Контролер двигуна змінного струму

ОЗП даних використовується для зберігання оперативних даних. ОЗП має 128 восьмирозрядних комірок пам’яті. Як і в більшості однокристальних мікро ЕОМ, в мікросхемі АТ89С2051 застосовується принцип суміщення ОЗП даних з регістрами загального призначення процесора і портами вводу/виводу. Зовнішня пам'ять даних на відміну від аналога (MCS-51) не використовується.

Порти Р1 і Р3 – це восьмирозрядні порти вводу/виводу. Вони названі Р1 і Р3 тому, що в мікросхемі оригіналі (MCS-51) було чотири порти вводу/виводу. Поставивши перед собою завдання скоротити кількість виводів до 20 конструктори були змушені зменшити кількість портів вводу/виводу. В зв’язку з цим були виключені порти Р0 і Р2. Окрім того порт Р3 тепер не повний. Лінія Р3.6 не виходить ні на один із зовнішніх виводів мікросхеми і використовується як вхід для сигналу від вбудованого аналогово компаратора.

Таймери. В мікросхемі є два вбудовані 16-ти розрядні таймери лічильники Т1 і Т2. Вони можуть використовуватися програмістом для задавання будь-якого інтервалу часу. При чому лічильник Т1 має режим роботи при якому він ділиться на два 8-ми розрядних таймери, які можуть працювати окремо. Можна програмно запустити і зупинити будь-який із лічильників. Лічильники можуть працювати як в режимі відліку часових інтервалів (в цьому випадку вони рахують імпульси внутрішнього тактового генератора), так і в режимі підрахунку зовнішніх імпульсів. В контролері використовуються обидва таймери. При чому обидва працюють в режимі відліку часу.

Послідовний канал. Це канал спеціального типу для послідовної передачі даних по одній лінії (біт за бітом по одному провіднику). В будь-якому комп’ютері наявні зазвичай два послідовні інтерфейси. До одного з них часто підключається маніпулятор “миш”. А другий в основному призначений для підключення модему.

Вбудований контролер переривань. З обробляти шість джерел переривання. Два джерела це зовнішні входи для запитів на переривання. Наступні два входи – це переривання від першого і другого таймерів/лічильників. Переривання по цих входах відбувається тоді коли відповідний таймер/лічильник дорахує до нуля (лічильник працює в режимі зворотного відліку). І на кінець останні два джерела переривання – це переривання від послідовного каналу вводу/виводу. Один від передавача цього каналу. Він спрацьовує в той момент коли процес відправки чергового байта закінчився. І один від приймача. Спрацьовує коли приймач прийняв один байт.

Аналоговий компаратор. Звичайний компаратор аналогових сигналів. На його виході появляється сигнал логічної одинички коли напруга на вході «+» більша за напругу на вході «-».

Внутрішня системна шина. За будовою і призначенням аналогічна системній шині стандартної мікропроцесорної системи.

T89C2051 має наступні стандартні характеристики: 2К байтів флеш пам’яті, 128 байтів RAM, 15 ліній вводу/виводу, два 16-ти бітні таймери/лічильники, п’яти векторна дворівнева архітектура переривань, повнодуплексний послідовний порт, точний аналоговий порівнював, синхронізація на чіпі.

Енергозберігаючий режим зберігає вміст але замороження роботи імпульсного генератора унеможливлює роботу всіх інших функцій кристалу до наступного апаратного скиду. Контакти XTAL1 та XTAL2 є відповідно входом та виходом інвертуючого підсилювача який може бути налаштований для використання в якості вбудованого тактового генератора як показано на рисунку 2.3.

Рис 2.3 Схема підключення тактового генератора до мікропроцесора AT89C2051

Також можна використовувати як кварцовий кристал так і керамічний резонатор. Для роботи даного процесора від зовнішнього тактового генератора контакт XTAL2 не задіювати, а вихід XTAL1 підєднати так як показано на рисунку 2.4.

Рис 2.4 Схема керування зовнішнім тактовим генератором

Немає ніяких вимог щодо робочого циклу сигналу від зовнішнього тактового генератора тому що вхід на внутрішню схему синхронізації відбувається через тригер ділення на два, а час між мінімальною і максимальною напругами має бути сталим.

Мікросхема АТ89С2051 відноситься до повностатичних систем. Це означає, що частота тактового генератора може змінюватись від 0 Гц до 24 МГц. Після поділювача сигнал служить для синхронізації всіх внутрішніх елементів мікроконтролера. Наявність ділителя один із недоліків даної мікросхеми. При максимальноможливій тактовій частоті кварца в 24 МГц, мікроконтролер фактично працює на частоті 4 МГц. Таке схемне рішення зумовлено вимогами сумісності з мікросхемо MCS-51. Та незважаючи на такий недолік, для багатьох застосувань, таких як наприклад контролер двигуна змінного струму, швидкодіючого контролера АТ89С2051 повністю вистачає.

Граф схема мікроконтролера наведена на рисунку 2.5.

