Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC1. C6. 2 и драйвере IR2. Д. Фрадкин. Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC1. C6. 2 и драйвере IR2. Для некоторых, относительно простых задач управления электроприводом можно использовать неспециализированные микроконтроллеры, к которым разработчик привык и которые свободно продаются на нашем рынке. В этой статье мы показываем возможность использования микроконтроллера PIC1. C6. 2 фирмы Microchip для решения простых задач управления приводом, которые часто встречаются в быту. Цифровые системы управления электроприводом: Фрагменты лекций. Для микроконтроллеров ARM -семейства существовал свободный. В динамических режимах хорошо управляем драйвер ВД, в котором . Силовые транзисторы и драйвер управления. Уменьшить потери в АИН помогают транзисторы с. Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC16C62 и драйвере IR2131. Входы драйвера согласуются с ТТЛ логикой, что позволяет управлять им с помощью микроконтроллеров с 5-В. В нашей схеме процессор PIC16C62 питается от стабилитрона VD3. При несложных задачах управления электроприводом можно тактировать. МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ стабилизатора напряжения 15 вольт D5 для питания схемы драйвера. Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC16C62 и драйвере.В основном, предлагаемая схема предназначена для управления трехфазными асинхронными двигателями, когда в распоряжении имеется однофазная сеть 2. В. Схема, изображенная на рис. Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC16C62 и драйвере IR2131 (предлагаемая схема предназначена для. Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC16C62 и драйвере IR2131. Для некоторых, относительно простых задач управления электроприводом можно использовать неспециализированные. Рассмотрим эти элементы и опишем некоторые алгоритмы, которые можно реализовать на них. Рис. Схема управления асинхронным двигателем Привлекательная во всех отношениях микросхема IR2. IR2. 13. 0) фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER уже не новость, но редко встречается в отечественных разработках. Одной из причин этого является ее относительно высокая стоимость, но если принять во внимание, что цена таких изделий на нашем рынке сильно зависит от спроса, то с определенным риском можно рекомендовать ее разработчику для применения в изделиях, где определяющим фактором является цена. Микросхема IR2. 13. IGBT или MOSFET), имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления. В ней предусмотрена защита по току, которая выключает все ключи и выдает сигнал ошибки FAULT, когда сигнал на выводе ITRIP превышает 0,5 В. Это удобно для разработчика, поскольку организация такой защиты требует от него лишь правильного определения величины резистора датчика. Входы драйвера согласуются с ТТЛ логикой, что позволяет управлять им с помощью микроконтроллеров с 5- В питанием без дополнительных преобразователей уровня. Кроме этого, у IR2. IR2. 13. 0 вместо них имеется встроенный усилитель тока нагрузки, и сброс триггера ошибки осуществляется при подаче на все входы управления неактивного уровня. Допустимое напряжение на инверторе, с которым работает микросхема, составляет 6. В. В настоящее время фирмой INTERNATIONAL RECTIFIER производятся аналогичные драйверы с рабочим напряжением 1. В. На рис. 1 изображена простейшая схема трехфазного моста на транзисторах IRF7. IR2. 13. 1. Через них можно пропустить мощность до 5 КВт. При больших мощностях надо переходить на питание от трехфазной сети 3. В и использовать IGBT транзисторы. Наш опыт работы показал целесообразность шунтирования затворных резисторов R1. R1. 8 обратными диодами VD7. VD1. 2. Это позволяет значительно снизить динамиче- ские потери при выключении. Сформированное напряжение подается на двигатель через разъем Х2. Если емкость фильтра С1. Для предотвращения броска тока через выпрямитель необходимо включение терморезистора R1. При работе от однофазной сети 2. В может возникнуть необходимость введения модуля коррекции потребляемого тока (это особенно актуально при больших мощностях привода). Для некоторых разработок, где 1. Гц пульсации момента на валу двигателя не приводят к нежелательным последствиям, можно вообще отказаться от использования конденсатора С1. Конденсатор С1. 