Микропроцессорное управление приводом постоянного тока.

На рис.40 приведена известная трехконтурная система подчиненного управления двигателем постоянного тока с тиристорным выпрямителем. Выходной сигнал регулятора скорости служит заданием для контура тока, а выходной сигнал регулятора тока — заданием для внутреннего контура напряжения. Логика переключения обеспечивает выбор группы вентилей и работу привода в четырех квадратах.

Данная система является аналоговой. В системах этого класса не могут быть решены с должностным качеством следующие проблемы:

в части статистических характеристик – точность регулирования и подверженность цепей обратных связей различным влиянием при изменении температуры, старания, параметров питающего напряжения;

в части динамических характеристик – компенсация нелинейности с помощью внутреннего контура регулирования напряжения обычно не достаточна, поэтому быстродействие изменяется в зависимости от тока нагрузки, а время реверсирования тиристорного преобразователя при переключении зависит от условия работы; другая проблема состоит в том, что искажение опорного сигнала формирователя импульсов синхронизированного с напряжением сети, может вызвать сбой в работе тиристоров преобразователя;

в части защиты и диагностики – при работе аналоговых устройств трудно сравнивать и контролировать задающие сигналы, сигналы обработки связей и рассчитывать сигналы до и после операции, а также выявлять причину аварии.

Перечисленные проблемы решаются при переходе к цифровой системе с микропроцессорным управлением

Рис.40. Аналоговая схема электропривода

Цифровое управление может обеспечить функции привода лучше чем в аналоговой системе, если информация будет обрабатываться достаточно быстро. Эмпирически принято, что граница допустимой асимметрии угла отпирания вентилей должна быть в пределах ±0,75º,так что интервал для обработки данных составляет 50 мкс. Обработка данных для формирования отпирающего импульса должна быть выполнена за часть этого интервала, так как требуется также обработка данных для регулирования тока, для линеаризации нелинейных характеристик тиристорного преобразователя и регулирования скорости.

Структура цифровой системы регулирования привода показана на рис 41.Для управления приводом служат следующие программы. Головная программа совершает генерацию задания на скорости, обеспечивает режим пуска и останова, служит для защиты аварийного управления двигателем и преобразователем. Эта программа вызвана постоянно, пока не затребована обработка прерывания. Остальные программы управляет контурами регулирования скорости и тока, а также генерируют импульсы на отпирания тиристоров. Они начинают действовать по сигналам прерывания.

Рис. 41. Микропроцессорная система электропривода.

Регулятор скорости выполнят расчеты выходного сигнала регулятора скорости, используя задание на скорость и сигнал обработкой связи по скорости.

Регулятор тока вычисляет сигнал управления для контура тока, используя задания на ток и разработанной связи по току. В точках перехода из двигательного режима в генераторный и обратно он производит контроль перехода и расчет сигнала регулирования тока при реверсе. Это же программа производит компенсацию нелинейности тока, и арккосинусоидальное преобразование результирующего сигнала.

Две программы реализуют формирование и фазосмещение. Первая из них (рис.42) генерирует опорную фазу угла управления (α = 0).

Рис. 42 Алгоритм генерации опорной фазы

Сигнал прерывания на запуск этой программы появляется, когда опорная синусоида, синхронизированная с напряжением источника питания, переходит через нулевой уровень. Момент времени, когда появляется сигнал прерывания, становиться опорной фазой. Для трехфазного преобразователя в каждом периоде питающего напряжения появляется шесть сигналов управления. Эта программа также контролирует фазу сети, от которой произошло данное прерывание и устанавливает флаг, соответствующей включенной фазе.

Вторая программа (рис.43)совершает расчеты для формирования и фазосмещения отпирающего импульса для фазы с флагом.

Рис. 43 Алгоритм генерации импульса управления

Импульс на включение тиристора генерируется. Когда данные счета, накапливаемые внутренним счетчиком фазы, станут равными заданию (уставке) фазного угла. В этот момент внутренний счетчик очищается и флаг сбрасывается. Этот не выполняется для фаз без флагов.

Формирование и фазосмещение управляющих импульсов выполняются, таким образом, программно. Для повышения скорости действия процессора используется прерывается на микропрограммном уровне.

При использовании процессора для непосредственного управления один и тот же вид обработки может появиться в программе неоднократно. В обычной компьютерной техники такая обработка производится с использованием подпрограмм. Для контура тока такой подход неприемлем из-за недостаточного быстродействия в динамике. Поэтому разрабатывается смешанные машинные инструкции.

Функции управления включают контроль нуля, насыщение, корень квадратный и тригонометрические функции. Сложные функции задаются в виде таблицы.

В числовых расчетах для контуров управления с высоким коэффициентом усиления часто случается переполнение. Чтобы избежать этого, арифметические расчеты производятся с функциями с насыщением.

Рис. 44. Алгоритм работы вычислительной системы

На рис. 44 изображена диаграмма работы вычислительной системы управления. В момент совпадение числа в счетчике таймера М_С с числом, записанным в буфере М _т, импульс управления подается на тиристор и одновременно начинается выполнение программы. В процессе выполнения программы происходит обращение к АЦП, ожидание результата преобразования аналоговой величины обратной связи U_o.c. в цифровую форму, считывание результата, расчет нового числа для таймера и засылка его в буфер таймера. Далее процесс повторяется.

