CC BY
27
ПОДГОТОВКА И ПЕРЕПОДГОТОВКА ИНЖЕНЕРНЫХ
И НАУЧНЫХ КАДРОВ
УДК 378.016:62-83
А.С. Анучин, канд. техн. наук, доц., (495) 362-71-51, [email protected] (Россия, Москва, МЭИ(ТУ))
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СО СВОБОДНО КОНФИГУРИРУЕМОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЧЕБНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ
Рассмотрен подход к проектированию системы управления учебного преобразователя со структурой системы управления, построенной на основе свободных функциональных блоков, которые могут соединяться друг с другом пользователем в произвольном порядке для формирования любых структур систем регулирования. Приведено обоснование целесообразности данного подхода. Определены структуры данных для решения задачи и представлены алгоритмы компилятора ядра системы управления.
Ключевые слова: электропривод, система управления, обмотка возбуждения, двигатель постоянного тока.
Оставшаяся со времен СССР лабораторная база по электроприводу и сопутствующим предметам сильно устарела и не позволяет исследовать новые способы управления, протоколировать должным образом результаты работы электропривода, эффективно использовать лабораторные площади, быстро переконфигурируя исследуемую систему электроприводов. Так, на кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ (ТУ) основным способом создания нагрузки остается двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ), включенный по схеме «источник тока - двигатель» или подключенный к тиристорному преобразователю с аналоговой системой управления. Протоколирование результатов работы осуществляется аналоговым записывающим осциллографом и, в лучшем случае, встроенными средствами осциллографирования преобразователей частоты (ПЧ) фирмы «Siemens» (если исследуется работа именно этих преобразователей). Исследование структур векторного управления сводится к анализу результатов работы ПЧ фирмы «Siemens», являющимся для
студентов «черным ящиком», не дающим никакого представления о работе самих структур системы управления, за исключением их выходных свойств.
В связи с этим во время создания новой учебной лаборатории «Энергосберегающий электропривод» при поддержке внедряющей организации ООО «ЦЕНТРТЕХКОМПЛЕКТ» [1] была поставлена цель сделать оборудование максимально гибким и перенастраиваемым, позволяющим исследовать производные структуры систем управления электроприводами переменного и постоянного тока. Для разрабатываемых лабораторных стендов были поставлены и решены следующие задачи:
1) обеспечить исследование массового асинхронного частотно-регулируемого электропривода и привода постоянного тока;
2) обеспечить доступ к каждому узлу структуры системы управления;
3) реализовать все основные структуры управления электроприводами.
В лаборатории запланировано изучение приводов постоянного и переменного тока. Отечественные ПЧ для асинхронных двигателей, разработанные в научных группах кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института, серийно выпускаются ООО «Энергосбережение» на заводе в гор. Пущино по заказу ООО «ЦЕНТРТЕХКОМПЛЕКТ» и ОАО «МОЭК». Преобразователи построены по стандартной схеме «выпрямитель - звено постоянного тока - инвертор напряжения» на базе интеллектуальных самозащищенных IGBT-модулей IPM фирмы «Mitsubishi», а система управления выполнена на контроллере МК10.5 [2], разработанном на кафедре АЭП в научной группе В.Ф. Коза-ченко и выполненном на базе высокопроизводительного микроконтроллера фирмы «Texas Instruments» TMS320LF2406A.
Для управления двигателем постоянного тока обычно применяют тиристорные преобразователи напряжения, однако они обладают рядом существенных недостатков для разрабатываемой лаборатории. Это низкое быстродействие и высокая стоимость, что особенно важно, так как поддержка внедряющей организации заключалась в безвозмездной поставке преобразователей, производимых на собственном производстве, поэтому было принято решение использовать для питания двигателя постоянного тока стандартный ПЧ, перепрограммировав его на работу с ДПТНВ.
На рис. 1. приведена схема подключения ДПТНВ к преобразователю. Так, якорь двигателя подключается к выходам первой и второй стойки инвертора, а обмотка возбуждения к третьей стойке и точке для подключения резистора приема энергии генераторного торможения. Таким образом, разность потенциалов, выдаваемых первой и второй стойкой, определяет напряжение якоря, а третьей стойки и дополнительного седьмого ключа -напряжение обмотки возбуждения. Программное обеспечение системы
управления должно быть написано из расчета на такое подключение. В дальнейшем будем называть этот преобразователь - преобразователем напряжения (ПН).
Для наблюдения за параметрами систем управления в схему ПН и ПЧ включен четырехканальный ЦАП, который подключен к встроенному в лабораторный стенд компьютеру, оснащенному 16-канальным дифференциальным аналого-цифровым преобразователем Ь-791 фирмы «Ь-Сатё», позволяющим производить осциллографирование аналоговых величин на частотах до 400 кГц (для одного канала).
Рис. 1. Функциональная схема электропривода постоянного тока
При разработке системы управления были проанализированы все опыты, которые хотелось бы выполнять на данном оборудовании. В результате получился внушительный список структур систем управления, которые необходимо было заложить в программное обеспечение контроллера.
