Г л а в а 1 1 страница

Микропроцессорные системы

УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ

силовой электроники

Часть 1

Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК
2006

УДК 621.314.6(075.8)

Б 305

Рецензенты: д-р тех. наук, проф. Г.С. Зиновьев;

канд. техн. наук, доц. Б.М. Боченков

Работа подготовлена на кафедре промышленной электроники

Баховцев, И. А.

Б 305 Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники: учеб. пособие / И.А. Баховцев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – В 2 ч. Ч. 1. – 72 с.

ISBN 5-7782-0645-3

Излагаются основные характеристики и особенности информационно-управляющих микропроцессорных систем, принципы построения микропроцессорных систем управления вентильными преобразователями с естественной коммутацией и способы микропроцессорной реализации алгоритмов управления указанными преобразователями.

Учебное пособие предназначено для студентов 5-го курса факультета РЭФ, изучающих дисциплину «Микропроцессорные системы силовой электроники» (специальность 210106 и направление 210100). Оно может быть полезно специалистам в области управления устройствами силовой электроники.

УДК 621.314.6(075.8)

ISBN 5-7782-0645-3 Ó И.А. Баховцев, 2006

Ó Новосибирский государственный
технический университет, 2006

Двумя самыми важными технологиями сверхавтома­тизи­рованного 21-го века будут: компьютеры – «разум» и силовая электроника – «мускулы».

Professor J. Bose

ПредисловИЕ

В настоящее время стало нормой использование в промышленном вентильном преобразователе (ВП) микропроцессорной техники (МПТ), которая по сравнению с «устройствами жесткой логики» качественно улучшила его характеристики [1–4]. Следовательно, нормой также должны стать знание специалистами в области силовой электроники микропроцессорных средств и умение использовать эти средства для управления вентильным преобразователем и всей системой, в которой этот преобразователь используется, например электроприводом.

Качественное проектирование сложных микропроцессорных систем, к которым можно отнести и микропроцессорную систему управления (МПСУ) вентильным преобразователем, возможно лишь на основе всестороннего, целостного рассмотрения разрабатываемой системы с точки зрения ее как внутреннего функционирования, так и взаимодействия с объектом управления. Вентильный преобразователь как объект управления имеет свои особенности, не учитывать которые разработчик не имеет право. Автор придерживается выверенного практикой принципа: «нельзя разработать оптимальную микропроцессорную систему управления каким-либо объектом, не зная, как этот объект функционирует». Этот тезис, думается, будет полезен и инженерам промышленной электроники. Кстати, в этом плане они находятся в выгодном положении. Для разработки оптимальной МПСУ вентильным преобразователем у них есть все возможности, так как в процессе обучения они изучали все необходимые дисциплины.

Таким образом, разработка микропроцессорных систем управления вообще и МПСУ вентильным преобразователем в частности является неординарной и сложной задачей, требующей системного подхода. Однако технической литературы по проектированию микропроцессорных систем управления мало. Этому вопросу авторы уделяют недостаточно внимания, делая основной упор на рассмотрение режимов работы, структуры микропроцессора или микроконтроллера и соответствующей системы команд. В области же проектирования МПСУ устройствами силовой электроники дело обстоит еще хуже. Автору известны только три солидные отечественные работы по этому вопросу [5–7]. Но они были изданы еще в 80-годах прошлого века и касались только МПСУ управляемыми выпрямителями (УВ) и электроприводами постоянного тока, хотя микропроцессорная техника уже давно используется для управления и автономными инверторами и электроприводами переменного тока [3, 4].

Имеющаяся информация по проектированию микропроцессорных систем управления вентильными преобразователями разбросана в основном по обзорным изданиям, журнальным статьям и материалам научно-технических (чаще зарубежных) конференций, что обусловливает сложность и неудобство ее систематического изучения.

Из сказанного выше видна необходимость сбора, систематизации и обобщения материала по созданию МПСУ вентильными преобразователями. Настоящее учебное пособие является попыткой преодолеть указанный недостаток в учебной технической литературе.

