Ответы к ГосЭкзамену 220402 (Информатика) (1088974), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Особенности применения микропроцессоров и микроконтроллеров в системах управления роботов. Сравнительный анализ современных вычислительныхустройств, ориентированных на применение в системах управления роботов.Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологическойустановки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергиипотребляется электрическими двигателями.
Следовательно, эффективность энергосберегающих технологийв значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных,компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современнойтехники.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 и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийныхустройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами насистемы прямого цифрового управленияПод прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключем силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть),50но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программноаппаратной обработкой внутри микроконтроллера.
Таким образом, система прямого цифрового управленияориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно 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 надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в начале следующего века доляприводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов.Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80%) нерегулируемые.
В связи срезким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е. электронно-коммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим.
Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только приприменении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовойэлектроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области.
Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случаепоявляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводамипостоянного тока.Для большинства массовых применений приводов (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессорыи т.д.) требуется относительно небольшой диапазон регулирования скорости (до 1:10, 1:20) и относительно низкое быстродействие.
При этом целесообразно использовать классические структурыскалярного управления. Переход к широкодиапазонным (до 1:10000), быстродействующим приводам станков, роботов и транспортных средств, требует применения более сложных структур векторного управления. Доля таких приводов составляет сейчас около 5% от общего числа и постоянно растет.В последнее время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом. Отличительной особенностью этих решений является предельновысокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейныхрегуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики (фаззи-логики). Системыпрямого 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 рынок новые микроконтроллеры для управления двигателями (из серии Motor Control) на базе процессоров для обработки сигналов DSP-микроконтроллеры. Они не только обеспечивают требуемуюпроизводительность центрального процессора (более 20 млн.оп./сек.), но и содержат ряд встроенных периферийных устройств, предназначенных для оптимального сопряжения контроллера с инверторами и датчиками обратных связей. Среди встроенной периферии особое место занимают51универсальные генераторы периодических сигналов, обеспечивающие самые современные алгоритмы управления инверторами, в частности, алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции.Рост вычислительных возможностей встроенных систем управления приводами сопровождаетсярасширением их функций.
Кроме прямого цифрового управления силовым преобразователем реализуются дополнительные функции поддержки интерфейса с пользователем (через пульт оперативного управления), а также управления технологическим процессом.Рис. 2 Распределенные системы управления приводамиПерспективные системы управления электроприводами разрабатываются с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу нескольких приводов в составе промышленной сети.
Управление сетью берет на себя промконтроллер или управляющая ЭВМ рис. 2. Наиболее перспективные типы интерфейсов: RS-485 и CAN. CAN-интерфейспостепенно становится стандартом для распределенных систем управления на электрическомтранспорте, 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 датчиковмеханических 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 массовом производстве изделий с объемом выпуска не менее 10000 штук в год, оказывается возможным и экономически целесообразным создание мощных, однокристальных систем управления приводами на базеDSP-микроконтроллеров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
