Г л а в а 1 4 страница

2.3.8. Особенности реализации одноканальных
синхронных ФСУ при больших углах управления

Напомним, что под большим углом регулирования здесь понимается угол a > b₀. Именно в связи с такой величиной угла регулирования в разд. 2.3.5 применительно к одноканальным микропроцессорным ФСУ говорилось о возникновении конфликта: с началом нового интервала повторения один ПТ должен одновременно формировать два различных временных интервала, что, естественно, невозможно. Также было сказано, что этот конфликт можно разрешить программным способом. К настоящему моменту читатель познакомился с достаточным количеством материала, чтобы понять принцип решения этой проблемы.

Для ясности изложения сформулируем заново основные свойства микропроцессорного ФСУ, для которого решается данная проблема:

- объект управления – трехфазный управляемый мостовой выпрямитель;

- микропроцессорное ФСУ – синхронное, т. е. отсчет a производится от ТЕК;

- микропроцессорное ФСУ – одноканальное, следовательно, в системе один программируемый таймер;

- максимальный угол управления, формируемый таймером, меньше 60 эл. град.;

- распределение импульсов происходит без подпрограммы прерывания от ПТ;

- возможно прерывание от ПТ.

Задача – реализовать при данных условиях угол регулирования во всем диапазоне, т.е. от нуля до 180 эл. град.

Представим величину угла управления в следующем виде:

a = n* b₀ + a*, (2.3)

где n = [a/b₀] – целая часть частного (n = 0, 1, 2); a*= {a/b₀} – дробная часть частного (очевидно, что a*< b₀).

Нетрудно видеть, что коэффициент n показывает, в каком интервале повторения относительно данной ТЕК должно закончиться формирование соответствующего угла управления. Если он должен закончиться на том же интервале повторения, от начала которого он отсчитывается, то n = 0, если на следующем интервале, то n = 1, и т. д. Для упрощения терминологии будем называть эти интервалы повторения зонами, а n – номером зоны.

В соответствии с выражением (2.3) предлагается:

- посредством ПТ формировать только угол a*, который всегда меньше b₀ и, соответственно, может быть сформирован этим ПТ, согласно приведенным выше условиям;

- остальные части угла a, кратные b₀, не формировать, так как по принципу работы управляемого выпрямителя все равно на каждом интервале повторения должна происходить только одна коммутация вентиля, по крайней мере, в установившемся режиме.

Но возникает другая проблема – реализация функции алгоритмического распределения, а именно на какой вентиль следует подать импульс управления, для которого формирование угла a* закончилось на данном интервале повторения.

Вспомним работу блока синхронизации с сетью. Помимо сигналов INT 1, совпадающих с ТЕК, он формирует ССФ сети, которое позволяет, как было сказано выше, правильно распределить импульсы управления (составить ССВ) на интервале повторения, соответствующем считанному ССФ. Таблицу, паредставленную на рис. 2.4, преобразуем в табл. 2.3. Колонка «n = 0» полностью соответствует таблице на рис. 2.3, этя колонка, в частности, указывает, какой вентиль нужно включать при том или ином ССФ, если a < b₀. Например, при ССФ, равном 5, должен включаться V 1. Если же угол управления находится в пределах b₀ < a < 2b₀ (т. е. n = 1), то данный вентиль должен быть включен на следующем интервале повторения, для которого ССФ равно 1. То же самое будет справедливо и для других вентилей. Таким образом, информация в колонке «n = 1» отличается от информации в колонке «n = 0» циклическим сдвигом вниз на одну строку. Для колонки «n = 2» также нужно сделать сдвиг данных относительно информации в колонке «n = 1». Таким образом, табл. 2.3 позволяет однозначно распределить импульсы управления в одноканальных синхронных микропроцессорных ФСУ при любом значении угла управления.

Рассмотрим теперь работу такого микропроцессорного ФСУ в динамике, т. е. при изменении угла управления, причем при изменении с переходом из одной зоны в другую, что в табл. 2.3 соответствует переходу к другому значению «n». В упрощенном виде работа микропроцессорного ФСУ, а также процессы в управляемом выпрямителе изображены на рис. 2.9, здесь кривая выходного напряжения Ud _a – утолщенная линия.