В первой части пособия рассмотрены общие свойства и характеристики МПСУ вентильными преобразователями (гл. 1) и вопросы микропроцессорного управления выпрямителем как представителем семейства вентильных преобразователей с естественной коммутацией (гл. 2), причем только в разомкнутых системах. Вопросы построения замкнутых систем управления только упоминаются, более подробно они будут рассмотрены во второй части учебного пособия, где также будет приведен материал по микропроцессорному управлению автономными инверторами напряжения.

Для понимания излагаемого материала читатель должен знать работу устройств силовой электроники, основы построения микропроцессорных систем, систем автоматического регулирования (САР) и электропривода.

В учебном пособии рассмотрены основные принципы построения микропроцессорных систем управления вентильными преобразователями и приводится микропроцессорная реализация их алгоритмов управления. Материал в основном излагается без ориентации на какую-либо элементную базу и представлен в виде функциональных схем, алгоритмов и структур программного обеспечения. Такой подход позволяет использовать приведенные сведения при разработке МПСУ на любых микропроцессорных средствах.

Микропроцессорное управление, используемое, в частности, в вентильных преобразователях, – это динамично развивающееся направление техники, которое в силу массовости применения постоянно совершенствуется с точки зрения как теории управления, так и элементной базы, обновляющейся примерно через каждые 2–3 года [8, 9]. Поэтому, естественно, данное пособие отражает не самое современное состояние вопроса по микропроцессорному управлению вентильными преобразователями. Но в силу отсутствия необходимой литературы и «непривязанности» материала к конкретной элементной базе данное пособие, излагающее основы построения МПСУ вентильными преобразователями, не потеряет своей актуальности и в обозримом будущем.

Предлагаемое учебное пособие является частью дисциплины «Микропроцессорные системы силовой электроники», которую автор читал на протяжении ряда лет студентам 5-го курса и магистрантам кафедры промышленной электроники Новосибирского государственного технического университета.

В основе книги лежит материал, взятый из соответствующих отечественных и зарубежных технических изданий [1–8, 10, 11], и опыт кафедры промышленной электроники НГТУ по разработке МПСУ вентильными преобразователями [12–15]. В этом смысле многих моих коллег можно считать соавторами этой работы.

Пособие предназначено для студентов 5-го курса факультета РЭФ НГТУ инженерного направления специальности 210106 «Промышленная электроника» и магистерского направления 210100 «Электроника и микроэлектроника», оно также может быть полезно специалистам в области разработки МПСУ устройствами силовой электроники.

Г л а в а 1

микропроцессорные системы управления
вентильными преобразователями.
общие понятия и требования

1.1. Классификация
микропроцессорных систем

Несмотря на многообразие и различные области применения, все микропроцессорные системы по функциональному признаку можно разделить на три большие группы [16]:

- микропроцессорные вычислительные системы – МПВС;

- информационно-измерительные микропроцессорные системы – ИИМПС;

- информационно-управляющие микропроцессорные системы – ИУМПС.

К первой группе относятся калькуляторы, персональные компьютеры, ноутбуки, мощные вычислительные комплексы и т.д. Технические характеристики этих устройств, думается, известны и понятны, так как практически каждый учащийся вуза с некоторыми из этих устройств встречался в процессе учебы.

Вторая группа МПС широко используется в медицинской диагностике, в технической диагностике, различных испытательных стендах, системах мониторинга и т.п. Технические характеристики информационно-измерительных микропроцессорных систем, как правило, во многом отличаются от характеристик микропроцессорных вычислительных систем, но практически совпадают с параметрами устройств третьей группы – информационно-управляющих микропроцессорных систем, которые мы рассмотрим более подробно. В литературе, например в [16], им дается следующее определение.

Информационно-управляющие микропроцессорные системы – это комплекс аппаратных и программных средств, который под воздействием оператора или автоматически управляет состоянием какого-либо объекта.

Причем «объект» понимается в широком смысле. Это могут быть как целые отрасли производства, городские хозяйства, предприятия, так и технологические процессы и технические устройства. В рамках настоящего учебного пособия именно последние представляют наибольший интерес, так как к ним, очевидно, можно отнести и вентильный преобразователь, и всю систему в целом, в которой он функционирует.

Известно, что качественное управление объектом возможно только при наличии информации об его фактическом состоянии. Таким образом, можно сказать, что информационно-управляющая микропроцессорная система – это информационно-измерительная микропроцессорная система, в которую введен канал управления.

