип работы строботахометра
• 1.3Схемотехнические особенности строботахометра
• 1.4 Выбор среды проектирования и трассировки печатных плат
• 2. Конструкторская часть
• 2.1 Обоснование конструкторского исполнения
• 2.2 Разработка конструкций составных частей
• 2.3 Компоновочный расчет конструкции
• 2.4 Расчет точности печатного монтажа
• 2.5 Расчет устойчивости конструкции на воздействие ударов
• 2.6 Расчет надежности
• 3. Разработка технологии изготовления стробоскопического тахометра
• 3.1 Анализ технологичности конструкции
• 3.2 Разработка технологии сборки
• 3.3 Разработка технологии влагозащиты
• 3.4 Технология сборки изделия
• 3.5 Разработка технологии контроля изделия
• Список литературы
• Введение

Промышленные роботы (ПР) играют в настоящее время важную роль при решении задач автоматизации и роботизации во всех отраслях промышленности. Их технические параметры существенно влияют на качество и надежность автоматизированных технологических процессов. Необходимость создания автоматических систем управления роботами, способных автономно функционировать в условиях, вредных для жизни человека, при монотонной работе, а так же там, где требуется высокая точность, назрела во многих областях производства, например, при операциях сварки, окраски, при выполнении кузнечно-прессовых и литейных операций, в электронной промышленности и так далее.

Развитие силовой электроники и микроэлектроники оказало сильное влияние на разработки в области электропривода и автоматики. Современный автоматизированный электропривод включает в себя систему управления и регулирования с высоким уровнем организации и одновременно сам является подсистемой в иерархической структуре автоматизации.

Возросшие требования к скорости и точности, выполняемых роботом движений, необходимость обеспечить взаимную связь одновременных движений нескольких звеньев робота или ряда агрегатов технологической цепи при оптимальных показателях и заданных ограничениях существенно усложнили функции управления электроприводом.

В общем случае синтез систем управления осложняется наличием в реальном объекте зон нечувствительности, упругостей, дискретизации по времени и по уровню, вносимой инкрементальными датчиками, импульсными силовыми преобразователями и цифровой системой управления.

Использование микропроцессорных систем с высокой разрядностью и большими вычислительными мощностями позволяет не только решать эти проблемы за счет высокой скорости обработки данных и разрядности микроконтроллера, но и получать информацию о текущем состоянии робота многократно в течении одного промежутка времени с точностью до дискреты, что позволяет управлять роботом с высокой скоростью и точностью позиционирования.

На современную систему управления промышленным роботом возлагается сложный комплекс задач. В него входят такие, как: обработка комплексной информации и формирование на ее основе модели зоны движения; накопление и корректировка базы знаний робота о среде на основе моделей, формируемых с помощью датчиков; планирование оптимального движения робота к цели на основе накопленной в базе знаний информации о среде и принятие решения о текущем движении робота с учетом его динамических свойств; формирование управляющих воздействий на исполнительные устройства робота для отработки выбранного движения; обработка информации и определение координат текущего положения робота в среде, а также определение целевого положения робота и обеспечение безопасности его движения в ближней зоне препятствий.

Важным фактором при проектировании подобных систем является их цена. Ввиду широкого применения микропроцессорной техники стоимость подобных систем складывается, по сути, из стоимости самого контроллера и стоимости написания программного кода. Таким образом, установка подобной системы не требует больших финансовых вложений, что дает стимул к широкому использованию таких устройств не только в промышленности, но и в учебных целях.

1. Обзор и постановка задачи

1.1 Описание робота РМ-01

В данной работе рассмотрен синтез системы управления координатой промышленного робота РМ-01 (Puma-560). Изображение робота приведено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Робот РМ-01

Робот РМ-01 (Puma-560) представляет собой шестикоординатный ПР (все степени являются вращательными) с контурным управлением. Данный робот был разработан в середине 70-х годов в Массачусетском технологическом институте (MIT) для компании General Motors. В 80-е годы эти роботы производились финской фирмой NOKIA и поставлялись в СССР. К импортным манипуляторам Puma-560 подсоединялась система управления Сфера-36, созданная в минском НПО «Гранат», и получался робот РМ-01 [1]. Возможности промышленного применения РМ-01 из-за небольшого размера руки и малой грузоподъемности (2,5 кг) ограничивались шовной электродуговой сваркой, покраской и легкими видами сборки и безразмерной обработки.

Технические характеристики:

1) количество степеней подвижности - 6;

2) привод - двигатель постоянного тока с защитными тормозами;

3) наибольшая грузоподъемность - 2,5 кг, включая оснастку;

4) статическое усилие в рабочей точке оснастки, не более - 60 Н;

5) точность позиционирования - ± 0,1 мм;

6) скорость движения с максимальным грузом - по свободной траектории не более 1 м/с, по прямолинейной - не более 0,5 м/с;

7) ускорение при максимальном грузе - 1 g;

8) рабочая зона - сферическая с радиусом 0,92 м без оснастки;

9) привод схвата - пневматический;

10) вес манипулятора - 53 кг;

11) тип системы управления - контурная система.

