Лекция 11.

Применение микропроцессоров в приводах мехатронных систем. Примеры МП приводов современных систем.

Пример МК-системы на основе ОМЭВМ   семейства МК51.

В данном разделе рассматривается пример  построения  МК-системы на  основе  ОМЭВМ  МК51,  который  может  быть   использован   для приобретения навыков программирования и отладки программ для МК51, а  также  рассматриваться  в  качестве  макета  реальной   системы управления для отладки ее прикладного  программного  обеспечивания совместно с объектом управления в реальном масштабе времени. 

Проектируемый  отладочный  модуль  должен  содержать  следующие средства: 

- постоянную память с программой Монитор, обеспечивающей управление всей системой и прежде всего взаимодействие с оператором; 

- оперативную память для занесения программ,  данных  и  создания буферов Монитора; 

- простейшую клавиатуру для загрузки  кодов  и  взаимодействия  с оператором: 16 цифровых клавиш (цифры от 0 до  F),  8  управляющих клавиш, в том числе и клавиша "сброс" - системного сброса; 

- простой дисплей, обычно однострочный (на основе  семисегментных индикаторов),  который  используется  для   визуального   контроля вводимой информации и отображения данных; 

- расширитель ввода-вывода на основе ППА КР580ВВ55. 

Кроме того, отладочный модуль может иметь собственный  источник  электропитания и (в некоторых  случаях)  дополнительное  место  на печатной плате ("слот”) для монтажа пользовательских средств связи с объектом управления. Функциональная  схема отладочного   модуля, удовлетворяющего поставленным требованиям, приведена на рис.15. Как видно из приведенной схемы, память МКС имеет две физически- разделенные области для хранения данных и  программ:  ВПД  и  ВПП.

Рекомендуемые материалы

Рис.15. Функциональная  схема отладочного   модуля

Обращение к ним стробируется сигналами RD, WR и РSЕN, соответственно. Программа  Монитор  расположена  в  ВПП.  Адресное пространство ВПД включает  в  себя  следующие  области:  буферную область  Монитора;  память   данных;   область,   отведенную   для подключения интерфейсных БИС (ППА, ККД). 

Контроллер  клавиатуры - дисплея  (ККД)  закрывает   адресные пространства  ВПД  размером  в  4  ячейки.  Выбор  кристалла   ККД осуществляется  дешифратором  ДС,  при  установке  соответствующих адресов (указанных 4-х ячеек). 

Обмен данными МК  с  ККД  осуществляется  через  порт  Р0.  Для синхронизации работы ККД используется сигнал с выхода  АLЕ.  Выход сигнала  прерывания  из  ККД  (IRQ)  соединен  со  входом  запроса прерываний МК. Это позволяет достаточно просто  обнаруживать  факт нажатия  клавиш,  а  также   выполнять   переход   из   программы пользователя в Монитор по прерыванию от клавиатуры. 

Для управления внешним объектом от МК используется порт Р1 и оставшиеся не задействованными 5 линий порта Р3.  Для  сопряжения  МК   с   объектом,   имеющим   большое   число входов/выходов, можно расширить резидентную систему  ввода/вывода, подключив  к  МК  необходимое  количество  внешних  портов.  Такое расширение может быть выполнено двумя способами: с использованием стандартного расширителя ввода/вывода (КР580ВР43) или  интерфейсных БИС (КР580ВВ55, КР580ВВ51). На приведенной схеме показан вариант расширения ввода/вывода с использованием параллельного периферийного адаптера (ППА) КР580ВВ55. Порты адаптера  адресуются как ячейки ВПД, при этом младшие  разряды  (А0,  А1)  шины  адреса используются для  выбора  порта,  а  старшие  (А10 ¸ А3)  с  помощью дешифратора DС формируют сигнал выбора микросхемы ППА.

Ввод/вывод данных стробируется сигналами WR/RD - записи/чтения ВПД. Системный сброс МКС осуществляется нажатием на клавишу "сброс".

Унифицированная структура силовой части статических преобразователей частоты для широкого класса приводов переменного тока.

Современный этап технической революции характеризуется бурным раз­витием не только управляющей, но и силовой электроники. успехи кото­рой позволяют по новому взглянуть на ряд проблем, которые раньше не решались либо ввиду непомерной стоимости проекта либо сложности его реализации на имеющейся элементной базе.

Известно, что в большинстве промышленно развитых стран около 70-80% всей вырабатываемой электроэнергии используется для преобразования в механическую работу с помощью различных электродвигателей. При этом до последнего времени наиболее массовым типом электропривода был нере­гулируемый привод с асинхронными короткозамкнутыми двигателями. Это объясняется простотой двигателя и возможностью его непосредственного подключения к трехфазной сети переменного тока с помощью так называе­мых пускателей - простейшей коммутационной и защитной аппаратуры.