Информационно-управляющие и информационно-измерительные микропроцессорные системы [16] по сравнению, например, с микропроцессорными вычислительными системами характеризуются такими отличительными признаками, как:

- наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;

- требование оптимизации структуры для конкретного применения;

- работа в реальном масштабе времени;

- наличие развитой системы внешних устройств (датчиков, средств сбора, первичной обработки и передачи информации);

- существенное различие функциональных задач (т. е. их возможная разнотипность) в различных случаях применения;

- высокие требования к надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;

- сложные условия эксплуатации (температура, электромагнитный фон, агрессивная среда и т.д.);

- обеспечение автоматического режима работы или автоматизированного режима, т.е. с участием оператора как элемента системы.

Все перечисленные признаки (или характеристики) в каждом конкретном случае должны иметь четкое количественное выражение.

В общем виде структура информационно-управляющей микропроцессорной системы содержит (рис. 1.1) датчики входной информации, характеризующей объект управления, устройство сопряжения с объектом (УСО), микроЭВМ, пульт управления, устройство отображения информации и каналы передачи информации между компонентами системы и за ее пределы, в частности к ЭВМ верхнего уровня управления.

Замечание. В обобщенной структуре информационно-управляющей МПС, приведенной на рис. 1.1, можно в принципе усмотреть все три функциональных типа МПС. Блоки, расположенные правее вертикальной штриховой черты, составляют МПВС. Все блоки и каналы связи, обозначенные сплошными линиями, – это ИИМПС, для которой крайний левый блок будет уже называться объектом измерения. Канал связи, обозначенный штриховой линией, – это канал управления, который дополняет информационно-измери­тель­ную МПС до информационно-управляющей МПС.

С учетом приведенной структуры задачи, решаемые информационно-управляющей МПС, можно классифицировать следующим образом [16]:

- ввод и предварительная обработка входной информации в УСО (гальваническая развязка, фильтрация, нормализация, аналого-цифровое преобразование и т. д.);

Рис. 1.1

- обработка входной информации в микроЭВМ;

- решение основных функциональных задач и выработка управляющих воздействий в микроЭВМ;

- преобразование в УСО управляющих воздействий к виду, необходимому для объекта управления (усиление, цифроаналоговое преобразование, распределение сигналов, гальваническая развязка и т. д.);

- диагностирование самой ИУМПС и объекта управления;

- вывод текущей информации о состоянии системы в устройство отображения информации;

- прием сигналов задания от оператора или ЭВМ верхнего уровня.

Из рассмотрения указанных задач можно с очевидностью отметить, что основными компонентами ИУМПС являются микроЭВМ и устройство сопряжения с объектом. МикроЭВМ реализует процесс цифровой обработки информации и формирует управляющее воздействие. Устройство сопряжения с объектом осуществляет двустороннюю связь между объектом управления и микроЭВМ, выполняя в обоих направлениях прежде всего преобразование информации, поступающей от источника, к виду, необходимому для приемника.

Рассмотренные выше характеристики ИУМПС можно отнести к общим характеристикам МПСУ вентильными преобразователями. Рассмотрим также с общих позиций и объект управления – вентильный преобразователь.

1.2. Структура энергетической системы

Вентильный преобразователь обычно входит в состав технической системы, в которой происходит прежде всего передача электрической энергии. Поэтому такую систему чаще всего называют энергетической. На рис. 1.2 представлена ее упрощенная схема.

В состав энергетической системы входят: источник питания, коммутационная аппаратура, вентильный преобразователь, объект управления, микропроцессорная система управления.

Замечание. Коммутационная аппаратура (автоматы, контакторы, магнитные пускатели) предназначена для установления электрической или механической связи между компонентами. Коммутационная аппаратура в принципе может присутствовать в различных точках системы.

Рис. 1.2

В энергетической системе можно выделить два различных взаимодействующих канала [17]: силовой и информационно-управляющий (на рисунке они разделены штриховой линией). Первый предназначен для передачи и преобразования энергии. Данный канал также называют энергетическим. В общем случае энергия в нем может протекать в обоих направлениях. Второй предназначен для сбора и обработки информации о состоянии и функционировании системы, а такжедля управления процессом преобразования энергии. Информационно-управляющий канал, основу которого составляет МПСУ, может взаимодействовать со всеми элементами силового канала, с оператором, а также с системой управления верхнего уровня.