Параметры скорости и момента на звеньях приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Скорости и моменты, развиваемые звеньями манипулятора

Номер звена	Скорость, рад/с	Момент, Н м
1	1,4	67
2	0,9	113
3	2,1	57
4	4	14
5	4,2	12
6	4	14

1.2 Манипулятор

Манипулятор Puma-560, который входит в состав серийно выпускаемого промышленного робота РМ-01, обладает сложной антропоморфной кинематической схемой с шестью степенями подвижности. Манипулятор с привязанными системами координат приведен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - кинематическая схема манипулятора

В состав манипулятора входят следящие приводы и зубчатые передачи. Возможен напольный или подвесной монтаж манипулятора. При обоих вариантах колонна должна быть в вертикальном положении. Каждое звено имеет свой следящий привод постоянного тока с постоянным магнитом. Трансмиссия осуществляется через зубчатые редукторы.

Текущее положение манипулятора определяется в отношении известного исходного положения. Установка абсолютного положения (калибровка) производится с помощью потенциометров.

Для управления движением манипулятора необходимо постоянно контролировать положение и скорость движения звеньев. Для этого на вал каждого серводвигателя установлены в одном комплекте потенциометр и импульсный фотоэлектрический датчик. Вращение датчика обеспечивается от вала самого двигателя через скользящую муфту. Сигналы от датчиков инициируют положение звеньев, а скорость вычисляется на основе этих сигналов.

Серводвигатели оснащены электромагнитными тормозами, которые включаются при выключении питания двигателей. При этом манипулятор блокируется в том положении, в котором он стоял в момент выключения питания. Тормоза включаются также при случайном пропадании питания. Для техобслуживания и ремонта тормоза могут быть выключены. При этом манипулятор можно двигать вручную [2].

Массо-инерционные характеристики приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Массо-инерционные характеристики манипулятора

Звенья	Масса, кг.	Центры масс, м.	Моменты инерции, кг м2.
		rX	rY	rZ	IX	IY	IZ
Звено 1	-	-	-	-	-	-	0.35
Звено 2	17,4	0.068	0.06	-0.016	0.13	0.524	0.539
Звено 3	4,8	0	-0.07	0.014	0.066	0.0125	0.086
Звено 3 с кистью	6,04	0	-0.143	0.014	0.192	0.0154	0.21

Степень подвижности 1 позволяет звеньям манипулятора вращаться вокруг оси Z₁. Допускаемое перемещение - от минус 160є до 160є.

Степень подвижности 2 позволяет вращаться звеньям 2,3 и кисти вокруг горизонтальной оси Z₂. Допускаемое перемещение - от минус 150є до 150є.

Степень подвижности 3 позволяет вращаться звену 3 и кисти вокруг горизонтальной оси Z₃. Допускаемое перемещение - от минус 135є до 135є.

Степени подвижности 4, 5, 6 располагаются в кисти робота и предполагают вращение вокруг осей Z₄ (степень 4; от минус 150є до 150є), Z₅ (cтепень 5; от минус 100є до 100є), Z₆ (cтепень 6; от минус 135є до 135є).

При пуске манипулятор выводится в начальное положение, которое приведено на рисунке 1.2. Из данного положения отсчитывается знак приращения каждой степени подвижности.

Манипулятор оснащен электромеханическими приводами на базе двигателей постоянного тока с потенциометрическими и фотоимпульсными датчиками обратной связи, а также электромагнитными тормозами. Напряжение питания двигателя - ± 27 В.

Характеристики приводов приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Характеристики приводов

	Звено 1	Звено 2	Звено 3	Звено 4	Звено 5	Звено 6
Максимальный момент, Нм.	97,6	186,4	89,4	24,2	20,1	21,3
Момент срыва. Нм.	6,3	5,5	2,6	1,3	1	1,2
Передаточное число	62,61	107,36	53,69	76,01	71,91	76,73

1.3 Система управления Сфера-36

Рисунок 1.3 Структура системы управления Сфера-36

Система Сфера-36 представляет собой двухуровневую многопроцессорную СУ, созданную на основе специализированной 16-разрядной мини-ЭВМ Электроника HMC 11100.1, командно совместимую с операционной системой ARPS/M B05.RM-01, построенной на основе системы Nokia ARPS (Advanced Robot Programming System) [3]. Структура системы управления Сфера-36 приведена на рисунке 1.3.

На рисунке 1.3 приведены следующие обозначения: ЦП -- центральный процессор; ДМ -- демультиплексор; МП1 ... МП6 -- микропроцессоры исполнительного уровня; ФИД1 ... ФИД6 -- фотоимпульсные датчики.

Верхний уровень системы управления содержит центральный процессор (DES LSI-11/02), который решает задачи тактического уровня управления (в первую очередь это работа с интерфейсом и планирование траектории), а также демультиплексор, задающий программу перемещений по обобщенным координатам манипулятора. Исполнительный уровень управления реализован на шести микропроцессорах МП1…МП6 (типа "Rockwell 6503") со встроенными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Каждый из этих микропроцессоров по своему каналу управления через ЦАП, аналоговый усилитель и широтно-импульсный модулятор выдает ШИМ-сигналы на коллекторные двигатели постоянного тока, установленные в шарнирах робота.

