Раздел. III. Микропроцессорные системы управления электроприводами. Микропроцессорные средства управления электропривода


Глава 18. Микропроцессорные средства управления электроприводами

18.1. Состав и архитектура микропроцессорных систем

Микропроцессор (МП) - это программно управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, реализованное на одной или нескольких больших интегральных схемах БИС; другими словами, МП – это стандартное универсальное устройство, позволяющее реализовать приём, обработку и передачу цифровой информации.

Микропроцессорная система (МПС) – это совокупность взаимосвязанных устройств, включающая один или несколько (МП), память (ЗУ), устройство ввода-вывода и ряд других устройств, предназначенных для выполнения некоторых чётко определённых функций.

Микроконтроллер (МКО) – устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операции) и управления; реализуемое на одной или нескольких БИС. МКО – это микропроцессорное устройство, в котором за счёт сокращения функций по выполнению арифметических операций можно уменьшить его аппаратную сложность и развить функции логического управления.

Микропроцессорный комплект интегральных схем (МПК ИС) – это совокупность микропроцессорных БИС (базовый МПК) и других ИС, однотипных по конструктивному, технологическому исполнению, для которых обеспечена функциональная, структурная, информационная и энергетическая совместимость при использовании МПС.

Структура и взаимосвязь основных средств микропроцессорной техники (МТ) в рамках микропроцессорных автоматических систем (МПАС) показана на рис.18.1.

МП включает арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и блок регистров (БРГ), в который входят регистры: аккумулятор, адреса, флаговые, состояния, программный счётчик, общего назначения, стековые и т.д.

МПС включает помимо МП (одного или нескольких), оперативное и постоянное ЗУ (ОЗУ и ПЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ), ряд других устройств.

Взаимодействие частей МПАС осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ШД), и управления (ШУ), связывающих в единую систему компоненты МПС, а также шин измерения, контроля и управления, которые совместно с соответствующими устройствами связи с объектом (процессом) обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом.

Рис. 18.1. Структура микропроцессорной автоматической системы МПАС

МПС могут быть конструктивно подготовлены для работы с человеком-оператором, т.е. иметь каркас, панель управления и другие необходимые компоненты – в этом случае её называют микро-ЭВМ. МПС могут предназначаться для агрегатирования, т.е. для работы в конструктивно и функционально едином комплексе аппаратуры.

В последнем случае речь идёт о реализации распределённых средств управления обработки информации в рамках МПАС. Распределённость здесь означает, прежде всего, расчленение (декомпозицию) общего алгоритма управления на ряд параллельных или последовательно реализуемых алгоритмов, не связанных насколько это возможно друг с другом во времени, и, кроме того, оптимальное пространственное распределение процессов управления и обработки информации путём встраивания средств МТ непосредственно в датчики, регулирующие исполнительные и другие устройства [3-10].

При этом более эффективно решаются задачи обеспечения быстродействия, надёжности, живучести, сокращения размеров и уменьшения массы средств автоматического управления, регулирования, контроля и сбора данных. Характерные свойства МП дают возможность встроенного управления каждой отдельной единицей аппаратуры, оборудования, что обеспечивает создание полностью автоматизированных локальных систем и процессов.

Проектирование сложной технической системы предполагает расчленение её на некоторые функционально законченные подсистемы. При этом важно иметь общее представление о структуре, как системы в целом, так и отдельных её подсистем. В случае использования в системе МП средств немаловажно установить взаимосвязь структуры с соответствующим алгоритмическим обеспечением. В сложных системах, например в системе управления промышленного робота, в качестве подсистем принято выделять иерархические уровни управления [3-14].

На примере робототехнической системы рассмотрим разделение общей задачи управления действиями робота на несколько самостоятельных подзадач или уровней управления. В общем случае принято выделять три иерархических уровня управления: исполнительный, тактический и стратегический.

На нижнем (исполнительном) уровне осуществляется управление приводами подвижных звеньев исполнительного механизма робота. При этом основная задача управления заключается в расчёте и выдачи на системы управления приводами таких сигналов, которые обеспечивают качественное исполнение законов движения по отдельным степеням подвижности робота.