Постоянное ужесточение требований к электротехническим устройствам по таким показателям, как надежность, точность, быстродействие, энергетическая эффективность, ресурсоемкость и т.д., вызывает необходимость совершенствования всех компонентов таких устройств. Большие возможности в этом смысле имеются в более качественном управлении вентильным преобразователем в силовом канале. В соответствии с этим в еще большей степени возрастает роль МПСУ в энергетической системе.

Снимая информацию практически со всех элементов силового канала, МПСУ имеет только один объект воздействия – вентильный преобразователь. Таким образом, этот тандем и определяет во многом характеристики всей системы. В то же время при разработке любого электротехнического устройства, в котором присутствуют вентильный преобразователь и МПСУ, надо отчетливо представлять не только их функциональное назначение, но и особенности их работы, которые накладывают отпечаток на выполняемые ими функции. Среди всех прочих выделим прежде всего особенности вентильных преобразователей и МПСУ с точки зрения процесса управления.

1.3. Особенности вентильного преобразователя как объекта управления

Как элемент системы регулирования вентильный преобразователь имеет ряд особенностей [1, 3, 5, 17]:

1. Вентильный преобразователь – это дискретная импульсная система. Преобразователь регулирует поток электроэнергии дискретно – через интервал дискретности, величина которого может быть различной. Например, в управляемых выпрямителях и непосредственных преобразователях частоты в зависимости от фазности (пульсности) схемы это могут быть 180, 120, 60 эл. град. и т. д. Во временной области интервал дискретности зависит также от частоты сети, которая обычно составляет 50, 60 и 400 Гц. В автономных инверторах тока и напряжения интервал дискретности определяется частотой опорного сигнала, которая, в частности, может достигать десятков килогерц.

2. Вентильный преобразователь – это система с переменной структурой. После каждого управляющего импульса меняется структура силовой схемы преобразователя (контура протекания тока), отсюда в схеме возникают новые переходные процессы. Для анализа подобных схем используются специальные, довольно сложные математические методы: дискретное преобразование Лапласа, z -пре­об­ра­зование, метод припасовывания, методы математического моделирования [18, 19].

3. Вентильный преобразователь – это нелинейная система. Данное свойство определяется наличием в схеме вентилей (ключей), которые (в идеальном случае) имеют два состояния: закрытое (ключ разомкнут, R = ¥) и открытое (ключ замкнут, R = 0). При рассмотрении системы регулирования в целом необходимо также учитывать и нелинейности в нагрузке, например в двигателе.

4. Вентильный преобразователь – это преобразователь электрической энергии, т. е. источник тока или напряжения. При этом нагрузка может быть самая различная: как пассивная (R, RL, RLC, RC), так и активная – противоЭДС (аккумулятор, двигатель постоянного или переменного тока). В последнем случае микропроцессорная система управления, как правило, имеет дело не только с вентильным преобразователем, но и с электроприводом в целом: варьируя электрические параметры вентильного преобразователя, МПСУ в конечном итоге должна управлять механическими и электромеханическими характеристиками двигателя. Чаще всего для управления электроприводом используется двухконтурное (по скорости и току) подчиненное регулирование [20], реже – трехконтурное (с добавлением контура по положению). Таким образом, электропривод с вентильным преобразователем представляет собой многоконтурную систему регулирования.

Таковы, на наш взгляд, основные особенности вентильного преобразователя как объекта управления, их необходимо учитывать при разработке его МПСУ. С другой стороны, микропроцессорная техника как средство управления также имеет свою специфику, которая может оказать (и оказывает) влияние на характеристики вентильного преобразователя и системы в целом. Этот вопрос рассматривается в следующем разделе.

1.4. Особенности МПТ
как средства управления

По сравнению с аналоговыми и цифровыми средствами микропроцессорные средства управления имеют много достоинств, которые хорошо известны [21]. К ним нужно отнести малые массу, габариты и энергопотребление, а также надежность, гибкость и универсальность. Микропроцессорная техника имеет и недостатки, которые тоже известны [22] и которые необходимо иметь в виду.