Весь интервал времени, представленный на рисунке, разбит на три подынтервала, на каждом из них происходит управление вентилями управляемого выпрямителя с разным углом a. Причем на первом подынтервале a₁ < b₀, на втором – b₀ < a₂ < 2b₀, на третьем – снова a₃ < b₀. Под эпюрами кривой выходного напряжения приведены ССФ интервалов повторения, номера включаемых на этих интервалах повторения вентилей, а также обозначены интервалы работы вентилей V 1... V 6.

Т а б л и ц а 2.3

Порядок включения вентилей в одноканальных
синхронных микропроцессорных ФСУ

Замечание. Предполагается, что ток нагрузки Id непрерывный, угол коммутации g мал и им можно пренебречь.

Рис. 2.9

Как показано на рисунке, в первом подынтервале, для которого
n = 0, при ССФ = 5 включается вентиль V 1, при ССФ = 1 – вентиль V 2. Далее начинается второй подынтервал, для которого n = 1. Из рисунка, в частности, видно, как углы a₂, относящиеся к соседним зонам, перекрывают друг друга (штриховые двунаправленные стрелки). Первое на данном подынтервале ССФ = 3, для него и для n = 1 (табл. 2.3) необходимо включить V 2, но он уже включен. Чтобы не нарушать алгоритм работы (программное обеспечение) микропроцессорного ФСУ, необходимо просто подтвердить его включение. Далее, в соответствии с алгоритмом работы управляемого выпрямителя включаются V 3 и V 4.

Таким образом, увеличение угла управления с переходом в следующую зону особых сложностей не вызывает. Неприятности начинаются при переходе к третьему подынтервалу, когда угол управления уменьшается с переходом в другой диапазон (n = 0). Для нового интервала повторения ССФ = 4. Для него и для n = 0 (табл. 2.3) необходимо включить V 6, но при этом нарушается очередность включения вентилей (по порядку должен быть включен V 5). Нарушение последовательности включения вентилей может привести к аварийным режимам,
вызванным опрокидыванием или прорывом преобразователя в инверторном режиме [5].

Для выполнения всех требований, налагаемых на процесс управления преобразователем, на данном интервале повторения производят последовательное включение двух вентилей. С этой целью угол управления a₃ разбивается на две составляющие – и . Далее процедура работы программного обеспечения, например, может быть такой. В подпрограмме по ТЕК (т. е. синхронно, по сигналу INT 1) в ПТ заносятся код угла , информация о включении V 5 и также разрешается прерывание от этого ПТ. После отработки таймером первой составляющей он включает вентиль V 5 и формирует запрос на прерывание (сигнал INT 2, на рис. 2.9 показан жирным пунктиром). По данному запросу микропроцессор переходит на соответствующую подпрограмму, в которой заносит в таймер код второй составляющей угла – , информацию о включении вентиля V 6 и запрещает прерывание от ПТ. После отработки таймером второй составляющей автоматически формируется импульс управления вентилем V 6. На следующем интервале повторения в соответствии с алгоритмом работы УВ включается V 1 и т. д.

Таким образом, «скользким» моментом здесь является переход из одной зоны в другую при уменьшении угла управления. В одноканальных синхронных микропроцессорных ФСУ он требует дополнительных программных и аппаратных средств, а также некоторой смены алгоритма работы. В частности, при увеличении a коммутация вентиля с одного из интервалов повторения переносится на следующий интервал повторения, а при уменьшении угла управления на одном интервале повторения необходимо последовательно включить два тиристора.

При большем переходе (например, при переходе угла управления из зоны с n = 0 в зону с n = 2 или обратно) процессы в управлении и в работе управляемого выпрямителя различаются только количественно: при увеличении a один и тот же тиристор необходимо включить на трех последовательных интервалах повторения, а при уменьшении a на одном интервале повторения необходимо будет последовательно включить три вентиля. Последнее, в частности, обеспечивает предельное быстродействие управляемого выпрямителя.

Следует также отметить, что при уменьшении a соответственно уменьшается и время работы тиристоров (в нашем случае тиристоров V 4 и V 5), т.е. время между включениями очередных тиристоров (см. интервал на рис. 2.9). Оно всегда должно быть больше продолжительности угла коммутации g (который на эпюрах не отражен), иначе в схеме может возникнуть ситуация, когда одновременно происходит коммутация вентилей и в анодной, и в катодной группах. Это может привести к возникновению эффекта нулевого вентиля и, соответственно, к искажению формы выходного напряжения преобразователя.

