CC BY
85
УДК 62-83:004
В.Ф. Козаченко, д-р техн. наук, проф., ген. директор, (495) 362-71-51, KozachenkoVF@mpei.ru
Н.А. Обухов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., зам. ген. директора, (495) 362-71-51, n290746@hotbox.ru , А. А. Жарков, канд. техн. наук, ассист., (495) 362-71-51, zarckov@mail.ru
(Россия, Москва, МЭИ(ТУ), «Научно-производственная фирма «ВЕКТОР»),
Д.В. Ткаченко, студент, (495) 362-71-51, demozg@mail.ru (Россия, Москва, МЭИ(ТУ)), Д.И. Савкин, асп., (495) 362-71-51, savkindmi@mpei.ru (Россия, Москва, МЭИ(ТУ))
СОВРЕМЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ СЕРВОПРИВОД МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Рассматривается структура и функциональные возможности интеллектуальной системы управления 2- и 3-фазными шаговыми и вентильными двигателями на новейшей силовой и микропроцессорной элементной базе. Унифицированная система управления поддерживает разомкнутые и замкнутые структуры управления, формирование траектории движения с ограничением скорости и рывка, ввод и исполнение технологической программы пользователя.
Ключевые слова: ось электропривода, структура управления, блок управления, унифицированные интеллектуальные модули.
1. Введение
Ведущие мировые производители сервоприводов для шаговых и вентильных двигателей («Siemens», «Mitsubishi», «Hitachi», «Omron», «Ânaheim Automation», «MDrive», «EvroDrive», «ÂMD», «Technosoft» и т.д.) поставляют их в виде одно- и двухкоординатных интеллектуальных модулей, называемых осями электропривода. Задача автоматизации объекта, например, сборочной линии, решается установкой нужного числа осей, объединенных стандартной промышленной шиной, - MODBUS, CANopen и др. Каждая ось имеет в своем составе микропроцессорный контроллер, обеспечивающий прямое цифровое управление силовой электроникой (инвертором), а также прямой интерфейс с датчиками обратной связи. Большинство вентильных двигателей, используемых в сервоприводах, комплектуется встроенными в двигатель датчиками положения (оптическими «квадратурными» или на элементах Холла). Поддерживается несколько структур управления - от простейшей разомкнутой с приемом команд в унитарном коде до замкнутой с векторным управлением скоростью и моментом. В последнем случае задание на перемещение отрабатывается с использованием встроенного в контроллер генератора траектории.
Блок управления снабжается некоторым количеством дополнительных дискретных входов/выходов для приема сигналов с датчиков конечного положения, технологических датчиков и управления вспомогательными устройствами. Предлагается также дополнительный сервис - возможность ввода в ОЗУ системы управления технологической программы на специализированном языке и ее отработки в автоматическом режиме. Обеспечиваются все условия для создания автономно работающих «островков автоматизации», например, узлов конвейерной или сборочной линии, где в полной мере реализуется концепция распределенного управления. При этом связи между отдельными узлами могут быть «слабыми», а в качестве системы верхнего уровня управления не требуется применение высокопроизводительного компьютера, работающего в реальном времени.
К сожалению, отечественная электротехническая промышленность не выпускает аналогичного комплектного оборудования. Большей частью производятся «голые» исполнительные двигатели и задача сопряжения с датчиками и разработки блока управления ложится на конечного пользователя. Уже давно назрела задача создания отечественного интеллектуального сервопривода малой мощности с развитыми функциями управления и современными интерфейсами. Она особенно актуальна в рамках современной стратегии развития России, связанной с внедрением в производство передовых технологий, импортозамещением, энерго- и ресурсосбережением, развитием средств комплексной автоматизации производства.
В докладе описывается опыт разработки отечественного интеллектуального сервопривода малой мощности (до 0,5 кВт), не уступающего по своим функциональным возможностям западным разработкам.
2. Применение интеллектуальных силовых модулей нового поколения и специализированных высокопроизводительных микроконтроллеров
Важнейшей тенденцией развития современной силовой электроники является создание унифицированных интеллектуальных модулей с интеграцией в одном устройстве силовых ключей, драйверов, схем защиты и средств сопряжения с управляющими микроконтроллерами. Ранее для напряжений питания до 60 В, характерных в шаговом и вентильном электроприводе малой мощности (до 300 Вт), ведущие фирмы пытались разместить на одном кристалле стандартную многофазную силовую часть (например, на базе реверсивных мостовых схем) и достаточно сложную часть системы управления, аппаратно реализующую такие функции, как регулирование тока (с несущей частотой от нескольких кГц и выше), распределение импульсов, микрошаговое управление и др. Сейчас подход существенно изменился - силовая часть делается унифицированной, интеллектуальной, программно конфигурируемой через развитый интерфейс со специализированными микроконтроллерами, имеющими встроенные функции прямого цифрового управления силовыми ключами в режиме ШИМ и прямого цифрового сопряжения с датчиками положения. Это по-
зволяет, с одной стороны, программно перенастроить силовую часть для работы с двигателями различных типов и фазности, а с другой - снять ограничения на структуру собственно системы управления и ее функциональные возможности. Появляется реальная возможность создания интеллектуального привода нового поколения, адаптируемого к типу двигателя и прикладной задаче пользователя.
