Микропроцессорные устройства РТС и их программное обеспечение

Микропроцессорные устройства РТС и их программное обеспечение1. Особенности применения микропроцессоров и микроконтроллеров всистемах управленияроботов.Сравнительныйанализсовременныхвычислительных устройств, ориентированных на применение в системах управленияроботов.Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханическогопреобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечиваетпреобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работытехнологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспортеи в быту постоянно расширяется.

В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в миреэлектрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективностьэнергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода.Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетнымнаправлением развития современной техники.Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроникибыло освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT),силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей(IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения кмикропроцессорным системам управления.

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике ипереход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированныхпериферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управленияприводами на системы прямого цифрового управленияПод прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление отмикроконтроллера каждым ключем силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя,если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различныхобратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующейпрограммно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифровогоуправления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и созданиеодноплатных контроллеров управления приводами.

В пределе встроенная система управленияпроектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателемконструктивно интегрируется в одно целое мехатронный модуль движения.Ярко выраженные тенденции развития электропривода:Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается долясистем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностьюмеханического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного токапо сравнению с двигателями переменного тока.

По прогнозам специалистов в начале следующеговека доля приводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов.Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутымиасинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80%) нерегулируемые. В связис резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемыхасинхронных электроприводов быстро увеличивается.Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода свентильными, т.

е. электронно-коммутируемыми двигателями. В качестве исполнительныхбесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получилисинхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитнымвозбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен длястанкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим.

Некоторого снижениястоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качествеисполнительного.Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основевентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении,технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмотокили магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспеченытолько при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании ссовременной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы вэтой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением,а для тяговых приводов индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора.В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии собычными приводами постоянного тока.Для большинства массовых применений приводов (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессорыи т.д.) требуется относительно небольшой диапазон регулирования скорости (до 1:10, 1:20) иотносительно низкое быстродействие.

При этом целесообразно использовать классическиеструктуры скалярного управления. Переход к широкодиапазонным (до 1:10000),быстродействующим приводам станков, роботов и транспортных средств, требует примененияболее сложных структур векторного управления. Доля таких приводов составляет сейчас около5% от общего числа и постоянно растет.В последнее время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямымцифровым управлением моментом. Отличительной особенностью этих решений являетсяпредельно высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровыхрелейных регуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики (фаззи-логики).Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы в первую очередь на транспорт,на использование в кранах, лифтах, робототехнике.Усложнение структур управления приводами потребовало резкого увеличения производительностицентрального процессора и перехода к специализированным процессорам с объектноориентированной системой команд, адаптированной к решению задач цифрового регулирования вреальном времени.

Ряд фирм (Intel, Texas Instruments, Analog Devices и др.) выпустили на рынокновые микроконтроллеры для управления двигателями (из серии Motor Control) на базепроцессоров для обработки сигналов DSP-микроконтроллеры. Они не только обеспечиваюттребуемую производительность центрального процессора (более 20 млн.оп./сек.), но и содержат рядвстроенных периферийных устройств, предназначенных для оптимального сопряжения контроллерас инверторами и датчиками обратных связей. Среди встроенной периферии особое место занимаютуниверсальные генераторы периодических сигналов, обеспечивающие самые современныеалгоритмы управления инверторами, в частности, алгоритмы векторной широтно-импульсноймодуляции.Рост вычислительных возможностей встроенных систем управления приводами сопровождаетсярасширением их функций. Кроме прямого цифрового управления силовым преобразователемреализуются дополнительные функции поддержки интерфейса с пользователем (через пультоперативного управления), а также управления технологическим процессом.Рис.

2 Распределенные системы управления приводамиПерспективные системы управления электроприводами разрабатываются с ориентацией накомплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу несколькихприводов в составе промышленной сети. Управление сетью берет на себя промконтроллер илиуправляющая ЭВМ рис. 2. Наиболее перспективные типы интерфейсов: RS-485 и CAN.