Заложенные в СУ "Сфера-36" программно-аппаратные решения не позволяют достичь нужного качества функционирования стенда при таком подходе (невозможно управлять шестью переменными состояния одновременно). Более того, РМ изначально был способен воспроизводить траекторию движения только по заранее известным точкам, т.е. отрабатывать движение от точки к точке, что и потребовало изменения СУ робота.

1.4 Датчики обратных связей

В каждой степени подвижности манипулятора Puma-560 смонтированы сервоприводы, состоящие из двигателя, потенциометрического датчика, фотоимпульсного инкрементального датчика (энкодера), а также электромагнитного тормоза.

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной - напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения. Потенциометрический датчик предназначен для преобразования углового перемещений в электрический сигнал. Как правило, такой датчик имеет достаточно низкую точность, потому его использование оправдано только при определении начального положения звена манипулятора при включении.

Цифровые фотоимпульсные энкодеры служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: положения и скорости вращения вала. По сравнению с устаревшими сельсинами и контактными потенциометрическими датчиками данные приборы имеют преимущества по точности, надежности, разрешающей способности и удобству установки. Принцип работы такого датчика следующий: к валу двигателя присоединен диск, на который нанесена кодовая маска, состоящая из чередующихся светопрозрачных и непрозрачных элементов. Рядом с диском закреплена оптопара, состоящая из светодиода и фототранзистора, таким образом, чтобы диск располагался между ними. При вращении вала двигателя фототранзистор генерирует импульсы, о количестве которых можно судить о пройденом расстоянии, а по длительности импульса можно определить текущую скорость вращения вала двигателя.

1.5 Постановка задачи

Рассмотрим решение задачи построения системы управления (СУ) координатой манипулятора Puma-560. В состав такой СУ должны входить два уровня управления: тактический, который на основе информации с датчиков и сигнала задания выполняет расчет траектории движения манипулятора, и исполнительный, непосредственно реализующий движения. В данном случае задача состоит в проектировании исполнительного уровня управления (ИУУ). В состав ИУУ должны входить следующие элементы: микроЭВМ, необходимая для управления координатой ПР; устройство связи с тактическим уровнем управления, позволяющее посылать информацию с датчиков и принимать данные для управления приводом; силовая часть, состоящая из набора транзисторных ключей и двигателя; датчики обратных связей (ДОС), необходимые для реализации обратных связей по скорости, току и положению; аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который служит для ввода аналоговой информации с ДОС в микроЭВМ.

Возможны несколько вариантов построения таких систем. В первом случае одна микроЭВМ используется для управления сразу несколькими координатами ПР. К преимуществам данного варианта решения задачи построения СУ следует отнести простоту аппаратной реализации, отсутствие необходимости в сложном протоколе связи с СУ верхнего уровня. Недостатки: большой объем вычислений, требующий мощного и дорогого микроконтроллера, сложность алгоритма функционирования и программы соответственно.

Во втором варианте для каждой координаты используется собственный микроконтроллер. Преимущества: меньший объем вычислений, позволяющий применить более простой и дешевый контроллер, по сравнению с первым вариантом, относительная простота алгоритма и программы работы микроЭВМ. Недостатки: более сложная аппаратная реализация, протокол связи с СУ верхнего уровня, в который необходимо вносить информацию о номере текущей координаты. В качестве исходного выбираем второй вариант, т.к. он позволяет применять более простые контроллеры с унифицированной во многом программой, что способствует простоте перепрограммирования, настройки и замены микроЭВМ, что немаловажно в условиях учебной лаборатории.

1.6 Обзор литературы

Задача синтеза системы управления робота РМ-01 уже решалась в прошлом. Были предложены различные варианты построения системы управления для Рuma-560. В частности, на кафедре механотроники робототехники БГТУ «Военмех» был разработан стенд на базе данного манипулятора. Стенд состоит из шести однотипных микропроцессорных модулей, каждый из которых независимо управляет приводом одного звена робота. Связь модулей между собой и с управляющим компьютером осуществляется по сети CAN на скорости 1 Мбит/сек. Модули разработаны на базе высокопроизводительного 16-ти битного сигнального процессора Freescale 56F8323, что позволило реализовать сложные алгоритмы управления. Программирование осуществляется по интерфейсу JTAG, отладка - по интерфейсам JTAG и RS-232. Силовой преобразователь выполнен на транзисторах и драйверах производства International Rectifier.