На втором (тактическом) уровне вычисляются законы согласованного движения звеньев исполнительного механизма робота, обеспечивающие целенаправленное перемещение его рабочего органа по некоторой траектории, задаваемой вышестоящим уровнем управления.

На третьем (стратегическом) уровне планируется траектория движения рабочего органа ПР (промышленного робота), соответствующая выполнению роботом предписываемой ему технологической операции.

Ещё один важный аспект, характеризующий общую структуру системы управления ПР, связан с особенностями организации вычислительно-логического блока.

В последние годы наметилась тенденция к использованию принципа децентрализованного управления при построении систем управления ПР. Вычислительно-логический блок в таких системах реализуется с помощью нескольких микро-ЭВМ или МП модулей, на каждый из которых возлагается решение самостоятельной задачи.

Очевидное преимущество децентрализованного управления в возможности параллельного ведения вычислительного процесса, а значит, в расширении возможностей системы управления за счёт решения более сложных задач в реальном масштабе времени по сравнению с системами централизованного управления. Кроме того, использование автономных контролеров для каждого из приводов позволяет улучшить качество процессов управления за счёт повышения частоты выдачи управляющих сигналов на аналоговую часть приводов.

Все МП можно разделить на два типа:

  • однокристальные МП с фиксированной разрядностью слова и фиксированной системой команд;

  • многокристальные МП с изменяемой разрядностью слова и микропрограммным управлением.

studfiles.net

Раздел. III. Микропроцессорные системы управления электроприводами

Глава 17. Основные понятия и математические основы дискретных систем управления

17.1. Значение микропроцессорной техники в развитии систем электропривода

В настоящее время все большее значение приобретают системы микропроцессорного (цифрового) управления электроприводами, вытесняя традиционные непрерывные (аналоговые) системы управления.

Основными достоинствами микропроцессорных систем управления электроприводом (МПСУЭП) являются:

  1. гибкость системы, которая обеспечивается реализацией различных алгоритмов управления программными средствами без изменения аппаратной основы;

  2. возможность изменения структуры и параметров системы в реальном масштабе времени;

  3. обеспечение более высокой точности регулирования;

  4. высокая помехоустойчивость;

  5. возможность модернизации характеристик управления и реализации нелинейных функций;

  6. осуществление непосредственного цифрового управления, реализующего сложные алгоритмы.

До недавнего времени главным недостатком микропроцессорных систем по сравнению с аналоговыми системами было ограниченное быстродействие, но в связи с развитием микропроцессорной техники (МТ) появились микропроцессоры (МП), способные выполнить до нескольких миллионов операций в секунду, что позволяет создавать микропроцессорные системы (МПС), работающие в реальном масштабе времени.

Благодаря широкому внедрению в последние годы гибких производственных систем и роботизированных технологических комплексов, увеличению выпуска систем с числовым программным управлением (ЧПУ) возникает задача расширения производства автоматизированных электроприводов с микропроцессорным управлением, широкого применения встроенных средств на основе микропроцессоров и МП техники.

Эффективным средством повышения технико-экономи-ческих показателей работы систем с программным управлением является разработка комплектного электрооборудования, в состав которого входят устройства ЧПУ, а также программируемые контроллеры, осуществляющие автоматическую работу технологического оборудования [3-13].

Функциональная гибкость электрооборудования увеличивается благодаря программной реализации алгоритмов цифрового управления электроприводом, обеспечивающей перестройку структуры и параметров регуляторов путём изменения программного обеспечения.

Использование микропроцессорного управления особенно важно для создания гибких производств.

В современных электроприводах распространены как системы управления с традиционными пропорционально-интег-ральными (ПИ) регуляторами, так и системы, использующие новые принципы управления с переменной структурой, скользящим режимом, с наблюдателями состояния и эталонными моделями. Реализация новых принципов управления наиболее успешна на основе микропроцессоров.

