Учебный комплекс "системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением"

УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКС "СИСТЕМЫ ПРИБОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ И КОМПЬЮТЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ"

А.В. Гурьянов, К.М. Денисов, В.С. Томасов, В.А. Толмачев, В.А.Синицын

"..На сверхавтоматизированном индустриальном фронте нынешнего столетия две технологии будут иметь наибольшее значение: компьютеры и силовая электроника с электроприводом. Первая станет выполнять функции разума, вторая - мускулов..."

По мнению международного общества силовой электроники IEEE (Newsletter, 2000, July), в настоящее время наступил "ренессанс в области силовой электроники". По его оценкам, в течение ближайших нескольких лет для 2000 крупнейших компаний мира потребуются порядка 100 тысяч квалифицированных специалистов в области силовой электроники [1]. Учитывая, что в современном электроприводе происходит многократное преобразование электрической энергии при помощи устройств силовой электроники, необходимо при подготовке специалистов в области автоматизированного электропривода уделить достаточное внимание вопросам изучения специфики, связанной с дискретным характером электромагнитных процессов, имеющих место в энергетическом канале таких систем, и дискретным характером сигналов управления, обусловленных микропроцессорным управлением. Микропроцессорное управление, в свою очередь, позволяет осуществлять достаточно сложные алгоритмы управления, которые не только наиболее полно реализуют потенциальные возможности электропривода в части достижения точности регулирования любых его координат, предельных динамических показателей, но и обеспечивают электромагнитную и энергетическую совместимость электропривода с питающей сетью.

В связи с отсутствием такого оборудования и несомненной актуальностью данной проблемы кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем (ЭТ и ПЭМС) СПб ГИТМО (ТУ) в рамках программы Минобразования РФ "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования на 2001-2002 годы" разрабатывает учебный лабораторный комплекс: " Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" с изготовлением головного стенда для последующего серийного производства и внедрения в учебных организациях страны.

Концепция реализации лабораторных стендов с различными типами современных исполнительных двигателей, построенных по унифицированной функциональной схеме с использования современных компьютерных технологий, позволяющих управлять системой, измерять и регистрировать текущие значения координат, используя интерактивные пульты управления, подробно представлена в [2].

На головном стенде реализуется цикл лабораторных работ по исследованию статических и динамических характеристик систем электропривода постоянного тока с широтно-импульсными транзисторными преобразователями.

Целью настоящей статьи является описание функциональной схемы и принципов работы отдельных блоков головного стенда. Разработанный головной стенд включает в себя следующие основные блоки и устройства:

- электромеханический блок,

- модули контроллеров управления,

- модули сопряжения,

- модули управления электроприводами испытуемой и нагрузочной электромашин,

- блок питания силовой,

- блок питания управления.

Управление движением испытуемой (канал А) и нагрузочной (канал В) электромашинами осуществляется от центрального компьютера.

Электромеханический блок состоит из испытуемой и нагрузочной электромашин типа ДРВ-20Д, тахогенератора на базе машины постоянного тока типа ДПМ-35 Н1-04 и цифрового датчика положения типа ГОО-111.

Модуль контроллера управления совместно с модулем сопряжения образуют микропроцессорную систему управления (МПСУ), предназначенную для реализации функций управления усилительно-преобразовательными устройствами каналов А или В, обеспечивающими движение испытуемого и нагрузочного приводов лабораторной установки. МПСУ выполняет следующие функции:

- обеспечение интерфейса с управляющим компьютером, задающим режимы работы приводов испытуемой (ИМ) и нагрузочной (НМ) электромашин;

- реализация алгоритмов контуров системы управления приводами;

- выработка сигналов управления силовыми ключами и другими элементами силовых преобразователей;

- ввод сигналов обратных связей, поступающих с датчиков системы;

- выполнение функций аварийной защиты приводов. Структурная схема МПСУ представлена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема МПСУ

МПСУ состоит из двух контроллеров управления приводами испытуемой и нагрузочной электромашин и интерфейсного контроллера.

Контроллер управления приводом (КУП) реализует все программные алгоритмы управления, вырабатывает сигналы управления силовым преобразователем, воспринимает сигналы обратных связей. Структурная схема КУП представлена на рис. 2. В состав КУП входят:

- 16-разрядный ББР-процессор;

- 6-канальный цифровой ШИМ-генератор;

- 5-канальный 16-разрядный АЕ-аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

- 12 двунаправленных портов ввода-вывода;

- последовательный высокоскоростной синхронный двунаправленный канал связи.

Рис. 2. Структурная схема КУП

Все составные части КУП реализованы на базе специализированного DSP-микроконтроллера ADMC300 фирмы Analog Devices. Высокопроизводительное процессорное DSP-ядро реализует в реальном времени алгоритмы цифровых регуляторов и цифровых фильтров. Встроенный многоканальный широтно-импульсный преобразователь формирует, при минимальной загрузке процессора, сигналы управления силовыми ключами преобразователя. АЦП предназначен для преобразования в цифровой код аналоговых сигналов обратных связей. С помощью портов ввода-вывода организуется управление вспомогательными коммутирующими устройствами привода. Встроенный синхронный коммуникационный порт используется для организации канала связи с управляющим компьютером.

Конструктивно КУП выполнен в виде печатной платы габаритами 160*100 мм. Привод каждой координаты имеет свой отдельный КУП.