С точки же зрения управления важнейшей особенностью микропроцессорных средств является следующее. Микропроцессор, как известно, по принципу своей работы является последовательным устройством. Все операции, необходимые для реализации алгоритмов управления, в нем выполняются последовательно, друг за другом, в соответствии с заданной программой. Следовательно, по быстродействию МПСУ принципиально проигрывает аналоговым и цифровым системам управления, являющимся в этом смысле параллельными устройствами.

Таким образом, в МПСУ от начала анализа входной информации до выдачи управляющего сигнала проходит время, которое называется временем задержки расчета алгоритма. Другими словами, здесь, так же как и в вентильном преобразователе, наблюдается свойство дискретности, но дискретности управления. Данное обстоятельство позволяет сделать предположение о возможности синхронизации работы вентильного преобразователя и МПСУ: например, к интервалу дискретности работы вентильного преобразователя «привязать» задержку расчета алгоритма МПСУ. Внутри интервала дискретности вентильный преобразователь неуправляем, следовательно, в течение этого времени в МПСУ может происходить расчет алгоритма управления.

1.5. Типовые требования,
предъявляемые к микропроцессорным
системам управления
вентильными преобразователями

Анализ работы вентильного преобразователя [23], рассмотрение его роли по структурной схеме энергетической системы (см. рис. 1.2) позволяют сформулировать основные требования или функции, которые должна выполнять МПСУ преобразователем и/или всей электротехнической установкой [8, 14]:

1. Функция мониторинга: считывание с соответствующих датчиков электрических и механических параметров (напряжения, тока, положения, скорости, ускорения, момента, силы, температуры и т. д.), их первичная обработка (фильтрация, нормализация и т. д.) и преобразование с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в двоичный код.

2. Функция регулятора: формирование по вектору задающих сигналов и вектору сигналов обратной связи согласно реализуемым алгоритмам, управляющее воздействие на вентильный преобразователь.

3. Функция модулятора: преобразование управляющего сигнала во временной интервал (фазу), задающий момент коммутации вентиля полупроводникового преобразователя.

4. Функция алгоритмического распределения: формирование слова состояния вентилей согласно заданному алгоритму переключения для каждого из модулированных по длительности временных интервалов (определение слова состояния вентилей дается в п. 2.3.2).

Кроме того, МПСУ должна, как правило, выполнять целый ряд дополнительных сервисных задач, обусловленных, с одной стороны, возможностями микропроцессорной реализации системы управления, а с другой – постоянно возрастающими требованиями к электроприводам промышленного применения. К ним относятся следующие [8].

1. Функция связи. Она необходима для организации двустороннего обмена информацией между МПСУ и оператором или/и ЭВМ верхнего уровня. Микропроцессорная система управления получает команды и передает различные параметры системы, необходимые для верхнего уровня управления.

2. Функция защиты. Параметры силовой схемы должны постоянно контролироваться. В случае выхода их значений за допустимые границы необходимо сформировать сигнал предупреждения/тревоги и произвести ряд операций для защиты компонентов силового канала или изменения режима его работы.

3. Функция диагностики системы управления. Она заключается в контроле состояния отдельных модулей МПСУ путем выполнения соответствующих тестовых программ, цель которых заключается в проверке аппаратуры управления, обнаружении нарушений и, если нужно, выявлении их источников.

4. Функция отображения информации. В процессе работы электротехнической установки требуется индикация текущих параметров объекта управления и состояния системы в целом (в том числе и аварийного) на звуковых сигнализаторах и/или соответствующего вида дисплеях: мониторах, семисегментных индикаторах, светоизлучающих диодах и т. д.

5. Функция наладочного режима. Наличие этого режима обусловлено необходимостью адаптации серийно выпускаемой микропроцессорной системы к требованиям и характеристикам конкретного объекта управления с целью оптимизации системы в целом [8].

Замечание. Рассмотренные в данной главе требования, как общие, так и специальные, всегда должны в той или иной форме присутствовать в технических требованиях на разработку МПСУ. Если же в представленных требованиях что-то упущено, инженер-разработчик должен обязательно выяснить их у заказчика.

