CC BY
140
УДК 681.587
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ ПРИВОДА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
В.В. Артющев, О.В. Горячев, А.Г. Ефромеев, С.В. Минчук,
В. С. Фимушкин
Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой микропроцессорной системы управления на базе отечественных микроконтроллеров серии 1986ВЕ9х приводами наведения и стабилизации оптико-электронной системы, приведен расчет параметров алгоритма коммутации обмоток исполнительного двигателя, предложена структура разработанного макетного образца микропроцессорной системы.
Ключевые слова: бесконтактный моментный двигатель, высокоточная система, микропроцессорная система управления, векторная широтно-импульсная модуляция.
Автоматизация процессов управления различными объектами сопровождается широким использованием следящих приводов. Следящие приводы нашли применение во многих областях техники. Они используются в системах управления металлорежущими станками, металлургическими прокатными станами, шагающими экскаваторами, в системах управления манипуляторами, в моделирующих стендах, в системах управления объектами вооружения и т.д. Уже из этого краткого перечня видно, сколь значительно число задач, решение которых может быть возложено на следящие приводы.
Применение современных следящих приводов в военной технике является необходимым фактором, который способствует повышению тактико-технических характеристик систем слежения и ведения огня. Точность, скорость, качество и надежность работы современного вооружения при обеспечении боевой готовности армии и в боевых условиях играет важную роль в поддержании обороноспособности страны.
В связи с тем, что к приводам наведения и стабилизации оптико-электронных систем предъявляются крайне высокие требования по точности позиционирования, большую значимость приобретает алгоритм коммутации обмоток исполнительного двигателя, т.к. от него, в том числе, будет зависеть принципиальная достижимость требуемой точности.
В качестве алгоритма коммутации для разрабатываемой системы была выбрана векторная широтно-импульсная модуляция. Рассмотрим влияние частоты модуляции в автономном инверторе и количества дополнительных положений результирующего вектора напряжения на характеристики разрабатываемого привода. При этом будем полагать, что допол-
нительные положения результирующего вектора напряжений формируются только при помощи переключения двух соседних базовых векторов.
Минимальная частота модуляции может быть определена исходя из соотношения:
/шим >10
3 pa
2п
где a - максимальная требуемая частота вращения ротора двигателя; p - число пар полюсов.
Для рассматриваемого привода, учитывая что требуемая скорость отработки входного сигнала равна 100 °/сек, получим:
. . _з 21 -1,745
!шим >10----= 5333ГЧ .
2п
Кроме того, для обеспечения режима непрерывных токов, период ШИМ должен быть хотя бы в 10 раз меньше электромагнитной постоянной времени обмоток двигателя. Таким образом, предварительно выберем частоту ШИМ сигнала 6 кГц.
Количество необходимых промежуточных положений вектора напряжения при векторной модуляции определяется исходя из требуемой статической точности pmin = 0,1мрад. Тогда минимально необходимое число промежуточных положений вектора напряжения можно вычислить по формуле:
N = 3 Р • Pmin П
где p - число пар полюсов.
Для рассматриваемого привода N = 249,3, поэтому предварительно выберем 256 промежуточных положений результирующего вектора.
Как правило, для реализации векторной модуляции используется встроенный в микроконтроллер или реже дискретный таймер-счетчик. При этом такой таймер должен обеспечивать счет с частотой не менее:
/timer > N - fшим = 156,3кГЧ ,
где /шим - частота ШИМ, N - количество промежуточных положений вектора напряжения при векторной модуляции.
В результате численного моделирования работы привода с учетом особенностей коммутации получены переходные процессы, представленные на рис. 1 и 2. Указанные переходные процессы в двигателе по токам и моменту получены при ступенчатом управляющем воздействии 110 В и постоянном моменте нагрузки 5 Н*м. При этом частота ШИМ установлена равной 6000 Гц, причем в первом случае промежуточные положения не используются, а во втором формируются 256 промежуточных векторов. Из графиков видно, что при увеличении числа промежуточных положений формируемого вектора напряжения форма токов фаз приближается к синусоидальной, и, как следствие, уменьшаются пульсации момента. При этом
дальнейшее увеличение числа промежуточных векторов не ведет к существенному уменьшению пульсаций момента.