Большое значение имеют вопросы создания средств защиты и диагностирования ЭП. Наблюдается тенденция замены аналоговых систем защиты на цифровые, являющиеся более эффективными.

Анализ применяемости средств МП техники показывает, что наиболее широко в электроприводах с МПС управления применяют 16-разрядные МП “Intel 8086” и “Intel 80186” (отечественные аналоги серия К1810). В электроприводах переменного тока также используют несколько МП или однокристальных микро-ЭВМ с процессором “Intel”. В новых разработках применяют 16-разрядные однокристальные микроконтроллеры “Intel 8096” и “Intel 80196” [3-9, 3-13].

Широкое использование МП-техники в ЭП не означает полного отказа от элементов аналоговой техники. При использовании в ЭП дискретных и аналоговых элементов стремятся достигнуть технико-экономического оптимума.

studfiles.net

Микропроцессоры в системах электропривода

привело к широкому использованию в узлах систем управления интегральных микросхем (ИМС).

ИМС представляют собой микроэлектронные устройства с высокой плотностью компоновки элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др. Номенклатура ИМС определяется их функциями и масштабом производства. Наиболее широко употребляемые массовые ИМС можно отнести условно к группе базовых ИМС. По желанию заказчика могут создаваться ИМС со специализированными функциями. Такие ИМС называют заказными, целесообразность их применения зависит от техникоэкономических факторов.

По технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. Полупроводниковая ИМС – кристалл полупроводника, в котором выполнены все элементы микросхемы. Пленочные ИМС выполнены в виде пленок проводящих и непроводящих материалов. Гибридные ИМС содержат более сложные компоненты (например, несколько полупроводниковых кристаллов в одном корпусе).

По функциональному назначению микросхемы делят на аналоговые и цифровые. Цифровые ИМС обрабатывают импульсные сигналы с двумя ярко выраженными уровнями: высокий уровень, соответствующий логической 1 (напряжение 5...10 В) и низкий уровень, соответствующий логическому 0 (напряжение 0...1 В). Существует огромное множество цифровых ИМС, выполняющих функции регистров, сумматоров, инверторов, элементов памяти, и т. д. Аналоговые ИМС преобразуют непрерывные переменные во времени сигналы – усилители сигналов, генераторы аналоговых сигналов, фильтры, перемножители сигналов и др. В настоящее время широкое распространение получили операционные усилители (ОУ).

Микропроцессор (МП) — программно-управляемоеустройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Основные узлы МП (рис. 2.2.1.2) –арифметически-логическоеустройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Для взаимодействия МП с внешним миром необходимы запоминающие устройства для хранения программ и результатов промежуточных вычислений, устройства ввода-вывода(УВВ) информации и др. Совокупность перечисленных устройств называется микропроцессорным устройством (МПУ).

Устройство ввода-выводаобычно разделяют на две части: интерфейс (англ, interface – устройство отображения) и внешнее или периферийное устройство. Интерфейс преобразует сигналы от МП в сигналы, воспринимаемые внешним устройством, и наоборот. Периферийные устройства, связанные с объектом управления, называются также устройствами сопряжения (УСО). Обычно они согласовывают сигналы, поступающие с датчиков, контролирующих параметры объекта с интерфейсом МПУ. Устройства сопряжения обычно включают в себя преобразователи аналоговых сигналов в

10

цифровые (АЦП) и наоборот — цифровые в аналоговые (ЦАП), а также усилители сигналов.

Микропроцессор АЛУ УУ

Память Память (данные) (программа)

УВВ МПУ

Объект Рис. 2.2.1.2. Упрощенная структура МПУ

На основе МПУ создаются различные вычислительные устройства, чаще всего рассчитанные на взаимодействие с человеком и содержащие в качестве средств связи клавиатуру и дисплей. Если МПУ используется для управления различными техническими устройствами, объектами или техническими системами, то такие МПУ называются микропроцессорными контроллерами или микроконтроллерами.

