CC BY
86
^"программные и аппаратные средства S
УДК 531.383-1:537.2
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Ю. А. Голландцев,
канд. техн. наук, доцент ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург)
Рассматриваются особенности построения и реализации аппаратной и программной части микропроцессорной системы управления вентильным индукторно-реактивным двигателем.
Hardware and soltware design and implementation for the microprocessor control system for a switched reluctance motors are considered.
Введение
Вентипьный индукторно-реактивный двигатель (ВИРД), получивший в англоязычной технической литературе наименование Switched Reluctance Motor (SRM), привлекает внимание разработчиков систем автоматического управления простым конструктивным исполнением - прямые зубцы на статоре, безоб-моточный зубчатый ротор, число зубцов которого не равно числу зубцов статора, катушечные обмотки, обеспечивающие высокую технологичность конструкции двигателя. Конкурентоспособность ВИРД достигается за счет выбора повышенных электромагнитных нагрузок. Индукция в зазоре может составлять величину около 2 Тл, плотность тока в обмотке статора в режиме пуска имеет значения 10-30 А/мм2. Простые схемы вентильных коммутаторов, принципиально не имеющие режима короткого замыкания источника питания, обеспечивают формирование однополярных дискретных напряжений на обмотке статора. Микропроцессорное формирование токов в фазах, имеющих несинусоидальный характер, позволяет получить желаемые характеристики привода, построенного на основе ВИРД [1, 2, 3].
Структурная схема микропроцессорного управления злектромеханической системой приведена на рис. 1. Основу системы составляет четырехфазный вентильный индукторно-реактивный двигатель. Вентильный коммутатор построен по схеме асимметричного моста. Управление транзисторами осуществляется с помощью драйверов HCPL — 316 фирмы «Agilent Technologies». В позиционной следящей системе используется два датчика угла. Основной датчик угла ВТ-5, работающий в режиме фазовращателя, измеряет угол при неограниченном повороте ротора с точностью на уровне угловой минуты. Дополнительный оптический датчик угла работает в ограниченном диапазоне измерения (около 5°), позволяя на порядок повысить точность измерения угла в позиционной следящей системе до нескольких секунд.
Для формирования динамических характеристик системы используются датчики тока, измеряющие
токи в фазах обмотки двигателя. Сумма токов, протекающих в фазах обмотках, является модулем тока статора. Контроль теплового состояния изоляции обмотки двигателя осуществляется датчиком AD22100 фирмы «Analog Devices».
Микропроцессорная система управления ВИРД реализована на микроконтроллере фирмы «SIEMENS» SABC-167, имеющем в своем составе достаточный набор программируемых периферийных модулей, а также средства программирования и отладки.
Программное обеспечение микропроцессорной системы управления ВИРД строится по модульному принципу [4]. За каждым модулем закреплено выполнение определенных управляющих или вычислительных функций. В состав программного обеспечения входят программный пакет Keil С-167, программа LabVIEW, объектная программа работы МПСУ ВИРД.
Программный пакет Keil С-167 содержит компилятор языка «С» для микроконтроллера С-167, текстовый редактор, отладчик, загрузчик. Для настройки и контроля режимов работы микропроцессорной системы управления ВИРД в режиме реального времени используется аппаратно-программный комплекс виртуальных приборов и инструментов LabVIEW фирмы «National Instruments». Программный продукт LabVIEW как средство прикладного программирования по своей логической структуре близок к конструкции языка «С». Однако для создания программ приема, обработки и представления данных используется графическое программирование в виде блок-схем, что соответствует объектно-ориентированным языкам программирования.
