Дипломная (вкр): Микропроцессорное устройство управления скоростью и нагружением обкаточного испытательного стенда

·        измерение пройденного шинами пути;

Система управления и измерения выполняет:

·      вывод на экран монитора заданных параметров испытаний;

·        организацию протокола испытаний и его распечатку;

·        сохранение результатов испытаний;

Управление двигателем, вращающим барабан, обеспечивает частотный регулятор и пускорегулирующая аппаратура, расположенные в шкафу управления, а для управления нагружением шины и измерения ее характеристик служат управляющий компьютер и измерительно-регулирующая аппаратура, размещенные в пульте управления. Система управления стендом структурно состоит из четырех основных частей: системы управления беговым барабаном, двух попарно идентичных систем управления нагружением шин и фиксацией траверс нагружающих устройств стенда и двухканальной системы измерения динамических характеристик испытываемых шин. Все эти системы управления построены с использованием асинхронного частотно-управляемого привода.

Система управления беговым барабаном предназначена для автоматического управления приводом двигателя, вращающего беговой барабан, путем изменения скорости его вращения и обеспечивает плавный пуск, останов и работу двигателя с заданной скоростью вращения.

Система управления нагружением шины представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, обеспечивающую приложенную к шинам нагрузки.

Система управления фиксацией траверс обеспечивает надежную фиксацию траверс нагружающих устройств на колоннах в процессе испытания шин.

Двухканальная система измерения осуществляет измерение действующих на шины нагрузок, пройденного ими пути и динамических радиусов шин.

1.3 Микропроцессорное управление устройствами силовой электроники

.3.1 Современное состояние и перспективы развития

С момента появления первого микропроцессора в 1971г. бурно развивается область цифровой управляющей электроники, относящаяся к встраиваемым микропроцессорным системам управления реального времени.

Основные направления развития встроенной периферии для управления двигателями на современном этапе следующие:

Переход от обычных счетчиков к наборам универсальных счетчиков/таймеров со встроенными каналами сравнения/захвата и далее к многоканальным процессорам событий. Прецизионное формирование многоканальных последовательностей управляющих импульсов (в том числе для управления силовыми ключами в режиме ШИМ) - функция высокоскоростного вывода на частотах до 20-50 кГц. Прецизионная временная обработка входных многоканальных последовательностей импульсов для сопряжения с широким классом датчиков обратных связей (импульсных, индуктивных, на элементах Холла и т.д.) - функция высокоскоростного ввода на частотах до 100 кГц и выше;

создание специализированных периферийных устройств типа «квадратурных декодеров» для обработки сигналов наиболее распространенных датчиков обратных связей (в частности, оптических датчиков положения) - функция идентификации положения и скорости;

          создание унифицированных многоканальных ШИМ-генераторов со встроенными возможностями прямого цифрового управления ключами инверторов, активных выпрямителей и преобразователей постоянного напряжения в постоянное в режимах фронтовой, центрированной и векторной ШИМ-модуляции - функция прямого управления силовыми ключами.

интеграция процессора событий и многоканального ШИМ-генератара в одном универсальном устройстве - менеджере событий;

создание микроконтроллеров со сдвоенными менеджерами событий для прямого цифрового управления приводами по системе: «Активный выпрямитель-Инвертор-Двигатель» и «Преобразователь постоянного напряжения в постоянное - Инвертор - Двигатель», а также для управления двухдвигательными приводами.

          значительное повышение быстродействия аналого-цифровых преобразователей (время преобразования до 100 нс на канал), автосинхронизация процессов запуска АЦП с работой других периферийных устройств, в частности, ШИМ-генераторов, автоконвейеризация процессов преобразования в АЦП по нескольким каналам (до 16)

поддержка функций прямого токового управления и прямого управления моментом.

Переход к цифровым системам управления приводами на базе специализированных микроконтроллеров позволил обеспечить новый, недостижимый в налоговых системах, уровень показателей качества:

·       на порядок меньшие габариты и вес управляющей электроники;

·        резкое повышение надежности (фактическое время наработки на отказ достигает 100000 час и выше) и срока службы привода (до 10 лет и более);

·        быструю и качественную интеграцию привода в систему комплексной автоматизации производства с помощью унифицированных интерфейсов сопряжения с системами управления более высокого уровня и соответствующих средств программной поддержки (RS-232, RS-485, CAN);

·        местное и дистанционное управление;

·        интерактивный дружественный интерфейс с человеком-оператором на языке страны использования привода: отображение на встроенном дисплее информации о текущем состоянии привода и значениях наблюдаемых переменных; ввод команд оперативного управления со встроенной клавиатуры; настройка параметров привода и системы управления в процессе пуско-наладочных работ с сохранением значений в энергонезависимой памяти; интерактивная справочная система и система подсказок стратегии управления в реальном времени;