Рассмотрим кратко пример использования микроконтроллера, на рис. 2.2.1.3 [6] приведена упрощенная схема плавного пуска двигателя. Пуск двигателя в этой схеме осуществляется от трехфазной сети через встречновключенные тиристоры VS в каждой фазе. Плавный пуск реализуется за счет регулирования напряжения на обмотке двигателя, изменением угла управления тиристорамиVS по заданному закону.

Система обеспечивает управление тиристорами, формируя импульсы управления в заданные моменты времени, соответствующие углам управления α (рис. 2.2.1.4). Для этого в нее должны входить датчики нуля напряжения (ДНН), фиксирующие моменты начала отсчета угла включенияα и блока тиристоров (БТ). Сигналы с ДНН поступают на микропроцессорную систему и служат для запуска таймеров соответствующей фазы. Таймер представляет собой счетчик импульсов внутреннего генератора стабильной частоты. С приходом сигнала от ДНН этот счетчик начинает считать. От обычного счетчика таймер отличается наличием предуставки, т. е. определенного числа, при достижении которого счетчик таймера останавливается и выдает выходной сигнал. Этот сигнал подается на устройство управления тиристорами и служит для отпирания соответствующего тиристора. Счетчик тайме-

11

ра сбрасывается на ноль и ждет появления следующего импульса от соответствующей фазы ДНН.

Предуставка таймера может изменяться, вместе с этим будет меняться и угол включения α тиристора. Для этого каждый канал таймера подключается к микропроцессору через параллельный интерфейс вывода. На микропроцессор возлагается задача менять предуставки таймера в соответствии с выбранным законом изменения напряжения на двигателе АД. Этот закон может быть задан как некоторая функцияu(t), гдеt — текущий момент времени пуска двигателя. В этом случае напряжение будет меняться по жесткому законуu(t) вне зависимости от того, как будет происходить реальное увеличение числа оборотов двигателяu(t). При возможных отклонениях в условиях пуска (пуск в холодную погоду, загустевание смазки в подшипниках и т. п.) такой жесткий закон может привести к появлению токовых перегрузок двигателя.

Более надежным способом пуска является использование функциональной связи между напряжением на двигателе U, токомI через его обмотки и числом оборотовn:U =f(I,n). Подставив в эту формулу ограничение по току

I =Iдоп, получим закон изменения напряженияU(t) =f(Iдоп,n(t)). Однако для реализации этого закона нужен датчик частоты вращения двигателя. Такой

датчик требует дополнительного канала таймера — канала записи момента

— со счетчиком и генератором стабильной частоты.

После разгона двигателя до номинальной скорости, угол α становится равным нулю. Тиристоры имеет смысл шунтировать силовыми контактами контактораКМ, управление которым осуществляет МП.

В зависимости от конкретных условий применения микроконтроллеры могут иметь различное конструктивное исполнение и быть смонтированы на одной или нескольких платах. Последнее время преимущественно используются одноплатные контроллеры на основе однокристальной микросхемы, включающей в себя 95...98% общего числа элементов слаботочной платы, включая микропроцессор, память, интерфейсы и др.

В электроприводах низкого и среднего класса для реализации алгоритмов управления и обеспечения полного набора функций применяют 8- разрядные микроконтроллеры, в электроприводах высокого класса – 16разрядные высокопроизводительные микроконтроллеры. Для решения большинства задач управления в электроприводах низкого и среднего класса, которые на рынке в основном занимают промышленный и бытовой сектора, наиболее подходящими являются 8-разрядныемикроконтроллеры. В их функции входят: вычисление необходимого набора значений, формирование и вывод импульсных комбинаций, требуемых для работы инвертора, слежение за параметрами силовых полупроводниковых приборов (СПП): ток, температура нагрева; предупреждение аварийных ситуаций, их анализ и безопасный выход из них.