CANинтерфейс постепенно становится стандартом для распределенных систем управления наэлектрическом транспорте, в автомобильной технике и робототехнике.Стремление предельно удешевить привод, особенно для массовых применений в бытовой технике(пылесосы, стиральные машины, холодильники, кондиционеры и т.д.), привело к отказу от датчиковмеханических переменных и переходу к системам бездатчикового управления, где для оценкимеханических координат привода (положения, скорости, ускорения) используются специальныецифровые наблюдатели.

Это возможно только при высокой производительности центральногопроцессора, когда система дифференциальных уравнений, описывающих поведение привода, можетбыть решена в реальном времени.Возросшие возможности микропроцессорной техники привели к тому, что при массовомпроизводстве изделий с объемом выпуска не менее 10000 штук в год, оказывается возможным иэкономически целесообразным создание мощных, однокристальных систем управленияприводами на базе DSP-микроконтроллеров.

Их стоимость при ограниченных интерфейсныхфункциях не будет превышать 10-20$.Основные затраты при разработке систем управления приводами приходятся не на созданиеаппаратной части контроллера, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения.Поэтому роль специалистов в области теории электропривода существенно возрастает.В заключение отметим, что, несмотря на серьезную аппаратную поддержку методов векторной ШИМ,появившуюся в новейших микроконтроллерах, работы у программистов не уменьшилось. Они по-прежнемудолжны обеспечить в реальном времени: расчет номера базового сектора и внутрисекторного угла;определение составляющих базовых векторов и перепрограммирование ШИМ-генератора; коррекциювлияния "мертвого" времени и потерь напряжения на силовых ключах; коррекцию изменения напряжения назвене постоянного тока. Перечисленные задачи являются решаемыми, что дает уверенность в возможностибыстрой разработки нового поколения перспективных цифровых систем управления приводами.Специфика применения микроконтроллеров в электроприводеМикроконтроллер является наиболее универсальным средством для создания ядра информационногоканала современного электропривода.

Специфика требований к микроконтроллеру для электроприводавытекает из выполняемых им функций. С одной стороны, он управляет преобразователем силового канала,получая сигналы обратных связей по токам, напряжениям, скорости двигателя. С другой стороны,микроконтроллер должен обеспечивать интерфейсные функции для связи с оператором, устройствомуправления верхнего уровня, другими технологическими объектами.Для управления силовыми ключами преобразователя в принципе можно использовать соответствующеечисло разрядов порта дискретных выходов, однако загружать процессор рутинными операциями повключению и отключению ключей целесообразно только для простейших алгоритмов управления приневысоких требованиях к быстродействию и качеству регулирования. Более рационально иметь вмикроконтроллере достаточное число программируемых ШИМ-генераторов, получающих от процессоратолько уставки частоты и скважности и самостоятельно осуществляющих согласованное управлениеработой силовых ключей.

ШИМ должен обеспечивать регулирование скважности от 0 до 100 % с точностьюв 8...16 двоичных разрядов при частоте от 1 кГц до 20...50 кГц. Требуемое число каналов и выводов ШИМопределяется типом двигателя, числом его обмоток (фаз), требуемыми режимами работы, схемотехникойсилового канала преобразователя и алгоритмом управления силовыми ключами. Для управлениятрехфазным мостовым инвертором необходимо 6 независимых каналов или 3 независимых канала свозможностью согласованного управления от каждого верхним и нижним ключами полумоста (двумявыводами).Сигналы обратных связей имеют аналоговую форму (токи, напряжения) или дискретную (импульсные икодовые датчики). Для ввода аналоговых сигналов в состав микроконтроллера включается многоканальныйаналого-цифровой преобразователь (АЦП) с программируемым циклом измерений заданного числа каналов.Требуемая разрядность и быстродействие АЦП сильно зависят от электромагнитных параметров обмоток,точности и быстродействия канала регулирования.