·        встроенный и удаленный (по сети) мониторинг состояния привода и раннее предупреждение аварийных ситуаций в технологическом оборудовании, возникающих вследствие срабатывания защит или идентификации отказов в приводе;

·        конфигурирование структуры системы управления самим пользователем в процессе запуска привода в эксплуатацию для адаптации к конкретной технологии или специфике применения привода; встроенное управление средствами привода сопутствующей дискретной автоматикой без использования дополнительных промышленных программируемых контроллеров и управляющих ЭВМ;

·        распределенное мультимикропроцессорное управление многоосевыми приводами роботов, манипуляторов, кабельных линий и т.п. с использованием локальных промышленных сетей, например, CAN, с широкими возможностями синхронизации, вплоть до систем электрического вала, распределенного позиционного и контурного управления;

·        унификацию встроенных средств управления приводами (контроллеров, модулей ввода-вывода, пультов оперативного управления) независимо от типа исполнительного двигателя, структуры силового канала, типов используемых датчиков обратных связей;

·        простую систему наращивания мощности комплектного электропривода за счет использования секционируемых исполнительных двигателей (например, вентильно-индукторных), каждая секция которых управляется от отдельного типового преобразователя с объединением систем управления всеми преобразователями в локальную промышленную сеть;

·        возможность использования самых современных структур и алгоритмов управления приводами, которые трудно, а порой и невозможно реализовать на аналоговой элементной базе: векторного управления двигателями переменного тока; прямого управления моментом; прямого частотно-токового управления; управления с элементами фаззи-логики; прямой программной реализации по графам переходов дискретных управляющих автоматов любой сложности и т.п.[6]

1.3.2 Основные алгоритмы цифрового автоматического управления

Среди алгоритмов управления силовыми устройствами наибольшее распространение получили алгоритмы на основе конечно-автоматных моделей, алгоритмы релейного управления, алгоритмы квазилинейного цифрового управления и алгоритмы на основе нечеткой логики.

Конечно-автоматные модели применяются для описания поведения системы в процессе ее функционирования. Работа энергетического процессора может быть задана описанием режимов (состояний) и определенных условий перехода из одного режима в другой, что может быть представлено конечно-автоматной моделью. Переход от конечно-автоматной модели к схеме алгоритма является формальным и помогает сократить количество ошибок проектирования. Наиболее простой моделью является модель автомата Мура, которая может быть реализована современными МК в виде главной программы, выполняющей переходы автомата, и подпрограммы обработки прерывания таймера синхронизации автомата, вычисляющей значения входных сигналов-условий переходов. Алгоритмизация процесса управления с помощью конечно-автоматных моделей предусматривает использование принципа иерархии - т.е. каждое состояние главного автомата представляется моделью автомата более низкого уровня - подавтомата и т.д.

Примером применения этого метода алгоритмизации является проект управления трехфазным электродвигателем фирмы Freescale Semiconductor, диаграмма состояний главного алгоритма которого представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Диаграмма состояний главного алгоритма управления 3-фазным электродвигателем

Наиболее общим случаем линейного автоматического управления является пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование. При цифровой реализации ПИД-регулятора вместо интеграла сигнала ошибки системы используется сумма выборок этого сигнала, а вместо дифференциала - разность выборок.

Фирма Microchip Technology рекомендует такой алгоритм для следящего управления коллекторным электродвигателем постоянного тока с использованием выходного сигнала ПИД-регулятора для управления ШИМ-генератором. Структурная схема такого регулятора приведена на рисунке 1.4. Оператор Z1 означает задержку на один временной интервал квантования. Значение выходной выборки yi для такого регулятора описывается следующей зависимостью от выборки входного сигнала ошибки ei:

                                                             (1.1)

где kP, ki и kd - коэффициенты соответственно пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выходной выборки.

Рисунок 1.4 - Структурная схема цифрового ПИД-регулятора

Серьезной альтернативой классическим алгоритмам цифрового управления являются алгоритмы замкнутого автоматического управления на основе нечеткой логики (fuzzy logic), позволяющие снизить сложность алгоритмов управления, сократить время проектирования и внедрения в производство. Особенно рекомендуется применение регуляторов на основе нечеткой логики для сложных процессов, где практически невозможно построить адекватную модель для нелинейных процессов высокого порядка. В этом плане устройства силовой электроники на базе ключевых, т.е. сугубо нелинейных элементов, являются весьма подходящим объектом управления для таких регуляторов, что подтверждается рекомендациями ведущих производителей МК и DSP-процессоров.