 

 

 

 

Рис 2.5 Граф схема мікропроцесора AT89C2051

Вісімковий трьохстановий формувач вихідних сигналів 74HC244AN фірми Motorola. Входи цього пристрою сумісні зі стандартними виходами CMOS; з підтягаючим резистором вони сумісні з LSTTL виходами. Цей неінвертуючий буфер/лінія драйвер/лінія приймач був розроблений щоб використовуватись з трьохстановими драйверами пам’яті адрес, драйверами тактового генератора та з іншими шинно орієнтованими системами. Пристрій має неінвертуючі виходи і два активні в нулі виходи дозволу. Характеристики шинного буфера 74HC244AN:

• Навантажувальна здатність виходів: 15 завантажень LSTTL.
• Виходи безпосередньо для інтерфейсу CMOS, NMOS i TTL.
• Діапазон напруги живлення: від 2 до 6 вольт.
• Низький вхідний струм: 1 µA.
• Висока завадостійкість КМОП пристроїв.
• Узгоджений з вимогами які описані стандартом JEDEC № 7А.
• Складність кристалу: 136 польових транзисторів або 34 еквівалентних вентилів.

На рис. 2.6 наведена конфігурація контактів схеми.

Рис 2.6 Конфігурація контактів 74HC244AN

 Подвійний тригер D типу з встановленням і скиданням 74HC74D фірми Philips. Даний пристрій виготовлений за технологією КМОП є високопродуктивним і виходи сумісні з низьким рівнем TTL Шотткі (LSTTL). Встановлення і скидання відбуваєть асинхронно при активному низькому рівні входу, і виконуються незалежно від входу тактового генератора. Інформація на введення даних передається на вихід Q по висхідному фронту тактового імпульсу. D входи повинні бути стабільними в часовому налаштуванні і відбутись до імпульсної передачі висхідного фронту для передбачуваної операції. Вплив тригера Шмідта у входах по тактових імпульсах робить електричне коло надзвичайно толерантним до повільного зростання тактових імпульсів і спаду тактових імпульсів. 74HC74D спрацьовує за подвійним позитивним фронтом, це тригер з окремими входами даних (D), входами на тактовий генератор, входами встановлення і скиду , також а також додатковими Q і Q виходами. На рис. 2.8 наведена конфігурація контактів схеми [29].

Рис 2. 7 Конфігурація контактів 74HC74D

Восьмибітний зсувний регістр із затримкою на виході 74HC595 фірми Philips.  Передача даних відбувається з послідовних в послідовні або з послідовних в паралельні виходи. Даний пристрій є восьмиступеневим послідовним зсувним регістром з регістром зберігання і трьохстановими виходами. Зсувний регістр і зберігаючий регістр мають окремий імпульсний генератор. Дані зсуваються по додатному фронті вхідного сигналу ST_cp . Якщо обидва імпульсні генератори з’єднані разом то зсувний регістр завжди буде на один тактовий імпульс попереду відносно зберігаю чого регістра. Зсувний регістр має послідовний вхід D_s і послідовний стандартний вихід Q₇^’ для каскадування. Це також забезпечується асинхронним скидом для всіх восьми зсувних регістрових стадій. Регістр зберігання має 8 паралельних 3-станових драйверів шини виводу. Дані в зберігаючому регістрі з’являються на виході незважаючи те що на вхід дозволу вводу подається низький рівень сигналу. На рис. 2.8 наведена конфігурація контактів схеми 74HC595 [12].

Рис 2. 8 Конфігурація контактів 74HC595

Трьохчисельний світловий індикатор BA56-11 SRWA фірми Kingbright. Джерело червоного свічення зроблене з емітерного діоду червоного світла на основі фосфіду галію, внутрішня структура якого наведена на рис. 2.9. [28].

Рис. 2.9 Внутрішня структура BA56-11 SRWA

Резисторна збірка MDM1603/MDM1403 фірми Vishay. Дана збірка містить вісім резисторів по 240 Ом кожний. Кожний із резисторів має окрему контактну ніжку входу і окрему контактну ніжку виходу [29].

Резисторну збірку можна замовити із будь-якими заданими параметрами.

• 2.2. Вибір програмних засобів

 

Програма  повинна забезпечити управління різними релейними навантаженнями підключеними через різні нескладні схеми спряження до любого наявного інтерфейсу комп’ютера. Однією із таких програм є Hardware Control, аналогом є програма KEMO Relais Timer. Однак в порівнянні з аналогом Hardware Control володіє певними перевагами. Ось її основні відмінні характеристики:

-  Робота з будь-яким інтерфейсом (а не тільки LPT - портом).

- Теоретично, необмежена кількість каналів управління (а не тільки 8).

- Потужна  довідкова система.

- Розширені можливості створення перемикання послідовності перемикання каналів, можливість вказувати ім’я каналу.

- Можливість роботи в закритому режимі, можливість регулювання пріоритету програми для забезпечення оптимальної продуктивності.

