Микропроцессорные средства управления электропривода

В настоящее время аналоговые системы управления ЭП достаточно активно заменяются цифровыми системами управления, поскольку цифровые системы превосходят аналоговые в отношении точности, возможности ее повышения, они мало подвержены старению и влиянию изменений напряжения источника питания и температуры окружающей среды. Помехоустойчивость цифровых систем превосходят помехоустойчивость аналоговых систем.

В то же время по принципу обработки информации цифровые системы являются системами последовательного действия, что накладывает ограничения на скорость обработки информации, Поэтому перевод аналоговых систем управления в цифровые при сохранении структур и принципов управления иногда приводит к ухудшению быстродействия систем.

Коренное улучшение систем управления ЭП возможно только при учете указанных особенностей, а также путем использования таких разработанных теорией управления методов, как адаптивное управление, оптимизация, перестройка структур и др., которые могут быть использованы лишь при программном управлении.

Любая микропроцессорная система содержит в своем составе микропроцессор (МП). Микропроцессором называется программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой инфор­мации и управления этим процессом и построенное на одной или нескольких больших интегральных микросхемах (БИС). Остановим­ся более подробно на основных признаках МП, сформулирован­ных в этом определении.

Микропроцессор выполняется на основе одной или нескольких БИС, каждая из которых состоит из нескольких десятков тысяч про­стых элементов - транзисторов, диодов, резисторов и конденсато­ров. Площадь БИС не превосходит нескольких десятков квадрат­ных миллиметров. Такое исполнение МП определяет его малое энер­гопотребление, высокую надежность в работе, небольшие массу и габаритные размеры, а при массовом выпуске - невысокую сто­имость.

Микропроцессоры различаются между собой видом технологии (МОП, КМОП, ТТЛШ и др.), разрядностью (от 2 до 16), быстродействием (0,5·10⁶…3·10⁶ операций/с), мощностью потребления (0,05…5 Вт), числом регистров общего назначения (от 1 до 16).

Микропроцессор является элементом управления с гибким ал­горитмом работы, который определяется закладываемой в его па­мять программой и который может быть изменен. Для лучшего понимания этого очень важного достоинства МП вспомним рабо­ту логических узлов схем управления ЭП.

Для реа­лизации заданных логических операций в этих схемах применяется определенный набор логических элементов, соответствующим обра­зом между собой соединенных. При необходимости изменения ал­горитма функционирования таких схем необходима их переделка (перемонтаж), связанная с заменой одних элементов на другие или добавлением новых и изменением схемы их соединения, т.е., други­ми словами, требуется изменение аппаратной (элементной) части схемы управления.

При использовании МП изменение алгоритма функционирова­ния схемы достигается за счет замены одной программы на дру­гую, что более удобно, просто и позволяет существенно уменьшить время на перенастройку схемы управления.

Все это определило бурный рост использования выполненных на основе МП средств управления, начиная со сложных производ­ственных комплексов и кончая детскими играми. МП применяются для автоматизации работы энергетических систем и отдельных энер­гоблоков, при управлении автомобилями, в бытовой технике, для автоматизации научных исследований и проектных работ и во мно­гих других случаях. О быстром расширении областей применения МП свидетельствует и тот факт, что выпуск БИС для МП в разви­тых странах удваивается примерно каждые два года.

Постоянно растущие требования к диапазону регулирования координат ЭП, его функциональным возможностям, надежности и стоимости, а также новые достижения электроники и микроэлект­роники определили появление нового вида микропроцессорной тех­ники - микроконтроллеров для управления двигателями (от англ. Motor control). Эти ориентированные на применение в ЭП средства, обладая производительностью в несколько десятков миллионов опе­раций в секунду, позволяют реализовывать как высокоэффектив­ные встроенные системы цифрового управления, так и схемы авто­матизации технологического оборудования.

В структурную схему микропроцессора (рис. 195, а) входят ариф­метико-логическое устройство АЛУ, устройство управления УУ и регистровое запоминающее устройство РЗУ. Эти три основные ча­сти МП соединены тремя линиями связи - шинами данных ШД, шинами адресов ША и шинами управления ШУ.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выпол­нения арифметических и логических операций над данными, пред­ставленными в виде двоичных чисел. Данные, с которыми произво­дятся эти операции, называются операндами. Обычно в операции участвуют два операнда, один из которых находится в специаль­ном регистре - аккумуляторе А, а другой - в регистрах РЗУ(или памяти МП). Иногда АЛУ называют операционной частью МП.