12

Рис. 2.2.1.3. Упрощенная схема с микроконтроллером для пуска двига-

теля

Рис. 2.2.1.4. Регулирование напряжения встречно-включеннымитиристорами

13

В последнее время получил широкое распространение векторный способ управления электродвигателями переменного тока различных типов (асинхронными двигателями, бесколлекторными двигателями постоянного тока, двигателями с переменным магнитным сопротивлением и т.д.), который обеспечивает с помощью преобразователя частоты раздельное регулирование частоты вращения ротора и момента двигателя путем изменения амплитуды и фазы напряжения на зажимах обмотки статора двигателя. Для осуществления векторного способа управления лучше применять шестнадцатиразрядные микроконтроллеры.

2.2.1.2. Системы электропривода с двигателями постоянного тока.

Уравнения и режимы работы двигателя постоянного тока. Однофазный и трехфазный силовой преобразователь. Примеры расчетов. Импульсные схемы электропривода

Основной вид регулируемых электромеханических систем – системы с электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ). Для питания якорных цепей двигателей и обмоток возбуждения (ОВ) используются полупроводниковые преобразователи напряжения. В большинстве современных преобразователей используются тиристоры.

Преимущества тиристорных преобразователей (ТП) напряжения переменного тока в постоянный:

1)высокий КПД;

2)малая инерционность;

3)высокий коэффициент усиления по мощности;

4)высокая надежность, обеспечиваемая быстродействующей защитой и блочным исполнением СУ.

5)не содержат вращающихся частей;

6)имеют меньшую массу, чем электромашинные преобразователи напряжения;

7)не требуют для своей установки дорогостоящих фундаментов.

8)Применение ТП для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока позволяет на 5...7% повысить КПД электропри-

вода по сравнению с системой генератор—двигатель.

Основные недостатки ТП:

-низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании выпрямленного напряжения;

-значительное влияние мощных преобразователей на амплитуду и форму напряжений питающей сети.

-обладают меньшей помехоустойчивостью и повышенным уровнем излучаемых радиопомех по сравнению с электромашинными преобразователями.

14

studfiles.net

2.6. Микропроцессорное управление электроприводами

Для приведения в движение рабочих органов различных механизмов преимущественно используются электрические двигатели. Электродвигатель, его система управления и передаточный механизм в совокупности составляют систему электропривода. В настоящее время электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД с КЗР), является основным потребителем электроэнергии.

Наиболее эффективным способом регулирования АД с КЗР является частотный способ регулирования, изменением амплитуды и частоты, подводимого к статору напряжения. Создание силовых полупроводниковых приборов дало возможность построения компактных преобразователей энергии, в том числе и преобразователей частоты [19]. На современном этапе управление такими преобразователями осуществляется цифровыми микропроцессорными устройствами, входящими в их состав. Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см. рис. 2.54).

Рис. 2.54. Принципиальная схема частотно регулируемого электропривода: ПЧ – преобразователь частоты; ИО – исполнительный орган; ЧРП – частотно регулируемый электропривод

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

Частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания

, (2.1)

где – частота напряжения питания, В;– число пар полюсов.

На зависимости (2.1) и основан метод частотного регулирования. Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется зависимостью

, (2.2) где - постоянный коэффициент.

Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const. В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f 2 = const.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 2.55).

Рис. 2.55. ЧРП с явно выраженным звеном постоянного тока

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах. Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 2.56. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (Uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (Uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение Ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рис. 2.56 изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения (АИН) как получившая наибольшее распространение.

Рис. 2.56. Структура низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах: 1 – управляемый или неуправляемый выпрямитель; 2 – фильтр; 3 – автономный импульсный инвертор; 4 – фильтр

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения Udв трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение Uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, приклады-

ваемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2-15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения Uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения Ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует).

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (U вых = var, f вых = var).

studfiles.net

Системы микропроцессорное управление станками с ЧПУ

Все более возрастающие требования к точности электропривода привели к использованию микропроцессоров, принцип действия кото­рых основан на цифровых интегральных микросхемах со степенью интеграции сотни тысяч электронных компонентов. Такие микросхе­мы носят название больших интегральных схем (БИС).

