Прямое цифровое управление в системе электропривода с распределенными параметрами

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 62-83

В. Т. Вишнеревский, И. С. Стасенко, А. А. Корнеев, Г. С. Леневский

ПРЯМОЕ ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

UDC 62-83

V. T. Vishnerevsky, I. S. Stasenko, A. A. Korneyev, G. S. Lenevsky

DIRECT DIGITAL CONTROL IN THE ELECTRIC DRIVE SYSTEM WITH DISTRIBUTED PARAMETERS

Аннотация

Рассматриваются вопросы применения прямого цифрового управления для создания замкнутых систем управления электроприводами, которые содержат в механической подсистеме элементы с распределенной упругостью. Представлено описание мультипроцессорной системы, предназначенной для измерения координат вектора состояния исследуемой электромеханической системы (ЭМС) в режиме реального времени и формирования управляющего воздействия для силового преобразователя. Отмечены преимущества систем такого рода, а также приведено описание характеристик и потенциальных возможностей разрабатываемой системы.

Ключевые слова:

электропривод, распределенные параметры, прямое цифровое управление, микроконтроллер, информационно-измерительные системы.

Abstract

The presented paper deals with the application of direct digital control to create closed systems for controlling electric drives, which have elements with distributed elasticity in their mechanical subsystem. The paper gives the description of a multiprocessor system designed to measure the coordinates of the state vector of the investigated electromechanical system (EMS) in the real time mode and to form the control action for a power converter. The advantages of such systems are considered, and the characteristics and capabilities of the system under development are described.

Key words:

electric drive, distributed parameters, direct digital control, microcontroller, information-measuring systems.

В настоящее время в связи с повсеместным распространением средств микропроцессорной техники актуальным становится создание цифровых систем управления электроприводами. Большинство выпускаемых силовых преобразователей снабжены последовательными цифровыми интерфейсами,

предназначенными для ввода значения управляющего воздействия. Собственные системы управления преобразователей частоты, широтно-импульсных преобразователей и управляемых выпрямителей почти всегда построены на базе специализированных микроконтроллеров [1]. В связи с этим целесооб-

© Вишнеревский В. Т., Стасенко И. С., Корнеев А. А., Леневский Г. С., 2014

разно полное исключение аналогового канала передачи управляющего воздействия в системе электропривода. Также следует принять во внимание то, что подавляющее большинство современных датчиков положения, скорости и ускорения являются дискретными. Поэтому наиболее предпочтительным становится создание полностью цифровых систем управления, в которых предусмотрена возможность аналого-цифрового преобразования сигналов обратных связей по электрическим величинам, таким как токи в обмотках электрических машин.

Системы электропривода с распределенными параметрами в механической подсистеме характеризуются специфическими свойствами, касающимися их частотных характеристик [2]. Если речь идет об электроприводе шахтных подъемников с высотой подъема более 1000 м, то при синтезе системы управления такой установкой необходимо учитывать возможность возникновения нежелательных колебаний, а также запаздывание, обусловленное временем прохождения волны упругой продольной деформации по упругому элементу [3]. Для удовлетворения требований, предъявляемых к системам управления электроприводами установок такого рода [4], требуется повышение точности измерения значений координат вектора состояния ЭМС путем применения дискретных датчиков положения, скорости и ускорения, а также повышение быстродействия системы с целью снижения периода дискретизации. Следовательно, в данном случае целесообразно применение полностью цифровой системы управления с упразднением цифроана-логовых преобразователей.

