CC BY
53
ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС «ПРЕЦИЗИОННЫЙ ПРИБОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ И КОМПЬЮТЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ»
П.А. Борисов, А.В. Гурьянов, К.М. Денисов, И.Н. Жданов, В.С. Томасов
Создан лабораторный комплекс с программно-аппаратной системой микропроцессорного управления электроприводами на базе современных Б8Р-микроконтроллеров. Разработана программная часть, состоящая из набора программ, реализующих алгоритмы управления различными преобразовательными устройствами, и виртуального пульта управления лабораторной установкой.
Введение
Модернизация и создание новых приборных и промышленных комплексов с улучшенными техническими характеристиками связаны с расширением областей применения систем электропривода с полупроводниковыми преобразователями. Современные приборные электроприводы являются, в основном, замкнутыми электромеханическими системами с управлением исполнительными двигателями (ИД) от малоинерционных, энергетически эффективных и высокоэкономичных полупроводниковых усилительно-преобразовательных устройств (УПУ) и реализацией алгоритмов управления на микропроцессорной технике. В настоящее время отечественной промышленностью и зарубежными фирмами не выпускается лабораторных стендов, отражающих специфику, связанную с дискретным характером электромагнитных процессов в системе УПУ-ИД и дискретным характером сигналов управления. Поэтому разработка и изготовление лабораторного комплекса «Прецизионный приборный электропривод с улучшенными энергетическими показателями и компьютерным управлением» для полноценного обучения студентов специальностей электромеханического профиля своевременна и необходима.
Лабораторный практикум по курсу «Основы электропривода» должен преследовать следующие цели:
1. изучение принципов построения систем управления основными типами современных ИД, применяемых в системах электропривода;
2. экспериментальное исследование электромагнитных и электромеханических процессов в системах УПУ-ИД различного типа;
3. экспериментальное исследование как статических (механических и регулировочных) характеристик типовых структур систем электропривода на основе двигателя заданного типа, так и электромеханических переходных процессов, возникающих в системе при реакции на возмущения различного характера по заданию и нагрузке;
4. изучение принципов построения микропроцессорных систем управления ИД различного типа и микропроцессорной реализации типовых алгоритмов управления [1].
Описание лабораторного комплекса
На кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан лабораторный комплекс «Прецизионный приборный электропривод с улучшенными энергетическими показателями и компьютерным управлением», удовлетворяющий требованиям к подготовке инженеров по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» в рамках направления подготовки дипломированных специалистов 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Внешний вид стенда лабораторного
комплекса с персональным компьютером на базе процессора Intel 486 под управлением операционной системы Windows 95/98/2000 демонстрирует рис. 1.
Рис. 1. Стенд лабораторного комплекса с управляющим компьютером
Электромеханический блок лабораторного комплекса состоит из испытуемой машины (ИМ), нагрузочной машины (НМ), тахогенератора (ТГ) и цифрового датчика положения (ЦДП).
При всем многообразии типов ИД и полупроводниковых УПУ для управления ими лабораторный стенд должен быть построен по унифицированной функциональной схеме с учетом использования современных компьютерных технологий, позволяющих управлять системой электропривода, измерять и регистрировать текущие значения координат, используя интерактивные пульты управления. Для реализации этих задач разработан программно-аппаратный комплекс микропроцессорного управления электроприводами с полупроводниковыми преобразователями энергии, который позволяет:
• изучать структуры и принципы функционирования микропроцессорных систем управления;
• создавать и отлаживать в интерактивном режиме программное обеспечение, реализующее различные алгоритмы управления электроприводами НМ и ИМ;
• осуществлять сбор и компьютерную визуализацию данных лабораторного эксперимента;
• организовывать виртуальные пульты управления лабораторной установкой.
Комплекс микропроцессорного управления состоит из аппаратной и программной частей, реализующих все вышеуказанные функции. Аппаратная часть комплекса включает управляющий персональный компьютер, модули микропроцессорной системы управления (МПСУ): два модуля измерительно-управляющих контроллеров (ИУК) и два модуля сопряжения (МС), а также силовые блоки: два модуля УПУ, блок питания управления и блок питания силовой. Все модули и блоки аппаратной части лабораторного комплекса размещены в едином корпусе, который обеспечивает защиту от радиочастотных излучений и имеет отличный дизайн.
Управляющий компьютер предназначен для ввода и редактирования программы функционирования МПСУ, интерактивной отладки программы в различных режимах, задания режимов работы лабораторной установки, визуализации и обработки результатов экспериментов. Управление движением испытуемой электромашины (канал А) и нагрузочной электромашины (канал В) осуществляется от управляющего компьютера через МПСУ. Для управления каждым электроприводом НМ и ИМ используется отдельный (свой) набор модулей: ИУК - МС - УПУ.