Регистровое запоминающее устройство РЗУ содержит несколько ре­гистров общего назначения (РОН), а также регистры специального назначения, в частности счетчик команд СК. Иногда РЗУ называ­ют внутренней памятью МП.

Управляющее устройство предназначено для выработки сигна­лов управления, обеспечивающих работу блоков МП. В состав УУ входит регистр команд РК, в котором фиксируется выполняемая в данный момент команда.

Как уже отмечалось, работа МП обеспечивается программой, записанной в его памяти.

Рис.195. Структурные схемы: а-микропроцессора, б – команды

Программа. Последовательность команд, обеспечивающих реа­лизацию заданного алгоритма обработки информации, образует программу. Важной особенностью работы МП является то, что ко­манды программы в нем выполняются в пошаговом режиме строго в записанной последовательности.

Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать, с какими операндами и по какому адресу поместить результат операции. Для этого команда имеет структуру, приведен­ную на рис. 195, б. Первая часть ее содержит код операции КОП, т.е. информацию о характере операции над операндами (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды - ад­ресная - содержит адреса расположения операндов, с которыми про­изводится данная операция, и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат.

Команды, адреса и операнды МП выражаются двоичными мно­горазрядными числами, представляемыми, как и во всех цифровых устройствах, комбинацией двух уровней напряжения - высокого и низкого. Первые МП оперировали четырехразрядными числами, а в современных МП используются восьми- и шестнадцатиразрядные числа. Использование в МП многоразрядных двоичных чисел по­зволяет повысить их быстродействие и точность работы.

Программа (совокупность команд) МП может быть записана не­сколькими способами. Первый из них предусматривает запись ко­манд непосредственно в виде двоичных чисел, т.е. в виде так назы­ваемого машинного кода, понятного для данного МП. Такой спо­соб составления программ в большинстве случаев оказывается ма­лоудобным и требует больших затрат времени, особенно при со­здании больших программ.

Более удобным является использование языков программирова­ния. Языки низкого уровня типа АССЕМБЛЕР как средство обще­ния с МП включают в себя несколько десятков типовых команд, пред­ставленных в условных мнемокодах. Например, язык этого типа для отечественного восьмиразрядного МП типа К580 включает в себя около 80 типовых команд - арифметических, логических, пересыл­ки данных, передачи управления и ряд других. Отметим, что тот или иной язык используется только на этапе программирования, а опе­рирует МП при своей работе с двоичными числами.

Большие возможности и удобства пользователю микропроцес­сорными схемами управления предоставляют языки программиро­вания высокого уровня: ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, ПЛ/М, БЕЙСИК, СИ, АДА и их разновидности (диалекты). Составленные на этих языках программы далее транслируются (переводятся) с помощью специальных программ, получивших название кросс-программ, в систему машинных кодов, понятных для МП.

Представленный на рис. 195, а МП не может быть непосред­ственно использован для управления ЭП (или каким-либо другим объектом). Для выполнения функции управления схема МП долж­на быть дополнена целым рядом блоков, к числу которых относят­ся устройства памяти, устройства согласования с другими блоками ЭП, устройства ввода-вывода, генератор тактовых импульсов и ряд других.

Микропроцессорная система. Совокупность МП и перечисленных выше устройств образует микропроцессорную систему (МПС), структурная схема которой приведена на рис. 196.

В состав этой МПС наряду с МП входят устройства памяти опе­ративной ОЗУ и постоянной ПЗУ, интерфейсное устройство ИУ, устройства сопряжения УС с внешними объектами; внешние запо­минающие устройства ВЗУ, устройства ввода-вывода информации УВВ, общая шина ОШ, включающая в себя ШД, ШУи ША. Кроме того, на схеме обозначена силовая часть ЭП (СЧЭП) преобразова­тель - двигатель - механическая передача. Рассмотрим кратко на­значение каждого из устройств МПС.

Устройства памяти ОЗУ и ПЗУ служат для размещения подле­жащих обработке данных и программы, в соответствии с которой эта обработка должна вестись, а также результатов обработки. Для расширения возможностей МПС, кроме ОЗУ и ПЗУ, могут исполь­зоваться ВЗУ, к числу которых относятся накопители информации на гибких магнитных дисках и магнитной ленте, а также кассетные накопители.

Устройства ввода-вывода информации (УВВ) предназначены для обеспечения взаимодействия МПС и человека в удобной для него форме. К устройствам ввода-вывода относятся клавиатура пульта управления, печатающая машинка (принтер), графопостроители, ус­тройства визуального представления информации (дисплеи) и др.

