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

В ядро включена аппаратная поддержка циклов типа DO и REPEAT, выполнение которых не требует дополнительных издержек программной памяти и времени на анализ условий окончания. В то же время эти циклы могут быть прерваны событиями прерывания в любой момент.

Число рабочих регистров увеличено до 16 (W0…W15), каждый регистр массива может выступать как данные, адрес или смещение адреса. Один из рабочих регистров (W15) выполняет функции программного указателя стека для прерываний и вызовов подпрограмм.

В системе команд ядра dsPIC30F присутствуют два класса команд: микроконтроллерные инструкции (MCU) и команды цифровой обработки сигналов (DSP). Оба этих класса равноправно интегрированы в архитектуру контроллера и обрабатываются одним ядром. В контроллерах dsPIC поддерживаются различные типы адресации, а система команд оптимизирована для получения максимальной эффективности при программировании на языке высокого уровня Си.

Помимо обычных модулей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в контроллерах dsPIC существуют специализированные модули, которые призваны облегчить формирование многоканальных синхронизированных импульсов ШИМ для систем управления электроприводом и преобразователей мощности. С помощью специализированного модуля MCPWM (MCPWM - ШИМ для управления приводом) можно управлять следующими устройствами:

·        3-х фазными индукционными двигателями переменного тока (ACIM);

·        3-фазными шаговыми двигателями с реактивным ротором, вентильными реактивными электродвигателями (Switched Reluctance (SR) Motor);

·        бесколлекторными двигателями постоянного тока (BLDC);

·        бесперебойными источниками питания (UPS).

Модули MCPWM имеют следующие особенности:

·        два вывода на каждый MCPWM-генератор.

·        Комплементарное или независимое управление для каждой пары выходов.

·        Аппаратная реализация «мертвого времени» для комплементарного режима.

·        Программируемая полярность выходных импульсов.

Множество режимов формирования выходных импульсов:

а) ШИМ с выравниванием по фронту;

б) центрированная ШИМ;

в) центрированная ШИМ с двойным обновлением;

г) режим одиночного импульса.

Аппаратный вход аварийной ошибки драйвера (FAULT) с программируемой функцией. Возможность синхронизации измерений АЦП с формируемой ШИМ. Возможность индивидуального разрешения каждого выхода ШИМ.

В dsPIC30F возможно два варианта MCPWM модуля в зависимости от типа контроллера. Модуль с 8-и канальной ШИМ обычно присутствует в контроллерах с 64 или более выводами. Модуль MCPWM с 6-ю каналами реализован в устройствах с меньшим числом выводов.модуль с 6 выводами используется в одно- и трех- фазных приложениях управления мощностью, в то время как модуль с 8-и канальным ШИМ может управлять четырехфазными двигателями.

Микроконтроллеры dsPIC30F делятся на три семейства: контроллеры общего назначения, контроллеры для систем управления приводом и контроллеры для обработки сигналов датчиков.[18]

Цоколевка микроконтроллера dsPIC30F2010 представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Цоколевка микроконтроллера dsPIC30F2010

Для формирования тактового сигнала микроконтроллера предусмотрен внутренний генератор. Тактовый сигнал необходим для выполнения инструкций микроконтроллера и работы периферийных модулей. Внутренний машинный цикл микроконтроллера состоит из четырех периодов тактового сигнала.

В данной системе управления в микроконтроллере используется режим XT, который используется для приложений со средней частотой тактового генератора. Данный режим предполагает использование внешнего кварцевого резонатора.

Чтобы обеспечить заданную частоту был выбран кварцевый резонатор с параллельным резонансом типа KX-3HT, который имеет частоту основной гармоники 7.3728MHz МГц.

Чем больше ёмкость конденсаторов С1 и С2, тем стабильнее генератор, но с повышением ёмкости увеличивается время запуска генератора, т.е. выхода колебаний на главную последовательность.

Для ожидания запуска генератора используется специальный таймер запуска генератора (OST - Oscillator Startup Timer), который обеспечивает задержку в 1024 такта генератора (вход OSC1).

Рекомендуемые значения емкостей конденсаторов C1 и C2 для режима XT находятся в диапазоне 15…68пФ. Поскольку важна стабильность генератора, то значения емкостей C1 и C2 будут равны 68 пФ. Схема синхронизации изображена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема синхронизации микроконтроллера

3.3.3 Разработка блока последовательного канала связи

В проектируемой системе управления для связи с внешним устройством используется последовательный интерфейс RS232. Роль приемопередатчика используется встроенный в микроконтроллер модуль UART. Для формирования уровней сигналов соответствующих интерфейсу RS232 используется преобразователь уровней MAX232A. Схема его включения приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Схема включения преобразователя уровней MAX232A

Подключение к внешнему устройству осуществляется через 9-штырьковый разъем DB-9.