Микропроцессором называется функционально закон­ченное устройство цифровой обработки информации, осуществляе­мой по заранее заданной программе, и выполненное на основе специально разработанных БИС. По назначению он близок к процес­сору ЭВМ, однако обладает ввиду малых размеров меньшими функ­циональными возможностями. Размеры однокристального микропро­цессора (5X5X0,2 мм) не превосходят размеров обычных БИС. Особенностью микропроцессорного управления является главенст­вующая роль программного обеспечения, а не его аппаратных средств. Это неограниченно расширяет функциональные возможности управ­ляемого электропривода, так как позволяет заменить громоздкие устройства традиционной электромеханической автоматики с жестки­ми логическими связями легкоперестраиваемыми малогабаритными программируемыми устройствами. Функции, которые реализуются микропроцессором, определяются его управляющей частью и задают­ся определенным набором команд, записываемых заранее в запоми­нающих устройствах.

Микропроцессоры различаются разрядностью чисел, обрабаты­ваемых одной командой, числом регистров, разрядностью числовых и управляющих шин для связи с другими элементами и составом самих команд.

Основными узлами микропроцессора являются арифметическо-логическое устройство, регистры и устройство управления, объеди­няемые информационными шинами.

Арифметическо-логическое устройство выполняет все арифмети­ческие и логические операции (типа И, ИЛИ, НЕ и др.). Устройство управления формирует внутренние команды микропроцессора при поступлении команд из внешней памяти. Оно вырабатывает серию микроприказов, которые подаются на арифметическо-логическое уст­ройство и другие элементы микропроцессора. Регистр предназначен для запоминания информации и простейших преобразований: сброса (установка в нуль), временного хранения, приема и передачи инфор­мации из других устройств, сдвига на нужное число разрядов, пораз­рядного сложения и др.

Для управления станками с помощью микропроцессора необхо­димо также наличие периферийных устройств, объединяемых вместе с арифметическо-логическим устройством и устройством управления под названием «микропроцессорная система». На рис. 1.11 приведена схема такой системы.

Рис. 1.1. Схема микропроцессорной системыРис. 1.1. Схема микропроцессорной системы

Запоминающее устройство программы ЗУП хранит команды, которые составляют программу работы микропроцес­сора МП. Запоминающее устройство данных ЗУД  хранит данные, которые предназначаются для обработки микропроцес­сором.

Устройство ввода — вывода УВВ служит для ввода данных в запоминающее устройство данных и их вывода к внешним устрой­ствам.

Для управления микропроцессором обычно используется 78 команд, поступающих из запоминающих и логических устройств. Эти команды управляют операциями ввода — вывода, логическими и арифметическими операциями в заданном коде, операциями загрузки и хранения в накопители памяти.

Для микропроцессорных систем управления разрабатываются специальные датчики обратной связи.

Так как микропроцессор обрабатывает цифровую информацию, то сигналы управления, получаемые от датчиков, задают в виде импуль­сов. Чаще всего применяют кодовые и импульсные датчики механи­ческих параметров электропривода. При использовании же аналого­вых датчиков для согласования их с микропроцессором необходимы быстродействующие аналого-цифровые преобразователи.

Микропроцессоры могут управлять электроприводами главного движения и подач, имеющими в своем составе любой тип исполни­тельного электродвигателя.

Применение микропроцессора в регулируемых приводах постоян­ного и переменного тока позволяет улучшить их характеристики: повысить точность регулирования частоты вращения, снизить ошибки положения подвижных органов и время переходных процессов. Пу­тем перепрограммирования можно быстро перестроить регуляторы на заданный параметр управления.

При использовании микропроцессоров в регулируемом приводе необходимо выбирать алгоритм функционирования привода в целом независимо от схемы его построения, типа микропроцессора и метода построения аппаратной части привода, зависящей от способа пред­ставления аналого-цифровой информации.