В настоящее время основой построения унифицированных систем автоматизированного электропривода в отечественной и зарубежной практике служит структура подчиненного регулирования [2], содержащая ряд замкнутых контуров, последовательно охватывающих друг друга с типовыми регуляторами: пропорциональными (П), пропорционально-интегральными (ПИ), пропорционально интегрально-дифференциальными (ПИД). МПСУ выполняет следующие функции:
• реализация алгоритмов работы контуров подчиненной системы управления НМ и ИМ;
• выработка сигналов управления силовыми ключами и другими элементами УПУ;
• ввод сигналов обратных связей, поступающих с датчиков системы;
• выполнение функций аварийной защиты электроприводов.
Рис. 2. Плата измерительно-управляющего контроллера
Измерительно-управляющий контроллер реализует все программные алгоритмы управления электроприводом, вырабатывает сигналы управления УПУ, воспринимает сигналы обратных связей через модуль сопряжения. Все составные части ИУК реализованы на базе специализированного DSP-микроконтроллера ADMC300 фирмы Analog Devices. Высокопроизводительное процессорное DSP-ядро реализует в реальном времени алгоритмы цифровых регуляторов и цифровых фильтров [1]. Встроенный 6-канальный широтно-импульсный (ШИМ) генератор формирует сигналы управления силовыми ключами преобразователей. АЦП предназначен для преобразования в цифровой код аналоговых сигналов обратных связей. Связь ИУК с управляющим компью-
тером осуществляется через COM-порт компьютера в соответствии со стандартом RS-232. Конструктивно ИУК выполнен в виде печатной платы габаритами 160*100 мм (рис. 2).
Модуль сопряжения предназначен для преобразования сигналов обратной связи по току и скорости к виду и величине, требуемым для ввода в ИУК.
Модуль УПУ состоит из выходного каскада транзисторного инвертора, датчика тока нагрузки и устройств гальванического разделения цепей управления от силовых цепей преобразователя. Выходной каскад транзисторного инвертора представляет собой импульсный усилитель мощности мостового типа, построенный на основе полевых транзисторов, снабженных индивидуальными схемами управления и защиты. Такое построение схемы позволяет избежать выхода из строя силовых приборов в случае перегрузки выходного каскада или короткого замыкания цепи нагрузки. Частота переключения силовых транзисторов выбирается в диапазоне от 1 кГц до 9 кГц, что позволяет исследовать электромагнитные процессы в системе электропривода на разных частотах коммутации цепи нагрузки.
Блок питания управления обеспечивает питание МПСУ. Он построен на основе стандартных DC-DC конверторов с гальванической развязкой входных и выходных цепей. В состав этого блока входит также устройство контроля и индикации величины питающих напряжений. Включение силовой части возможно только при наличии всех питающих напряжений и их соответствующей величине.
Блок питания силовой представляет собой источник вторичного электропитания c многократным преобразованием параметров электрической энергии и звеном повышенной частоты (ЗПЧ), который преобразует переменное напряжение питающей сети 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение 27 В, необходимое для работы силовых узлов электроприводов. Вариант цепочечной структуры со звеном повышенной частоты в последние годы получает широкое распространение в приборных системах электропривода, что позволяет существенно улучшить массогабаритные и энергетические показатели энергетической подсистемы при бестрансформаторном входе по сравнению с трансформаторными схемами, работающими на промышленной частоте 50 Гц. К тому же цепочечные схемы с ЗПЧ менее чувствительны к характерным для электротехнических устройств и приборных электроприводов резким изменениям нагрузки, которые могут компенсироваться с помощью регулятора напряжения звена постоянного тока.
Программная часть лабораторного комплекса
Программная часть комплекса состоит из отладочного монитора, обеспечивающего функции взаимодействия измерительно-управляющего контроллера и компьютера, программы Power DSP Debugger, набора программ, реализующих алгоритмы управления различными преобразовательными устройствами, и виртуального программного пульта управления лабораторной установкой [3].
Программа Power DSP Debugger обеспечивает визуализацию на экране компьютера с использованием оконного интерфейса всех внутренних ресурсов ИУК, загрузку в контроллер программы функционирования и ее отладку в пошаговом режиме или в режиме реального времени (рис. 3). Отлаживаемая программа, загруженная в контроллер, отображается на экране компьютера в виде последовательности команд или в виде машинных кодов. Каждая команда программы может быть отредактирована в любом из видов представления непосредственно в памяти контроллера. После загрузки отлаживаемой программы в память контроллера каждая ее команда, отдельный фрагмент программы или вся программа целиком могут быть выполнены с оперативным отображением результатов функционирования. После отладки программы результаты сохраняются в отдельных файлах для дальнейшего анализа. Встроенный текстовый редактор
позволяет создавать отлаживаемые программы непосредственно в используемои среде. Таким образом, использование программы Power DSP Debugger позволяет пользователю самостоятельно создавать и отлаживать на реальном оборудовании программы управления исследуемыми системами [4].
