步进电机控制器使用XC9572 CPLD通过移动端作为远程控制器外文翻译资料

 2021-11-17 12:11

英语原文共 14 页

步进电机控制器使用XC9572 CPLD通过移动端作为远程控制器

摘要 - 运动控制理论自18世纪末开始发展。简单地说,运动控制被定义为基于速度,距离,负载,惯性或所有这些因素的组合精确地控制对象的运动。由于高系统复杂性和难以实现的软件语言,传统的基于可编程逻辑控制器的运动控制系统逐渐被基于CPLD的控制系统取代。在我的项目中,步进电机系统的控制是通过移动完成的,并且使用VHDL设计了直观且易于使用的图形用户界面。我的论文介绍了一种电路的硬件实现,该电路设计用于可编程旋转步进电机,使用VHDL作为设计工具,CPLD作为目标技术。该设计在XC9572套件上实现。使用可重配置硬件(CPLD)代替PLC,微处理器和微控制器的优点是设计人员可以轻松快速地对设计进行修改,整个设计代表嵌入式系统。控制步进电机运动的总可编程硬件设计占用的面积不超过芯片资源的12%。

关键词:CPLD,DTMF解码器,PLC,步进电机,VHDL。

1.引言

精确控制,电机的开环控制,自给式制动以及没有电刷的优势使步进电机成为各种专业应用的便捷选择。 打印机和绘图仪,磁盘驱动器,机器人,CNC机器和其他精密机器是步进电机广泛使用的常见示例。

步进电机的操作可以通过考虑一系列电磁铁来解释,所述电磁铁布置成圆形以封装由磁性材料制成的转子。当这些电磁铁或电磁铁依次通电时,它们中产生的磁动力(MMF)与转子相互作用并使其重新对准磁场,从而使其沿顺时针或逆时针方向旋转。可以通过简单地以固定模式打开或关闭这些电磁铁来控制电动机的角位移,以实现电动机的所需运动。在21世纪,如果步进电机和其他电机通过手机远程操作,对于工业来说显然是有利的。无线遥控器降低了控制步进电机的难度。但是远程仍然提供限制,因为它在特定范围内受到限制。如果它是与手机的接口作为遥控器,那么该项目将获得更高的可用性和范围。该项目是移动电话与DTMF解码器的接口,该电路通过CPLD连接到步进电机,以控制速度和旋转。步进电机 。在这项工作中,步进电机的旋转和速度通过使用CPLD(复杂可编程逻辑器件)而不是微处理器来控制。非易失性的特性使CPLD成为现代数字设计中执行功能的首选设备。使用CPLD控制步进电机的方框图如图1所示。

2.电路描述

图1显示了步进电机控制器的结构。 由于电机绕组的要求,驱动器电路由电源供电。 根据控制器逻辑,连接到CPLD的端口驱动电机驱动器的输入,从而驱动步进电机。 控制器采用半步进电机的逻辑。 表1中说明了控制器的输入。

复杂可编程逻辑器件(CPLD)非常适合将这些电机的控制逻辑与其他系统控制逻辑集成,以最大限度地减少器件数量和电路板尺寸。 该项目中使用的元件有:DTMF解码器(CM8870),CPLD 84pin IC和步进电机驱动器ULN2803 IC。

3.何时使用步进电机

bull;只要需要控制运动,步进电机就是一个不错的选择。

bull;它们可用于需要控制旋转角度,速度,位置和同步的应用中。因为 - 步进电机是一种机电设备,可将电脉冲转换为离散的机械运动。 - 当以适当的顺序向其施加电指令脉冲时,步进电机的轴或主轴以不连续的步进增量旋转。

A.步进电机的开环操作

步进电机最显着的优点之一是它能够在开环系统中精确控制。开环控制意味着不需要关于位置的反馈信息。这种类型的控制消除了对昂贵的传感和反馈设备(例如光学编码器)的需求。这里只需跟踪输入步进脉冲[1]即可知道位置。

B.步进电机的扭矩产生步进电机产生的扭矩取决于几个因素。

bull;步进率

bull;绕组中的驱动电流bull;驱动器设计或类型在步进电机中,当转子和定子的磁通量相互错开时,会产生转矩[1]。

C.步进电机的步进模式

以下是最常见的驱动模式。

bull;波浪驱动(1相开启)bull;全步驱动(2相开启)

bull;半步驱动(1相和2相)

bull;微步进(不断变化的电机电流)

在Wave Drive中,在任何给定时间只有一个绕组通电。在全步驱动中,您可以在任何给定时间激活两个阶段。Half Step Drive结合了波形和全步(1相和2相)驱动模式。在微步进驱动中,绕组中的电流不断变化,以便能够将一个完整的步骤分解成许多较小的离散步骤。

