CC BY
44
УДК 62-52
ЦИФРО-АНАЛОГОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕРЬЕРА ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
© 2007 г. Н.Н. Прокопенко, Ю.А.Валюкевич
Постоянно совершенствующийся уровень технического обеспечения для реализации систем автоматизированного управления (САУ) технологическими объектами сделал фактически законченным переход от аналоговых к цифро-аналоговым вариантам построения этих систем. Причем, как правило, все законы регулирования САУ реализованы в цифровой форме.
Мировой рынок предоставляет в распоряжение разработчика САУ достаточно широкий набор технических средств для реализации систем управления. К их числу можно отнести семейства DSP--процессоров Texas Instruments, Motorola, Siemens и т.д. Отдельные виды продукции этих фирм ориентированы для реализации САУ различными технологическими объектами. Это достигается путем включения в состав периферийного оборудования специализированных устройств, реализующих на аппаратном уровне наиболее типичные задачи систем управления (блоки ШИМ, многоканальные АЦП, декодеры и т.д.) и наличием высокопроизводительного ядра, система команд которого ориентирована на решение типовых задач цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Однако применение DSP-процессоров сдерживает ряд обстоятельств:
- высокие требования к технологическому процессу изготовления устройства на их основе;
- достаточно высокая стоимость среды разработки программного обеспечения для ДХР-процессоров;
- высокие требования к начальной профессиональной подготовке разработчика САУ на базе DSP-процессоров.
Для достаточно большого числа задач по реализации САУ можно предложить более простое, дешевое и вместе с тем достаточно эффективное решение - на базе совместного использования восьмиразрядного микроконтроллера общего назначения и ПЛИС. Подобное устройство разработано в лаборатории «Робот» кафедры ИСиРТ ЮРГУЭС. Основное назначение устройства - использование в учебном процессе при изучении курсов «Цифровая и микропроцессорная техника» и «Теория автоматического управления» для студентов и магистрантов технических специальностей. В качестве тестового контроля модуль был также использован для реализации САУ электропривода постоянного тока раскройного комплекса для оформления элементов интерьера жилых помещений.
Структурная схема САУ углового положения вала электродвигателя постоянного тока приведена на рис. 1.
УВ
Рис. 1. Структурна схема САУ: МК - микроконтроллер; ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема; БГР - блок гальванической развязки; ПУ - преобразователь уровня; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ШИП - силовой широтно-импульсный преобразователь; ДПТ - двигатель постоянного тока; ДП - оптоэлектронный датчик углового положения вала; БП - блок питания ШИП; УМ - управляющий модуль; ф - угловое положение
вала двигателя; ю - скорость вращения вала двигателя
Блоки, входящие в состав управляющего модуля, на рис. 1 выделены штриховой линией.
Для подключения к УМ могут использоваться 24 линии ввода/вывода ТТЛ уровня, аналоговый вход и трехпроводный интерфейс стандарта RS232. Линии ввода/вывода могут быть сконфигурированы в соответствии со схемой подключения к остальным элементам САУ. В рассматриваемом случае шина ввода/вывода разделена на пять функциональных шин:
- управления и контроля 4 шины;
- датчика 3 шины;
- управления ШИП 6 линий;
- не используется в данном приложении 11 линий.
В УМ установлены микроконтроллер семейства
AVR AT mega 162 с тактовой частотой 16 мГц и ПЛИС семейства ALTERA типа Cyclon II. Среды разработки для МК - IAR EW for Atmel AVR V2.2 (Demo version) и ПЛИС - Quartus II S.I.W.E. распространяются бесплатно. Их использования вполне достаточно для большинства разработок на базе УМ. В состав УМ также включен двенадцатиразрядный АЦП с последовательным интерфейсом и максимальной скоростью предобразования 100 KSPS. Внешний вид платы УМ представлен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид модуля
Структурная схема регулятора САУ углового положения вала ДПТ представлена на рис. 3.
Представленная структура является классическим случаем системы подчиненного регулирования, расчет коэффициентов которой не представляет затруднений при известных параметрах электродвигателя и силового преобразователя [1].
Для улучшения качества регулирования обычно коэффициенты регулятора скорости задаются как известная функция от величины входного сигнала (на схеме рис. 3 не показано).