Время, с
Рис. 1. Результаты моделирования работы двигателя при частоте ШИМ 6000 Гц и без промежуточных векторов
напряжения
Одним из важных этапов реализации микропроцессорной системы управления современного электропривода является выбор микроконтроллера, который реализует расчет управляющего воздействия в контуре управления цифрового электропривода.
Анализ существующих систем управления различными типами исполнительных двигателей позволяет определить требования, предъявляемые к цифровому вычислительному устройству:
- производительность не менее 25 MIPS;
-16 или 32-разрядное ЦПУ;
- наличие в системе команд MAC-операций (умножение с накоплением) и других команд цифровой обработки сигналов;
- архитектура, позволяющая выполнять математические операции с фиксированной или плавающей точкой за один такт;
- наличие специализированных интегрированных периферийных устройств (многоканальные таймеры ШИМ, АЦП).
Время, с
Рис. 2. Результаты моделирования работы двигателя при частоте ШИМ 6000 Гц и 256 промежуточными векторами
напряжения
При рассмотрении номенклатуры существующих вычислительных устройств, которые используются для управления электроприводами, вы-
деляются два основных направления: вычислительные устройства общего применения и вычислительные специализированные устройства.
Вычислительные устройства общего применения характеризуются 32/64 разрядным ЦПУ. Существенным достоинством таких устройств является возможность использования операционной системы с развитым графическим интерфейсом пользователя (Windows, Linux, QNX и др.) не только при разработке программного обеспечения, но и при реализации управления в режиме реального времени. Однако высокий показатель производительности достигается за счет использования универсальных микропроцессоров (Intel Atom, AMD A, МЦСТ Эльбрус и т.д.), которые требуют для своей работы обширного набора вспомогательных микросхем, что увеличивает габариты устройства. Отсутствие периферийных устройств ведет к необходимости применения дочерних плат, которые реализуют операции ввода-вывода и сопряжение с силовой частью электропривода. Указанные обстоятельства приводят к увеличению габаритов устройства управления, снижению его надежности, повышению стоимости.
Вычислительные устройства специализированного применения характеризуются прежде всего наличием полного набора периферийных устройств, которые встроены непосредственно в кристалл цифрового ядра. Как правило, к таким вычислительным устройствам относят специализированные микроконтроллеры. Такие вычислительные устройства позволяют реа-лизовывать электронный блок управления по принципу «система-на-чипе».
Среди множества микроконтроллеров, в настоящее время выгодно выделяются МК с ядром ARM Cortex-M3/M4, ориентированные, в том числе, на использование в качестве вычислительного устройства ЦЭСП с различными современными типами исполнительных двигателей и имеющие специальные периферийные блоки (быстродействующие АЦП, интерфейс подключения квадратурного энкодера, интерфейс датчиков Холла, 3х-фазные ШИМ-генераторы с «мертвым временем» и возможностью синхронизации). Данные устройства отличаются меньшей стоимостью по сравнению с другими 32-разрядными МК и наличием развитых инструментальных средств, облегчающих процесс создания программного обеспечения.
В качестве основы для построения микропроцессорной системы управления рассматриваемым приводом выбран 32-разрядным микроконтроллер 1986ВЕ92У фирмы АО «ПКК Миландр». Микроконтроллеры серии 1986ВЕ9x, построенные на базе высокопроизводительного процессорного ядра ARM Cortex-M3, содержат встроенную 128 Кбайт Flash-память программ и 32 Кбайта ОЗУ. Микроконтроллеры работают на тактовой частоте до 80 МГц. Периферия микроконтроллера включает контроллер USB интерфейса со встроенным аналоговым приемопередатчиком со скоростями передачи 12 Мбит/с (Full Speed) и 1.5 Мбит/с (Low Speed), стандартные интерфейсы UART, SPI и I2C, контроллер внешней системной шины, что позволяет работать с внешними микросхемами статического ОЗУ и ПЗУ,
NAND Flash-памятью и другими внешними устройствами. Микроконтроллеры содержат три 16-разрядных таймера с 4 каналами схем захвата и ШИМ с функциями формирования «мертвой зоны» и аппаратной блокировки, а также системный 24-х разрядный таймер и два сторожевых таймера. Кроме того, в состав микроконтроллеров входят: два 12-разрядных высокоскоростных (до 0,5М выборок в секунду) АЦП с возможностью оцифровки информации от 16 внешних каналов; два 12-разрядных ЦАП; встроенный компаратор с тремя входами и внутренней шкалой напряжений.