扭矩与速度特性是为特定应用选择合适的电机和驱动方法的关键。这些特性取决于(随之改变)电动机,励磁模式和驱动器类型。根据各种应用场合,必须事先在位置或速度控制方案之间选择步进电机控制器。为了实现高精度定位和平稳旋转操作,步进电机控制器的设计是一个非常重要的问题[2]。

4.结果与讨论

对于负载转矩稳定且运行速度较低的应用,首选开环驱动器,因为它需要简单的控制算法并且不需要编码器[12]。在这项工作中,我们强制电机顺时针旋转两个方向并逆时针方向旋转。在VHDL和Xilinx中完成编码时,会生成测试平台结果。测试台视图如下图2所示。模拟输出结果用于顺时针旋转步进电机,逆时针全步和半步旋转如下。

5.结论

1.本文介绍了使用CPLD通过移动远程控制单元进行开环步进电机控制.CPLD用于构建高性能开环驱动器,无需使用微处理器或微控制器。 此外,它与ASIC和CPLD和FPGA的批量生产方法兼容。

2.测试台结果显示在图3中的测试台波形中。

基于CPLD的自动导引车原型实现

摘要 - 在目前的情景中,机器人领域在许多领域找到了潜在的应用,其中机器人必须在实时环境中工作,以便在远程应用中使用系统时对情况做出正确的决定。采取了一项措施来设计和制造这种低成本的自动引导车辆(AGV),它根据红外传感器提供的信息自动找到障碍物并改变其方向。这里开发的AGV原型是由当地可用的电子元件和使用适当的技术制成的,这节省了大量的金钱和时间投入。最后,这些机器人采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)进行设计,并可进行重新编程,以适应实时环境中的可能变化。在实验室中准备了一个人工环境,机器人经历了几次成功的测试,验证了原型的有效性。

关键词 - 自动导引车,适用技术,CPLD(复杂可编程逻辑器件)。

1.导言

在所有机器人中,AGV(自动导引车)机器人被广泛使用,因为它们具有在环境中和周围移动并且不固定到一个物理位置的能力。这些机器人通过遵循特殊的导丝或彩色条带在各种装配站之间运输工件,特别是在工业和运输系统中[5]。 AGV通过跟踪预先手动指定给机器人的位置顶灯来在整个医院运输食物和药物。一些专业机器人利用办公空间,超市,仓库,集装箱码头甚至空调管道的常规几何图案[2-4]。在潜在危险和恶劣的环境中,自主机器人正在广受欢迎。 Schulze和Zhao(2008)报道了AGV在欧洲和中国的广泛使用[1]。对于像印度这样的发展中国家,机器人的潜在应用并不是很受欢迎,因为设计成本起着重要作用。为了评估在印度设计和制造AGV的可能性,机器人车辆是

开发并测试其有效性。在原型开发的大多数阶段,应考虑采用适当的技术和当地可用的原材料和硬件组件,以便将成本降低到当地工业的允许范围内。制造AGV机器人,其使用CPLD来检测障碍物并根据安装在车辆前方的红外传感器的输入来操纵其方向(对情况做出正确的决定)。开发的AGV原型显示出满足要求的有希望的结果。

2.文献调查

大多数印度城市和世界各城市都被认为是智慧城市。智能城市概念主要应用于计划中的城市,其要求是在城市中进行的每项活动都由技术监督和控制[6]。在这个概念中,作为一项新兴技术的物联网的作用是实现建设智慧城市的梦想。建立一个智能城市,但维持和维持业绩是不够的。由于该过程涉及许多障碍,因此计划使用物联网技术可以在建立和维持智能城市的同时克服所有麻烦。因此,必须制定一个明确的议程,建立一个使用物联网的智慧城市。

典型的AGV原型架构如图1所示。架构的核心是ALTERA CPLD。它被编程为接受来自红外传感器的输入并控制转向动作以避免任何碰撞。使用了三个红外传感器 - 一个位于中央,另外两个位于左侧和右侧,用于检测机器人前方的障碍物(如果有的话)。如果出现障碍或潜在碰撞,CPLD通过两个双极步进电机控制转向,这两个步进电机由L293D四个半H驱动器IC [6]驱动。在4.5的额定电压下提供600mA的额定输出电流V至36V。最后,该原型由两节6V可充电电池供电。