Главной частью простейшей структурной схемы микропроцес­сорного управления приводом (рис. 1.2, а) является цепь цифрового регулирования. Микро­процессор МП выполняет функции задания скорости и через цифро- аналоговый преобразователь ЦАП подает сигнал на электропривод ЭП. При такой простой схеме используют и аналоговые датчики обратной связи. В более сложной схеме управления (рис. 1.2, б) микропроцессор вырабатывает по­следовательность импульсов, кото­рые после усиления воздействуют на тиристорный блок управления. В этой схеме применяют цифро­вые датчики обратной связи ЦД, сигналы которых непосредственно подаются на микропроцессор. Существуют и такие сложные схемы управления, в которых используют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи как в прямом тракте управления, так и в цепи обратной связи.

Рис. 1.2. Структурные схемы микро-процессорного управления аналоговым приводом постоянного токаРис. 1.2. Структурные схемы микро-процессорного управления аналоговымприводом постоянного тока

где: : а — с аналоговыми датчиками обратной связи, б — с цифровыми датчиками обрат¬ной связи.

Микропроцессоры широко применяют и для управления регу­лируемыми приводами переменного тока. В этом случае в функции микропроцессора входит не только пуск и остановка двигателя при­вода, но и изменение времени пуска и торможения, определение неисправности в системе управления, подача команд на включение токоограничивающих сопротивлений. Наибольшей простотой и эко­номичностью, как было отмечено выше, отличается способ регулиро­вания частоты вращения асинхронного двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.

На рис. 1.3 показана структурная схема такого управления с помощью микропроцессора. Тиристорный преобразователь частоты  состоит из тиристорного преобразователя (выпрямителя) УВ, сглаживающего пульсации тока фильтра Ф и инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный И. Управление этими устройствами осуществля­ет система управления СУ. Она выполняет управление путем изменения напря­жения и частоты на статорных обмотках трехфазного асинхронного двигателя М. Для этого используют обратную связь по скорости ДС, току ДТ и напряжению ДН. Все эти сигналы обрабатывает система регулирования, после чего микропроцессор формирует управляющие воздействия.

Применение микропроцессоров позволяет совершенствовать и по­лучать новые системы управления электроприводом, не имеющие прототипов ни в аналоговом, ни в дискретном электроприводах с аппаратной системой. Это особенно важно при создании сложных систем, реализация которых из-за очень большого числа элементов и громоздкости алгоритма управления аппаратными средствами не­целесообразна.

Рис. 1.3. Структурная схема микропроцессорного управления приводом переменного токаРис. 1.3. Структурная схема микропроцессорного управления приводом переменного тока

С применением микропроцессорных систем не только заметно повышается надежность регулируемого электропривода, но и упроща­ется его ремонт, обслуживание, снабжение запасными элементами. Микропроцессоры могут многократно использоваться при замене электромеханической части привода и при переходе на совсем иной тип привода; для этого необходима разработка новых программ.

elenergi.ru

Функциональная схема электропривода с микропроцессорным управлением

Микропроцессорное управление может применяться на уровне модулей двигателя, регулятора, регулируемого источника питания, силового преобразователя, передаточных устройств. При этом МП используются для решения логических и вычислительных задач управления на уровне модулей. При объединении их в систему они образуют МП-сеть, которая управляется общим вычислительным устройством.

Рис. 3. Типичная система электропривода с МП-управлением

Возможно и другое решение: для управления электроприводом используется стандартное устройство управления, на которое возлагается задача реализации всех логических и арифметических функций управления объектом. Чаще всего предпочтительным является использование в этом случае программируемого контроллера подходящего типа. Часть задач при этом может быть решена с помощью устройства жесткой логики. Это относится к задачам, не требующим гибкого управления. Структура МП-управления электроприводом может иметь большое число разновидностей. Одна из них, которую можно принять за типичную, приведена на рис. 3 в виде функциональной схемы. Структура МП-электропривода включает в себя следующие блоки и устройства.

1 — устройство связи (УС) со старшей по иерархии ЭВМ или с оператором. В УС используются преобразователи кодов, пульт управления с устройством отображения.

2— управляющее вычислительное устройство (УВУ), состоящее из аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО). Аппаратные средства — это по существу комплекс жестко закоммутированных автоматов, который за счет использования специальных программ становится функциональным узлом специфического применения. В системе управления УВУ занимает центральное место, вырабатывая управляющие сигналы на основании директив, поступающих через УС от ЭВМ следующего по иерархии уровня, и сигналов с датчиков, установленных в устройствах 3—8 системы.