1 (керамический или полипропиленовый) необходимо располагать максимально ближе к транзисторам моста, поскольку полевые и IGBT транзисторы . При небольших частотах инвертора (до 3 к. Гц) достаточно 4. Ом для нормального питания системы управления. Для увеличения КПД системы можно применить стандартный импульсный понижающий регулятор, используя в качестве ШИМ- контроллера ресурсы PIC1. C7. 3. Бутстреповые емкости С7. С9 заряжаются через диоды VD4. VD6 при включении соответствующего нижнего ключа. Напряжение питания IR2. Рекомендуемая величина 1. В. Уменьшение питающего напряжения какого- нибудь из каналов ниже 8 В вызывает немедленное запирание ключа. Интегрирующее звено R1. C1. 0 предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций, достаточная величина постоянной времени 0,5 мкс. При превышении сигналом на входе ITRIP уровня 0,5 В все ключи запираются и выдается сигнал ошибки FAULT (выход с открытым коллектором). Рис. Осциллограммы тока и напряжения при 1. На это место удачно подходят PIC микроконтроллеры фирмы Microchip. Это RISC контроллеры с гарвардской архитектурой, они просты в изучении и имеют значительные преимущества перед другими контроллерами в подобных схемах. Диапазон рабочих напряжений питания PIC процессоров 4. В, максимальный потребляемый ток при тактировании от RC генератора 5 м. А, ток в режиме пониженного энергопотребления 2. А. Большое удобство создает повышенная нагрузочная способность портов 2. А, что позволяет напрямую управлять светодиодами (включая светодиоды оптронов). Наличие разнообразной периферии (АЦП, компараторы, последовательные порты, таймеры, модуль ШИМ и пр.) предоставляет разработчику широкие возможности для построения гибких и дешевых систем управления. Все микроконтроллеры PIC1. Microchip свободно распространяет ассемблер MPASM, симулятор MPSIM и интегрированную систему отладки для Windows MPLAB. Имеющиеся для этих контроллеров Си- компиляторы (например, компилятор фирмы HI- TECH) ускоряют процесс написания и отладки программ. При несложных задачах управления электроприводом можно тактировать микроконтроллер от RC генератора (R6- C1). Максимально допустимая частота при этом 4 МГц. Поскольку почти все команды выполняются процессором за один такт (в данном случае за 1 мкс), то этого оказывается достаточно даже для выдачи на двигатель синусоидально- центрированной ШИМ с частотой несущей 3 к. Гц. Наиболее просто организуется управление со 1. Использование ресурсов микроконтроллера для этой задачи приводится в таблице. Осциллограммы тока и напряжения в этом режиме показаны на рис. Основываясь на базовых векторах 1. ШИМ. Рис. Базовые вектора 6- тактной коммутации Программой осуществляется переключение между двумя соседними векторами таким образом, что результирующий вектор плавно движется по траектории шестиугольника. Вырабатывая определенные длительности для каждого вектора, получаем напряжение, близкое к синусоидальному. Если ввести нулевой вектор, то можно заставить результирующий вектор напряжения двигаться по любой окружности внутри базового шестиугольника. Для случая, когда на двигателе формируется синусоидальное напряжение 1. Гц с частотой ШИМ 3 к. Гц, осциллограммы имеют вид, как показано на рис. Осциллограммы тока и напряжения при синусоидальной ШИМ Для некоторых двигателей такая форма тока может оказаться неприемлемой из- за высокочастотных пульсаций потока, что приводит к увеличению потерь в стали и в демпферных системах двигателя. В этом случае нужно увеличивать частоту тактирования процессора и переходить на более высокие частоты ШИМ. В таблице приведены данные по использованию некоторых ресурсов микроконтроллера PIC1. C6. 2 для случая выдачи синусоидально- центрированной ШИМ с модуляцией базовых векторов. Таблица. Ресурсы контроллера. Память данных, байт. Память программ, слов. Линии ввода/вывода. Таймеры. Источники прерывания. Числотактовпрограммыза 1/6периодавращениядвигателя. Предоставляемые. 