Входным управляющим воздействием в данной реализации являются импульсная последовательность,
количество импульсов которой определяет угловое перемещение, а их период следования - заданную угловую скорость вращения. Направление перемещения задается отдельным бинарным сигналом.
Вычислительная структура, приведенная на рис. 3, может быть реализована с помощью УМ тремя различными способами:
- полностью на микроконтроллере программным способом;
- полностью на ПЛИС аппаратным способом;
- комбинированным способом с достаточно произвольным распределением функций между устройствами.
Основным критерием выбора способа распределения функций между устройствами служат требования, предъявляемые к быстродействию и качеству САР. Немаловажным критерием также является удобство наладки САР.
При реализации САР был выбран комбинированный способ, так как требуемый диапазон регулирования привода по скорости составляет 1:2000, точность отработки перемещения 2п/2000 рад., максимальная скорость 2000 об/мин. При таких параметрах системы реализация САР на базе только микроконтроллера невозможна по быстродействию. С другой стороны, использование только ПЛИС делает весьма трудоемким процесс настройки САР, так как, во-первых, требуется проектирование в составе ПЛИС достаточно большого количества сервисных блоков, не используемых в процессе эксплуатации, и наладке взаимодействия между ними. Кроме того, изменение любого параметра требует перепрограммирования ПЛИС. В связи с этим в рассматриваемом случае модуль ШИМ, декодер, накапливающие сумматоры регулятора положения, датчик угловой скорости, схема чтения сигнала АЦП и схемы получения разности положения, скорости и тока реализованы аппаратным способом на базе ПЛИС. Функции регуляторов положения скорости и тока реализованы на базе МК. Таким образом, значения параметров регуляторов доступны для оперативного изменения при наладке САУ. Обмен информацией между МК и ПЛИС осуществляется по параллельному интерфейсу с восьмиразрядной двунаправленной шиной данных. Функции контроллера шины выполняет МК. Благодаря наличию в составе УМ интерфейса RS232 к нему может быть подключен ПК.
В рамках данной работы в среде C++ Builder 6.0 была разработана программа визуализации параметров САР и задания тестовых режимов, что существенно облегчает отладку системы.
На базе данного модуля была реализована и отлажена САР положения электропривода постоянного тока мощностью 1,5 кВт. Наладка проведена для не-нагруженного двигателя с настройкой контура скорости по модульному оптимуму. Параметры САР соответствуют приведенным выше. В настоящее время на кафедре ИС и РТ ЮРГУЭС ведутся работы по интегрированию предложенного модуля в состав системы управления раскройным комплексом для оформления элементов интерьера жилых помещений.
sig« ср 3
Рис. 3. Структурная схема регулятора САУ положения вала: ф з, ф дф з, ф д - заданное и истинное угловое положение вала ДПТ и их производные (угловые скорости) соответственно; Дф, Дф з - разности заданного и истинного значений положения и скорости соответственно; кп - коэффициент передачи регулятора положения; кпю, кию - коэффициента: передачи пропорциональной и интегральной частей регулятора скорости соответственно; Iяз, 1Ш, Д7 - заданное истинное значение токов якоря ДПТ и их разность соответственно; крг, киг - коэффициенты передачи пропорциональной и интегральной частей регулятора тока; Q - выходной параметр (скважность ШИМ)
Проведенная опытно-конструкторская разработка позволяет сделать вывод о целесообразности применения модуля для реализации САУ с достаточно высокими требованиями по точности регулирования и быстродействию, а также в качестве средства обучения специалистов в области цифровой и микропроцессорной техники применительно к реализации САУ бытовыми машинами и приборами.
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты
Литература
1. Башарин А.В., Голубев Т.Н. Примеры расчета автоматизированного электропривода. Л., 1972.
2. Прокопенко Н.Н., Валюкевич Ю.А. Эффективность применения транзисторных ЮБТ модулей в системах управления электроприводом бытовых машин и приборов нового поколения // Междунар. науч.-практ. семинар «Проблемы современной аналоговой схемотехники»: Сб. материалов. Шахты, 2003. Ч.1. С. 130 - 132.
22 октября 2007 г.