Дана програма не потребує інсталяції – потрібно розархівуйте скачаний із файлового архіву файл в будь-яку папку і запустіть HrdControl.exe [30]. Програма не здійснює запису в системний реєстр тому для деінсталяції достатньо видалити всі необхідні файли і папки. Програма протестована під WindowsXP Pro SP2. Програма розповсюджується за принципом SHAREWARE – тобто безплатно. Але в цьому випадку доступний тільки один модуль підтримки апаратури – LPT порта комп’ютера. Використання програми в такому вигляді дозволить вам повноцінно випробувати всі можливості програми за допомогою будь-яких вісімковий реле, підключивши їх за допомогою простих транзисторних ключів до лінії даних паралельного порту принтера. В даний час розроблений ще один додатковий модуль для керування 48 каналами за допомогою простої схеми на зсувних регістрах яка підєднується до послідовного порту. На рис. 2.11 показано вікно вибору робочого модуля.

Рис. 2.11 Вікно вибору робочого модуля.

Hardware control надає можливість відслідковувати роботу різних приладів побутового і промислового обладнання. 

• 2.3. Розробка структурної схеми контролера

 

Структурна схема наведена в графічній частині роботи. До її складу входять:

- мікроконтролер;

- дисплей;

- буфер шини;

- вузол індикації режимів роботи схеми управління;

- вузол визначення частоти обертання двигуна;

- схема скиду мікроконтролера;

- давач струму;

- перетворювач частоти.

 Мікроконтролер є ключовим елементом управління двигуном, до нього безпосередньо необхідно підключити дисплей який показуватиме частоту обертання вала електродвигуна, а також задану частоту обертання вала електродвигуна – це потрібно для контролю справності всіх вузлів системи. Сигнали задання частоти обертання вала електродвигуна з мікроконтролера поступають на шинний буфер і з буфера на перетворювач частоти.

Перетворювач частоти виготовлений по принципу подвійного перетворення енергії (випрямляч - інвертор) за яким  інвертор із постійного струму після випрямляча формує трьохфазну напругу на двигуні потрібної амплітуди і частоти. Напруга формується шляхом високочастотної широко імпульсної модуляції (ШІМ) на несучій частоті від 1 до 16 кГц з допомогою високочастотних біполярних транзисторів з ізольованим затвором. Сучасні перетворювачі частоти є доволі компактними і високотехнологічними пристроями коло застосувань яких є практично необмеженим. Однак при модернізації обладнання необхідно знати про деякі недоліки сучасних двохскладових перетворювачів частоти які потребують додаткових затрат і засобів:

- Підвищений рівень випромінювання електромагнітних завад в радіоефір і електричні кола вимагає використання екранованих кабелів двигуна, використання радіо фільтрів, а також чітке розділення сигнальних електричних кіл та кіл живлення.

- Необхідність застосування додаткових du/dt фільтрів (моторний дросель), або синус фільтрів при довжині кабеля двигуна довшій ніж 50 м, а також при використанні старих двигунів через високочастотні імпульсні стрибки напруги на клемах двигуна.

- Нездатність передачі енергії в мережу при роботі двигуна в генераторному режимі і необхідність застосування гальмівних резисторів (наприклад в режимі опускання вантажів в кранах і кранах балках).

- Нездатність швидкого гальмування без додаткових гальмівних пристроїв і  резисторів.

- Необхідність застосування мережних дроселів або дроселів постійного струму для зменшення гармонійних спотворень спожитого струму (без дроселів коефіцієнт потужності ПЧ не перевищує 0.65-0.7).

- Необхідність використання системи вентиляції при розміщенні  в шафі (тепловіддача складає 3-5% від потужності ПЧ).

- Нездатність без ударного перемикання двигуна на мережу при необхідності роботи при 50 Гц.

- Обмежені динамічні характеристики через невисоку перевантажувальну здатність (200% не більше 0.5-3 сек. ) [4].

Наведені недоліки не є критичними і для багатьох задач кращої альтернативи ніж перетворювачі частоти просто не існує. Однак в деяких випадках особливо зв’язаних з високою  частотою запусків або відсутністю  необхідності зміни частоти обертання  використання перетворювачів частоти  з врахуванням перерахованих  вище недоліків може виявитися надлишковим  і малоефективним.

Дані про швидкість обертання  вала електродвигуна знімаються із перетворювача  частоти вузлом визначення і передаються на мікроконтролер. Мікроконтролер реагуватиме на частоту обертання вала електродвигуна відповідно до написаної програми. До промислової електромережі безпосередньо перед перетворювачем частоти підєднується давач струму який формуватиме сигнал скиду мікроконтролера у випадку перенавантаження в електромережі, також це можна зробити вручну, оскільки давач струму підключений до мікроконтролера через схему скиду мікроконтролера яка містить клавішу скиду. До буферу шини підключений вузол індикації режимів роботи схеми управління. Вузол індикації складається із світодіодів та показуватиме у якому з режимів працює контролер. Є два режими роботи схеми, це власне робота і захист від перенавантаження.