Все сказанное выше позволяет сделать следующие выводы. Во-пер­вых, в одноканальных синхронных микропроцессорных ФСУ в принципе реализуется весь диапазон изменения угла регулирования. Во-вто­рых, эта реализация, впрочем, как и реализация любого другого варианта микропроцессорных ФСУ, требует учета многих особенностей работы УВ: работы в выпрямительном и инверторном режимах, работы в статике и в динамике. Они должны быть учтены при проектировании аппаратных средств МПСУ и, в первую очередь, программного обеспечения, вопросам построения которого посвящен следующий раздел.

2.4. Типовая структура
ПрОграммного обеспечения МПСУ
управляемым выпрямителем

Как известно, микропроцессорная техника – это единство аппаратных и программных средств. В предыдущих разделах, говоря в основном об аппаратуре, мы в той или иной степени упоминали и программное обеспечение, например, в аспекте процедуры взаимодействия микропроцессора с теми или иными блоками МПСУ. Теперь подходим вплотную к программному обеспечению МПСУ управляемым выпрямителем, хотя при этом мы также часто будем говорить и о соответствующих аппаратных средствах.

Значение программного обеспечения (ПО) заключается прежде всего в том, что именно оно содержит конкретный алгоритм, программу работы микропроцессора, реализация которой позволяет выполнить задачу всей МПСУ. Очевидным, однако, является то, что, изменив программу, при тех же аппаратных средствах можно получить систему, выполняющую совершенно другие задачи. Другими словами, аппаратура имеет более общий, универсальный характер, а ПО во всей своей совокупности всегда конкретно. Но несмотря на это, и в программном обеспечении МПСУ управляемым выпрямителем можно выделить типовые блоки и представить ее структуру в общем виде. Это объясняется тем, что МПСУ любым вентильным преобразователем реализует типовой набор функций (основных и сервисных), которые рассмотрены выше. Эти функции накладывают отпечаток не только на аппаратуру, но и на ПО, что и позволяет выделить в нем эти типовые компоненты, которые и будут рассмотрены в настоящем разделе.

Так как программное обеспечение все-таки конкретно, зададим для МПСУ управляемым выпрямителем некоторые характеристики, которые будут учтены в рассматриваемом программном обеспечении, а именно:

а) управляемый выпрямитель находится в составе электропривода постоянного тока;

б) система автоматического регулирования электропривода – двухконтурная система подчиненного регулирования;

в) МПСУ – синхронная многоканальная;

г) время выполнения всех программ t _пр < Т _ип.

Для данных условий типовая структура программного обеспечения МПСУ управляемым выпрямителем представлена на рис. 2.10 и 2.11. В структуре программного обеспечения любой ИИМПС или ИУМПС можно выделить ряд крупных частей: пусковую программу, головную программу и набор подпрограмм по прерыванию. Блоки, входящие в состав пусковой программы (рис. 2.10), выполняются только один раз – при включении системы. Рассмотрим их назначение.

Рис. 2.10

а б

Рис. 2.11

1. Пуск – перевод МПСУ на программный режим работы либо по включению питания, либо по кнопке «RESET».

2. Диагностика – диагностика собственно МПСУ и анализ исходного состояния объекта управления.

Замечание. В этом блоке микропроцессор производит самодиагностику, т.е. диагностику аппаратных и программных средств самой МПСУ. Диагностика представляет собой выполнение ряда тестовых программ, позволяющих оценить состояние памяти (оперативной и постоянной) и всех периферийных устройств (АЦП, таймеров, портов ввода/вывода и т.д.). Кроме того, в этом же блоке путем считывания соответствующей информации производится оценка состояния цепей обратной связи, коммутационной аппаратуры, силовой схемы управляемого выпрямителя и т. п. Заметим, что для реализации диагностики помимо программных тестов необходима соответствующая аппаратная поддержка процедуры тестирования. Другими словами, во все подлежащие тестированию периферийные устройства должны быть включены дополнительные схемы, обеспечивающие реализацию процедуры тестирования. Вопрос диагностики микропроцессорных систем – это отдельная тема, здесь она не рассматривается. Информацию по данному вопросу можно почерпнуть в работах [35, 36].