Компания Texas Instruments предлагает управлять скоростью вращения электродвигателя с использованием двух входных переменных: сигнала ошибки скорости ei и приращения сигнала ошибки . В соответствии с общими принципами построения регуляторов на основе нечеткой логики структурная схема регулятора скорости вращения может быть представлена в виде, показанном на рисунке 1.5(а). Регулятор содержит блок фаззификации, блок решений и блок дефаззификации. Блок фаззификации определяет степень принадлежности значений входных переменных ei и dei к нечетким множествам (лингвистическим переменным) в соответствии с функциями принадлежности, приведенными на рисунке 1.5(б). Каждое из этих нечетких множеств содержат пять значений: Н - нулевое, ПМ - положительное малое, ПС - положительное среднее, ОМ - отрицательное малое и ОС - отрицательное среднее. Блок решений преобразует нечеткие входные переменные в нечеткую выходную переменную в соответствии с нечеткими правилами. Блок дефаззификации преобразует нечеткую выходную переменную в выходное значение yi в соответствии с функцией принадлежности. Регулятор на основе нечеткой логики требует хранения в памяти системы базы знаний (в виде программного кода), содержащей информацию о лингвистических переменных и нечетких правилах.

Использование алгоритмов на основе нечеткой логики позволяет достигнуть высоких значений показателей качества регулирования для нелинейных объектов, что делает их весьма перспективными для управления устройствами силовой электроники.[6]

Рисунок 1.5 - Регулятор на основе нечеткой логики: а) структурная схема; б) функции принадлежности

1.3.3 Применение микроконтроллеров и DSP-процессоров ведущих производителей для управления устройствами силовой электроники

Обзор технических решений для управления устройствами силовой электроники, предлагаемых ведущими производителями МК и DSP-процессоров, приведен в таблице 1.1.

Компания Freescale Semiconductor предлагает базовый проект устройства управления однофазным электродвигателем переменного тока (напряжение до 230 В и ток до 4 А) с помощью 8-разрядного МК M68HC08 по технологии ШИМ, которая обеспечивает существенное снижение амплитуды высоких гармоник и уменьшение тем самым электромагнитного излучения по сравнению с фазовым управлением. Другой базовый проект на основе микросхемы DSP56F805, сочетающей функции 16-разрядного МК и DSP-процессора, демонстрирует возможности управления вентильно-реактивным 3-фазным электродвигателем с датчиками Холла. В зависимости от подключаемого силового каскада средство разработки позволяет управлять высоковольтным (230 В, 3 × 1,2 А) или низковольтным электродвигателем (10 В, 3 × 28,5 А). Компания выпускает также специализированный 16-разрядный МК M68HC12, имеющий в составе системы команд, наряду с традиционными арифметическими и логическими командами, четыре специальные команды для поддержки операций нечеткой логики. Соответствующее программное обеспечение fuzzyTECH® позволяет проектировать нечеткие системы автоматического управления.

Компания Microсhip Technology предлагает плату для разработки систем управления бесколлекторными электродвигателями постоянного тока (как с датчиками угла поворота, так и без них) на основе МК PIC18F2331/2431 или DSP-процессора dsPIC30F2010/3010. Другая плата разработки, предлагаемая этой же фирмой, демонстрирует возможности цифрового управления импульсным источником питания с помощью 16-разрядного DSP-процессора dsPIC30F2020. Характерным для процессоров этой фирмы является наличие на кристалле нескольких многоканальных ШИМ-генераторов, а также квадратурных декодеров, весьма полезных в задачах управления электродвигателями. Для применения в автомобилях предназначен базовый проект системы управления электродвигателем механизма поднимания оконного стекла, в котором 8-разрядный МК, выполненный по технологии nanoWatt, управляет драйвером электродвигателя как по командам от механического переключателя, так и по командам от однопроводной сети автомобиля.

Компания Silicon Laboratories предлагает два базовых проекта: систему управления шаговым электродвигателем и систему управления бесколлекторным электродвигателем постоянного тока. Оба проекта выполнены на основе миниатюрных МК семейства C8051F3xx и допускают управление как непосредственно с платы разработки, так и через последовательный порт персонального компьютера с помощью программы HyperTerminal. Кроме этого, компания Silicon Laboratories предоставляет разработчику примеры программ управления различными типами электродвигателей в различных режимах для того же семейства МК. Следует отметить, что эта фирма производит также «интеллектуальные» цифровые силовые контроллеры семейства Si825x, содержащие на одном кристалле МК и DSP-процессор, а также сопровождает эти изделия расширенными средствами разработки и специальным программным обеспечением.