В зависимости от программы опрос АЦП и засылка числа в буфер таймера могут производится несколько раз на одном интервале между импульсами управление. Вместо интервала ожидания могут производится другие вычисления, связанные управлением.

Разрядность таймера определяется необходимой точностью отсчета временных интервалов и не связан непосредственно с разрядностью микроЭВМ.

Функциональная схема таймера приведена на рис. 45.Таймер состоит из тактового генератора ТГ, буферного регистра БР, счетчика Сч, схемы управления входом Вх, схемы управления выходом Вых. Тактовый генератор вырабатывает частоту, определяемую принятой дискретностью управления. Буферный регистр хранит число М _т, полученное от процессора, которое необходимо отсчитать для получения соответствующего времени. Схема управления входом служит для передачи информации от ЭВМ в буферный регистр. Счетчик считает от нуля вверх. Схема сравнения непрерывно сопоставляет содержимое счетчика и буферного регистра. Сброс счетчика производится схемой управления выходом.

Рис. 45 Функциональная схема таймера

В момент, когда содержимое счетчика М _с станет равным или больше числа в буферном регистре М _т независимо от того, произошло ли это от изменения числа в счетчике или в буфере, схема сравнения дает сигнал, который запоминается в схеме управления выходом, обнуляет счетчик и формирует сигнал, идущий на распределитель. Если для очередной вентильной ветви еще не наступил разрешенный интервал подачи импульса управления, то в таком состоянии таймер остается до тех пор, пока распределитель не пропустит импульс на тиристор. Одновременно с каждым выходным импульсом распределитель подает сигнал на таймер. По фронту сигнала от распределителя снимается выходной сигнал таймера, а по спаду сигнала от распределителя снимается выходной сигнал таймера, а по спаду сигнала от распределителя вновь разрешается счет. Если к концу разрешенного интервала на распределитель не поступил импульс от таймера, например, при большом числе в буфере, распределитель сам формирует импульс в конце диапазона, т.е. при установленном α_max. При поступлении такого сигнала на таймер счетчик обнуляется, а по спаду сигнала начинается отсчет следующего интервала между импульсами.

Емкость счетчика таймера определяется необходимым диапазоном изменения интервала между импульсами. Емкость счетчика таймера определяется необходимым диапазоном изменения интервалом между импульсами и максимально допустимой дискретностью регулирования этого интервала.

Если исходить из требования, что за один интервал между соседними импульсами необходимо перейти от α=0⁰ для предыдущего импульса к α=180⁰ для последующего импульса, то максимальная длина интервала составит 240⁰.

Дискретность регулирования интервала между импульсами, определяемая работой преобразователя в статике, может быть принята, например, равной 1⁰. Тогда один бит счетчика соответствует 1⁰, а минимально необходимая емкость счетчика составит 240 бит.

Схема сравнения выполняется на ПЗУ.

Пусть алгоритм регулирования напряжения преобразователя основан на интегральном законе. Тогда угол управления

,

где – коэффициент передачи таймера; – напряжение задания; – напряжение обратной связи.

Схема алгоритма управления приведена на рис. 46.Синхронизация вычислений, необходимая для однозначности замеров выходного напряжения, реализуется путем ввода в алгоритм цикла ожидания. Выполнение очередного цикла регулирования напряжение начинается только после прихода очередного импульса на соответствующий вход порта микроЭВМ.

Заданное значение напряжения выражается в виде числа M _з, напряжение обратной связи U _ос преобразуется в АЦП в число М _н.

Ошибка по напряжению .

Рис. 46. Алгоритм управления

Для сохранения последовательности вычислений регулирующего воздействия неизменной при управлении группами «вперед» и «назад» необходимо при включении группы «назад» вычислить .

Если в микропроцессоре числа представляются как целые положительные в диапазоне от 00₁₆до FF₁₆, то при вычислении результатвычитания в аккумуляторе М _н будет представлен в виде, показанном на рис. 47.

Программным путем преобразуется в функцию F (рис. 48), не имеющую разрывов и дополненную участками ограничения.

Функция F преобразуется в число, записываемое в буфер таймера в каждом интервале между импульсами управления после окончания вычислений. Таким образом, ЭВМ не вносит дополнительной задержки при регулировании.

Рис. 47. Зависимость .

Рис. 48. Функция ограничения

Если в процессе регулирования возникает ситуация, когда , проверяется величина тока нагрузки преобразователя I_d. Если , где I_о-ток достаточно малый для переключения групп, начинается выполнение алгоритма реверса. Угол α устанавливается в α_max заcылкой в таймер максимального значения М _т и начинается первая выдержка времени для форсированного гашения тока в инверторном режиме. Затем снимаются импульсы с работавшей группы, начинается вторая выдержка времени, и по ее окончании подаются импульсы управления на включаемую группу. При этом первый импульс подается с углом α_max, а следующие в соответствии с алгоритмом управления.