В современных силовых модулях на базе MOSFET-транзисторов достигнуты рекордные частоты переключения - сотни килогерц и малые сопротивления проводимости RDSon - менее 0,3 Ом. Лидирующие позиции на рынке маломощных интеллектуальных драйверов имеет фирма «Texas Instruments», которая смогла в своих силовых микросхемах DRV8402 понизить сопротивление проводимости силовых ключей до 0,08 Ом и поднять частоту переключения до 500 кГц. Эти показатели достигнуты при номинальном токе 5 А и пиковом - 12 А. В состав силового модуля входят 4 независимых полумоста, допускающих как независимую работу, так и работу в составе 2-фазных или 3-фазных мостов, что обеспечивает подключение практически любого двигателя, начиная от коллекторной машины постоянного тока до 2-х или 3-х фазных вентильных двигателей со встроенными датчиками положения. Поддерживается параллельная работа нескольких стоек инвертора для увеличения токовой нагрузки.
Наличие встроенных защит силовых ключей от короткого замыкания, максимального и сквозного тока, от снижения напряжения питания, двухуровневой температурной защиты делает силовую часть привода полностью самозащищенной. Информация обо всех видах аварий в силовом блоке выдается по цифровому интерфейсу. Уникальная функция аппаратной компенсации «мертвого времени» обеспечивает линейную передаточную характеристику инвертора во всем диапазоне изменения скважностей ШИМ-сигналов управления ключами.
Таким образом, новая силовая элементная база максимально адаптирована для прямого подключения к специализированным микроконтроллерам типа Motor Control, имеющим унифицированные многоканальные ШИМ-генераторы. Так как процессоры типа Motor Control имеют прямой цифровой интерфейс с большинством датчиков положения ротора двигателя («квадратурными» оптическими, на элементах Холла и т.д.), а также высокую производительность, то исключительно на программном уровне решаются и все остальные задачи сервопривода: векторное управление моментом и скоростью машины; планирование и воспроизведение траектории движения. Именно такой подход выбран авторами при создании отечественного интеллектуального сервопривода малой мощности.
3. Структура и функциональные возможности интеллектуального сервопривода
На рис. 1 представлена структура разработанного в МЭИ в содружестве с «НПО ПМ Развитие» (г. Железногорск) сервопривода для управ-
ления широким классом двигателей малой мощности: 2- и 3-фазными шаговыми магнитоэлектрическими, индукторными и реактивными двигателями; вентильными двигателями со встроенными датчиками положения ротора (на элементах Холла или с «квадратурными выходами»). Блок обеспечивает также управление обычными коллекторными машинами постоянного тока и специализированными 6-и фазными двигателями с расщепленными обмотками. Он уже используется при испытаниях широкой номенклатуры новых двигателей, разрабатываемых для отечественной космической промышленности.
Блок состоит из 3 модулей: контроллера, силового модуля, модуля расширения. Модуль контроллера конструктивно объединен в одну «материнскую плату» с модулем вторичных источников питания. К материнской плате подключена через соответствующие разъемы плата силового модуля и плата расширения.
Рис. 1. Функциональная схема интеллектуального сервопривода
Модуль контроллера имеет вычислительное ядро с производительностью - до 150 млн операций в секунду при работе в режиме с фиксированной точкой и до 300 млн операций в сек. при параллельной работе модулей с фиксированной и плавающей точкой, что достигается применением в качестве центрального процессора мощного специализированного сигнального микроконтроллера типа Motor Control TMS320F28335
фирмы «Т1» с уникальным набором встроенных периферийных устройств. Микроконтроллер обеспечивает оптимальный интерфейс с силовыми ключами, поддерживая режимы синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции для мостовых инверторов, а также прямой цифровой интерфейс с датчиками положения - импульсными и датчиками на элементах Холла. Высокая производительность процессора позволила реализовать полноценные системы векторного управления двигателями нескольких типов, а также генераторы траектории движения. Алгоритмическое и программное обеспечение блока содержит широкий набор функций управления разомкнутыми шаговыми электроприводами: многорежимные распределители импульсов с поддержкой одиночной, парной и несимметричной коммутации; модули микрошагового управления с возможностью дробления шага с коэффициентом дробления от 1 до 128.
Для связи с персональным компьютером могут использоваться 2 промышленных гальванически развязанных интерфейса связи: СЛК-интерфейс с протоколом обмена верхнего уровня СЛКореи и ЯБ-485 с протоколом обмена верхнего уровня МОББИБ ЯТИ. Поддерживается также интерфейс с датчиками положения ротора двигателя и дискретными входами/выходами, предназначенными для управления вспомогательной автоматикой. Имеется дополнительный стандартный канал управления шаговыми приводами от систем ЧПУ унитарным кодом.
Силовой модуль реализован на базе силовой микросхемы БЯУ8402 и содержит дополнительные схемы питания драйверов ключей инвертора.