Рис.196. Структурная схема микропроцессорной системы (МПС)

Устройства сопряжения (УС) обеспечивают связь МПС с раз­личными внешними (периферийными) устройствами. Они могут иметь самые разнообразные схемные и элементные реализации. В частности, для связи МПС с датчиками координат ЭП (Д)и блока­ми схемы управления ЭП (СУЭП) широко используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи элек­трических сигналов, обозначенные на схеме УС1 и УС2.

Устройства сопряжения УСЗ и УС4, предназначенные для связи МПС с ВЗУ и УВВ, представляют собой в простейшем случае бу­ферные (промежуточные) регистры памяти для хранения данных, передаваемых с общей шины ОШна внешние устройства или об­ратно. Устройства сопряжения, получившие название контролле­ров (микроконтроллеров), выполняют более сложные функции, и их работа может программироваться.

Устройства сопряжения УС5, выполняющие согласование рабо­ты данной МПС с другими МПС и ЭВМ, называются адаптерами.

Интерфейсное устройство (ИУ) - это совокупность электрон­ных схем, шин и алгоритмов (программ), обеспечивающая управ­ление передачей информации между МП, памятью и внешними ус­тройствами (УВД ВЗУ, Д). Другими словами, интерфейсное устрой­ство обеспечивает требуемое взаимодействие МПС с указанными внешними устройствами при изменении режима ее работы. Типич­ным примером является переход от выполнения одной программы к выполнению другой при поступлении от какого-либо внешнего устройства сигнала управления. Такой переход получил название прерывания. После завершения прерывающей программы ИУ обес­печивает возврат МПС к работе по прерванной программе. При­мерами ИУ являются таймер, блок прямого доступа к памяти, блок организации прерываний.

Отметим, что совокупность МП, памяти и интерфейса, который включает в себя ИУ, УС и ОШ, получила название микроЭВМ.

По назначению МПС и микроЭВМ подразделяются на универ­сальные и специализированные.

К универсальным относятся МПС и микроЭВМ, способные как обеспечивать управление различными объектами (в том числе и ЭП), технологическими процессами, промышленными предприятиями, так и выполнять различные вычислительные операции. Для выпол­нения этих функций МПС имеет широкий набор внешних (перифе­рийных) устройств, показанных на рис. 196. Обычно при конкрет­ном применении часть этих устройств может быть не задействова­на, т.е. универсальные МПС и микроЭВМ обладают элементной избыточностью.

Специализированными называются МПС, которые уже на ста­дии своего создания ориентированы на конкретное применение - схемы управления ЭП станка или робота, бытовые приборы или детские игры, измерительные системы и др. В этом случае МПС содержат только те устройства и имеют такое программное обеспе­чение, которые обеспечивают выполнение конкретных, заранее оп­ределенных функций.

Широко распространенным примером специализированной МПС является программируемый контроллер (ПК).

Для лучшего понимания выполняемых ПК функций и особенно­стей его структуры обратимся к схемам, реализую­щим различные логические операции при управлении ЭП - запре­щение включения одного контактора при включенном другом, раз­решение включения двигателя при нажатии кнопки управления и отсутствии запрещающего сигнала защиты и др. Подобные схемы получили название жесткой (или монтажной) логики, так как осу­ществление заданных логических операций обеспечивается опре­деленным набором элементов и связями между ними. При реализа­ции сложных систем управления (20...30 элементов и более) схемы с жесткой логикой приобретают большие массу и габаритные раз­меры, возрастает их энергопотребление, усложняются наладка и диагностика их работы и соответственно ремонт. Самый же суще­ственный недостаток таких схем, как уже отмечалось, состоит в сложности их переделки (перемонтажа) при введении новых функ­ций или их частичном изменении.

Альтернативным (технически и экономически более целесооб­разным) решением при создании сложных схем управления ЭП яв­ляется применение программируемых контроллеров как разновид­ности МПС. Применение ПК позволяет избежать всех тех недостат­ков, которые характерны для схем с жесткой логикой, и в первую очередь отсутствия гибкости при реализации сложных законов уп­равления. Программируемый контроллер - это специализирован­ная МПС, предназначенная для обработки логических входных сиг­налов, их преобразования и выработки управляющих воздействий на ЭП и работающая по заранее заданной программе. Процесс об­работки поступающей информации и выработки управляющих воз­действий осуществляется в ПК по программе и происходит в реаль­ном масштабе времени.