Применение нерегулируемых электроприводов сопровождается значитель­ными непроизводительными затратами электроэнергии и в условиях резкого подорожания энергоносителей и, соответственно, электроэнергии, экономичес­ки невыгодно. Поэтому, доля регулируемых электроприводов, в том числе час­тотно-регулируемых электроприводов переменного тока постоянно растет. При этом в ряде стран приняты специальные государственные программы ускорен­ного развития энерго- и ресурсосберегающих технологий на базе экономично­го регулируемого электропривода с широкими интерфейсными возможностя­ми, дозволяющими одновременно с экономией электроэнергии решать и задачи комплексной автоматизации производства в целях оптимизации параметров тех­нологических процессов и улучшения качества выпускаемой продукции.

Увеличение стоимости энергоносителей привело к еще одной проблеме - удорожанию цветных металлов и к увеличению стоим ости электрических машин традиционных конструкций. Эта проблема способствовала быстро­му прогрессу электрических машин новых типов с малыми затратами меди и алюминия («малообмоточных»): реактивных и индукторных, которые к тому же более технологичны, так как имеют не распределенные, а более простые в изготовлении сосредоточенные обмотки.

В отличие от асинхронных двигателей эти двигатели не могут работать непосредственно от сети переменного тока и требуют питания от инвертора напряжения или тока с регулируемой выходной частотой. Особенно эффек­тивна работа таких машин в режиме автокоммутации, когда переключение фаз выполняется по сигналам установленного на вал двигателя (встроенно­го) датчика положения. Такой двигатель называется вентильным или бес­контактным двигателем постоянного тока и допускает управление по двум каналам: каналу напряжения на якоре и каналу угла коммутации. По про­гнозам специалистов вентильные двигатели в начале следующего века вы­теснят с рынка как традиционные коллекторные двигатели постоянного тока, так и асинхронные двигатели.

Большинство современных систем привода переменного тока со ста­тическими преобразователями частоты строится по хорошо известной клас­сической схеме: «Неуправляемый выпрямитель - Звено постоянного тока - Ав­тономный инвертор напряжения с ШИМ-модуляцией - Двигатель» (рис.16). Для трехфазных двигателей (асинхронных, синхронных, вентильных или вентильных индукторных) инвертор напряжения выполняется по стандар­тной 6-и ключевой схеме. Для двигателей с другим числом фаз, например, для четырехфазных индукторных двигателей инвертор строится на базе по­лумостовых или мостовых схем.

Рис. 16. Типовая структура привода переменного тока

Силовой преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя UZ, подключаемого к однофазной или трехфазной сети переменного тока и ав­тономного инвертора напряжения, работающего, как правило, в режиме синусоидальной широтно-импульсной модуляции. К выходу инвертора подключен двигатель М (асинхронный или вентильный постоянного тока). В последнем случае на вал двигателя дополнительно устанавливается дат­чик положения BS.

Инвертор может быть построен с использованием биполярных транзис­торов с изолированным затвором IGBT. В широком диапазоне токов и на­пряжений рядом фирм выпускаются как отдельные силовые транзисторы, так и стойки, моду; и и даже интеллектуальные модули, имеющие встроен­ные драйверы и элементы защиты, а также интерфейсы, допускающие не­посредственное подключение микропроцессорных систем управления. Имеются также и другие необходимые для построения привода компонен­ты: электролитические конденсаторы на высокие напряжения и токи, ди­одные модули для построения выпрямителей и т.д.

Мощная, встроенная в преобразователь микропроцессорная система управления должна выполнять функции не только прямого цифрового уп­равления инвертором напряжения, но и всеми дополнительными элемен­тами преобразователя, а именно:

• Цепью возбуждения для синхронных и вентильных двигателей с независимым контуром возбуждения (который физически может располагаться как на роторе, так и на статоре).

• Цепью зашиты преобразователя от перенапряжений при рекуперации энергии (путем  управляемого «слива» энергии в дополнительный балластный резистор) для приводов с активной нагрузкой на валу или приводов с высокими требованиями по динамике переходных процессов.

• Цепью заряда батареи конденсаторов в контуре постоянного тока при включении преобразователя в работу.

• Цепью питания электромагнитного тормоза (если он необходим).