12. Использованные для: 1. Следует особо отметить возможность построения бездатчиковой схемы управления вентильным электродвигателем с постоянными магнитами (такая разработка нами сделана и имеет большие преимущества перед аналогами). При этом в исходную схему необходимо добавить регулятор напряжения, подаваемого на инвертор, компаратор и некоторую обвязку из пассивных компонентов. Определением угла положения ротора занимается процессор PIC1. C7. 3. В бездатчиковой схеме с тактированием PIC1. C7. 3 от RC генератора можно управлять вентильным двигателем с частотой вращения до 1. Гц. Для выхода на большие скорости вращения нужно увеличивать частоту тактирования процессора. Бездатчиковая схема усложняется для вентильных двигателей с большой индуктивностью, если коммутационные интервалы превышают 3. В . В качестве недостатков предложенного механизма определения угла положения ротора следует отнести невозможность работы схемы с высокоиндуктивными двигателями (длительный коммутационный интервал не отфильтруется, и компараторы . В предложенной схеме потребуются значительные вычислительные ресурсы для определения первоначального положения ротора, особенно если учесть, что нормальный пуск двигателя происходит на низкой частоте при выполнении определенного соотношения U/f. Для сравнения, в таблице приводятся данные по использованию ресурсов PIC1. C7. 3 в бездатчиковой схеме управления вентильным двигателем с постоянными магнитами, когда коммутационные интервалы не превышают 3. Рис. Внешний вид платы управления Внешний вид изделия, собранного по предложенной схеме, показан на рис. Габаритные размеры 1. Стоимость микроконтроллеров уменьшается, а возможности, которые они предо- ставляют, делают систему гибкой и легко модернизируемой без изменения электрической схемы. Применение специализированных микросхем, как было показано на примере драйвера IR2. Данная схема имеет высокую надежность из- за минимального количества электронных компонентов. В результате симбиоза этих двух микросхем получается недорогой электропривод с удобным и качественным управлением. Литература. Московский энергетический институт,кафедра ЭКАОТел. Проверят на честность. ЦСУ для векторного электропривода. Н. В. Клиначев(фрагменты учебного курса)Цифровые управляющие системы для электропривода. Обзор инструментов разработчика цифровой системы управления для электропривода. Мировыми лидерами в разработке систем управления для электропривода являются корпорации, имеющие собственное производство микросхем и микроконтроллеров. В список входят: Texas Instruments (C2. ARM), Freescale Semiconductor (MC5. F8. 4xx/5. 68. 00. EX, ARM), Toshiba Electronics (ARM + Vector Engine (VE)), NXP Semiconductors (ARM), STMicroelectronics (ARM), Atmel Corporation (AVR/8. Infineon Technologies (ARM, 8. CORDIC and MDU coprocessor units), International Rectifier (8. Motion Control Engine (MCE)), Microchip Technology (PIC), НИИ электронной техники (1. ВЦ- x). Принципы построения векторной подсистемы регулирования тока привода (момента) разработаны еще до появления микроконтроллеров. Требуемые для её реализации вычислительные ресурсы существенны и просчитаны (5. MIPS). Поэтому приведённый выше список разработчиков можно сократить до трех позиций. На первом месте Texas Instruments со своим . На втором – Freescale Semiconductor с серией микроконтроллеров MC5. F8. 4xx на базе 3. EX. На третьем – Toshiba Electronics, которая встроила в 3. ARM (ядро Cortex- M3) аппаратный модуль собственной разработки – специализированный, целочисленный математический сопроцессор – . Прочим решениям можно дать следующую характеристику. Любой электропривод характеризуется двумя важнейшими координатами – скорость и момент. Во многих случаях особых требований к моменту не выдвигается (например, привод радара должен прецизионно стабилизировать лишь скорость вращения антенны). По этой причине особой необходимости в реализации подчиненного контура регулирования тока нет (развязка соответствующих координат требует наибольшую долю вычислительных ресурсов – 6. В обозначенных условиях достаточно пользоваться принципом прямого