Диссертация (Методы и программные средства поддержки выбора решений на основе прямого и обратного нечеткого оценивания), страница 7

Функциональная схема которойприведена на рисунке 3.2. Задачи управления ВИМ и идентификации угловогоположения ротора решаются программно-аппаратными средствами системыуправления.Рис. 3.2. Функциональная схема взаимодействия аппаратных частей микропроцессорнойсистемы управления бездатчикового ВИП.Система управления состоит из следующих функциональных блоков:вентильно-индукторной машины, коммутатора, 3-х блоков драйверов, источникаквадратурных токов, генератора квадратурно связанных сигналов, датчиканапряжения и компаратора, контроллера управления.В качестве объекта управления выбрана трехфазная ВИМ, имеющая 12зубцов на статоре и 8 на роторе.49Для управления формированием силовых и измерительных токов вкатушках ВИМ разработан транзисторный коммутатор, построенных на полевыхтранзисторах.

Коммутатор запитан от блока питания напряжением 110 В иисточника квадратурных токов.Сигналы управления коммутатор получает от 3-х блоков драйверов,которыевыполняютфункциюгальваническойразвязкикоммутатораиконтроллера управления и функцию формирования напряжения для управлениязатворамиполевыхиспользуетсядлятранзисторовкоммутатора.формированияОдинсигналовблокуправлениядрайверовключами,коммутирующими силовые токи катушках ВИМ, два других блока драйверов –для управление ключами, коммутирующими измерительные токи.

С цельюисключениявозникновениясквозныхтоков,драйверазапитаныотгальванически развязанных блоков питания.Для анализа фазы измерительной ЭДС используется 3 датчика напряжения,которые подключены к катушкам, находящимся в разных фазных обмотках. Дляанализа фазы измерительной ЭДС в каждый момент времени используетсятолько один датчик напряжения. Для выбора необходимого датчика напряженияна биполярных транзисторах реализован мультиплексор, которых подключаеттолько один из датчиков напряжения к микропроцессорной системе управления.Источник квадратурных токов формирует измерительные токи, связанныеквадратурнымисоотношениями,необходимыедлябездатчиковойидентификации углового положения ротора ВИМ.

Источник квадратурных токовсостоит из двух линейных источников тока, выполненных на транзисторах иоперационном усилителе, и генератора квадратурных сигналов, выполненном набазе микроконтроллера PIC12F629.Контроллер управления, построен на базе микроконтроллера PIC18F4321 ивыполняет бездатчиковую идентификацию углового положения и, управляяключами коммутатора, производит управление ВИМ. Алгоритмы управленияВИМиидентификацииугловогоположенияреализованыпрограммно50аппаратными средствами микроконтроллера, и при необходимости могут бытьмодернизированы за счет обновления программного обеспеченья контроллера.Стоит отметить, что программно-аппаратные средства микроконтроллераотвечают за идентификацию углового положения ротора ВИМ, формированиесигналовуправленияключамикоммутатора,регулированиякоординатэлектропривода (скорости, момента и тд.).Рассмотрим структуру контроллера управления бездатчиковым ВИП.Рис.

3.3. Функциональная схема взаимодействия программно аппаратных средствконтроллера управления.Функциональная схема взаимодействия программно-аппаратных средствконтроллера управления приведена на рисунке 3.3. Рассмотрим вариантыреализации функциональных блоков данной структуры и их связи.Рассмотрим работу блока расчета фазы измерительной ЭДС.В связи с тем, что измерительная ЭДС при помощи компараторанапряжения преобразуется в последовательность импульсов, фронты которыхсвязаны с изменением знака мгновенного значения измерительной ЭДС, поэтомудля анализа фазы измерительной ЭДС достаточно измерить время междуследованием фронтов сигнала синхронизации и сигнала от компараторанапряжения. Время между следованиями фронтов будет пропорционально фазеизмерительной ЭДС.51При практической реализации данного блока необходимо реализоватьнепрерывную работа таймера, при прохождении фронта сигнала от компараторанапряжения и фронта синхронизирующего сигнала считывать значение таймераи рассчитывать разность считанных значений.

В случае программной реализацииданного блока все ресурсы микроконтроллера будут задействованы на расчетвремени прохождения импульсов, что приведет к невозможности реализациивсехалгоритмовуправлениянаодноммикроконтроллере.Вслучаеиспользования аппаратно реализованного таймера и программного считываниязначений таймера по фронтам сигналов, вызывающих системные прерывания,высвобождаетсязначительнаячастьвычислительноймощностимикроконтроллера, но возможно неверное считывание значение таймера вслучаевозникновенияпрерыванийодногоприоритета.Наиболеепредпочтительным вариантом является организация отчета времени нааппаратно реализованном таймере и аппаратном считывании состояния таймера,в этом случае вычислительные ресурсы микроконтроллера не задействованы визмерениифазыизмерительнойЭДС.Внастоящеевремямногиемикроконтроллеры позволяют это реализовать при помощи интегрированныхаппаратных средств, например, в 8-ми битных микроконтроллера фирмыmicrochip серии PIC18, это аппаратно реализованный модуль CCP, работающийв режиме захвата.В зависимости от поставленной задачи и области применения ВИМ модульвычисления текущего углового положения ротора ВИМ может быть выполнен ввиде программно реализованного функционального преобразователя, на входекоторого имеем текущее значение фазы измерительной ЭДС, на выходе –текущее угловое положение ротора, либо информация о текущем угловомположении.