Кроме того, встроенная система микропроцессорного управления дол­жна напрямую обрабатывать сигналы ряда датчиков обратных связей, сре­ди которых типовыми являются датчики напряжения и тока в цепи посто­янного тока, тока возбуждения двигателя, температуры двигателя и (или) преобразователя, а также датчики положения ротора различных типов (на базе чувствительных элементов Холла, оптических импульсных датчиков положения и т.д.), необходимые для выполнения функций автокоммутации в приводах с вентильными двигателями. Датчики положения или скорости, например, импульсные, могут потребоваться также в приводах с асинхрон­ными двигателями целях более точной компенсации скольжения в функ­ции нагрузки для расширения диапазона регулирования. Таким образом, встроенная микропроцессорная система управления должна иметь развитый интерфейс как с источниками аналоговых сигналов, так и с источника­ми импульсных сигналов.

Отметим, что современная встроенная система управления преобразо­вателем частоты не будет конкурентоспособной без интерфейса с система­ми более высокого уровня управления (последовательного интерфейса RS-232 или 485), а также интерфейса с пультом оперативного управления, предназначенным для организации интерактивного взаимодействия с опе­ратором для настройки параметров преобразователя, выбора нужного ре­жима работы, наблюдения за координатами привода и технологическими переменными и tj.

Сотни различных фирм, среди них такие известные как ABB, Siemens, Alien Bradley, Dan bss и др., выпускают преобразователи частоты и комп­лектные электропривода на их основе в диапазоне мощностей от 100 ВА до 100 кВА, работающие с высоким коэффициентом полезного действия до 96% и коэффициентом мощности до 0.9.

Серьезный научный потенциал, накопленный в России в области тео­рии автоматического управления и теории электропривода, теории синх­ронных, шаговых и вентильных двигателей, вместе с доступностью совре­менных микроэлектронных компонент (как силовых, так и управляющих), позволяет быстро выполнять необходимые разработки и запускать в произ­водство отечественные серии преобразователей, основные технические характеристики которых соответствуют мировому уровню.

Приведем результаты проектирования универсального микропроцессор­ного контроллера для систем встроенного управления широкой гаммой приводов переменного тока со статическими преобразователями частоты, а также стабилизированными источниками питания.

Универсальный контроллер для встроенных применений

На рис. 17. показана блок-схема системы управления для использования в частотно-регулируемых электроприводах с асинхронны­ми, синхронными, вентильными и шаговыми двигателями, а также в систе­мах вторичного стабилизированного питания. Диапазон применений сис­темы управления широк: от приводов насосов-дозаторов жидких сред до двухпроцессорных систем векторного управления приводами стержней ядерных реакторов.

 При проектировании система управления была принята концепция со­вмещения функций прямого цифрового управления элементами преобра­зователя частоты и технологическими переменными, значение которых из­меняется при регулировании скорости привода. Таким образом, в систему непосредственного управления встроены функции промышленного про­граммируемого контроллера средней производительности, реализующего заданный алгоритм управления технологическим процессом (ПИД-регулятор). Такой подход позволяет отказаться от дополнительных устройств, со­здавая своеобразные узлы автоматизации, способные самостоятельно уп­равлять как двигателями, так и технологическими переменными (давлением, расходом, подачей и т.д.).

Концепция интеллектуальных распределенных систем управления с каждым годом завоевывает все больше сторонников. Это связано с общей тенденцией переноса все больших вычислительных ресурсов непосредственно к месту, где установлено исполнительное устройство и соответствующий рабочий орган.

В состав системы управления входят следующие изделия.

• Одноплатный универсальный контроллер (в формате Е2).

• Пульт оперативного управления с двухстрочным жидкокристаллическим дисплеем и клавиатуре ft 4х4, выпускаемый как в виде встраиваемого изделия, так и виде автономного изделия, подключаемого к контроллеру плоским кабелем.

• Интерфейсная плата релейного ввода/вывода дискретных сигналов «сухим» контактом (8 входов и 8 выходов).

• Интерфейсная плата ввода/вывода импульсных сигналов, обеспечива­ющая сопряжение с 2-,3 -, 4-, 6-фазными датчиками положения, а также ввод реперных сигналов идентификации начальной позиции. Для работы контроллера необходим внешний источник питания 5 В (1А). Встроенная схема мониторинга питания обеспечивает постоянный конт­роль уровня внешнего питания и формирование запроса на прерывание процессора при раннем обнаружении падения напряжения ниже допусти­мого уровня.

В качестве центрального процессора выбран один из самых современ­ных и высокопроизводительных 16-разрядных микроконтроллеров для уп­равления двигателями Inte 18хС196МН, обеспечивающий функции прямо­го цифрового управления инверторами напряжения в режиме центрированной синусоидальной ШИМ-модуляции на частотах несущей до 20 кГц с возможностями программного регулирования «мертвого времени» для защиты инвертора от сквозного тока в диапазоне от 0 до 125 мкс.