3. Индикация состояния – по результатам диагностики на индикаторе высвечивается итоговое сообщение для оператора («Готов», «Не готов» или зажигаются светодиоды, соответствующие текущему состоянию). При иерархическом управлении эта информация посылается в ЭВМ верхнего уровня. На основании полученной информации оператор или ЭВМ принимает решение о дальнейшей работе МПСУ. Это решение микропроцессор опрашивает в следующем блоке.

4. Кл=1 – опрос флага Кл (ключ), т. е. разряда регистра состояния пульта управления МПСУ о пуске работы. Этот бит устанавливается оператором с помощью кнопки «Пуск»/«Стоп» на панели пульта управления объектом либо ЭВМ верхнего уровня. Если разряд установлен (Кл=1), то микропроцессор переходит к выполнению следующего блока. Если не установлен (Кл=0), то микропроцессор снова переходит на его опрос. Так продолжается до тех пор, пока не выключится питание микропроцессора или не будет установлен бит Кл.

Замечание. В это время оператор может производить настройку МПСУ на конкретный режим работы с пульта управления, связь с микропроцессором в этом случае должна осуществляться по прерыванию.

5. «Инициализация» – подготовка аппаратных средств, ПО и объекта управления к основному режиму работы: установка режимов работы периферийных устройств, задание их начального состояния, задание констант в программном обеспечении, распределение под них памяти, включение коммутационной аппаратуры (автоматы или магнитные пускатели, подключающие силовое питание и нагрузку к управляемому выпрямителю) и т.д.

Замечание. Последней командой этого блока должно быть разрешение работы системы прерывания (например, установка в активное состояние бита разрешения глобальной маски прерывания). В противном случае могут возникнуть запросы на прерывание, к обработке которых МПСУ еще не будет готова.

Далее следуют блоки, входящие в состав головной программы. Она выполняется постоянно, циклически или, как говорят, в фоновом режиме. Именно в головной программе содержится основная стратегия управления объектом. В ее состав входят следующие блоки (рис. 2.10).

1. Ожидание INT 1 – осуществляется ожидание прерывания по сигналу INT 1, т.е. от точек естественной коммутации. Данный блок используется для синхронизации момента начала расчета алгоритма с ТЕК. Обычно он реализуется специальной командой WAIT (ожидание). После выполнения подпрограммы по прерыванию микропроцессор переходит к выполнению следующей части программы.

2. Считывание w_з, w_ос, i _ос – считываются с АЦП данные о задании на скорость и о сигналах обратной связи по скорости вращения двигателя постоянного тока и выходному току управляемого выпрямителя (как осуществляется работа АЦП, для нас пока не важно).

3. Регулятор w – производится расчет регулятора скорости вращения ДПТ и формируется сигнал задания на ток.

4. Регулятор i – производится расчет регулятора тока и формируется сигнал управления выпрямителем.

5. Расчет a(N _a) – тем или иным способом производится расчет двоичного кода N _a, пропорционального углу управления. Наличие этого блока объясняется тем фактом, что между управляющим сигналом, задающим выходное напряжение, и углом управления связь, как правило, не прямо пропорциональная.

6. Индикация состояния – на индикаторы выводится информация о текущем состоянии системы. Это могут быть либо дискретные индикаторы «Норма», «Авария», либо цифровые, на которых высвечивается информация о скорости ДПТ, выходном токе или напряжении выпрямителя и т. д., либо и то и другое.

7. Кл=1 – снова опрашивается флаг пуска/останова работы. Если разряд установлен (Кл=1), то микропроцессор переходит на начало головной программы, если же разряд сброшен (Кл=0), то он переходит на выполнение следующего блока.

8. Останов – производится подготовка и перевод системы в целом к окончанию работы (осуществляется плавный останов двигателя постоянного тока, в заданном порядке производятся отключения в силовой схеме, во флэш-память при необходимости заносится текущая информация о работе системы, запоминаются заданные начальные уставки, константы и т. д.).

Среди набора подпрограмм по прерыванию опишем только две, наиболее важные: подпрограммы по прерыванию от ТЕК и по аварии (рис. 2.11). Подпрограмма по прерыванию от ТЕК (по сигналу INT 1) имеет пять блоков:

1. Вход – по типовой процедуре для данного микроконтроллера заканчивается выполнение текущей команды головной программы, заносится необходимая информация в стек, из вектора прерывания для сигнала INT 1 считывается адрес подпрограммы, к выполнению которой и переходит микропроцессор.