1.6. Требования, предъявляемые
к микропроцессорным средствам,
используемым в МПСУ
вентильным преобразователем

В системах управления энергетическими установками требования к микропроцессорным средствам подразделяются на несколько групп. Это математические операции, работа в режиме реального времени, контекстное переключение задач, средства коммуникации [8]. Рассмотрим подробнее каждую из этих групп.

Математические операции требуются для реализации фильтров, алгоритмов контроля и регулирования. Наиболее используемыми являются операции сложения, умножения, извлечения квадратного корня, тригонометрические операции. Реализация фильтров и различного рода регуляторов делает необходимым наличие операции умножения с накоплением (МАС). Реализация современных алгоритмов управления (регуляторов состояния, наблюдателей состояния и т.д.) требует сложных матричных вычислений [8]. Таким образом, состав системы команд должен максимально соответствовать операциям, необходимым для реализации алгоритма управления. Это требуется для повышения быстродействия МПСУ с целью реализации ее работы в режиме реального времени

Работа в режиме реального времени подразумевает несколько аспектов [24]. Во-первых, операции по переработке информации в микропроцессоре должны выполняться с той же скоростью, с которой происходят процессы в объекте управления. Особенно это важно для быстродействующего контура регулирования тока и системы управления собственно вентильным преобразователем, тем более что эти части информационного канала, как правило, многофазные. Время, отводимое для вычислений, чаще всего жестко задано и определяется интервалом дискретности работы преобразователя. Решение данной проблемы требует высокого быстродействия микропроцессора, наличия в системе команд соответствующих операций цифровой обработки сигналов, о чем говорилось выше, рационального построения программного обеспечения, использования в программе быстродействующих вычислительных алгоритмов, позволяющих произвести обработку нескольких сигналов обратной связи [10].

Во-вторых, работа МПСУ в режиме реального времени делает необходимой «привязку» (синхронизацию) выполнения программы к внешним событиям, что требует наличия в микропроцессоре системы прерывания. Такая привязка применительно к управляемому выпрямителю необходима для определения начала отсчета угла управления, т. е. точек естественной коммутации (ТЕК), а также для быстрой реакции МПСУ на возникновение аварийного режима. Время ожидания прерывания (задержка времени между запросом на прерывание и началом выполнения подпрограммы обслуживания) должно быть по возможности минимальным. Для обработки запросов на прерывание от различных источников необходимо иметь приоритет прерываний.

В-третьих, работа МПСУ в режиме реального времени подразумевает выполнение различных операций, имеющих дело с реальными временными интервалами. К таким операциям можно отнести следующее: формирование временной задержки (фазового сдвига) или длительности сигналов управления силовым преобразователем, измерение периода сетевого напряжения, генерацию периодических запросов на прерывание, реализацию широтно-импульсной модуляции
импульсов, формирование частоты передачи данных по последовательному каналу и т. д. Как правило, указанные функции выполняются преобразователями «код–интервал», или программируемыми таймерами (ПТ), которые являются необходимыми компонентами управляющих микропроцессорных систем.

Контекстное переключение – важная операция в случае многозадачного регулирования, где работающей системе часто требуется сменить задачи согласно условиям работы и стратегии управления. К таким «сменным» задачам можно отнести подпрограммы обслуживания запросов на прерывание, изменение стратегии управления электроприводом (управление с постоянным моментом, с постоянной мощностью) и т. д. Микропроцессор должен быть способен управлять переключением контекста с минимальной задержкой, чтобы не допустить снижения производительности и появления сбоев в работе системы в целом.

Коммуникационная способность – неотъемлемое свойство микропроцессорных систем управления, так как большинство из них работают в сетевой среде, работу которой координирует центральная микроЭВМ. Примером таких систем может служить двухуровневая система управления многодвигательным электроприводом, в которой ЭВМ верхнего уровня координирует работу микроконтроллеров, управляющих работой отдельными двигателями [8].

Описанные выше четыре группы требований могут послужить
отправной точкой для выбора микропроцессорной элементной базы МПСУ вентильными преобразователями. Кроме того, существуют
общие подходы (рекомендации) к выбору микропроцессоров или микроконтроллеров. Эти подходы, в частности, можно почерпнуть
из [25, 26].