При синтезе систем управления электроприводами с распределенными параметрами важным является получение достоверных сведений о свойствах объекта управления и его адекватного математического описания. На кафедре «Электропривод и автоматизация про-

мышленных установок» ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» ранее были проведены исследования, направленные на получение экспериментальных частотных характеристик линейного элемента с распределенной упругостью [3]. Однако были выявлены существенные недостатки лабораторной установки. В связи с этим было принято решение изменить способ приложения входного воздействия к исследуемому линейному элементу с распределенными параметрами, а также усовершенствовать информационно-измерительную систему [5, 6]. В данном случае функции измерения координат вектора состояния ЭМС и управления данной ЭМС целесообразно совместить в одном устройстве. Подразумевается наличие одного центрального микроконтроллера, который будет выполнять функции опроса измерительных устройств, связи с пультом управления или персональным компьютером, а также расчета управляющего воздействия для силового преобразователя. Существуют два основных режима работы лабораторной установки: режим получения частотных характеристик и режим исследования переходных процессов в скорректированной и нескорректированной системах. Дополнительно предусмотрен режим ревизии для облегчения наладки микропроцессорной системы и проверки работоспособности.

Функциональная схема разработанной микропроцессорной системы представлена на рис. 1.

На рис. 1 выделены функции, которые выполняет центральный микроконтроллер. При построении замкнутых систем электроприводов с упругими связями токи обмоток электрических машин, а также скорости и ускорения движения сосредоточенных масс механической части электропривода [8-10] являются основными координатами, по которым осуществляются обратные связи. При построении замкнутых систем управления электроприво-

дами с распределенными параметрами используются дополнительные обратные связи по скоростям и ускорениям движения точек, лежащих на протяженности упругого элемента [2]. Поскольку в данном случае величина силы тока якоря приводного двигателя лабораторной установки изменяется

как в положительном, так и в отрицательном направлении относительно нулевого значения, возникла необходимость применения внешнего преобразователя с дифференциальным входом для получения цифровых значений данного сигнала.

Рис. 1. Функциональная схема микропроцессорной системы

Измерение скоростей вращения вала приводного двигателя и перемещения исполнительного органа производится при помощи энкодеров с использованием устройств квадратурного счета, которые аппаратно реализованы в центральном микроконтроллере. Процессы изменения указанных выше координат должны быть зарегистрированы для дальнейшей обработки и определения показателей качества регулирования. Функция измерения скоростей и ускорений промежуточных точек элемента с распреде-

ленными параметрами возложена на системы более низкого уровня для того, чтобы уменьшить поток задач, выполняемых центральным микроконтроллером, а также обеспечить защиту передаваемой информации от помех путем передачи по интерфейсу ЯБ232 [7].

Функция определения положения исполнительного органа, предназначенная для предупреждения ударов и заклинивания механической части лабораторной установки, реализована с помощью внешней интеллектуальной сис-

темы, которая формирует сигнал о выходе исполнительного органа из допустимой пространственной области. Указанный сигнал поступает на вход внешнего прерывания центрального микроконтроллера. Функция хранения данных используется для записи в массивы точек кривых переходных процессов измеряемых координат с целью последующей передачи на персональный компьютер и дальнейшего анализа. Расчет управляющего воздействия может быть выполнен либо центральным микроконтроллером, либо более мощным

вычислительным контроллером, который соединен с центральным микроконтроллером при помощи параллельной шины передачи данных. Функция защит и блокировок предназначена для аварийного отключения электропривода при выходе исполнительного механизма из допустимой области, а также для релейного ограничения тока якоря при слишком высокой скорости его нарастания.

Структурная схема разработанной микропроцессорной системы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема микропроцессорной системы

На рис. 2 приняты следующие обозначения: ЦМК - центральный микроконтроллер (Л1хше§а128Л1); АЦП - аналого-цифровой преобразователь (ЛБ7328); ШИП - широтно-импульсный преобразователь; ВМК1 - группа вспомогательных микроконтроллеров, предназначенных для получения мгновенных значений координат скорости и ускорения

промежуточных точек элемента с распределенной упругостью; ВМК2 - вспомогательный микроконтроллер, предназначенный для определения положения механизма; ДС - энкодеры, непосредственно подключенные к центральному микроконтроллеру; БЕРНОМ - внешняя память (24БС512); ПУ - пульт управления; ПК - персональный компьютер.