В программе контроллера привода каждого звена реализована система подчиненного регулирования, содержащая контура тока, скорости и положения. Управление током двигателя осуществляется на частоте ШИМ 20 кГц по схеме с псевдорелейным регулятором, который на больших рассогласованиях работает как релейный, а при малых - как линейный пропорциональный. При этом остальные контуры управления работают на частоте 1 кГц, обусловленной наличием существенной дискретизации по уровню инкрементного датчика скорости. Такое разнесение частот контуров позволяет значительно снизить пульсации тока, так как за период квантования контура скорости ток максимально быстро достигает заданного значения. Требуемый ток якоря двигателя задается адаптивным регулятором скорости. Контур скорости содержит ПД регулятор, который задает семейство фазовых траекторий, обеспечивающих быстрые переходные процессы по скорости при отсутствии статических моментов. Компенсация статических моментов и параметрических возмущений осуществляется адаптивным контуром с астатической эталонной моделью. При этом обеспечиваются переходные процессы в контуре скорости, соответствующие объекту первого порядка, что позволяет применить пропорциональный регулятор в контуре положения. Перенастройка контура скорости может быть проведена в реальном времени в соответствии с текущей конфигурацией звеньев робота и наблюдаемой нагрузкой.

Разработанная система управления обладает следующими достоинствами:

1) реализация различных алгоритмов управления приводами постоянного тока;

2) разработка и исследование интеллектуальных алгоритмов верхнего уровня;

3) управление несколькими манипуляторами с одного компьютера;

4) возможность простого изменения архитектуры системы управления.

Практические исследования разработанной системы управления подтвердили целесообразность и эффективность применения адаптивных алгоритмов.

В следящем режиме позиционирование манипулятора происходит на максимальных скоростях схвата (до 6 м/c), без перерегулирования с точностью до дискреты [4].

Однако многие существующие адаптивные алгоритмы не полностью решают проблему построения систем автоматического управления манипуляторами, рассчитанных на реальное, в том числе промышленное, применение. Во-первых, препятствием для реализации глобально устойчивых адаптивных алгоритмов управления манипуляторами является трудность выполнения в реальном масштабе времени объема вычислений, необходимого для реализации даже простейшего алгоритма типа Слотина-Ли для манипулятора типа Puma-560. Вторая причина состоит в том, что все глобально устойчивые адаптивные алгоритмы ориентированы на так называемую параметрическую неопределенность уравнений объекта, то есть на знание математического описания объекта с точностью до конечного числа постоянных параметров. При таком подходе все составляющие нелинейного описания объекта должны быть скопированы в законе управления, а следовательно, эти составляющие должны быть точно известны. На практике же достаточно точную модель объекта построить нелегко, а иногда и невозможно. Иными словами, глобально устойчивые адаптивные алгоритмы рассчитаны на меньший уровень неопределенности, чем тот, который обычно имеет место в практических задачах. Поэтому в основу подхода к построению адаптивных систем управления манипуляторами, ориентированных на применение в реальных условиях, целесообразно положить иные принципы, исключающие точное копирование нелинейностей объекта и, следовательно, рассчитанные на больший уровень неопределенности.

Так, проф. В.В. Путов выдвинул подход к построению приближенных алгоритмов адаптивного управления, названный им методом мажорирующих функций. В частности, для достаточно широкого класса нелинейных динамических объектов предложена процедура построения адаптивного управления, в которой используются лишь специально вводимые оценочные функции переменных состояния объекта и вектора управления, скорость роста которых при бесконечном возрастании аргумента не ниже, чем скорость роста соответствующих составляющих правых частей дифференциальных уравнений объекта.

Для реализации указанного выше закона управления в реальном времени ввиду его сложности и необходимости взаимосвязанного управления несколькими сочленениями робота наилучшим образом подходят процессоры, ориентированные на параллельные вычисления. При этом адаптивные алгоритмы управления взаимосвязанным многостепенным объектом естественным образом декомпозируются по степеням подвижности. Это же относится и к математическим моделям самого объекта (робота), но при практической реализации параллельной модели в большинстве случаев требуется дополнительная балансировка загрузки процессоров ввиду различной сложности правых частей уравнений для каждого сочленения [5].

Еще один вариант системы управления был предложен кафедрой электроники и информатики университета Болоньи. Данная СУ позволяет управлять манипулятором непосредственно с ПК. Исполнительный уровень управления реализован на платформе AMD Elan520 PC/104 (133 MГЦ, 32 Мб RAM и 64 Mб флеш памяти). Данная платформа взаимодействует с двумя модулями Sensoray 526. Каждый модуль содержит 8 АЦП и 4 ЦАП, а так же 8 программируемых портов и управляет одновременно тремя степенями подвижности. К особенностям данной системы можно так же отнести вывод информации не только о перемещениях, скоростях и ускорениях звеньев манипулятора, но и текущей мощности двигателя и графике изменения его температуры. ПК, с помощью которого происходит управление роботом, реализован на процессоре Pentium 4 3ГГц на основе операционной системы RTAI-Linux RTOS. К преимуществам данного варианта построения СУ следует отнести применение высокопроизводительных микрокотроллеров, что позволяет управлять сразу несколькими степенями подвижности, а так же вывод на экран оператора достаточно полной информации о текущем состоянии манипулятора, что позволяет использовать данный робот в учебных целях. К недостаткам следует отнести сложность аппаратной реализации СУ и высокий объем вычислений [6].