В случае если перед нами стоит задача реализовать бездатчиковоеуправление коммутацией обмоток ВИМ и нет необходимости передаватьинформацию о текущем угловом положении в систему управления высокогоуровня, необходимость преобразовывать фазу измерительной ЭДС в угловоеположение ротора ВИМ отпадает. В этом случае, достаточно, по изменению52фазы информационной ЭДС определить момент времени, когда необходимопроизвести коммутацию фазных обмоток ВИМ и предать информацию онеобходимости коммутации в блок включение/отключение фазных обмотокВИМ. В этом случае блок включения/отключения фазных обмоток ВИМ и блоквычисления текущего углового положения ВИМ целесообразно объединить.Модуль расчета скорости ВИМ можно реализовать двумя способами.

Одинспособ – дифференцировать текущее угловое положение ротора ВИМ. Этотспособ дает наиболее точное значение скорости при достаточно быстром ееизменение,нотребуетобязательногопостроенияфункциональногопреобразователя фазы информационной ЭДС в угловое положение ротора ВИМ,что не позволит отказаться от функционального преобразования фазыизмерительной ЭДС в угловое положение ротора ВИМ.Альтернативнымвариантомреализацииблокарасчетаскоростизаключается в измерении времени между коммутациями фазных обмоток ВИМ.В этом случае скорость вращения ротора ВИМ будет обратно пропорциональновремени между коммутациями фазных обмоток. Данный вариант расчетаскорости является наиболее предпочтительным, так как при его реализацииупрощаетсяструктурапрограммногообеспеченияивысвобождаетсявычислительная мощность микроконтроллера.Модульрегулятораскоростиреализуютсяпрограммнокакпропорциональный регулятор или пропорционально-интегральный регулятор взависимости от требований, предъявляемых к электроприводу.

Данныеалгоритмы достаточно известны, поэтому подробно их описывать не будим.Вызовмодуляпроисходитпопрерываниювысокогоприоритетаотинтегрированного в микроконтроллер аппаратного таймера, генерирующегосистемные прерывания с фиксированной частотой. По прерыванию от данноготаймера происходит вызов программы измерения силового тока в обмоткахВИМ.Измерение силового тока в обмотках ВИМ реализовано на базе АЦП.Предпочтительно использовать интегрированное в микроконтроллер АЦП, так53как в этом случае уменьшится количество электронных компонентов,уменьшится количество связей между элементами, что приведет к увеличениюнадежности системы управления. Измерение тока следует проводить впрерывании, вызываемом системным таймером, из модуля регулятора тока.Модуль формирования ШИМ работает как релейный регулятор, сравниваетзначение текущего силового тока с заданным: если силовой ток выше заданного,то формируются сигналы отключения необходимых ключей коммутатора, еслисиловой ток ниже заданного, то формируются сигналы включения ключей.Вызов модуля формирования ШИМ происходит при завершении измерениисилового тока в обмотках ВИМ.Модуль включения фазных обмоток по текущему угловому положениюреализует включения необходимых ключей коммутатора для обеспеченияформирования в магнитной системе ВИМ силовых и измерительных потоков.Применительно к трехфазной ВИМ в данном модуле реализовано 6 комбинацийвключения силовых и измерительных ключей: 3 комбинации для обеспечениявращения ротора ВИМ в положительном направлении, 3 комбинации дляобеспечения вращения ротора ВИМ в отрицательном направлении.

Вприложениях представлены коммутационные диаграммы включения ключей.54Рис. 3.4. Функциональная схема распределения программно аппаратных средствмикроконтроллера.Нарисунке3.4.приведенафункциональнаясхемараспределенияпрограммно-аппаратных средств микроконтроллера. Данная схема составлена сучетом структуры ядра микроконтроллера PIC18F4321.Работает программно аппаратная часть микроконтроллера по следующемуалгоритму. На таймере 2 реализовано системное прерывание высокогоприоритета.Отличительнойособенностьюданноготаймераявляетсявозможность осуществить прерывание и аппаратный сброс таймера не при егопереполнении, а при достижении таймером определенного значения, котороехранится в регистре PR2.

Это позволяет осуществить генерацию прерываний сфиксированным интервалом времени и исключить необходимость при каждомпрерывании выполнять перезагрузку таймера. Период, с которым таймергенерирует прерывания, можно рассчитать по формуле:Tsys =k пред.Т 2 ⋅ k пост.Т 2 ⋅ PR2Fosc 4(3.1)55где k пред.Т 2 - предделитель таймера 2, kпост.Т 2 - постделитель таймера 2, PR2 –загруженное в регистр PR2 однобайтное число, Fosc – тактовая частотамикроконтроллера.При тактовой частоте микроконтроллера 32 МГц, k пред.Т 2 = 2 , kпост.Т 2 = 1 , PR2=200 можно получить:Tsys =k пред.Т 2 ⋅ kпост.Т 2 ⋅ PR2Fosc 4=2 ⋅ 1 ⋅ 200= 50 ⋅ 10−6 с632 ⋅ 10 4(3.2)что соответствует частоте 20 кГцПо прерыванию от таймера 2, на высоком приоритете происходит вызовпрограммного модуля регулятора скорости вращения ротора, выполняетсярасчет выходного сигнала регулятора.По прерыванию от АЦП выполняется сравнение текущего силового тока сзаданным.