В рассматриваемом варианте лабораторной установки используется реверсивный широтно-импульсный преобразователь. Передача управляющего воздействия производится по интерфейсу RS232 со скоростью 125 кБод/с. Ограничение на скорость накладывают используемые преобразователи уровней, но для практических целей указанное значение скорости передачи является достаточным. Также с использованием интерфейса RS232 осуществляется связь с группой вспомогательных микроконтроллеров ВМК1. Микроконтроллеры данной группы выполняют квадратурный счет либо получают по последовательным интерфейсам мгновенные значения ускорения, измеренные при помощи акселерометров. Микроконтроллер ВМК2 определяет положение механизма с помощью энкодеров и инфракрасных прерывателей, меняет состояние на входе прерывания центрального микроконтроллера при возникновении аварийной ситуации. Микроконтроллеры ВМК1 и ВМК2 являются восьмиразрядными микроконтроллерами семейства Mega AVR [11, 12].

Микросхемы EEPROM 24FC512, подключенные к ЦМК через шину I2C, предназначены для хранения массивов данных, полученных при регистрации переходных процессов измеряемых координат. Регистрация длится в течение промежутка времени между сигналами о начале или конце записи, приходящими с ПК или ПУ, затем сохраненные массивы последовательно передаются на ПК по выбранному интерфейсу. Создание системы мониторинга измеряемых координат в реальном времени требует дополнительных программных и аппаратных средств, в то время как в ее использовании нет прямой необходимости.

Режимы работы системы могут задаваться при помощи ПК, однако пре-

дусмотрен также пульт управления, который необходим для облегчения наладки микропроцессорной системы. Пульт содержит индикатор и клавиатуру для ввода информации. С ЦМП он соединен посредством интерфейса SPI.

Упрощенная схема алгоритма работы микропроцессорной системы для режимов получения частотных характеристик и исследования переходных процессов представлена на рис. 3.

Алгоритм функционирования разработанной микропроцессорной системы построен с использованием прерываний основной программы, исходящих от различных периферийных устройств. Числовое представление сигнала задания получается от пульта управления или от персонального компьютера и хранится в соответствующем регистре. В режиме получения частотных характеристик сигналом задания является значение частоты колебаний входного воздействия для ЭМС. В режиме исследования переходных процессов может быть задана скорость или величина перемещения исполнительного органа. Таймер № 1 определяет промежуток времени между выборками значений измеряемых координат. Полученные значения используются в алгоритме управления и/или сохраняются в памяти для последующей обработки. Таймер № 2 определяет период времени между моментами выдачи управляющего воздействия для силового преобразователя.

В режиме получения частотных характеристик расчет значения управляющего воздействия заключается в извлечении из массива синусоидальной функции элемента и его умножении на заданный коэффициент. Номер элемента определяется значением регистра, которое инкрементируется при каждом прерывании от таймера № 2 и обнуляется при завершении периода колебаний.

Рис. 3. Упрощенная схема алгоритма функционирования микропроцессорной системы

При исследовании переходных процессов расчет управляющего воздействия производится в соответствии со способами реализации замкнутых систем управления, перечисленными в [13]. При реализации цифровых ПИД-регуляторов используются алгоритмы, предложенные в [14]. Указанные алгоритмы подразумевают замену интегрирования суммированием, а дифференцирование - конечными разностями. Данный подход считается наиболее уместным при построении цифровых систем управления с рассматриваемой структурой, поскольку все вычисления производятся за минимальное время при помощи одного микроконтроллера. Для реализации более сложных законов управления, которые требуют произведения большего количества вычислений с более высокой скоростью, возможно подключение к ЦМК посредством параллельной шины 32-разрядного микроконтроллера семейства AV32UC3 [15].

Запрос данных с ПК осуществляется путем передачи по интерфейсу UART или USB соответствующей команды, после чего начинается регистрирование процессов изменения требуемых координат. Когда массивы значений регистрируемых координат сформированы, начинается их последовательная передача на ПК. После передачи данных на ПК становится возможным построение графиков протекания переходных процессов при помощи стандартных средств Microsoft C#.