Набор готовых программ управления электроприводами позволяет в короткие сроки организовать с помощью комплекса лабораторный стенд по изучению конкретных типов электромеханических систем. Программы реализуют алгоритмы управления устройствами в различных режимах испытаний, а также оперативный сбор и передачу в компьютер сигналов текущего состояния испытуемой системы.
—дри is..... т mi ж
Файл Правка Проект Отладка Память Регистры Стеки Периферия Окна Помощь
рЫы| \Ш Ш ДШШШ ¿felfril Ш
LÜbig ¿мс ассемблер
Адоес 1Код
Е
Me
(Команда
« Первичный
.'. C:\LabVnewdiv_4.dsp es 3
jump start_outputs;
jimp Error_Cont.rol;
st-art-_buf: call £erial_Byt-e_Input; _i
dm С Tiae_record_buf)=ar?
call Sej:ial_Eyte_Ijapvvb;
dm(count_2ad)= ar;
dm i с ount int) — ar ;
ie»ABÜP_XJ
i2=rtBUF_U;
i3eABUF_S f
wa±t-_permit_bu£: at ='iia(Perm±t_£end_buf J ;
a £ =p as s ar ;
±£ eq jump wait_permit_buf;
ar-0;
dm (Permi,G_send_b,uf) =ar ;
о о о о о о о о о о о о о о о о о
0072
0073
0074
0075
0076
ПГ177
г:
Э4004Э ЗВ4Е01 380059 3B8083 ЭВ004В
■37Q1
L1 =0к4
15=0х4Е0
L5=0K5
17=0^3806
L7=Dk4
14—G
М5 ]0000
I5[TDÖ4 IB|2FFF MBIOQOQ I7|3HFF M7J0000
j-LsJül LOjÖÖÖÖ
L1 00001 Ц]оооо L3J0000
L4|ÖÜÖÖ L5 lOQOO L6|0000 L7 lOOOO
J
M
Я | □ Л 0 ^ |g Q\ I^Düpdbbugye. 5:17
Рис. 3. Оконный интерфейс программы Power DSP Debugger
Рис. 4. Интерфейс виртуального пульта управления лабораторной установкой (слева), окно вывода результатов эксперимента (справа)
Для обеспечения возможности задания режимов работы, снятия необходимых характеристик исследуемых электроприводов и отображения результатов эксперимента
исследуемая система, помимо программы, реализующей алгоритм управления, комплектуется компьютерной программой, организующей на экране компьютера виртуальный пульт управления лабораторной установкой. Данный пульт позволяет задавать различные режимы работы установки, а также визуализировать в графическом и численном виде исследуемые параметры функционирования (рис. 4, слева).
Все получаемые результаты с помощью виртуального пульта могут быть сохранены в виде отдельных файлов для дальнейшей автоматизации подготовки студенческих отчетов об испытаниях. Окно вывода результатов эксперимента позволяет в реальном времени просмотреть весь эксперимент от начала до конца, вывести на экран одновременно насколько графиков, увеличить необходимый участок графика (рис. 4, справа). Таким образом, использование виртуального пульта управления позволяет исключить использование разнообразных реальных дорогостоящих измерительных приборов и сократить время оформления результатов исследований.
Заключение
Создание лабораторного комплекса «Прецизионный приборный электропривод с улучшенными энергетическими показателями и компьютерным управлением» с программно-аппаратной системой микропроцессорного управления электроприводами на современной элементной базе позволит внедрить и использовать в учебном процессе перспективную технологию на уровне мировых стандартов. Лабораторный комплекс может применяться для проведения лабораторных исследований при подготовке инженеров по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» в рамках направления подготовки дипломированных специалистов 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Результаты работы по данному проекту могут быть использованы при создании прецизионных электроприводов устройств различного назначения (оптотехника, робототехника, полиграфия, станкостроение и т. д.).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по гранту №63357, в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005 год.
Литература
1. Томасов В.С., Толмачев В.А., Денисов К.М. Разработка учебного лабораторного комплекса: «Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением». / Индустрия образования: Сб. статей. Выпуск 3. М.: МГИУ, 2002. С. 78-82.
2. Рабинович Л. В., Петров Б. И., Терсков В. Г., Сушков С. А., Панкратьев Л. Д. Проектирование следящих систем. / Под общ. ред. Л. В. Рабиновича. М.: Машиностроение, 1969. 500 с., ил.
3. Борисов П. А., Денисов К.М., Жданов И.Н., Лукичев Д.В., Синицын В. А., Томасов В. С. Лабораторный комплекс «Прецизионный приборный электропривод с улучшенными энергетическими показателями и компьютерным управлением». / Тезисы докладов II Всероссийской научно-практической конференции «Образовательная среда сегодня и завтра». Москва. 2005. С. 47-49.
4. Синицын В.А., Денисов К.М., Гурьянов А.В. Пакет программ настройки и отладки контуров регулирования К-координатного электропривода (ЭНСТОД). / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2005610208. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21.01.2005 г.