Следующий вариант системы управления был создан в МИРЭА на кафедре проблем управления. Была разработана программа, позволяющая моделировать динамику двигателей постоянного тока с контуром управления по скорости и по положению с последующей отработкой на реальном роботе. Реализована возможность отработки заданной траектории движения робота. Траектория вычисляется для опорных точек, заданных в декартовой системе координат робота, с помощью сплайнов 3-го порядка. Создан интерфейс, позволяющий наглядно исследовать влияние характеристик двигателя и регулятора на динамику робота. На панели состояния робота выводятся декартовые координаты схвата робота, а также обобщенные координаты звеньев. С помощью соответствующих окон программы можно определить графики изменения обобщенных координат и их скоростей за определенный промежуток времени. Реализованы режимы автоматического управления: отработки ПЗК по положению звеньев робота, поддержания скоростей звеньев робота, отработки заданной траектории и ручного управления: угловыми положениями звеньев робота, позицией схвата в декартовой системе координат робота.

Область применения данной системы - сборочные производства из деталей с массовыми показателями 0.1 ч 0.9 кг [7].

2. Проектирование системы управления

2.1 Выбор управляющей вычислительной машины

В двухуровневой системе управления ПР контроллер исполнительного уровня по информации, полученной с тактического уровня управления, осуществляет регулирование тока и скорости по рассогласованию, сравнивая информацию с датчиков с данными с СУ верхнего уровня. На основе разницы сигналов контроллер изменяет сигнал на входе драйверов, управляющих транзисторными ключами.

На сегодняшний день на рынке представлен широкий диапазон микроконтроллеров таких фирм, как Atmel, Microchip и Intel. Микроконтроллеры снабжены различным набором элементов: ШИМ, таймеры, счетчики, АЦП и т.д. Это позволяет подобрать необходимый контроллер для решения конкретной задачи.

Для управления приводом в состав микроконтроллера должны входить следующие элементы: ШИМ, таймеры/счетчики, АЦП высокой разрядности для высокой точности преобразования, порты ввода-вывода, универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик для связи с тактическим уровнем управления. Контроллер должен быть универсальным, легко и быстро перепрограммируемым, иметь высокую частоту. Т.к. микропроцессор будет управлять только одним конкретным приводом, то следует выбрать 8-разрядный контроллер.

В данный момент признанными лидерами по выпуску контроллеров для решения задач управления являются Atmel (AVR) и Microchip (PIC). Процессоры этих фирм отличает многофункциональность, простота программирования, наличие недорогого и удобного программного обеспечения. Следовательно, необходимо выбрать контроллер какой-либо из этих фирм. Однако это сделать достаточно сложно, т.к. микропроцессоры каждой из фирм имеют свои преимущества и недостатки:

1) у PIC 35 команд, у AVR - более 120;

2) у AVR память линейна, у PIC объединена в банки, что создает сложность при программировании;

3) в AVR есть возможность присоединить внешнюю память, обращение к внешним устройствам через адресную шину проще и быстрее;

4) наличие параллельного порта у PIC;

5) программный стек AVR имеет преимущество перед аппаратным у PIC;

6) установка бита в порт у PIC сопровождается чтением порта, модифицированием и последующей записью обратно, что создает определенные сложности; у АВР все реализовано иначе;

7) программная среда MPLAB для PIC имеет больше возможностей, чем AVRstudio для AVR;

8) контроллеры PIC более дороги [8].

На основе этого можно сделать вывод о том, что в данном случае сложно остановиться на каком-либо из контроллеров. Выбирать следует лишь из рыночной стоимости микропроцессора, простоты и наглядности его программирования. Потому выбираем контроллеры семейства AVR.

В настоящее время в серийном производстве у Atmel находятся семейства AVR Тiny и Mega, также все еще можно встретить в продаже чипы семейства Classic.

Classic AVR - это классические контроллеры AVR. Постепенно заменяются микроконтроллерами семейств Tiny и Mega.

Tiny AVR - недорогие микроконтроллеры, чаще в восьмивыводном исполнении. Используются в системах, где не требуются возможности Mega AVR.

Mega AVR - мощные микроконтроллеры, включающие хороший набор периферии. Это семейство имеет большое разнообразие моделей для выбора.

Т.к. для решения задачи управления приводом необходим достаточно высокопроизводительный контроллер с большим набором периферийных устройств, остановим свой выбор на Mega AVR.

Из этого семейства наиболее часто используются контроллеры ATMega16, ATMega128 и ATMega103, а также их модификации. Наиболее полно для решения данной задачи походит микропроцессор ATMega16. Именно этот тип микроконтроллеров имеется в достаточном количестве у заказчика. Следовательно, в качестве микроЭВМ выберем микроконтроллер AVR ATMega16.

Отличительные особенности:

- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;

- 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;

- 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения;

- полностью статическая работа;

- производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц);

- встроенный 2-цикловый перемножитель;

- 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash);

- дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;

- внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки;

- обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write);

- 512 байт EEPROM;

- обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;

- 1 Кбайт встроенной SRAM;

- программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;

- интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1);

- возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG;

- расширенная поддержка встроенной отладки;

- программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки;

- два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;

- счетчик реального времени с отдельным генератором;

- 4 канала PWM (ШИМ);

- 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

- 8 несимметричных каналов;

- 7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP);

- 2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP);

- байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;

- программируемый последовательный USART;

- последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);

- программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

- встроенный аналоговый компаратор;

- сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;

- встроенный калиброванный RC-генератор;

- внутренние и внешние источники прерываний;

- 6 режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC;

- выводы I/O и корпуса;

- 32 программируемые линии ввода/вывода;

- 40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP;

- рабочие напряжения - от 4,5 до 5,5 В;

- рабочая частота - от 0 до 8 МГц [9].