Рис.197.Структурная схема программируемого контроллера (ПК)

В состав ПК (рис.197) входят запоминающее устройство ЗУ, в котором содержится программа его работы; логический процессор ЛП (АЛУ на схеме рис. 195), осуществляющий логические опера­ции над последовательно вводимыми в него сигналами; коммута­торы входных К1и выходных К2 сигналов; устройства сопряжения ПК с входными УС1 и выходными УС2 сигналами, а также память П, в которую поступают результаты выполнения логических опе­раций.

Входные сигналы u_{вх 1}, u_{вх 2}, ... , u_{вх n} содержащие информацию о ходе технологического процесса, режимах работы отдельных частей ЭП, состоянии защиты, поступают на вход устройства сопряжения УС1, которое обеспечивает их гальваническую развязку и формирова­ние из них сигналов, соответствующих по значению и виду, исполь­зуемым в данном ПК.

Сформированные таким образом сигналы поступают на вход коммутатора К1, который последовательно подает на ЛП тот из них, адрес которого содержится в очередной команде, поступа­ющей из ЗУ.

После выполненных ЛП преобразований, которые также опре­деляются заложенной в ЗУ программой, сигналы через коммутатор К2 поступают в регистр памяти П и далее через УС2 на выход ПК.

Заметим, что последовательный принцип выполнения операций увеличивает время обработки информации, но так как время вы­полнения одной отдельной операции составляет всего лишь несколь­ко микросекунд, быстродействие ПК в большинстве случаев ока­зывается вполне достаточным.

В качестве входных допускаются сигналы напряжением от 5 до 250 В постоянного или переменного тока, общее число которых может достигать тысячи и более. Выходные устройства сопряже­ния УС2 обычно строятся на основе оптронных тиристоров, обес­печивающих гальваническую развязку выходных цепей и позволя­ющих управлять достаточно мощными исполнительными устрой­ствами - реле, контакторами, катушками электромагнитов и др.

В теории цифровых систем управления показывается, что лю­бые логические преобразования могут быть выполнены с помощью простейших логических операций И, ИЛИ, НЕ. Это положение оп­ределяет простоту программного обеспечения работы ПК, доступ­ного, в том числе персоналу, не имеющему специальных знаний в области программирования МПС. Типовыми командами ПК явля­ются команды загрузки, логические, присвоения, управления цик­лом и специальные. Система команд имеет соответствующее мне­моническое обозначение.

Цифровые регуляторы.В электроприводах с прямым цифровым управлением микропроцессоры выполняют функции регуляторов ( П -, И -, ПИ-, Д -, ПИД-регуляторов). Рассмотрим это на примере ПИД - регулятора. Поступающая на вход микропроцессора информация от датчика обрабатывается в дискретные моменты времени через равные интервалы. В результате вместо непрерывной (аналоговой) функции х(t) получают последовательность чисел х_1, х_2, х₃,…, х_k, х_k+1 , которую называют дискретной, или «решетчатой», функцией. Поскольку рассматривается только фиксированные моменты времени, взятые через равные интервалы времени, аргументом такой функции считают не время, а номер интервала – k. Зная величину интервала и его номер, можно определить, к какому моменту времени относится значение рассматриваемой функции. Так, если решетчатая функция вычисляется через 0,5 с, то пятый интервал соответствует времени t=2,5 с и т.д. Как и в аналоговом регуляторе, пропорциональная составляющая выходного сигнала соответствует изменению величины входного сигнала в те же моменты времени: k·х_k. Для получения интегральной составляющей необходимо проинтегрировать входной сигнал. В цифровых регуляторах интеграл от непрерывной функции x(t) заменяется суммой прямоугольников площадью х_kΔt. В результате получаем интегральную составляющую выходного сигнала для k-го интервала:

где Т_и - постоянная времени интегрирования.

В такой же дискретной форме вычисляется и дифференциальная составляющая. При этом производная приближенно заменяется отношением конечных приращений:

Приращение функции Δх представляет собой разность двух соседних значений решетчатой функции:

Δх_k =х_k - х_k-1.

Величину Δх_k называют конечной разностью.

Таким образом, мы получаем дифференциальную составляющую выходного сигнала:

Величина Т_д представляет собой постоянную времени дифференцирования. Шумы и помехи не оказывают на цифровое дифференцирование такого сильного влияния, как на аналоговое, поэтому его широко применяют на практике. Однако для получения точного значения производной необходимо делать промежуток времени достаточно малым.

Суммируя все три составляющие, получим выходной сигнал ПИД – регулятора:

Эта формула представляет собой алгоритм работы ПИД - регулятора. Его недостатком является то, что в памяти микропроцессора необходимо хранить все значения входного сигнала х_k и каждый раз вычисляя выходное воздействие, все их суммировать. Такой алгоритм называют позиционным, на его реализацию тратится много машинного времени.

