CC BY
160
УДК 621.314.62
ВЫБОР АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ А.Н. Анненков, А.И. Шиянов, Д.Ю. Донских
Рассмотрены особенности реализации аппаратной части цифровых следящих электроприводов Ключевые слова: следящий привод, инвертор, микроконтроллер
Современный этап развития техники характеризуется широким внедрением цифровых следящих электроприводов для управления движением исполнительных механизмов транспортных средств, авиационной и ракетной техники, станков, роботов и электротехнических систем различного назначения.
Система управления следящего привода состоит из нескольких основных частей:
- вычислительного устройства;
- схемы согласования силовой части системы управления и вычислительного устройства;
- силовой части электропривода;
- схемы преобразования и согласования сигналов обратных связей;
- схемы интерфейса пользователя.
Вычислительное устройство следящего электропривода представляет собой микроконтроллер, выполняющий функции управления силовыми ключами, контроля и задания режимов работы, а также формирующего интерфейс пользователя или сопряжения с другими управляющими устройствами.
В настоящее время для применения в электроприводах производители микроэлектроники предлагают широкий выбор специализированных микроконтроллеров, позиционируемых как линейки “Motor Control”. Такие контроллеры характеризуются особой конфигурацией периферийных устройств (наличие ШИМ-контроллеров для управления 3х-фазными двигателями с генерацией «мёртвого времени», интерфейсов для подключения оптических энкодеров или аналоговых датчиков типа вращающийся трансформатор, высокопроизводительных АЦП), а также наличием специализированных программных средств, библиотек и конфигураторов, а также отладочных и демонстрационных плат, значительно упрощающих и ускоряющих процесс разработки конечного устройства.
В следящих приводах для повышения точности управления силовым инвертором и улучшения энергетических показателей предъявляются повышенные требования к ШИМ-контроллеру.
Анненков Андрей Николаевич - МИКТ, д-р техн. наук,
профессор, e-mail: annenkov mikt@mail.ru
Шиянов Анатолий Иванович - МИКТ, д-р техн. наук,
профессор, e-mail: mathy@mail.ru
Донских Дмитрий Юрьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail:
ska_boy69@list.ru
Последним требованиям удовлетворяют контроллеры линейки TMS320F280 (рис.1), последние модели которых поддерживают инструкции с плавающей точкой, что способствует повышению точности вычислений.
При частоте АЦП 25 МГ ц эти модели обладают высоким быстродействием (60 наносекунд на выборку). Шесть независимых 2х канальных ШИМ-контролеров высокого разрешения позволяют независимо управлять каждым ключом силового инвертора. Интерфейсы для подключения датчиков положения позволяют сократить время и ресурсы на вычисление координат и скоростей. Важным для разработчика является наличие оптимизированной библиотеки “Motor Control”, состоящих из стандартных, часто используемых в электроприводах функций.
Рис. 1. Структурная схема контроллера TMS320F28335 Помимо контроллеров TMS для задач реализации вычислительной части следящих приводов можно рекомендовать контроллеры архитектуры ARM Cortex M3 STM32F100, обладающие несколько меньшей производительностью, но имеющие
значительно более низкий диапазон цен, что является немаловажным в условиях современных рыночных отношений.
Более широко распространённые микроконтроллеры AVR ATmega в виду их сравнительно более низкого быстродействия можно применять для систем с высокими требованиями по точности только в виде сетевых решений: необходимо использовать несколько микроконтроллеров с распределением задач управления, а также внешний быстродействующий АЦП. Описанные выше недостатки значительно усложняют схемотехнику системы управления, затрудняет решение задач электромагнитной совместимости и увеличивают её габариты.
В силовой части следящих приводов чаще всего используются инверторные мосты, построенные по схеме Ларионова. В качестве силовых ключей в основном применяются полевые или биполярные транзисторы с изолированными затворами (MOS-FET и IGBT).
Сигналы управления с выхода микроконтроллера имеет слишком низкий уровень напряжения для открытия канала транзистора, поэтому для согласования уровней сигнала применяются схемы драйверов MOSFET/IGBT транзисторов. Такие схемы выпускаются промышленностью в виде отдельных интегральных схем. Одной из таких микросхем является широко распространённая микросхема IR2130 и её модификации, производимые компанией International Rectifier. IR2130 представляет собой драйвер 3х фазного моста с управлением шестью транзисторами с изолированными затворами напряжением до 600 Вольт.
up (о 6Q0V
Рис. 2 Схема подключения драйвера IR2130
Микросхема позволяет управлять транзисторами непосредственно с выходов микроконтроллера (с уровнями сигналов 1.8В, 3.3В и 5В), а также устраняет негативные эффекты связанные с паразитными емкостями в транзисторе (канал-затвор). Несмотря на то, что драйвер Ш.2130 позволяет управлять ключами непосредственно с контроллера, для повышения надёжности и защиты микроконтроллера от повреждений необходимо развязывать силовую часть от микроконтроллерной с помощью оптопар.