Блок-схема контроллера AVR ATMega16 приведена на рисунке 2.1.

Назначение выводов микроконтроллера приведено в таблице 2.1.

Ядро AVR сочетает набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл.

Таблица 2.1 Описание выводов микроконтроллера

Название вывода	Описание
VСС GND Порт A (PA7..PA0) Порт В (PВ7..PВ0) Порт C (PC7..PC0) Порт D (PD7..PD0) RESET XTAL1 XTAL2 AVСС AREF	Напряжение питания цифровых элементов. Общий вывод. 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта A имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта А будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта A находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт, А также выполняет некоторые специальные функции ATmega16. Аналогично порту А. Порт В также выполняет некоторые специальные функции ATmega16. Аналогично порту А. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega16. Аналогично порту А. Порт D также выполняет некоторые специальные функции ATmega16. Вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью более минимально необходимой будет генерирован сброс независимо от работы синхронизации. Действие импульса меньшей продолжительности не гарантирует генерацию сброса. Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешней синхронизации. Выход инвертирующего усилителя генератора. Вход питания аналогово-цифрового преобразователя. Он должен быть внешне связан с VCC, даже если АЦП не используется. При использовании АЦП этот вывод связан с VCC через фильтр низких частот. Вход подключения источника опорного напряжения АЦП.

Рисунок 2.1 Блок-схема контроллера AVR ATMega16

ATMega16 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), 3 таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (УСАПП), двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности [10]. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый/резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разрядного RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATMega16 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.

ATМega16 поддерживается полным набором программных и аппаратных средств для проектирования.

Электрические характеристики контроллера приведены в приложении А. Контроллер выпускается в PDIP и TQFP корпусах. Расположение выводов приведено на рисунках 2.2 и 2.3.

Предельно-допустимые параметры приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Предельно-допустимые параметры

Параметр	Величина
Рабочая температура	От минус 55 °C до 125 °C
Температура хранения	От минус 65 °C до 150 °C
Напряжение на любом выводе по отношению к общему питания, кроме RESET	От минус 1,0 В до 0,5 В
Напряжение на выводе сброса RESET по отношению к общему	От минус 1,0 В до 13,0 В
Максимальное рабочее напряжение	6,0 В
Постоянный ток через линию ввода-вывода	40,0 мА
Постоянный ток через выводы VCC и GND	200,0 мА

Рисунок 2.2 PDIP-корпус

Рисунок 2.3 TQFP-корпус

2.2 Широтно-импульсная модуляция

Для обеспечения управления двигателем степени подвижности предусмотрена широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Широтно-импульсная модуляция - это способ кодирования аналогового сигнала путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. Для реализации ШИМ выбран таймер-счетчик 1.

Таймер-счетчик 1 - модуль многофункционального двухканального 16-разрядного таймера-счетчика с аппаратным выходом для генерации ШИМ-сигнала и встроенным асинхронным опциональным тактовым генератором, который оптимизирован под использование часового кварца для асинхронного по отношению к системной синхронизации тактирования.

Основные отличительные особенности:

1) двухканальный счетчик;

2) опциональный режим сброса таймера при совпадении (автоматическая перезагрузка);

3) широтно-импульсная модуляция без генерации ложных импульсов при записи нового порога сравнения в OCR1 (двойная буферизация) и с фазовой коррекцией;

4) генератор частоты;

5) 10-разрядный предделитель тактовой частоты;

6) генерация прерываний по переполнению и выполнения условия сравнения (TOV1 и OCF1);

7) возможность асинхронного тактирования совместно с внешним кварцевым резонатором частотой 32 кГц независимо от частоты синхронизации ввода-вывода.

Функциональная схема 16-разрядного таймера-счетчика представлена на рисунке.

Регистр таймера-счетчика (TCNT1) и регистр порога сравнения (OCR1) - 16-разрядные регистры. Сигналы запроса на прерывание представлены как флаги прерываний таймера в регистре TIFR. Все прерывания индивидуально маскируются с помощью регистра маски прерываний таймеров (TIMSK). Регистры TIFR и TIMSK не представлены на функциональной схеме (рисунок 2.4), т.к. они совместно используются с другими таймерами микроконтроллера [11].

Рисунок 2.4 Функциональная схема 16-разрядного таймера-счетчика

Таймер-счетчик может тактироваться через предделитель внутренне или асинхронно через внешние выводы TOSC1/2. Асинхронная работа управляется регистром асинхронного состояния (ASSR). Блок синхронизации осуществляет выбор тактового источника, используемого для инкрементирования (декрементирования) состояния таймера-счетчика. Если источник тактирования не задан, то таймер-счетчик находится в неактивном состоянии. Выход логики выбора синхронизации обозначен как синхронизация таймера (clkT0).