Для создания качественных контуров тока в режимах прямого управления моментом вентильных двигателей и обеспечения высокого коэффициента дробления шага для шаговых двигателей использованы высокоточные бесконтактные датчики тока (точность 0,5 %) с максимальной частотой входного сигнала до 150 кГц.
Внешний вид блока управления серводвигателями со съемным защитным кожухом представлен на рис. 2.
Программное обеспечение блока управления имеет два уровня: нижний, уровень центрального процессора сервопривода и верхний - уровень персонального компьютера, обеспечивающий параметрирование блока, управление в реальном времени и мониторинг динамических процессов в реальном времени.
На нижнем уровне выполняется выбор типа исполнительного двигателя и одной из структур управления, реализуются алгоритмы векторного управления и формирования траектории позиционирования. Поддерживается автоматическое определение параметров машины для автонастройки контуров тока.
Рис. 2. Интеллектуальный модуль управления серводвигателями
Верхний уровень реализован в виде программы «UniCON». Связь с компьютером возможна по 2-м каналам CAN или RS-495. Программа выполняет несколько функций: является визуальной оболочкой для удобной работы с блоком управления, содержит в себе функции создания технологических программ планировки перемещений и управления сопутствующей дискретной автоматикой. Взаимодействие компьютера и блока управления производится в реальном времени, что позволяет оперативно просматривать и модифицировать любой параметр/уставку системы управления, а также осциллографировать наблюдаемые переменные. Для удобства пользователя имеются функции посылки команд оперативного управления двигателем: запуск в выбранном режиме работы; остановка; смена режима работы «на лету» без предварительного переконфигурирования системы управления и др.
Функция подготовки технологических программ интегрирована в «UniCON». После написания программы она компилируется в виде исполнительного кода, загружается в ОЗУ контроллера, где и выполняется.
4. Пример использования
Разработанные сервопривода применены для создания автоматизированного тестового оборудования аттестации шаговых двигателей специального назначения. Осциллограмма отработки приводом программно-заданного положения на сверхнизкой скорости для получения графика статической ошибки на полюсном делении машины показана на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограмма отработки приводом программнозаданного положения на сверхнизкой скорости для получения графика статической ошибки на полюсном делении машины
Благодаря уникальному по своим характеристикам инвертору обеспечены диапазон регулирования момента не менее 100:1, точность поддержания задания скорости не хуже 0,0001 %, диапазон регулирования величины шага 128:1. На осциллограмме (рис.3), полученной в среде «UniCON», показан опыт по определению статической ошибки воспроизведения заданного положения на нескольких полюсных делениях машины в режиме глубокого дробления шага (при частотно-токовом управлении), где масштаб переменных: программно заданный электрический угол и фактический угол: 200 эл.град/Кл, рассогласование (динамическая ошибка): 10 эл. град/Кл; фазный ток 4 А/Кл; ось времени: 23 с/Кл.
Список литературы
1. Козаченко В. Новые возможности семейства специализированных микроконтроллеров TMS320F2833x // Новости электроники. 2008. №14.
2. Texas Instruments. DRV8402 Dual Full Bridge PWM Motor Driver. SLES222-December 2008.
V. Kozachenko, N. Obuxov, A. Zharkov, D. Tkachenko, D. Savkin
The modern intellectual servo-driver of low power
The structure and the functional overview of an intelligence motor control system for two and three phase step and synchronous motors using the up-to-date power and microprocessor component base are considered. The unified motor control system supports the open-loop and closed-loop systems as well as generation of the motion path with speed limitation and jerks, the input and implementation of user's technological program.
Keywords: electric drive axis, control structure, the control block, the unified intellectual modules.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:004
А.Е. Козярук, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (812) 328-84-69, kozyaruk@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ))
СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ
Рассмотрены структуры и алгоритмы управления электроприводами с полупроводниковыми коммутаторами на полностью управляемых ключах. Приведены реализованные технические решения для экскаваторного электропривода.
Ключевые слова: силовой полупроводниковый преобразователь, система «прямого управления моментом», полупроводниковый коммутатор.
Процесс создания и развития высокоэффективных регулируемых электромеханических комплексов различного технологического назначения обусловил развитие теории и практическую реализацию силовых полупроводниковых устройств, как отдельного класса электротехнического оборудования (устройств силовой электроники). При разработке теории полупроводниковых преобразователей чаще всего использовались упрощенные представления источников питания, преобразовательного устройства, нагрузки, что привело к широкому распространению и использованию таких терминов как «вентильный преобразователь», «инвертор тока», «инвертор напряжения», «непосредственный преобразователь» и др.
В действительности, силовой полупроводниковый преобразователь представляет собой коммутатор, соединяющий по определенному алгоритму входные и выходные цепи электротехнического устройства. На современном этапе силовые преобразователи строятся на основе полностью управляемых ключей, а управление ключами осуществляется по алгоритму, реализуемому управляющим микропроцессорным устройством с обеспечением требуемого критерия качества и оптимальности.
Такие структуры и алгоритмы использовались автором при разработке полных математических моделей электромеханических систем с по-