управления (без обратной связи). Как и поступают прочие поставщики демонстрационных комплектов для управления электроприводом (Digital Motor Control Kit to reference design), ограничиваясь реализацией контура скорости для машин с датчиками (BLDC Hall control) и не обеспечивая работоспособность на низких частотах вращения. Для разработчика цифровой системы управления неотъемлемым инструментом является компилятор исполняемого кода. Общая ситуация негативная. Самые сложные алгоритмы управления двигателями реализованные разработчиками комплектов не превышают 2. КБ (release- версия) и 5. КБ (debug- версия, с загрузчиком и с модулем удаленного мониторинга функционирования привода по USB- кабелю или стандартному TCP- IP подключению). При этом типовые размеры инсталляционных пакетов компиляторов 2. МБ (было время – умещались на дискетке). Все разработчики компиляторов распространяют версии своих продуктов с ограничением по размеру исполняемого кода (4. КБ для 8- и разрядных микроконтроллеров и 2. КБ для 3. 2- х разрядных) для которых предоставляется бессрочная лицензия. Программный код для микроконтроллеров фирмы Texas Instruments (семейство C2. C++ компилятора – Code Composer Studio (альтернатив нет). Которая предоставляется с ограничением по размеру кода (2. КБ) покупателям комплектов разработчика. Для микроконтроллеров ARM- семейства существовал свободный компилятор GNU ARM GCC compiler (C, C++). Сообщество разработчиков коммерческих ARM- компиляторов вытеснило его с рынка, а так же привязало свои компиляторы к платформе Eclipse (2. МБ). Отладка программ векторной подсистемы регулирования тока сложна. Требует многочисленных попыток перестройки кода, выполнять которые (в разумных временных интервалах), используя Ассемблер, невозможно. Вторым неотъемлемым программным инструментом разработчика систем управления электропривода является программа для математического моделирования сложных технических систем. Если речь идет о развитии теории систем управления, то альтернативы имеются – подойдет любая программа, принадлежащая классу динамических решателей. Практическую же разработку поддерживают лишь две программы – Vis. Sim и Simulink. Обе имеют специализированные расширения, обеспечивающие взаимодействие с интегрированной средой разработки (IDE) компилятора Code Composer Studio, ориентированные на семейство микроконтроллеров C2. Однозначным лидером по эффективности является Vis. Sim. Третий программный инструмент – это . Это ПО создается с применением графического языка программирования пакета Lab. VIEW. Требует наличия платформы NET. Исходники не предоставляются. Поэтому функция этого ПО расширяющая возможности JTAG- интерфейса (во время отладки цифровой системы управления) ограничена. Рис. 2. Процесс разработки любого электропривода следует начинать с загрузки документации на комплекты разработчика с сайтов производителей микроконтроллеров. Документация в обязательном порядке содержит: схемы электрические принципиальные, эскизы бельков печатных плат, перечни элементов, листинги примеров программирования всех модулей микроконтроллеров (АЦП, таймеры, компараторы, порты, прерывания и пр.), исходники программ управления (C или C++), технические описания программ и аппаратной части. Уже на этом этапе станет очевидно, что разработка собственного прототипа будет стоить много дороже. И то, что некоторые микроконтроллеры, имея проблемы с периферией, для серьёзных решений не подходят – таймеры не поддерживают ШИМ с формированием безтоковой паузы (deadband PWM), отсутствуют синхронизируемые таймером (в ШИМ- режиме) УВХ, в качестве компараторов используется АЦП, входы для внешних прерываний принадлежат разным портам и пр. Термины. Опорные факты о системах управления для электропривода. Задача создания качественного электропривода опирается на совокупность технологий, которые невозможно сосредоточить в руках одного инженера, группы или предприятия. Поэтому инженер- электромеханик должен знать стратегическую линию разработки электропривода, которая состоит из совокупности простых фактов, к которым следует возвращаться в случае появления ситуаций кажущихся