Укрупненная структурная схема алгоритма работы МПСУ макета ВИРД приведена на рис. 2. Программа работы МПСУ макета ВИРД занимает в памяти 12 кбайт. Для программирования доступно 32 кбайт, при снятии ограничений на тип адресации - 65 кбайт. Частота синхронизации работы МПСУ макета ВИРД выбрана 2,44 кГц, период синхронизации - 0,41 мс. Время выполнения одного прохода по базовой части программы составляет 0,15 мс без учета затрат на
Источник
постоянного
напряжения
Вентильный
коммутатор
Электрический
двигатель
Модуль измерения фазных токов
iii а
Вторичный
источник
питания
+15В
-15В
+5В
GND
Модуль
измерения
температуры
Port
I/O
PWM
Запрет
ТС
RS-232
Датчик
угла
МК
ADC
Port
I/O
САР/
СОМ
Объект
управления
Фото-
датчик
угла
Модуль формирования выходных сигналов ДУ
Модуль формирования выходного сигнала ФД
Рис. 1. Структурная схема системы управления ВИРД
выполнение позиционного регулятора, с учетом последнего - 0,32 мс.
После включения питания PC (ЭВМ) и МПСУ предоставляется возможность для составления объектной программы работы МПСУ ВИРД на языке высокого уровня «С». В рабочем режиме выбирается один из возможных режимов работы МПСУ ВИРД: непосредственное вращение ротора в заданном направлении, гармоническое колебание, позиционирование в фиксированном угловом положении. Позиционирование в точке возможно при использовании либо грубого датчика (ВТ-5), либо точного оптического датчика. Требуемые значения параметров формируются в блоке имитатора сигналов.
Далее последовательно выполняется корректировка, отладка и компиляция программы в машинные коды микроконтроллера С-167. С помощью подпрограммы «ЗАГРУЗЧИК» происходит запись компилированной объектной программы в ОЗУ микроконтроллера. Одновременно можно настроить работу программы LabVIEW, сформировать панель представления результатов, определить вид и масштабы контролируемых данных. Последовательность описанных действий выполняется в блоках 101-110, 201, 202 алгоритма работы МПСУ ВИРД.
После выдачи команды «ЗАПУСК» микропроцессорная программа переходит в исходный адрес программы, по которому начинается инициализация режимов работы программируемых периферийных модулей микроконтроллера. К последним относятся: интерфейс RS-232, САР/СОМ (модуль захвата/сравнения) синхронизирующего таймера ТО, САР/СОМ таймераТ1, Fast PWM (быстрый ШИМ), АЦП, настрой-
ка линий ввода/вывода на требуемый режим работы, описание переменных и присвоение им начальных значений (блок 203).
В блоке 204 осуществляется запуск синхронизирующего таймера ТО, выставляются разрешения на все прерывания системы. Прерывание 1Р01 от ТО имеет самый высокий приоритет. Далее система переводится в режим ожидания. Ожидание прерывания синхронизирующего таймера реализовано с помощью бесконечного цикла, в теле цикла осуществляется только одна операция: выдача текущих значений по протоколу ВЭ-232. С поступлением импульса синхронизирующего таймера начинает выполняться основной модуль программы, при этом выставляется запрет на прерывание от синхронизирующего таймера, чтобы не допустить преждевременного завершения основного тела программы.
Датчикугла ВТ-5 используется в режиме фазовращателя (резольвера), для реализации которого формируется двухфазное напряжение возбуждения частотой, равной /дУ = ^3/4. Измерение текущего угла поворота ротора осуществляется в модуле САР/СОМ. При поступлении на линию порта Р2.14 переднего фронта сигнала с синусной обмотки ДУ блоком САР/СОМ вырабатывается событие-прерывание СС141Е. Обработка косинусного сигнала ДУ происходит аналогичным образом. По прерыванию СС141Е запускается обработчик прерывания, в котором происходит определение фазового сдвига синусной и косинусной обмоток ДУ. Далее формируется текущий угол и вычисляется обратная разность по углу. Описанные действия выполняются в блоках 206 и 207.