2. Запуск ПТ _i – микропроцессор записывает в регистр данных i -го ПТ (микропроцессорное многоканальное ФСУ) текущее ССВ, в счетчик i -го ПТ – код N _a, пропорциональный текущему углу управления, и запускает программируемый таймер на счет.

3. Считывание ССФ _i – из блока синхронизации с сетью считывается текущее слово состояния фаз сети.

4. Определение ПТ _{i +1}, ССВ _{i +1} – на основании считанного ССФ _i микропроцессор определяет в соответствии с логикой работы управляемого выпрямителя и числом каналов микропроцессорного ФСУ для следующего, (i +1)-го, интервала повторения слово состояния вентилей и программируемый таймер, который будет формировать очередной угол управления.

5. Выход – опять-таки по типовой процедуре микропроцессор возвращается к выполнению головной программы, используя информацию, извлеченную из стека.

Подпрограмма обработки прерывания по аварии имеет наивысший приоритет. Переход на нее производится по сигналу INT 0, формируемому блоком состояния вентилей, который постоянно анализирует проводящее состояние вентилей управляемого выпрямителя и определяет его соответствие требуемым состояниям, которые однозначно задаются алгоритмом работы УВ. В случае несоответствия, т. е. аварийной ситуации, блок состояния вентилей (БСВ) запоминает текущее состояние вентилей и формирует запрос на прерывание. Подпрограмма по аварии, в частности, может содержать следующие блоки.

1. Вход и Выход – блоки, аналогичные вышеописанным блокам, только в этом случае используется свой вектор прерывания, в котором хранится адрес соответствующей подпрограммы.

2. Вывод ССВ_авар – вывод аварийного слова состояния вентилей; в зависимости от особенностей алгоритма защиты это состояние может быть различным: или все импульсы управления вентилями устанавливаются, или все снимаются, или включаются защитные силовые блоки [37]. Здесь же происходит подача аварийных сигналов управления на коммутационные устройства силовой схемы.

3. Считывание из БСВ и считывание ССФ _i – считывание текущей информации из блока состояния вентилей и блока синхронизации с сетью, необходимое для оценки состояния сети и УВ.

4. Анализ аварийной ситуации – на основании полученной информации из силовой схемы микропроцессор анализирует причины возникновения аварии.

5. «Индикация состояния» – формируется сигнал об аварии: световой, звуковой. Если есть необходимость и соответствующие средства отображения, то на индикаторы может быть выведена информация о причине аварии. При необходимости информация посылается в ЭВМ верхнего уровня управления.

6. «Изменение режима» – изменяется режим работы МПСУ. При этом выполняется следующее:

- программно сбрасывается бит «Кл»;

- запрещается работа системы прерывания;

- в стеке изменяется адрес выхода из подпрограммы прерывания.

Замечание. Последняя манипуляция делается для того, чтобы из подпрограммы микропроцессор вышел не в ту же самую точку головной программы, при выполнении которой произошла авария, а в требуемую точку пусковой программы. Это может быть либо блок «Диагностика», с помощью которого снова тестируются и МПСУ, и объект управления, либо, что более целесообразно, блок «Кл=1», выполняя который, микропроцессор ждет действий от оператора или от управляющей ЭВМ. На рис. 2.10 этот переход обозначен штриховой стрелкой.

Рассмотренные выше подпрограммы в еще большей степени конкретны, чем пусковая и головная программы. Их содержание определяется типом микропроцессорного ФСУ и требованиями, предъявляемыми к защите, диагностике и отображению информации. В принципе они могут быть другими. Однако в общем случае первая подпрограмма должна обеспечить строгое формирование временных интервалов, определяющих моменты коммутации вентилей УВ, а вторая – реакцию МПСУ на аварию.

Реально набор подпрограмм может (и должен) быть гораздо шире. Например, в асинхронных микропроцессорных ФСУ должна быть еще подпрограмма прерывания от программного таймера. В программное обеспечение МПСУ могут входить подпрограммы прерывания от АЦП, от пульта управления, от последовательного интерфейса и т. д. (см. рис. 2.2). Так как эти подпрограммы не содержат в себе специфики работы МПСУ УВ, мы их не рассматриваем.