Встроенные RC генераторы HSI (8 МГц) и LSI (40 кГц), поддержка внешних генераторов HSE (2...16 МГц) и LSE (32 кГц) и две схемы умножения тактовой частоты PLL для ядра и USB интерфейса позволяют гибко настраивать скорость работы микроконтроллеров.
Архитектура системы памяти за счет матрицы системных шин позволяет минимизировать возможные конфликты при работе системы и повысить общую производительность. Контроллер прямого доступа к памяти (ПДП) позволяет ускорить обмен информацией между ОЗУ и периферией без участия процессорного ядра.
Встроенный регулятор, предназначенный для формирования питания внутренней цифровой части, формирует напряжение 1,8 В и не требует дополнительных внешних элементов. Таким образом, для работы микроконтроллера достаточно одного внешнего напряжения питания в диапазоне от 2,2 до 3,6 В. Также в микроконтроллерах реализован батарейный домен, работающий от внешней батареи, который предназначен для обеспечения функций часов реального времени и сохранения некоторого объёма данных при отсутствии основного питания. Встроенные детекторы напряжения питания могут отслеживать уровень внешнего основного питания, уровень напряжения питания на батарее. Аппаратные схемы сброса при просадке питания позволяют исключить сбойную работу микросхемы при выходе уровня напряжения питания за допустимые пределы.
В целях отработки структуры системы и алгоритмов управления приводом, был разработан макетный образец МПСУ (рис. 3), обладающий следующей функциональностью:
- приём и обработка данных с датчика положения ротора (на текущем этапе это абсолютный датчик углового положения DS-130 фирмы Netzer Precision, подключаемый к МПСУ с помощью интерфейса SSi);
- формирование управляющих сигналов на входе инвертора (трёхфазного моста), к которому непосредственно подключены обмотки исполнительного двигателя;
- обработка аналоговых сигналов с датчиков фазных токов;
- обмен данными с внешними блоками по интерфейсам CAN и RS-
485;
- отправка телеметрических данных на ПК и приём команд от пользовательского ПО.
Рис. 3. Внешний вид макета МПСУ
Структурная схема макетного образца МПСУ, реализующая перечисленные возможности, представлена на рис. 4.
Приём и обработка данных с датчика положения ротора осуществляется с помощью встроенного в МК интерфейса последовательной синхронной связи SSP1, настраиваемого на работу в режиме SSI. Модуль SSP представляет собой интерфейс синхронного последовательного обмена данными, способный функционировать в качестве ведущего или ведомого устройства и поддерживающий протоколы передачи данных SPI фирмы Motorola, Microwire фирмы National Semiconductor, а также SSI фирмы Texas Instruments.
Модуль SSP выполняет следующие функции:
- преобразование данных, полученных от периферийного устройства, из последовательной в параллельную форму;
- преобразование данных, передаваемых на периферийное устройство, из параллельной в последовательную форму;
- прием и передача данных с буферизацией с помощью буферов FIFO, обеспечивающих хранение до восьми слов данных шириной 16 бит независимо для режимов приема и передачи.
Последовательные данные передаются по линии SSP_TXD и принимаются с линии SSP_RXD. Модуль SSP содержит программируемые делители частоты, формирующие тактовый сигнал обмена данными SSP_CLK из сигнала, поступающего на линию SSPCLK. Скорость передачи данных может достигать 2 МГц, в зависимости от частоты SSPCLK и характеристик подключенного периферийного устройства. Физически ин-
формационные линии ДПР подключаются к соответствующим выводам МК посредством приёмника и передатчика интерфейса Я8-485.