Рис. 2. Алгоритм работы МПСУ ВИРД
В блоке 208 производится последовательное сканирование трех входов мультиплексора внутреннего АЦП, на которые подаются аналоговые сигналы: оптического датчика угла, датчика потребляемого тока и датчика температуры. Цифровые коды измеренных величин используются в соответствующих регуляторах.
В МПСУ ВИРД предусмотрено два режима позиционирования в зависимости от выбранного датчика обратной связи: грубого канала неограниченного угла поворота - от ВТ-5 и точного канала ограниченного угла поворота - от оптического датчика. Структура позиционных регуляторов реализована в виде цифрового рекурсивного фильтра. Регуляторы различаются между собой численными значениями коэффициентов и параметрами ограничений на изменение вычисленных управляющих значений. Модуль управляющего сигнала используется как уставка в токовом регуляторе. Признак знака управляющего сигнала поступает в блок формирования вращающегося поля двигателя и определяет порядок переключения транзисторов вентильного коммутатора. Структура и коэффициенты позиционного регулятора выбираются при начальном запуске программы. Указанные процедуры реализуются в блоках 209, 210 и 211.
В блоке 212 вычисляется управляющее воздействие токового регулятора, выполненного по структуре ПИ-регулятора. Коррекция вычисленного управляющего воздействии осуществляется в соответствии с предварительно подобранным аппроксимирующим выражением в блоке 213. Скорректированное значение записывается в счетчик модуля ШИМ, который работает в режиме перезапуска. Сформированный импульс регулируемой длительности поступает на вход разрешения вентильного коммутатора.
Температурный релейный регулятор вырабатывает сигнал запрета, который поступает на вход разрешения вентильного коммутатора.
В блоке 216 осуществляется формирование вращающего поля. Вычисленные сигналы на открытие транзисторов, объединенные по «И» с сигналами PWM и ЗАПРЕТ, поступают на вход драйверов управления транзисторами вентильного коммутатора.
Формирование массива контролируемых параметров осуществляется в блоке 217. Считывание и передача текущих значений сформированных параметров происходит по последовательному интерфейсу RS-232 с частотой, определяемой PC.
После выполнения основного модуля программы выдается разрешение на прерывание синхронизирующего таймера, и программа переходит в режим ожидания следующего синхроимпульса.
Работоспособность микропроцессорной системы управления и эффективность предложенных вычислительных алгоритмов подтверждают экспериментальные графики работы системы в режимах позиционирования и гармонических колебаний.
Литература у/
1. Miller J. Е. Switched reluctance motors and their control. -: Oxford: Magna physics publishing and Clarendon press,
1993. - 205 c.
2. Голландцев Ю. A., Гутнер И. £. Вентильный индуктор -но-реактивный двигатель // Изо. вузов. Приборострое-
; ние. - 2002. - Т. 45. - № 8.-е. 12-18 3 Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Подобщ. ред. М. Г. Чшшкмна. - М.: Энергия, 1971. - 428 с. 4. Козаченко В. Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров INTELMCS - 196/206 во встроенных системах управлении. • М.: Изд. Эком, 1997. -350 с.
ИЗДАТЕЛ ЬСТВО «ПОЛ ИТЕХН И КА» П Р ЕДСТАВЛЯ ЕТ
ИНФОРМАЦИОН но-УПРЛВЛЯЮЩИЕ
еиетшы
для подвижных
ОБЪЕГШВ
Информационно-управляющие системы для подвижных объектов. Семинары ASK Lab 2001 / Подобщ. ред. М. Б. Сергеева. — СПб.: Политехника, 2002. — 234 с.: ил.
В книге представлены статьи, посвященные актуальным проблемам в области разработки информационно-управляющих систем для подвижных объктов, вопросам их надежности, алгоритмического и аппаратного обеспечения, защиты информационных каналов.
Книга ориентирована на научных и инженерно-технических работников, специалистов в области встраиваемых систем управления не только авиационных комплексов, но и наземных подвижных дистанционно управляемых объектов различного назначения.