III。设计方法

机器人的机械结构主要使用铝制备,以减轻总重量,并随后降低驱动它的动力需求。在机器人的设计和制造中采用了本地可用的硬件组件和材料。

A.机器人的设计考虑因素

机器人可以根据38 KHz接近红外传感器提供的信息做出决定。通常,与触觉传感器相比,这些传感器提供更好的预期寿命。图2所示IR传感器的设计和构造涉及两个部分,即IR发射器部分和IR接收器部分。 IR发射器块主要用于产生IR信号。它在稳定的多谐振荡器模式下使用NE555定时器IC产生方波,其具有50%占空比,频率为38 KHz的连续脉冲,并通过IR LED传输。有五个IR LED - 左右两个,一个在机器人的前面[7]。 TSOP1738红外传感器用于红外接收器部分。这里使用的每个传感器是3引脚器件,第一和第二引脚连接到负和正电源端子,第三引脚连接到输出端子。一个带有100Omega;电阻和4.7uF电容的滤波器电路用于为每个传感器供电[8]。通常,传感器的输出很高,当红外线频率为38 KHz落在红外传感器上时,其输出变低。 CPLD检测到这种低输出,并按照预编程指令采取措施。

该机器人由ALTERA MAX EPM 3032A CPLD控制,如图3所示,使用来自传感器的反馈信号。 CPLD生成的信号用于控制驱动电机的速度。 该CPLD具有高性能,缩短设计周期,降低开发成本,采用先进的0.30um CMOS工艺制造。

AGV Prototype被设计为两轮机器人,其中两个电机都直接连接到车轮,如图4所示。这样的配置提供了非常方便的前后运动。 任何方向的转向只是通过控制电机的速度和方向。

为了避免机器人组件和车轮之间的碰撞或摩擦,在它们之间提供了足够的空间用于它们的自由旋转。 图5显示了带有两个6V可充电电池的AGV原型。 每个电池单元可放置在38 KHz接近红外传感器板和CPLD控制系统板下方。 充电器输入充电端子设置在电路板中,用于给电池充电。

五,在制造业中使用适当的技术

由于整个研究过程的视角是基于一个发展中国家,因此并不总是能够找到正确的资源来开发这样一种先进的机器人系统。不是为设计订购正确的零件,而是在当地市场进行零件搜索,并相应地更改初始设计以适应可用资源。这发生在几个组件上,暴露了工作情况的现实[5]。如图2-5所示的所有电路板都是在实验室中制造的,以便考虑价格。大多数电子元件(CPLD除外)都是本地产品,所有这些元件都运行良好。

VI。测试运行和模拟结果

一旦制造过程和组装完成,就必须在将其放置在地面上之前检查机器人在修理台上的操作功能。第一种方法是运行车辆并观察其对环境的响应。

调整车轮并将联轴器和轴承设置为校正对齐,因为它们在最初的几次测试运行后显示出偏差。测试各个传感器的准确度,并在需要时进行校正。

最后,机器人经过几次完整的测试运行,检测到障碍物并测量通过电机的相应电流。这样做是为了将电子安全措施纳入电路中。将上述过程重复几次以将其精炼成a

可接受的水平最后,它被证明是一个可靠且可重复的AGV系统,其测试运行和仿真结果如图6和图7所示。

最终AGV原型的测试运行结果

A.图6中的标签1表明,当所有侧面都没有物体时,AGV原型向前移动。在这种情况下,两个电动机都处于向前方向。

B.图6中的标签2表示当右侧有物体时,左电机向后移动而右电机向前移动。在这种情况下,AGV原型需要左转。

C.图6中的标签3表明,当左右两侧有物体时,两个电机都处于向前方向。在这种情况下,AGV原型向前发展。

D.图6中的标签4表明,当中心和右侧有物体时,左电机向后移动而右电机向前移动。在这种情况下,AGV原型需要左转。

E.图6中的标签5表示当中心侧有物体时,左电机向后移动而右电机向前移动。在这种情况下,AGV原型需要左转。

F.图6中的标签6表示当左侧有物体时,左电机向前移动而右电机向后移动。在这种情况下,AGV原型右转。

G.图6中的标签7显示,当左侧和中间侧有物体时,左侧电机向前移动,而右侧电机向后移动。在这种情况下,AGV原型右转。

H.图6中的标签8显示,当所有侧面都有物体时,AGV原型向后移动。在这种情况下,两个电动机都处于向后方向。

结论

从像印度这样的发展中国家的角度来看,使用尖端技术是一项挑战。 当设计的一个或多个关键组件不在本地可用时,会出现令人沮丧的情况。 从外国公司搜索组件可能会产生大量的金钱和时间投入,这可能会成为感兴趣的本地行业的排斥力量。 AGV原型开发是在资源有限的情况下进行的,但在大规模生产此类系统的情况下,可以导入一些必要的关键部件。 在这种情况下,大量供应可以最小化组件的成本。 在这项研究中开发的机器人重量轻,速度慢。 但是,通过使用适当的电机来满足要求,可以很容易地对其进行修改和改进

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