Обмен данными с внешними устройствами по протоколу ЯБ-485 осуществляется с помощью встроенного в МК универсального асинхронного приёмопередатчик ИЛЕ.Т1. Согласование параметров линии ЯБ-485 и выводов МК на физическом уровне производиться микросхемой приёмопередатчика ЯБ-485.
Рис. 4. Структура макетного образца МПСУ: ИПСС - интерфейс последовательной синхронной связи;
ПП - приёмопередатчик; ТОН - таймер общего назначения; УАПП - универсальный асинхронный приёмопередатчик; ПП - приёмопередатчик; КИ - контроллер интерфейса;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
ОИ - отладочный интерфейс; ПК - персональный компьютер
Аналогично связь по интерфейсу CAN реализована с помощью встроенного в МК контроллера соответствующего интерфейса CAN1 и микросхемой приёмопередатчика CAN. Контроллер интерфейса CAN поддерживает протокол версии CAN 2.0 A и B: скорость передачи до 1 Мбит/с; 32 буфера приема/передачи; поддержка приоритетов сообщений; 32 фильтра приема.
Формирование управляющих сигналов для автономного инвертора осуществляется таймером общего назначения TIMER2, работающего в режиме формирования ШИМ. Все блоки таймеров, интегрированных в МК 1986ВЕ92У, выполнены на основе 16-битного перезагружаемого счетчика,
который синхронизируется с выхода 16-битного предделителя. Перезагружаемое значение хранится в отдельном регистре. Счет может быть прямой, обратный или двунаправленный (сначала прямой до определенного значения, а затем обратный). Каждый из четырех таймеров микроконтроллера содержит 16-битный счетчик, 16-битный предделитель частоты и 4-канальный блок захвата/сравнения. Их можно синхронизировать системной синхронизацией, внешними сигналами или другими таймерами. Помимо составляющего основу таймера счетчика, в каждый блок таймера также входит четырехканальный блок захвата/сравнения. Данный блок выполняет как стандартные функции захвата и сравнения, так и ряд специальных функций. Таймеры обладают 4 каналами схем захвата и ШИМ с функциями формирования «мертвой зоны» и аппаратной блокировки. Таким образом, TIMER2 позволяет автоматически формировать управляющие ШИМ сигналы отдельно для каждого из шести силовых ключей трёхфазного автономного инвертора с учетом «мертвого времени».
Приём аналоговых данных с датчиков тока осуществляется с помощью интегрированного в МК многоканального 12-разрядного АЦП - ADC. С помощью АЦП можно оцифровать сигнал от 16 внешних аналоговых выводов и от двух внутренних каналов, на которые выводятся датчик температуры и источник опорного напряжения. Скорость выборки составляет до 512 тысяч преобразований в секунду. Контроллер АЦП позволяет осуществить автоматический опрос заданных каналов и вырабатывать прерывание при выходе оцифрованного значения за заданные пределы.
Благодаря ядру Cortex-M3 контроллер 1986ВЕ92У поддерживает аппаратную функцию внутрисхемной отладки, которая позволяет отображать состояние системы и памяти через стандартный JTAG разъем или 2-х проводной интерфейс SWD, а также загружать микропрограмму в память МК. Для трассировки в ядре реализован модуль ITM, отслеживающий точки просмотра данных и сообщения профилирования. В разработанной МПСУ для отладки использован стандартный отладочный разъём SWD.
Связь с ПК реализована с помощью интегрированного в МК контроллера интерфейса USB. Он предоставляет следующие возможности: режимы работы Full Speed (12 Мбит/с) и Low Speed (1.5 Мбит/с), контроль ошибок с помощью циклического избыточного кода (CRC), NRZI код приема/передачи, управляющая (Control), сплошная (Bulk), изохронная (Isochronous) передачи и передача по прерываниям (Interrupt), конфигурирование USB Device от 1-й до 4-х конечных точек; каждая оконечная точка USB Device имеет собственную память FIFO размером 64 байта.
В качестве приёмопередатчиков интерфейса RS-485 в макете использованы микросхемы К5559ИН10Б, предназначенные для организации полудуплексного канала связи по стандарту RS-485/422. Максимальная длина линии связи для микросхем типа А 1.2 км. Скорость передачи данных - до 2500 Кб/с.