Существует ряд алгоритмов, отличающихся от приведенного, с их помощью находят ту же самую передаточную функцию, но за существенно меньшее машинное время, что увеличивает быстродействие цифровой системы.

Схема электрического привода с использованием микропроцес­сора. Рассмотрим схему ЭП с двигателем постоянного тока [1] для регулирования положения исполнительного органа робототехнического устройства с использованием микропроцессорного управ­ления (рис. 190, а). Этот ЭП должен обеспечивать перемещение и точное позиционирование исполнительного органа робота в соот­ветствии с диаграммой, приведенной на рис. 17, для чего в нем ис­пользуется обратная связь по положению. Для обеспечения высо­кой точности позиционирования в ЭП осуществляется также регу­лирование тока (момента) и скорости ДПТ.

Схема, приведенная на рис. 190, а, является характерным приме­ром выполнения подобных схем с применением как аналоговых, так и цифровых узлов и устройств управления. Такие схемы, получившие на­звание цифроаналоговых, существенно улучшают характеристики ЭП. Силовая часть ЭП включает в себя трехфазный мостовой ревер­сивный тиристорный преобразователь ТП, питаемый от трансфор­матора ТР. Схема управления построена по принципу подчинен­ного регулирования координат.

Регулирование тока производится аналоговым пропорционально-интегральным регулятором тока РТ, на вход которого поступа­ют сигнал обратной связи по току от датчика тока ДТ и сигнал за­дания тока U_{з. т}, с выхода регулятора скорости РС.

Аналоговый пропорциональный регулятор скорости PC форми­рует сигнал задания тока U_{з. т} на основе своего задающего сигнала U_{з. с}, поступающего на него с внешнего контура положения, и сигна­ла обратной связи по скорости, вырабатываемого тахогенератором ТГ. Стабилитроны VD1 и VD2 ограничивают сигнал на выходе PC, т.е. обеспечивают ограничение тока и момента двигателя.

Регулирование положения осуществляется с помощью микропро­цессорной системы, включающей в себя микропроцессор МП, уст­ройства памяти ОЗУ и ПЗУ, устройства сопряжения УС1-УСЗ, циф­ровой датчик положения ДП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. Сигнал задания положения S_{з. п} поступает (задается) с терми­нала Т, подключаемого к микропроцессорной системе через УСЗ.

Работа цифрового регулятора положения на основе микропро­цессорной системы может основываться на одном из двух принци­пов. Первый из них предусматривает реализацию статической ха­рактеристики регулятора в виде параболы, которая обеспечивает оптимальный график движения ЭП. Такой регулятор можно реализовать программным путем, записав в ПЗУ эту нелинейную характеристику РН.

Второй принцип работы РП основывается на вычислении момен­та начала торможения ЭП, что также позволяет получить такие же кривые движения. Рассмотрим этот способ подробнее.

Рис.198.Схема (а) и фрагмент алгоритма программы (б) ЭП с микропроцессорным управлением

Реализация способа основана на том, что при известных уста­новившейся значениях скорости Ω_уст и ускорения ε = (М - М)/J_э, могут быть рассчитаны время t_т и путь S_т на уча­стке торможения ЭП в конце отработки заданного перемещения S_{з. п} по следующим формулам:

t_т=Ω_ycт/ε; S_т= Ω²_ycт /(2ε). (312)

Алгоритм работы микропроцессорной системы при выработке сигнала на торможение приведен на рис. 198, б. Для его реализа­ции в микропроцессорную систему вводятся данные по величинам Ω_уст, ε, S_{з. п} и сигнал датчика положения S_п, пропорциональный те­кущему положению вала двигателя и исполнительного органа. Мик­ропроцессорная система производит вычисление по (312) вели­чин t_т и S_т и разности S₁=S_{з. п}-S_т. Затем сопоставляется значение разности S₁, с сигналом датчика положения S_п. Как только S_l станет равной S_п, от микропроцессорной системы выдается команда на тор­можение ЭП, начинается отсчет выдержки времени t_т и по истече­нии этого времени выработается команда на его отключение.

В качестве микропроцессорной системы в этом ЭП могут быть использованы современные программируемые микроконтроллеры.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите структурную схему микропроцессорной системы (МПС) и поясните назначение узлов и блоков этой системы.

2.Приведите пример применения микропроцессорной системы управления в составе ЭП постоянного тока и дайте пояснения работы ее.