В итоге, было решено выделить в структурах систем управления типовые блоки, а связи между ними конфигурировать произвольно. Такой подход позволяет, заложив в системе управления избыточное количество блоков ПИ-регуляторов, сумматоров, релейных элементов, фильтров, фазных и координатных преобразований, моделей двигателей и т.д., собирать произвольные системы управления.
Было определено, что каждый элемент в отдельности может содержать четыре типа данных:
1) источники данных или выходные переменные, которые имеют доступ только для чтения и могут быть связаны со входами других блоков (например, выход ПИ-регулятора);
2) параметры, которые применяются для его настройки (например, коэффициенты пропорциональной и интегральной составляющей ПИ-регулятора);
3) потребители данных или входные переменные, которые могут быть связаны с выходными параметрами конфигурируемыми связями (например, задание и обратная связь ПИ-регулятора);
4) потребители данных или входные переменные - параметры, которые могут оставаться неподключенными и работают как параметры, но, будучи подключенными к источникам данных, начинают работать как входные переменные (например, параметры ограничения выхода ПИ-регулятора могут быть заданы определенным числом, а в других структурах требуется их динамическое изменение).
В качестве свободных функциональных блоков для электропривода постоянного тока были выделены:
1) блок управления инвертором (получает на вход задания напряжений якоря и обмотки возбуждения);
2) блок ЦАП (получает на вход данные с любых источников);
3) блок встроенного аналого-цифрового преобразователя контроллера системы управления (передает в систему информацию о измеренных токах, скорости с тахогенератора, сигналах задания с потенциометров и свободных входов);
4) 8 программируемых констант;
5) 5 ПИ-регуляторов с настройкой коэффициентов и ограничением выхода;
6) 5 сумматоров с тремя входами и программируемым режимом сложения или вычитания по каждому входу;
7) 5 усилителей с программируемым коэффициентом усиления и смещением;
8) 3 релейных элемента с программируемыми порогами и уровнями выходного сигнала;
9) 5 инерционных фильтров с программируемой постоянной времени;
10) 4 мультиплексора (один из которых связан с тумблером, а остальные переключаются при смене режима работы);
11) задатчик интенсивности.
Для асинхронного электропривода добавляются следующие блоки:
1) блок управления трехфазным инвертором (принимает задания в осях а, в );
2) блок формирования кривой напряжения в функции частоты;
3) блок вычисления угла в функции частоты;
4) блок фазных преобразований из a, b в а, в;
5) блок координатных преобразований из u, v в а, в;
6) 3 блока координатных преобразований из а, в в u, v;
7) блок координатных преобразований из а, в в m, 9;
8) модель асинхронного двигателя для систем векторного управления, вычисляющая потокосцепление ротора по известной скорости и токам фаз в осях а, в;
9) модель асинхронного двигателя для систем прямого управления моментом, вычисляющая потокосцепление статора по напряжениям двигателя и токам фаз в осях а, в .
Сборка систем управления осуществляется с помощью встроенного в преобразователи пульта оперативного управления, подключенного по интерфейсу CAN с протоколом верхнего уровня CANopen [3]. Пульт имеет интуитивно понятный русифицированный интерфейс. Так, для каждого входа, имеющего ясное текстовое обозначение (например, «ПИР1.ОС», что значит «вход обратной связи первого ПИ-регулятора») можно установить значение связи, определяемое текстовым перечислением возможных вариантов (например, «Ток якоря» или «Скорость»). В будущем планируется разработать компьютерную программу, позволяющую соединять блоки визуально, подобно тому, как это делается в системе Simulink пакета MAT-LAB, и передавать конфигурацию в преобразователь через RS-232. Так как сборка больших систем управления занимает достаточно долгое время и требует от студента хорошей подготовки и крайней сосредоточенности, то в систему управления были заложены типовые структуры, вызывая которые, оператор соединяет блоки в заранее определенной последовательности. Пример такой структуры (система векторного управления) показан на рис. 2.
При запуске системы управления программное обеспечение должно расшифровать установленные между блоками связи и в процессе работы выполнять периодическое копирование данных и выполнение блоков. Так как процесс расшифровки требует большого времени по сравнению с периодом ШИМ ПЧ или ПН, относительно которого происходит квантование системы управления, то оказывается рациональным, производя расшифровку, генерировать в программной памяти контроллера код, соответст-
вующий данной сконфигурированной структуре. После компиляции кода ядра системы управления каждый период ШИМ управление будет передаваться ядру, обеспечивающему заложенные в него функции.
Рис. 2. Пример предопределенной структуры системы векторного управления асинхронного электропривода
При разработке модуля компилятора ядра системы управления, отвечающего за расшифровку установленных связей, рассматривалось два возможных подхода. Первый способ, относительно простой в программировании, заключался в поиске всех установленных связей и генерации программного кода, отвечающего за копирование данных. Затем должен генерироваться код, вызывающий на исполнение все используемые свободные функциональные блоки. Однако такой подход приведет к тому, что данные будут передаваться от одного блока к другому один раз на периоде ШИМ, и в случае большой структуры с большим числом последовательных связей задержка на распространение сигнала отрицательно скажется на быстродействии системы.