Для организации связи по интерфейсу CAN использована микросхема К5559ИН14Б, предназначенная для организации полудуплексного канала связи с максимальной скоростью передачи данных до 1 Мбит/с.
Макет МПСУ может питаться как от интерфейса USB, так и от отдельного источника питания +5 В. Вторичный источник питающего напряжения 3,3 В для микроконтроллера реализован с помощью линейного стабилизатора напряжения 1303ЕН3.3П.
Таким образом, в работе предложена векторная широтно-импульсная модуляция в качестве алгоритма коммутации обмоток исполнительного двигателя, проведено предварительное моделирование работы двигателя при различных параметрах коммутации и выбраны параметры для реализации системы. Проведён анализ требований к вычислительному устройству микропроцессорной системы управления электрическими приводами и разработан макет МПСУ привода наведения и стабилизации на базе микроконтроллера 1986ВЕ92У с ядром ARM Cortex-M3.
Список литературы
1. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2008. 298 с.
2. Спецификация на серию 32-разрядных однокристальных микро-ЭВМ 1986ВЕ9х [Электронный ресурс] // Официальный сайт АО «ПКК Миландр». URL: http://milandr.ru/uploads/Products/product_80/spec_1986VE9X.pdf (дата обращения: 8.11.2016).
Артющев Владимир Васильевич, зам. начальника отделения, [email protected], Россия, Тула, АО «КБ Приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»,
Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. каф. САУ, [email protected], Россия, Тула, ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»,
Ефромеев Андрей Геннадьевич, ассист. каф. САУ, [email protected], Россия, Тула, ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»,
Минчук Сергей Викторович, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, [email protected], Россия, Тула, АО «НПО «Сплав»,
Фимушкин Валерий Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отделения, [email protected], Россия, Тула, АО «КБ приборостроения им. академика А . Г. Шипунова»
CONTROL SYSTEM WITH RUSSIAN HIGH-PERFORMANCE MICROCONTROLLER FOR
OPTO-ELECTRONIC SYSTEMS ACTUATOR
V.V. Artyushhev, O.V. Goryachev, A.G. Efromeev, S.V.Minchuk, V.S. Fimushkin
The article considers the issues associated with the development of microprocessor control systems with microcontroller of 1986ВЕ9х-series for actuators guidance and stabilization of optical-electronic system, the calculation of the parameters of the commutation algorithm and proposed structures of the developed prototype microprocessor control system.
Key words: brushless torque motor, high-precision system, microprocessor control system, vector pulse-width modulation.
Artyushhev Vladimir Vasilyevich, deputy head of department, info@ sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, KBP named after Academician A.Shipunov,
Goryachev Oleg Vladimir ovich, Sc.D., professor, head of department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Efromeev Andrey Genadievich, assistant, age@sau. tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Minchuk Sergey Viktorovich, Ph. D., leading engineer-designer, [email protected], Russia, Tula, Scientific-production association «SPLAV»,
Fimushkin Valeriy Sergeevich, Ph. D., head of department, info@,sau. tsu. tula. ru, Russia, Tula, KBP named after Academician A.Shipunov
УДК 62.001.4:62-501.72
РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НАВИГАЦИОННЫХ БЛОКОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В.В. Воробьев, А.Г. Ефромеев, С.В. Минчук, О.О. Морозов, А.А. Огурцов
Рассмотрен подход к разработке высокоточного трехстепенного стенда угловых перемещений. Стенд предназначен для лабораторных динамических испытаний информационно - измерительных устройств вращающихся по крену летательных аппаратов. Особенностью решаемой задачи являются жесткие требования к точности воспроизведения программных перемещений по углам тангажа и курса, а также к точности воспроизведения вращения головной части по крену в широких диапазонах значений переменных. Разработана методика проектирования и экспериментальной отработки стенда.
Ключевые слова: лабораторный стенд, высокоточный привод, обратная задача динамики, система программного управления, модель, идентификация, статистические испытания.
В настоящее время актуальной задачей является создание прецизионных полунатурных стендов для экспериментальной отработки высоко-
