Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

Рис. 7.14. Интерфейс для прецизионного датчика температуры по шкале Фаренгейта LM34 компании National Semiconductor

Датчик влажности. Фирма Honeywell производит ряд датчиков влажности (Humidity/Moisture) HIH-3610 [5]. Эти датчики калиброваны при питающем напряжении 5 В. Датчики обеспечивают линейный выход постоянного напряжения от 0,8 к 4,07 В при относительной влажности, изменяющейся от 0 до 100%, соответственно. Эти датчики могут быть связаны со встроенным АЦП МК 68HC12 непосредственно без согласующей схемы.

7.4. Стабилизация скорости вращения двигателя с использованием оптического тахометра 

7.4.1. Описание проекта

Целью этого проекта является стабилизация скорости вращения электродвигателя.

Чтобы осуществить такую стабилизацию, используем управление с обратной связью. Мы будем постоянно контролировать скорость вращения двигателя в рабочем режиме и корректировать ее, изменяя напряжение питания, подводимое к двигателю. Мы также будем показывать текущую скорость вращения двигателя, выраженную в оборотах в минуту, на ЖК индикаторе.

В проекте используется двигатель постоянного тока с постоянным магнитом, выпускаемый компанией Electro-Craft Corporation и оптический кодер [11]. Двигатель имеет следующие характеристики:

• Постоянное питающее напряжение: 12 В;

• Скорость на холостом ходу: 2500 об/мин при 12 В;

• Пусковой ток: 2 А;

• Ток холостого хода: 370 мА;

• Ток при умеренной нагрузке: 600 мА;

• Ток останова: 4 А;

• Двигатель имеет один канал оптического кодера (Servo-Tek # PMBX-60-05).

Кодер формирует 60 ТТЛ-совместимых импульсов за один оборот двигателя.

После этого краткого описания проекта возникает ряд вопросов:

1. Как контролировать скорость двигателя?

2. Каким образом регулировать напряжение питания двигателя, чтобы изменять его скорость?

3. Микроконтроллер 68HC12 питается от постоянного напряжения в 5 В при очень малом выходном токе источника. Как управлять с его помощью двигателем с высоким рабочим током, питающимся от постоянного напряжения в 12 В?

4. Как можно совместить управление скоростью двигателя с выполнением других задач, стоящие перед системой?

5. Какие системы, встроенные в 68HC12, должны использоваться, чтобы выполнить эту задачу?

Как и прежде, мы обратимся сначала к нашему «сундучку инструментов», чтобы выяснить, какие инструментальные средства мы уже использовали в проектах и какие придется разрабатывать. Давайте сделаем это одновременно с рассмотрением каждого из сформулированных выше вопросов. При обсуждении воспользуемся схемой регулирования частоты вращения двигателя, представленной на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Схема стабилизации скорости вращения двигателя

1. Как контролировать скорость двигателя? Как было упомянуто, мы используем для измерения скорости оптический кодер, формирующий 60 импульсов за оборот двигателя.

Подсчитав число импульсов на фиксированном временном интервале, можно определить скорость двигателя. Число импульсов, появляющихся внутри данного временного интервала, можно измерить, используя систему прерываний МК 68HC12 в режиме реального времени (RTI) и аккумулятор импульсов (PA). Обе эти системы обсуждались в главе 4. Как мы уже упоминали, система RTI генерирует прерывания через равные временные интервалы, определенные пользователем, чтобы «напоминать» МК о необходимости периодически выполнять задачу стабилизации, а аккумулятор PA может быть конфигурирован, чтобы считать импульсы. Объединив эти системы, мы сможем подсчитать число импульсов оптического кодера, появляющихся внутри данного временного интервала и, затем вычислить скорость вращения двигателя в оборотах в минуту.

Рассмотрим конкретный пример. Предположим, что мы конфигурировали RTI на прерывание через каждые 32.768 мс, и в течение этого интервала, PA зафиксировал появление 52 импульсов. Какова будет при этом скорость вращения двигателя в оборотах в минуту? Чтобы вычислить необходимо выполнить следующий перевод единиц измерения:

(52 импульса/32.768 мс) (1 об/60 импульсов) (1,000 мс/1 секунда) (60 с/1 мин) = 1,586 об/мин