Все выходы ШИМ-генератора могут дополнительно буферироваться преобразователями уровня  TTL-MOS (опция), что позволяет применять в силовой части привода драйверы различных фирм, в том числе с изолиро­ванными источниками питания ключей. Допускается подключение внешних источников питания для преобразователей уровня с диапазоном напряже­ний от 5 до 24 В. Предусмотрены программно-аппаратные средства безо­пасной инициализации при подаче напряжения питания на контроллер или при сбросе системы, исключающие случайное формирование отпирающих управляющих сигналов на драйверы силовых ключей в течение переходных процессов в цепях питания.

Рис. 17. Блок-схема универсального контроллера

Программное обеспечение располагается либо во внутренней памяти микроконтроллера 87С196МН (при поставке базового комплекта программ­ного обеспечения), либо но внешней памяти объемом от 8 до 32 Кбайт. В последнем случае исполняется микроконтроллер 80С196МН без встроен­ного ПЗУ. Это позволяет оперативно модифицировать программное обес­печение в соответствии с требованиями заказчика и выполнять привязку системы управления к особенностям технологического процесса, напри­мер, изменять структуру регуляторов технологических переменных, вводить новые алгоритмы адаптивного управления и т.д.

Имеется также встроенная защита программного обеспечения от несан­кционированного доступа.

Модуль памяти комплектуется различными типами внешней оператив­ной памяти:

• Статическим ОЗУ объемом от 8 до 32 Кбайт.

• Энергонезависимым ОЗУ объемом от 8 до 32 Кбайт с гарантированных сроком хранения данных до 10 лет.

Статическое ОЗУ используется исключительно для временного хра­нения промежуточных результатов, а также для ведения оперативного протокола с целью наблюдения за текущими значениями регулируемых пере­менных в приводе (мощность, ток и т.д.), а также за параметрами технологического процесса (давление в магистрали, расход, концентрация и т.д.).

Энергонезависимой ОЗУ используется для хранения параметров приво­да, преобразователя, Заводских уставок, а также заданных циклограмм уп­равления технологическими переменными в функции времени (часовые, суточные, недельные, месячные, годовые циклы). Для реализации про­граммного управления координатами привода или технологическими пе­ременными в состав контроллера включены часы реального времени.

Контроллер имеет Унифицированный интерфейс с различными источни­ками аналоговых сигналов в большинстве промышленных стандартов: 0-5В, 0-10В, +/-5В,+/-10В,4-20мА,0-5мА, внешний резистор 10 кОм и обеспечи­вает подключение в общей сложности до 8 таких сигналов (5 из них внутрен­ние - датчики тока, напряжения и т.д., 3 внешние, — задание скорости, обрат­ная связь по скорости, Задание технологической переменной, обратная связь по технологической переменной, возмущающее воздействие). Точность АЦП составит 10 разрядов, время одного преобразования 10 мкс, максимальная абсолютная погрешность не более +/-3 единиц младшего разряда.

Модуль ввода аналоговых сигналов имеет встроенный высокостабильный источник опорного напряжения, а также наборное поле, позволяющее выбрать нужный тип входа. Функциональное назначение каждого из ана­логовых входов программно настраивается в процессе конфигурирования системы управления.

Модуль вывода аналоговых сигналов позволяет выводить во вне до 8 ана­логовых сигналов с разрешением 1/256 в диапазоне 0-5 В или -5,+5 В. Этот модуль может быть использован для управления шаговыми двигателями в режиме электрического дробления шага (до 4-х осей одновременно от од­ного контроллера) или для индикации скорости привода или текущих зна­чений технологических переменных на стрелочных или других аналоговых индикаторах.

Для сопряжения с системами верхнего уровня предусмотрены два ин­терфейса RS-232 и RS-485. Первый обеспечивает подключение к преобра­зователю любого компьютера или промконтроллера, в том числе «на ходу».

        Эта возможность позволяет выполнить настройку преобразователя или ди­агностику оборудования с использованием портативных компьютеров в качестве переносных пультов оперативного управления. Второй позволяет подключить к одному каналу связи до 32-х преобразователей частоты и орга­низовать не только управление преобразователями в реальном времени от системы верхнего уровня, но и сбор информации о состоянии привода и локально-контролируемого технологического оборудования.

Последовательные каналы связи дополнительно могут использоваться для подключения удаленных датчиков технологических переменных: тем­пературы, уровня жидкости и т.д.