Рисунок 3.9 - 9-контактный (DB9) разъем для подключения RS-232

Назначение сигналов следующее:- защитное заземление (экран);- данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная);- данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная);- сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи;- сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи; - готовность данных. Используется для задания режима модема;- сигнальное заземление, нулевой провод;- обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала);- готовность выходных данных;- индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети;

3.3.4 Схема управления трехфазным асинхронным двигателем

Для управления асинхронным двигателем воспользуемся следующей схемой:

Рисунок 3.10 - Схема управления трехфазным асинхронным электродвигателем

На рисунке 3.10 представлена схема управления трехфазным электродвигателем состоящая из следующих блоков: 1 - трехфазный выпрямитель напряжения; 2 - трехфазный инвертор напряжения построенный на IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторах.

Выпрямитель - устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное свойство выпрямителя - сохранение направления протекания тока при изменении полярности входного напряжения. По количеству выпрямленных полуволн выпрямители делят на однополупериодные и двухполупериодные. По числу фаз силовой сети различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. Принципиальная схема трехфазного выпрямителя представлена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - Трехфазный выпрямитель напряжения

Трехфазный выпрямитель построен по мостовой схеме (схема Ларионова), которая характеризуется минимальным количеством пульсаций и их вдвое большей частотой.

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя применен емкостной фильтр - конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

Для выбора диодов VD1 - VD6 и конденсатора C9 необходимо учесть следующие параметры: Uобр - обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе(вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс - максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

Для определения этих параметров воспользуемся следующими соотношениями[9]:

(3.1)

U = 380 В, а номинальный ток двигателя мощностью 15КВт составляет примерно 30А, тогда Uобр = 570В, Iмакс = 105А, C= 2.2 мкФ, Uc= 450В.

По рассчитанным параметрам выберем диоды VD1 .. VD6 - ДЧ261-320-12, конденсатор C7 - К50-29 2.4мкф, 450В.

Принципиальная схема трехфазного инвертора напряжения показана на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Трехфазный инвертор напряжения на IGBT-транзисторах

Инвертор напряжения состоит из 6 IGBT-транзисторов, шунтированных диодами обратного тока.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

В качестве IGBT-транзисторов VT1 - VT6 и диодов VD7 - VD12 будем использовать HGTG20N60B3D, электрические параметры которого указаны в таблице 3.3

Таблица 3.3 - Электрические параметры HGTG20N60B3D

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей VT1-VT6 при Uв = const. Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы).

Переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется конденсатором большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT транзисторов с диодами включенными встречно параллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. За счет поочередного переключения вентилей VT1-VT6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение.

Через управляемые ключи VT1-VT6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D7-D12 - реактивная составляющая тока.

Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления (ШИМ).

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты автономного инвертора напряжения промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна. Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Принцип широтно-импульсной модуляции приведен на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 - Принцип широтно-импульсной модуляции

В качестве гальванической развязки воспользуемся оптронами фирмы Kingbright - KB814, с электрическими параметрами, указанными в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - электрические параметры оптрона KB814

Фирма Kingbright выпускает аналоговые оптопары, оптроны имеющие высокие и стабильные параметры. Они широко используются в различных устройствах вычислительной техники, телекоммуникационного оборудования и бытовой техники

Принципиальная схема гальванической развязки инвертора и микроконтроллера показана на рисунке 3.14.

Принципиальная схема микропроцессорной системы векторного управления скоростью приведена в листе 5 графического материала.

Рисунок 3.14 - Схема гальванической развязки инвертора и микроконтроллера на оптронах

3.4 Функциональная схема устройства управления нагружением

Для реализации поставленных задач управления силовым нагружением функциональная схема устройства выглядит следующим образом:

Рисунок 3.15 - Функциональная схема системы управления нагружением испытываемой шины

На рисунке 3.15 приведена структурная схема системы управления нагружением испытываемой шины, где представлены следующие блоки: PC - ЭВМ; RS232 - драйвер протокола передачи данных RS232; МК3 - специализированный микроконтроллер для управления двигателями; драйвер шагового двигателя; ШД - шаговый двигатель; ДП - датчик начального положения; ДМ - датчик крутящего момента, установленный на валу двигателя.

Сигналы о требуемом угле поворота через интерфейс RS232 поступают в микроконтроллер, который вычисляет требуемое количество шагов и управляет драйвером двигателя. Угол поворота согласно техническому заданию находится в пределах 2 - 180°.

У привода стенда с микроконтроллером есть обратная связь, в виде датчика начального положения и датчика крутящего момента. В начале каждого испытания шаговый двигатель приходит в начальное положение, которое определяется по сигналу датчика. Аварийная ситуация (разрушение испытываемой шины) определяется резкому изменению сигнала с датчика крутящего момента, в сторону его увеличения.

3.5 Принципиальная схема устройства управления нагружением

.5.1 Схема управления драйвером шагового двигателя

Так как согласно техническому заданию крутящий момент шагового двигателя должен составлять 25Нм, то будем использовать силовой двигатель серии FL110STH201-8004A (250 кгс х см, 1000Вт). Технические характеристики представлены в таблице 3.4, электрические в таблице 3.5.

Таблица 3.4 - Технические характеристики двигателя FL110STH201-8004A