Интерфейсный контроллер (ИК) обеспечивает взаимодействие между управляющим компьютером и КУП отдельных координат привода. Структурная схема ИК представлена на рис. 3.

Основой ИК является производительный DSP-процессор ADSP-2186 фирмы Analog Devices. Интерфейс ИК с управляющим компьютером осуществляется через стандартную шину ISA. Для этого в ИК реализован соответствующий интерфейсный блок. С его помощью программа, выполняемая на управляющем компьютере, через канал прямого доступа к памяти может непосредственно записывать и считывать данные во внутренней памяти процессора ИК.

Данные, полученные от управляющего компьютера, процессор ИК передает на соответствующий КУП через один из двух последовательных каналов связи. Каналы связи реализованы посредством двух встроенных в процессор последовательных синхронных коммуникационных портов. Каждый из каналов связи позволяет осуществлять последовательный синхронный дуплексный обмен данными со скоростью до 1 Мбит/с по экранированной витой паре 5 категории (4 пары в кабеле) длиной до 5 метров.

Конструктивно ИК выполнен в виде печатной платы габаритами 162*110 мм со стандартным разъемом шины ISA. Плата вставляется в слот шины ISA на материнской плате управляющего компьютера.

Модуль сопряжения предназначен для преобразования сигналов обратной связи по току и скорости к виду и величине, удобным для ввода в контроллер управления. Кроме того, этот модуль решает задачу индикации основных режимов работы электропривода.

Рис. 3. Структурная схема ИК

Модули управления электроприводами (усилители мощности) состоят из выходного каскада транзисторного широтно-импульсного преобразователя, датчика тока нагрузки и устройств гальванического разделения цепей управления от силовых цепей преобразователя. Выходной каскад мостового типа построен на основе полевых транзисторов, снабженных индивидуальными схемами управления и защиты. Такое построение схемы позволяет избежать отказа силовых приборов в случае перегрузки выходного каскада или короткого замыкания цепи нагрузки. Частота переключения силовых транзисторов выбрана равной 20 кГц из условия обеспечения неслышимой работы преобразователя.

Блок питания силовой представляет собой вторичный источник питания, преобразующий переменное напряжение питающей сети 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение 48 В, необходимое для работы силовых узлов электропривода. Поскольку вес и габариты лабораторного стенда в значительной степени определяются весом и габаритами ее блока питания, частота преобразования последнего выбрана довольно высокой и равной 100 кГц.

Блок питания управления обеспечивает питание управляющих узлов электропривода. Он построен на основе стандартных DC-DC конверторов с хорошей гальванической развязкой входных и выходных цепей. В состав этого блока входит также устройство контроля и индикации величины питающих напряжений. Включение силовой части будет возможно только при наличии всех питающих напряжений и их соответствующей величине.

Конструктивно все модули и блоки системы управления электропривода будут выполнены в стандарте "Евромеханика 19" и размещены в корпусе высотой 3U и шириной 84HP. Размеры устанавливаемых съемных блоков определяются согласно DIN 41 494. Боковые панели и поперечины выполняются из алюминия, угловая окантовка - из штампованногой цинка, верхние и нижние панели - из тонколистной

стали. Металлический корпус обеспечивает защиту от радиочастотных излучений и имеет отличный дизайн.

На рис. 4 приведено фото блока управления электроприводами головного стенда, изготовленного на кафедре ЭТ и ПЭМС.

////////;: \ \ \ \ \ \

кШЯ . Й  1Л1Ш 1 "

г» г» т-гзг И £* & о о о о • а О о 'о я- 0С1 о о т ** Сл 6с2 • • • ПС О яд О т а а ти • Л № Ь/КЖ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ иша

111 ё-• ? • V 1 I ЛжЛ ш №   в

*> Г «Су НС НС ЬПУ | УМ 1 ш _ 1 ____ ...---------

Рис. 4. Блок управления электроприводами головного стенда

Наряду с экспериментом на реальном стенде, студентам предоставляется возможность многосторонне рассмотреть такие сложные системы с учетом специфики управления от полупроводниковых преобразователей на математических моделях, разработанных преподавателями кафедры в средах МаШСЛБ и МЛТЬЛВ. Модели цифровых систем управления с транзисторными широтно-импульсными преобразователями позволяют осуществлять выбор параметров цифровых регуляторов из условия обеспечения стандартных настроек при заданной частоте коммутации силовых ключей преобразователя и, тем самым, значительно эффективнее вести учебный процесс.

Для текущего контроля знаний и тестирования перед выполнением конкретных лабораторных работ на кафедре будут использованы стандартные пакеты и собственные программные продукты.

Таким образом, на кафедре будет создан современный учебный лабораторный комплекс "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" с использованием современных стандартных компьютерных технологий и собственных разработок в этой области.

Литература

1. Зиновьев Г.С., Панкратов В.В. О совершенствовании преподавания силовой электроники для специалистов по автоматизированному электроприводу // Труды III Международной (Х1У Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Нижний Новгород , 12-14 сентября 2001 года. С. 264-265.

2. Денисов К.М., Томасов В.С., Усольцев А.А. Использование компьютерных технологий в учебных курсах на кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем // Современные образовательные технологии. Под ред. ВН. Васильева. СПб: СПбГИТМО (ту), 2001. С.79-88.