Значение порога сравнения с двойной буферизацией (OCR1) непрерывно сравнивается с содержимым регистров таймера-счетчика. Результат сравнения может использоваться для генерации сигналов с ШИМ или прямоугольных импульсов переменной частоты на выводе OC1. Совпадение порога сравнения со значением таймера-счетчика приводит к установке флага результата сравнения (OCF1), который может использоваться для генерации запроса на прерывание по результату сравнения.

16-разрядный цифровой компаратор непрерывно выполняет сравнение содержимого регистра таймера-счетчика TCNT1 с регистром порога сравнения OCR1. В момент времени, когда значение TCNT1 совпадает со значением OCR2 компаратор устанавливает флаг совпадения OCF1 следующим тактом синхронизации таймера. Если разрешено прерывание битом OCIE1 = 1, то установка флага совпадения вызывает запрос на прерывание. Флаг OCF1 автоматически сбрасывается во время выполнения процедуры обработки прерывания. Альтернативно, флаг OCF1 можно сбросить программно путем записи лог. 1 в позицию данного бита. Сигнал результата сравнения используется для генерации прямоугольных импульсов по одному из алгоритмов, который выбирается битами задания режима работы таймера WGM11, WGM10 и битами задания режима формирования выходного сигнала (COM11, COM10). На рисунке 2.5 приведена функциональная схема блока сравнения.



Рисунок 2.5 Функциональная схема блока сравнения

Регистр OCR1 выполнен по схеме двойной буферизации при использовании режимов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В нормальном режиме и режиме сброса таймера при совпадении (CTC) схема двойной буферизации отключается. Двойная буферизация позволяет синхронизировать обновление регистра сравнения OCR1 по достижении верхнего или нижнего предела счета. Такая синхронизация предотвращает возможность возникновения несимметричных ШИМ-импульсов нечетной длины, тем самым гарантируя отсутствие сбоев при генерации прямоугольных импульсов.

Если режим ШИМ отключен, то в формирователе импульсов результат сравнения может быть установлен непосредственно через бит принудительной установки результата сравнения FOC1. Принудительная установка результата сравнения компаратора не приводит к установке флага OCF1 или сбросу/перезагрузке таймера, но влияет на состояние вывода OC1, который будет устанавливаться, сбрасываться или переключаться (инвертироваться) в зависимости от выбранной установки бит COM11, COM10. Результат сравнения блокируется записью в TCNT1.

Если ЦПУ осуществляет запись в регистр TCNТ1, то результат сравнения будет игнорироваться на следующем такте синхронизации таймера, даже если таймер остановлен. Данная функция позволяет установить в регистре OCR1 то же значение, что и в TCNT1 без генерации запроса на прерывание, если разрешено тактирование таймера-счетчика.

Поскольку запись в TCNT1 блокирует любые действия по результату сравнения на один такт синхронизации таймера независимо от режима работы, то при изменении TCNT1 при использовании канала сравнения (независимо работает синхронизация таймера или нет) необходимо учесть следующие особенности. Если в регистр TCNT1 записано значение равное OCR1, то игнорирование совпадения приведет к генерации некорректной формы сигнала.

Установка OC1 выполняется перед настройкой линии ввода-вывода на вывод в регистре направления данных.

Процедура инициализации таймера выглядит следующим образом [12]:

; Инициализация ШИМ

WDR ; Сброс сторожевого таймера.

SETB DDRD,4 ; DDRD.4 = 1 Порты на выход

SETB DDRD,5 ; DDRD.5 = 1

OUTI TCCR1A,(2<<COM1A0)|(1<<COM1B0)|(0<<WGM11)|(1<<WGM10)

OUTI TCCR1B,(0<<WGM13)|(1<<WGM12)|(6<<CS10)

; Выставляем для обоих каналов ШИМ режим сброс при совпадении.

; COM1A = 10 - прямой сигнал.

; COM1B = 11 - инверсный.

; Ставим режим FAST PWM 8bit (таймер 16-разрядный и допускает

; большую разрядность ШИМ сигнала. Вплоть до 10 бит. WGM = 0101

; Предделитель устанавливаем на значение 1:512.

; Как правило, частота ШИМ выбирается в пределах 10 - 20 КГц.

; В данном случае, частота контроллера 8 МГц.

; Тогда 8 Мгц разделить на 512 - получаем 15,6 КГц, CS = 110.

2.3 Универсальный синхронный и асинхронный последовательный приемопередатчик

При разработке исполнительной системы возникает задача связи с СУ верхнего уровня для обмена информацией от текущем положении звена манипулятора, а также для приема сигналов задания. Для решения этой задачи в состав микроЭВМ включен универсальный синхронный и асинхронный последовательный приемопередатчик (УСАПП), предназначенный для организации гибкой последовательной связи.