3— устройство жесткой логики (УЖЛ) представляет со­ бой систему отдельных жестко закоммутированных блоков управляющей аппаратуры. Эта аппаратура служит для автономного управления процессом при выходе из строя ЭВМ, при необходимости вмешательства обслуживающего персонала в ход управления процессом. В ряде случаев эти блоки или часть их участвуют в автоматическом режиме работы, если от системы требуется высокое быстродействие. Выходные сигналы УЖЛ поступают на входы источника питания (ИП) и силового преобразователя (СП).

4— управляемый источник силового питания. В случае частотно управляемого электропривода в качестве ИП применяется управляемый выпрямитель на тиристорах или транзисторах. В системе ШИП — Д постоянного тока или в вентильном приводе ИП обычно реализуется на неуправляемом выпрямителе. В системах УВ—Д и ЦК — АД функции ИП и СП совмещаются в устройстве СП. Жирными стрелками на рис. 3 отмечено направление потока электроэнергии в двигательном и рекуперативном режимах, светлыми — потоки информации. ИП получает от УВУ и ЖЛ управляющие сигналы, в обратном направлении следует диагностическая и сигнальная информация.

5— силовой преобразователь СП питания для силовых цепей требуемых параметров. Обычно СП представляет собой управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь или источник напряжения или тока переменной частоты. Поток электроэнергии в СП также двусторонний в зависимости от режима двигателя. От ЖЛ и УВУ поступают управляющие сигналы, в обратном направлении следует диагностическая и сигнальная информация.

6— электродвигатель (Д) представляет собой модуль, состоящий из собственно двигателя, датчиков скорости, пути и датчика температуры обмоток.

7 — передаточное устройство (ПУ): соединительные муфты (неуправляемая или управляемая типа электромагнитной муфты скольжения), редуктор, а также необходимые датчики. Устройства управления некоторыми ПУ, например муфтами скольжения, могут быть достаточно сложными, и поток информации может быть двусторонним.

8 — рабочий орган (РО) механизма (например, резец, схваты робота, приводное колесо и т. д.) с соответствующими датчиками.

Конструктивно некоторые устройства могут быть объединены в одном модуле. Например, легко представить себе модуль двигатель — колесо транспортного промышленного робота, объединяющий в себе СП, Д, ПУ и РО, а также МП-систему управления им. С другой стороны, в модуле могут отсутствовать некоторые устройства. Так, в случае непосредственного привода, конструктивно сливающегося с РО, может отсутствовать ПУ.

Для понимания функциональных взаимозависимостей в системе рассмотрим прохождение информации. Основным информационным компонентом системы является УВУ, в качестве которого может применяться микроЭВМ или программируемый контроллер. На входы УВУ информация поступает от ЭВМ соседнего по иерархии уровня. При удалении УВУ от ЭВМ на несколько метров и более эта директивная информация передается в последовательном коде, в то время как УВУ работает в параллельном коде (8 или 16 разрядов). Для преобразования кодов применяются устройства сопряжения. Связь УВУ с устройствами 3—8 системы осуществляется с помощью аналоговых, цифровых и импульсных сигналов. Для этого в состав УВУ вводятся аналого-цифровые, цифро-аналоговые, цифро-импульсные (ЦИП), импульсно-цифровые (ИЦП) преобразователи. Для связи с оператором применяются устройства ввода-вывода: пульт с дисплеем или без него, печатающее устройство и т. п.

На УВУ поступает информация с датчиков о ходе процессов и состоянии параметров ИП и СП. Эта информация используется для коррекции управляющих сигналов и для контроля работоспособности.

Двигатель, промежуточное устройство и рабочий орган также оборудуются датчиками состояния и информация с них постоянно или по запросу подается на УВУ, где используется в качестве сигналов обратных связей или диагностических сообщений.

 

Глава 2.

cyberpedia.su


Смотрите также