2. Каким образом регулировать напряжение питания двигателя, чтобы изменять его скорость? В главе 4 мы обсуждали концепцию широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Было показано, что среднее значение напряжения на двигателе изменяется при изменении коэффициента заполнения питающего его импульсного напряжения. Коэффициент заполнения определяется как отношение времени включенного состояния ключа к периоду переключения. Если мы используем ШИМ, то сможем изменять питающее напряжение и, как следствие, скорость двигателя. Примем для простоты, что скорость двигателя линейно связана с питающим напряжением. Проверим это предположение экспериментально. Сигналы ШИМ могут быть сформированы за счет функции сравнения таймера (для всех моделей МК 68HC12) или с помощью широтно-импульсных модуляторов (только для B32 и для всех МК семейства HCS12). Используем модуль ШИМ микроконтролеров B32, который обсуждался в главе 4. Можно вспомнить также, что мы уже использовали ШИМ в настоящей главе, чтобы генерировать сигналы управления двигателем робота, проходящего через лабиринт.

3. Микроконтроллер 68HC12 питается от постоянного напряжения в 5 В при очень малом выходном токе источника. Как управлять с его помощью двигателем с высоким рабочим током, питающимся от постоянного напряжения в 12 В? В главе 5, мы обсуждали, как двигатель может управляться от 68HC12 с использованием силовых полупроводниковых ключей. Сигнал управления ШИМ подается на затвор МОП-транзистора. Двигатель подключен между полюсом напряжения питания и стоком МОП-транзистора, как показано на рис.7.15. Для этого конкретного проекта, мы используем мощный МОП-транзистор IRF530N HEXFET компании International Rectifier. Он выпускается в корпусе TO-220AB с тремя выводами и рассчитан на напряжения переключения в 100 В и рабочие токи в 17 А. Внимание!: Не забудьте включить обратный диод параллельно двигателю.

4. Как можно контролировать скорость двигателя и одновременно выполнять другие задачи, стоящие перед системой? Если мы будем использовать обычную последовательную обработку данных, наш процессор будет постоянно привязан к операциям контроля скорости двигателя, регулирования его питающего напряжения и отображения текущего значения скорости на ЖК индикаторе. Однако, как мы упомянули в ответе на вопрос 1, мы используем RTI систему, чтобы реализовать задачи, связанные с этим управлением, один раз в 33 мс. Между этими периодическими прерываниями, МК может выполнять другие задачи. Концепция периодических прерываний для управления двигателем иллюстрируется на рис. 7.16. Мы исследуем связанные с ней понятия в следующей главе.

Рис. 7.16. Программа управления двигателем в режиме прерываний

5. Какие подсистемы, встроенные в 68HC12, должны быть использованы, чтобы выполнить эту задачу? На этот вопрос мы в сущности уже ответили. Однако для завершенности обсуждения составим список подсистем необходимых для выполнения проекта:

• Модуль ШИМ;

• Модуль меток реального времени;

• Счетчик внешних событий (Аккумулятор импульсов);

• Силовой коммутатор для управления двигателем;

• Оптический кодер;

• Жидкокристаллический (ЖК) индикатор.

 7.4.2. Немного теории

В этом разделе мы более подробно исследуем некоторые из концепций, связанных с проектом, рассмотрев требования к двигателю, работу оптического кодера и конфигурирование прерываний в режиме реального времени на языке Си, а также программу на Си для подсчета импульсов с помощью подсистемы аккумулятора импульсов.

Требования к двигателю. Специфический двигатель, который мы используем — это двигатель постоянного тока, выпускаемый компанией Electro-Craft Corporation. Мы уже рассмотрели основные характеристики двигателя. Однако, имеется ряд дополнительных характеристик, которые требуются для этого проекта, таких, например, как зависимость скорости двигателя от его тока. Так как они не приводятся в информационных данных, мы получим их экспериментально. Будем изменять питающее напряжение, поданное на двигатель, и соответствующую этому напряжению скорость. Для этого подключим частотомер на выход оптического кодера, чтобы определить частоту следования импульсов при заданном питающем напряжении двигателя, и затем вычислим скорость вращения. Одновременно будем измерять также токи двигателя. Результаты эксперимента показаны на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Результаты испытаний двигателя

Оптический кодер.  Существует широкое разнообразие оптических кодеров для определения скорости вращения вала двигателя. Эти кодеры закрепляются непосредственно на валу, или могут быть связаны с валом какими-либо устройствами. При установке кодера на вращающийся вал, это устройство обеспечивает на выходе прямоугольное напряжение. Кодеры питаются от постоянного напряжения 5 В, и рассчитаны на максимальную скорость вращения в 12 000 об/мин. Мы используем оптические кодеры, чтобы обеспечить измерение скорости вращения двигателя, как описано в [11]. Установка для измерения частоты вращения показана на рис. 7.18.