Отличительные особенности:

1) полнодуплексная работа (раздельные регистры последовательного приема и передачи);

2) асинхронная или синхронная работа;

3) ведущее или подчиненное тактирование связи в синхронном режиме работы;

4) высокая разрешающая способность генератора скорости связи;

5) поддержка формата передаваемых данных с 5, 6, 7, 8 или 9 битами данных и 1 или 2 стоп-битами;

6) аппаратная генерация и проверка бита паритета (четность/нечетность);

7) определение переполнения данных;

8) определение ошибки в структуре посылки;

9) фильтрация шума с детекцией ложного старт-бита и цифровым ФНЧ;

10) три раздельных прерывания по завершении передачи, освобождении регистра передаваемых данных и завершении приема;

11) режим многопроцессорной связи;

12) режим удвоения скорости связи в асинхронном режиме.

УСАПП содержит три блока: тактовый генератор, передатчик и приемник. Регистры управления используются всеми блоками. Логика тактового генератора состоит из логики синхронизации, связанной с внешним тактовым входом (используется в подчиненном режиме) и генератора скорости связи. Вывод XCK (синхронизация передачи) используется только в режиме синхронной передачи. Передатчик состоит из одного буфера записи, последовательного сдвигового регистра, генератора паритета и управляющей логики, которая поддерживает различные форматы последовательной посылки. Буфер записи позволяет непрерывно передавать данные без каких-либо задержек между передачей посылок (однако нельзя передавать новый байт в буфер до окончания передачи предыдущего байта). Приемник является более сложным блоком УСАПП, т.к. в его состав входят модули обнаружения данных и синхронизации. Модули обнаружения необходимы для асинхронного приема данных. Помимо модулей обнаружения в приемник входит устройство проверки паритета, сдвиговый регистр, и двухуровневый приемный буфер (UDR). Приемник поддерживает те же последовательные форматы, что и передатчик, и может определить ошибку в посылке (кадре), переполнение данных и ошибку паритета.

Процедура инициализации устройства имеет вид:

; Инициализация УСАПП

LDI R16, low(bauddivider)

OUT UBRRL,R16

LDI R16, high(bauddivider)

OUT UBRRH,R16

LDI R16,0

OUT UCSRA,R16

; Прерывание по приему разрешено, прием-передача разрешен.

LDI R16,(1<<RXEN)|(1<<TXEN)|(1<<RXCIE)|(0<<TXCIE)|(0<<UDRIE)

OUT UCSRB,R16

; Формат кадра - 8 бит.

LDI R16, (1<<URSEL)|(1<<UCSZ0)|(1<<UCSZ1)

OUT UCSRC, R16

MOV R16,ADCL ; Запись значения АЦП для обработки.

MOV R16,0,0

MOV R16,1,1

MOV R16,2,0

2.4 Протокол RS-232

Для передачи информации в СУ применяется протокол связи RS-232.

RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса [10].

В RS-232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 обозначают MARK, логический 0 - SPACE. Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 - положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Уровни сигналов данных

Уровень	Передатчик	Приемник
Логический 0	От + 5 В до + 15 В	От + 3 В до + 25 В
Логический 1	От - 5 В до - 15 В	От - 3 В до - 25 В
Не определен	От - 3 В до + 3 В

Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются, при этом ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект сильно связан с электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.

Перед соединением двух устройств через RS-232, каждое из которых питается от различных источников, рекомендуется выровнять напряжения между их сигнальными землями перед подключением.

Для обеспечения протокола в системе предусмотрена преобразователь уровней - микросхема MAXIM232. Подключение осуществляется через стандартный разъем DB9.

Скорость передачи информации по RS-232 измеряется в Бодах. Максимальная скорость согласно стандарту 20000 Бод. Однако современное оборудование может работать значительно быстрее. Не имеет значения на сколько быстрое (медленное) соединение - максимальное число чтения за секунду устанавливается с помощью используемого программного обеспечения.

Четность в RS-232: при передаче по последовательному каналу контроль четности может быть использован для обнаружения ошибок при передаче данных. При использовании контроля четности посылаются сообщения подсчитывающие число единиц в группе бит данных. В зависимости от результата устанавливается бит четности. Приемное устройство также подсчитывает число единиц и затем сверяет бит четности.

Для обеспечения контроля четности компьютер и устройство должны одинаково производить подсчет бита четности. То есть, определиться устанавливать бит при четном (even) или нечетном (odd) числе единиц. При контроле на четность биты данных и бит четности всегда должны содержать четное число единиц. В противоположном случае соответствует для контроля на нечетность.

Часто в драйверах доступны еще две опции на четность: Mark и Space. Эти опции не влияют на возможность контроля ошибок. Mark означает, что устройство всегда устанавливает бит четности в 1, а Space - всегда в 0.

Проверка на четность - это простой способ обнаружения ошибок. Он может определить возникновение ошибок в одном бите, но при наличии ошибок в двух битах уже не заметит ошибок. Также такой контроль не отвечает на вопрос какой бит ошибочный. Другой механизм проверки включает в себя Старт и Стоп биты, циклические проверки на избыточность, которые часто применяются в соединениях Modbus.

На рисунке 2.8 показана структура передаваемых данных со синхронизирующим тактовым сигналом. В этом примере используется 8 бит данных, бит четности и стоп бит. Такая структура также обозначается 8Е1.