Контроллер имеет мощную встроенную систему ввода/вывода дискрет­ных сигналов. что позволяет подключать кнопочные станции, командо-аппараты, датчики состояния технологического оборудования и т.д., а также выводить управляющие воздействия дискретного типа и информационные сигналы о состоянии привода.

Входные дискретные сигналы могут быть трех типов: ТТЛ-уровня, 15В и 24 В. Для входных сигналов напряжением 15 В предусмотрена дополнитель­ная защита от помех триггерами Шмитта. Дискретные входы 24 В имеют встроенную гальваническую развязку. Выходные дискретные сигналы могут быть нескольких типов: ТТЛ, с регулируемым выходным напряжением в ди­апазоне от 5 до 24 В за счет подсоединения внешнего источника питания.

Если по условиям эксплуатации необходимо использовать релейные вхо­ды или выходы, те к контроллеру подключается дополнительная интерфей­сная плата на 8 входов, 8 выходов.

Система прерываний микроконтроллера 8хС196МН расширена с помо­щью дополнительной БИС контроллера прерываний, что позволяет вво­дить по прерываниям ряд дискретных сигналов с датчиков, например, теп­лового перегрева инвертора, двигателя и т.д.

Возможности системы управления позволяют вводить (и выводить) так­же импульсные сигналы, например с импульсных датчиков положения, причем с автоматической идентификацией процессором скорости двигате­ля в широком диапазоне (вплоть до 10000 об/мин.). Измерение скорости производится с aвтоматическим программным переключением диапазонов с целью получения максимальной точности в каждом диапазоне. Это по­зволяет применять частотно-регулируемые асинхронные привода в точных замкнутых системах управления. Имеется также ряд дополнительных воз­можностей по организации синхронной работы нескольких приводов, по организации управления группой шаговых двигателей (до четырех осей) с автоматическим контролем выпадения двигателей из синхронизма.

Набор программного обеспечения зависит от типа привода. Комплект программного обеспечения для асинхронного привода реализует функции авто­матического регулирования выходного напряжения в функции текущей выходной частоты, задатчика интенсивности, блока ограничения резонансных частот, выбора заданного типа торможения, технологического регулятора и т.д. Разумеется реализованы и функции защиты двигателя и преобразователя: максимально-токовая, время-токовая, от сквозных токов, от обрыва и перекоса фаз, от недопустимого отклонения напряжения сети и другие.

В состав программного обеспечения входят драйверы дисплея и клавиа­туры пульта оперативного управления, драйверы последовательных каналов связи, программе -монитор и другое системное программное обеспечение.

Выводы

• Рассматриваемая в качестве примера версия системы управления преобразователями частоты открывает богатейшие возможности по автоматизированной настройке параметров преобразователя в процессе пуско-наладочных работ, по автоматической адаптации режима работы привода к условиям эксплуатации, по решению различных задач оптимального управления. Она сочетает в себе возможности качествен­ного прямого цифрового управления инвертором с возможностями управления те отологическими переменными.

"1 часть" - тут тоже много полезного для Вас.

• Пользователь вместе с преобразователем получает и встроенный промконтроллер средней производительности, приобретая возможность создавать узлы локальной автоматизации, которые затем, при необхо­димости, можно легко подключить по каналу связи к системе управления более высокого уровня, с целью как удалённого управления, так и наблюдения за регулируемыми переменными и состоянием привода.

•  Унифицированные интерфейсы позволяют использовать одну и ту же систему управление для приводов различных типов: постоянного тока, синхронных, шаговых, асинхронных и вентильных.

• Управляющие воздействия можно вводить через аналоговые входы, дискретные входы; или по одному из каналов последовательной связи. Гибкая система настройки конфигурации системы управления позволяет выполнять программную перенастройку функционального назначения входов системы управления оптимальным образом.

• Русифицированный  дисплей пульта оперативного управления позволяет создавать дружественное программное обеспечение с интуитивно понятной мнемоникой. Возможно конфигурирование системы управле­ния, настройка и местное управление с использованием портативного компьютера, подключенного к системе по последовательному каналу связи.

• При переходе к массовому производству изделий с встроенными системами управления аппаратная часть унифицированного контроллера может быть легко минимизирована в соответствии с требованиями конкретной задачи.

• Использование перспективных систем встроенного управления преобразователями частоты насосов холодного и горячего водоснаб­жения жилых и промышленных зданий позволяет экономить до 50% электроэнергии и до 15% воды. При этом срок окупаемости преобра­зователя не превышает одного года. В условиях начавшейся в России коммунальной реформы, актуальность работ в этом направлении не вызывает сомнений.