Датчики являются необходимой составной частью следящего электропривода. В любом сервоприводе есть как минимум два типа датчиков: датчики тока и датчики угловых или линейных (в зависимости от типа привода) перемещений.
В качестве датчиков тока широко применяются
как трансформаторы тока, так и датчики на основе эффекта Холла. В настоящее время чаще всего применяются последние. К их главным достоинствам следует отнести хорошую электрическую изоляцию, широкий диапазон частот и возможность измерения постоянных токов. Недостатком является наличие внешнего источника питания. Широкую гамму датчиков тока выпускает компания Allegro Microsystems. Эти датчики обладают высокой точностью измерений и удобным пропорциональным выходом по напряжению.
Датчики угловых перемещений - это в первую очередь инкрементные и абсолютные энкодеры. Сравнительно реже применяются аналоговые датчики трансформаторного типа. Инкрементные энкоде-ры в большинстве своём подключаются непосредственно к входам микроконтроллера. Так, в микроконтроллерах «Motor Control» имеется специальный модуль обработки значений полученных с помощью инкрементных энкодеров. При подключении некоторых абсолютных энкодеров (например, серии ЛИР отечественного производства) могу возникнуть проблемы согласования уровней сигналов, так как большинство современных микроконтроллеров имеет высокий логический уровень в 3,3В, а датчики серии ЛИР 5В. Данная проблема легко решается подключением датчика через микросхему логики (обычно инвертер или повторитель), совместимой по выходам с биполярными сериями, например, такими как микросхемы серий 74ACT, 74HCT и их отечественные аналоги 1594 и 5564.
Подключение аналогового датчика трансформаторного типа к вычислительному устройству требует усложнение схемы и программы обработки сигналов, связанных с подачей на задающую обмотку датчика переменного напряжения и оцифровки и анализа значений напряжений с входной и выходной обмоток. Для выполнения данных задач рядом фирм были разработаны микросхемы, выдающие текущее положение и скорость в удобном цифровом виде (см. рис. 3).
Среди этих микросхем следует отметить разработки компании Analog devices: микросхему
AD2S99 (задающий генератор), AD2S90(12 - битный преобразователь резольвер - код) или AD2S1210, совмещающую эти две микросхемы. AD2S90 как и AD2S1210 посылает данные в контроллер в виде последовательного цифрового кода, совместимого с стандартом SPI.
Для реализации интерфейса между приводом и управляющим устройством (компьютером, панелью оператора и т. п.) чаще всего используют промышленные стандартные последовательные протоколы обмена данными: RS-232, RS-485, CAN. Для согласования уровней сигналов можно рекомендовать для использования широко распространённые приёмники - передатчики Maxim MAX232, MAX485. Для связи с компьютером возможно использовать высокоскоростную шину USB, для этих задач компанией FTDI разработаны UART-USB преобразователи FT232 различных модификаций, подключаемые непосредственно к порту SCI контроллера.
Рис. 3. Обработка данных от аналогового датчика трансформаторного типа при помощи микросхемы ЛБ281210
Можно заключить, что для следящих электроприводов принципиально важным является обеспечение минимально возможной временной задержки
в цепи обратной связи, с чем связаны повышенные требования к аналогово-цифровой обработке сигналов, максимально быстрой и точной обработки данных от различных датчиков положения, а также максимальная производительность для реализации высокоточных векторных преобразований, функционирования регуляторов с изменяющимися параметрами и вычислений модели двигателя (привода).
Следует отметить, что наиболее существенным недостатком практически всех контроллеров, применяющихся в системах управления следящих электроприводов, является сложность их настройки.
Литература
1. Гусев Н.В, Букреев В.Г. Системы цифрового управления многокоординатными следящими электроприводами: учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического института, 2007. 213с
2. Панкратов В.В. Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза. / Электронные компоненты. - 2007. -№ 2.
Воронежский государственный технический университет Международный институт компьютерных технологий
FEATURES OF HARDWARE REALIZATION DIGITAL CONTROL SYSTEMS OF TRACKER ELECTROMECHANICS DRIVES A.N. Annenkov, A.I. Shijanov, D.Y. Donskih
The features of realization of vehicle part of digital tracker electromechanics drives are considered Key words: tracker electromechanics drives, inverter, microcontroller