Более важной, думается, является другая проблема. Приведенные выше блок-схемы справедливы для условия, когда все задачи микропроцессор успевает выполнить за интервал времени между ТЕК. На рис. 2.12 приведена качественная временная диаграмма для этого случая. Для нее справедливо следующее соотношение:

T _ип = Т _прер1 + Т _рw + Т _{p i} + Т _ож,

где Т _прер1 – время выполнения подпрограммы по прерыванию от INT 1; Т _рw – время расчета регулятора скорости; Т _{p i} – время расчета регулятора тока; Т _ож – время ожидания сигнала прерывания INT 1. (Временем выполнения остальных блоков головной программы пренебрегли в силу их малого вклада в общее время расчета алгоритма.)

Блок-схема программного обеспечения, представленная на рис. 2.10 и 2.11, соответствует подходу, который обычно называют «решение в лоб»: все необходимое последовательно выполняется в головной программе. А как быть, если времени не хватает: или алгоритм работы сложный, или быстродействие микропроцессора мало? Причем подразумевается, что менять задание и использовать другой микропроцессор нельзя, это крайняя мера.

Рис. 2.12

Данную проблему можно решить несколькими путями. Во-первых, произвести «инвентаризацию» программного обеспечения, вскрыть заложенные в ней резервы, позволяющие сократить время выполнения программ.

К этим резервам, или средствам, можно отнести:

- рациональное использование методов адресации, используемых микропроцессором;

- оптимизацию алгоритма расчета с целью уменьшения операций пересылок промежуточных вычислений;

- широкое использование для хранения промежуточных вычислений стека, обращение к которому производится однобайтными командами;

- исключение циклов из текста программ;

- исключение подпрограмм, их содержимое вставить прямо в необходимые места программного обеспечения.

Программисты могут сказать, что последние два пункта увеличат объем всей программы, сделают ее плохо структурируемой и нечитабельной. С этим можно согласиться, если бы не одно обстоятельство. Программа пишется не для программиста, а для управления УВ. Требования к управлению сформулированы в техническом задании. Заказчику все равно, какой объем имеет программа. Для него важно, какими характеристиками обладает техническая система в целом. И в этом аспекте при составлении управляющей программы критерием должна быть скорость ее выполнения, а не сервис, необходимый для комфортной работы программиста. Исключение подпрограмм и циклов приводит к ликвидации команд, необходимых для организации этих структурных программных единиц, следовательно, повышает быстродействие МПСУ.

К средствам повышения быстродействия можно отнести: выполнение сложных математических операций или преобразований табличным методом, в современных средствах проектирования и отладки МПСУ не отказываться от ассемблера и не все разрабатывать на языке Си. Там, где требуется максимально возможное быстродействие, необходимо использовать именно ассемблер.

Упомянутые средства «инвентаризации» представляют собой типовые программные методы оптимизации программы, основанные на личном опыте программиста. О них нужно помнить и применять, но они не всегда помогают. Более радикальными и эффективными являются методы, основанные на знании программистом объекта управления. Они, в частности, позволяют повысить быстродействие МПСУ путем рационального построения ПО с точки зрения управления объектом.

В решении проблемы рациональной структуризации ПО может помочь анализ реализуемых в системе задач и их первоочередности (актуальности). Так, функцию модулятора и функцию алгоритмического распределения необходимо решать на каждом интервале повторения. Это вытекает из принципа работы УВ, какой-либо коренной модернизации данные функции и реализующие их программные модули не подлежат. Рассмотрим функцию регулятора.

В заданной структуре САР электропривода необходимо рассчитать контур по скорости и контур по току. Первый – внешний и медленный, второй – внутренний и более быстрый. Различие по быстродействию определяется постоянными времени двигателя, присутствующими в рассматриваемых контурах. Процессы, протекающие во внешнем контуре, обусловлены электромеханическими постоянными времени, определяющими инерционные свойства электродвигателя. Их величина обычно составляет десятые доли секунды и более. Во внутреннем контуре процессы зависят от электромагнитных постоянных. Их величина определяется активными и реактивными сопротивлениями обмоток двигателя и составляет единицы-десятки миллисекунд. Напомним: интервал повторения для трехфазного мостового УВ составляет 3, 3 мс.