Второй подход более сложен алгоритмически, но дает значительно более качественный результат. Он заключается в том, что модуль расшифровки проверяет связи, но формирует программный код только для тех связей, где источник их гарантировано имеет. Например, для схемы рис. 2 видно, что задание на третий ПИ-регулятор приходит с первой константы, и значение константы точно определено. Такая связь может быть преобразована в исполняемый программный код. В то же время значение обратной связи этого ПИ-регулятора поступает с блока координатного преобразования из а, в в т, 9. Данная связь не имеет готовых данных, потому что блок координатного преобразования еще не был выполнен, и для этой связи программный код не генерируется.
После анализа всех связей часть из них будет преобразована, а часть нет. Алгоритм переходит к анализу блоков и проверяет, на входе каких функциональных блоков доступны все данные. Так, по структуре на рис. 2 данные будут полностью сформированы для первого усилителя и блока фазного преобразования из а, Ь в а, в. Алгоритм сформирует программный код вызова этих блоков, а их выходы будут помечены, как имеющие готовые данные. После чего снова запускается процедура поиска готовых связей и генерируется программный код, затем снова производится поиск блоков с готовыми входными данными.
Следует заметить, что в некоторых структурах могут оказываться связи, имеющие зацикленности, которые нельзя разрешить описанным способом, тогда проводится дополнительный этап поиска блоков, у которых входные данные уже частично сформированы. Для них генерируется программный код из расчета, что их выходные данные будут востребованы каким-либо другим блоком, который, в свою очередь, выдаст недостающие данные этому частично определенному блоку позже. Данный подход вносит задержку в работу системы регулирования, однако подобные ситуации возникают редко и сложно предложить какой-либо другой способ разрешения проблемы, который будет кардинально лучше и не отнимет больше вычислительных ресурсов.
В результате работы компилятора получается готовый исполняемый код ядра системы, пример которого для структуры рис. 3 показан в листинге 1.
prog:
Ы|) #СОП8И
Ы(1(1 совдИ, #соп!г3_х8е1
Мр #шат_8рее(
Ы(1(1 шат_8рее(, #соп!г4_хЕ(Ь
1(1р #шат_8рее(
Ы(1(1 тат_зрее(, #isOшega2psiR_speed
1(1р #а(с_Ггее3
Ы(1(1 а(с_Ггее3, #gaiп1_x
1(1р #айс_Ггее3
а(с_Ггее3, #ших_т1
1(1р #шат_1А
шaiп_iA, #аЬ2а1ГаБе1а_а
1(р #шат^Б
шaiп_iБ, #аЬ2а1ГаБе1а_Ь
са11 gaiп1
са11 аЬ2а1ГаБе1а
1(р #gaiп1_y
gaiп1_y, #ших_т2
Рис. 3. Листинг 1. Выходной код ядра системы управления
Из рис. 3 видно, что в результате работы компилятора получается достаточно эффективный код, состоящий из операций копирования данных и запуска подпрограмм, в которых эти данные обрабатываются и готовятся новые данные. Так, вначале выполняется копирование готовых данных, после вызываются процедуры усилителя (gainl) и фазного преобразования (ab2alfaBeta), после чего производится копирование данных, полученных в результате отработки этих блоков.
В результате работы была предложена и реализована система управления для преобразователей лабораторных стендов, построенная по принципу свободных функциональных блоков. Алгоритмы управления реализованы для современных микроконтроллеров TMS320LF24xx и планируется внедрение данной технологии в стандартном программном обеспечении отечественной серии преобразователей частоты «Универс» и «Универсал», а также перенос алгоритмов на следующее поколение микроконтроллеров TMS320F28xx.
Апробация проводилась в лаборатории «Энергосберегающий электропривод» кафедры АЭП МЭИ (ТУ) в рамках лабораторных работ по курсу «Теория электропривода» и «Системы управления электроприводами». Система дала возможность проектировать произвольные структуры управления, что было высоко оценено студентами и преподавателями кафедры.
Список литературы
1. Анучин А.С. Новая лаборатория на кафедре АЭП // Энергетик. №1. 2010. С. 7.
2. Модульная микроконтроллерная система управления для отечественной серии преобразователей частоты «Универсал»/ В.Ф. Козаченко [и др.] // Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электро-материаловедение» МКЭЭЭ-2003. Ч.1. Крым, 2003. С. 725-726.
3. Анучин А.С. Сеть CAN и протокол верхнего уровня CANopen в современном электроприводе// Электричество. №5 2008. С.23-29.
A. Anuchin
Control system with free-configurable structure for converter of educational laboratory stands
Approach for development of control system for educational static converter is presented. The control system has structured base consisting of free-configurable blocks, that can be connected with each other by different ways. The possibility to create a variety of control systems for different electrical drives is shown. A given justification is shows practicability of suggested approach for educational process, block structures are defined and special compilation algorithms developed for hard real-time control system are shown.
Keywords: electric drive, control system, excitation winding, DC motor.
Получено 06.07.10