Для проверки разработанной микропроцессорной системы управления по быстродействию необходимо определить требуемый период дискретизации. Для этого нужно задаться минимальным временем переходного процесса изменения регулируемой координаты. Разрабатываемая система предназначена для компенсации колебаний координат положения и скорости объекта управления с частотой до 20 Гц. В данном случае целесообразно принять в качестве

времени переходного процесса четверть периода колебаний исполнительного органа. Таким образом, минимальное время переходного процесса составит 0,025 с. Применение приближенных методов вычисления допустимо только в том случае, когда время переходного процесса синтезированной системы в 10 раз и более превышает период дискретизации цифровой системы управления [16]. Однако высокая частота дискретизации также нежелательна из-за низкого соотношения сигнал/шум в цепях измерения электрических величин [14], которое обусловлено наличием широтно-импульсного силового преобразователя. Следовательно, оптимальным будет период дискретизации, составляющий 1/10 часть времени переходного процесса, т. е. 0,0025 с.

При оценке быстродействия системы учитывается запаздывание цифровой системы, которое складывается из следующих составляющих.

1. Запаздывание системы управления силовым преобразователем, которое составляет приблизительно 10 мкс и не является существенным.

2. Время передачи данных от ЦМК к системе управления ШИП -200 мкс.

3. Время передачи данных от вспомогательных микроконтроллеров к ЦМК - 200 мкс.

4. Время вычисления управляющего воздействия, ориентировочное значение которого составляет 100 мкс. В течение данного промежутка времени ЦМК осуществляет до 3200 арифметических операций над шестнадцатиразрядными операндами, чего почти достаточно для реализации в данной системе требуемых алгоритмов управления [13].

Измерение мгновенного значения силы тока обмотки якоря приводного электродвигателя производится несколько раз в течение периода дискретизации, после чего вычисляется среднее значение, которое используется для

расчета управляющего воздействия. Каждое полученное значение силы тока сравнивается с заданным пороговым значением для реализации релейной токовой защиты. Измерения скоростей движения сосредоточенных масс электромеханической системы также производится непосредственно ЦМК путем подсчета импульсов, приходящих с эн-кодеров, в течение периода дискретизации и умножения полученного значения на требуемый коэффициент.

Таким образом, разработанная система способна работать с периодом дискретизации, равным 2,5 мс, и запаздыванием, составляющим не более 0,5 мс. Следовательно, данная система пригодна для управления исследуемой электромеханической системой с целью получения ее характеристик и компенсации возникающих колебаний.

На основании теоретических исследований, а также результатов работы по созданию микропроцессорной системы управления электроприводом с распределенными параметрами можно сделать следующие заключения.

1. Использование прямого цифрового управления является наиболее целесообразным решением при проектировании систем управления электроприводами, которые содержат элементы с распределенными параметрами в механической части. Это обусловлено не-

обходимостью работы с величинами координат вектора состояния ЭМС в цифровой форме, а также реализацией сложных законов управления.

2. Разработанная микропроцессорная система в соответствии со своими функциональными возможностями полностью удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям. При разработке были предусмотрены необходимые блокировки, препятствующие выходу оборудования из строя, а также все средства для обмена информацией с персональным компьютером и вспомогательными устройствами.

3. В рассматриваемом случае для мониторинга процессов изменения значений координат вектора состояния ЭМС не является обязательным наличие системы визуализации, работающей в режиме реального времени, поэтому становится возможным снижение трудоемкости работ по созданию и наладке микропроцессорной системы управления с целью проведения экспериментальных исследований.

4. Разработанная микропроцессорная система управления является работоспособной на основании расчета ее быстродействия. При заданной величине запаздывания возможно проведение всех необходимых вычислений для получения значения управляющего воздействия для силового преобразователя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев, К. Б. Микроконтроллерное управление электроприводом / К. Б. Алексеев, К. А. Па-лагута. - М. : МГИУ, 2008. - 298 с.