неразрешимыми отдельно взятому коллективу. Факт 1- ый. Датчики положения и скорости вала (резольверы – вращающиеся трансформаторы / энкодеры – поворотные шифраторы) являются устройствами прецизионной механики – цена их высока (машина с датчиками дороже в 4. Поэтому не первое десятилетие эволюционно решается задача их замены на измерители электрических величин (тока и напряжения) и разработки соответствующих бездатчиковых управляющих систем (Sensorless BEMF- or FOC- control). Факт 2- ой. Для электропривода принцип подчиненного регулирования координат универсален, позволяет обеспечить требуемую точность и подходит для любых машин. Факт 3- ий. В соответствии с принципом подчиненного регулирования координат, любой качественный привод должен иметь два регулятора. ПИ- регулятор в подчиненном контуре тока (момента). И ПИ- регулятор в контуре скорости. В быстродействующем контуре тока практически всегда используется непрерывный регулятор. Более медленный контур скорости допускает использование регуляторов других типов: релейно- импульсных, импульсно- фазовых, и пр. Факт 4- ый. Сложность разработки цифровой системы управления для электропривода возрастает в строгом соответствии с типом используемой электромашины и применяемым решением для коммутации её обмоток. Подчиненное управление двигателем постоянного тока (Brushed DC Motor control)Подчиненное управление ВД с датчиками Холла (BLDC Motor Hall control)Подчиненное управление ВД по противо- ЭДС (BLDC Sensorless BEMF control)Управление СДПМ с векторной подсистемой регулирования тока (PMSM Sensorless FOC- control)Управление СРД с векторной подсистемой регулирования тока (Syn. RM Sensorless FOC- control)Управление АД с векторной подсистемой регулирования тока (ACIM Sensorless FOC- control)Примечание. Под вентильным двигателем (ВД) подразумевается бесколлекторная машина с трапецеидальной ЭДС. Под синхронным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ . Контур регулирования тока привода требует наибольшую долю вычислительных ресурсов микроконтроллера. Если осталось 2. 0% и более, то можно решить все прочие задачи. Написать программы регуляторов скорости, положения, самотестирования, удаленной коммуникации по TCP- IP протоколу, обслуживания локального пульта управления и индикации. Примечание. Заблуждением является мнение о том, что в случае реализации маломощного привода низкой ценовой группы без требований к моменту достаточно реализовать лишь регулятор скорости не требующий существенных вычислительных ресурсов. Без контура регулирования тока – потребуется коррекция. С постоянной времени дифференцирующего канала равной электромагнитной постоянной якоря. В случае любых других вариантов настроек можно однозначно утверждать, что из- за экономии на микроконтроллере ценой 5 долларов, недоиспользуется машина ценой от 7. Подчиненное управление двигателем постоянного тока(Brushed DC Motor control)Рабочие файлы: . Абсолютную необходимость их применения отражает сводная таблица 1. Таблица 1. Тип машины. Регуляторы. Наблюдатели. УРКДПТ (BDC)+- -ВД (BLDC)++- СДПМ (PMSM)+++СРД (Syn. RM)+++АД (ACIM)+++. Более того, если параметры обмоток машин приведены, то регуляторы будут совпадать вплоть до разностной схемы (до программного кода) и настраиваемых коэффициентов. Приводят машины к эквивалентному ДПТ (см. Угловой скорости – в ЭДС, и тока – в момент (при условии $I. Таблица 2. Баланс для приведения машин: $U. И приступают к следующему этапу настройки наблюдателей. Устройства развязки координат характеризуются отсутствием параметров зависимых от нагрузки привода и паспортных данных двигателя. Для них определена процедура юстировки под экземпляр изготовленной машины лишь в случае разработки привода особого назначения. Рабочие файлы: . На первом – запитывают двигатель от источника тока (замещая им подчиненный контур тока). Вместо регулятора скорости устанавливают реле с гистерезисом, обеспечивая циклический реверс. Настраивают модель ДПТ с приведенной к валу нагрузкой.
0 Comments
Leave a Reply. |
Details
AuthorWrite something about yourself. No need to be fancy, just an overview. ArchivesCategories |