2. Рассудов, Л. Н. Электроприводы с распределенными параметрами электромеханических элементов / Л. Н. Рассудов, В. Н. Мядзель. - Л. : Энергоатомиздат, Ленингр. отделение, 1987. - 144 с.

3. Экспериментальное исследование частотных свойств механических элементов с распределенными параметрами / В. Т. Вишнеревский [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2013. - № 4. - С. 120-129.

4. Католиков, В. Е. Тиристорный электропривод с реверсом возбуждения двигателя рудничного подъема / В. Е. Католиков, А. Д. Динкель, А. М. Седунин. - М. : Недра, 1990. - 381 с. : ил.

5. Цапенко, М. П. Измерительные информационные системы / М. П. Цапенко. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 438 с.

6. Рубичев, Н. А. Измерительные информационные системы : учеб. пособие / Н. А. Рубичев. -М. : Дрофа, 2010. - 334 с. : ил.

7. Лапин, А. А. Интерфейсы. Выбор и реализация / А. А. Лапин. - М. : Техносфера, 2005. - 68 с.

8. Борцов, Ю. А. Автоматизированный электропривод с упругими связями / Ю. А. Борцов, Г. Г. Соколовский. - СПб. : Энергоатомиздат, 1992. - 288 с.

9. Борцов, Ю. А. Тиристорные системы электропривода с упругими связями / Ю. А. Борцов, Г. Г. Соколовский. - Л. : Энергия, 1979. - 263 с.

10. Башарин, А. В. Управление электроприводами : учеб. пособие для вузов / А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский. - Л. : Энергоиздат, 1982. - 392 с.

11. Трамперт, В. АУЯ-ЯКС-микроконтроллеры : пер. с нем. / В. Трамперт. - Киев : МК-Пресс, 2006. - 464 с. : ил.

12. Трамперт, В. Измерение и регулирование с помощью АУЯ-микроконтроллеров : пер. с нем. / В. Трамперт. - Киев : МК-Пресс, 2006. - 208 с. : ил.

13. Вишнеревский, В. Т. Анализ способов построения замкнутых систем управления электроприводами, содержащими упругие элементы в механической подсистеме / В. Т. Вишнеревский, К. В. Овсянников, Г. С. Леневский // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2012. - № 2. - С. 119-125.

14. Оллсон, Г. Цифровые системы автоматического управления / Г. Оллсон, Д. Пиани. - СПб. : Невский Диалект, 2001. - 557 с. : ил.

15. Редькин, П. П. Микроконтроллеры АШе1 архитектуры АУЯ32 семейства АУ32иС3. Руководство пользователя / П. П. Редькин. - М. : Техносфера, 2010. - 784 с.

16. Опейко, О. Ф. Микропроцессорные средства в автоматизированном электроприводе : учеб. пособие / О. Ф. Опейко, Ю. Н. Петренко. - Минск : Амалфея, 2008. - 340 с.

Статья сдана в редакцию 10 апреля 2014 года

Владимир Тадеушевич Вишнеревский, аспирант, Белорусско-Российский университет. E-mail: Vishnerevsky@mail.ru.

Игорь Сергеевич Стасенко, ассистент-стажер, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-44-714-39-66. Алексей Анатольевич Корнеев, студент, Белорусско-Российский университет. Тел.:+375-33-629-53-69. Геннадий Сергеевич Леневский, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-222-31-14-44.

Vladimir Tadeushevich Vishnerevsky, PhD student, Belarusian-Russian University. E-mail: Vishnerevsky@mail.ru.

Igor Sergeyevich Stasenko, PhD student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-44-714-39-66. Aleksey Anatolyevich Korneyev, student, Belarusian-Russian University. Phone: +375-33-629-53-69. Gennady Sergeyevich Lenevsky, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +375-222-31-14-44.