Распродажа

Электронные компоненты со склада по низким ценам, подробнее >>>

Содержание ChipNews

2003: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
2002: 
1, 5, 6, 7, 8, 9
2001: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
2000: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
1999: 
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10

Новости электроники

В 14 раз выросло количество россиян на MediaTek Labs ? проекте по созданию устройств "интернета вещей" и "носимых гаджетов"

Сравнив статистику посещения сайта за два месяца (ноябрь и декабрь 2014 года), в MediaTek выяснили, что число посетителей ресурса из России увеличилось в 10 раз, а из Украины ? в 12. Таким образом, доля русскоговорящих разработчиков с аккаунтами на labs.mediatek.com превысила одну десятую от общего количества зарегистрированных на MediaTek Labs пользователей.

Новое поколение Джобсов или как MediaTek создал свой маленький "Кикстартер"

Амбициозная цель компании MediaTek - сформировать сообщество разработчиков гаджетов из специалистов по всему миру и помочь им реализовать свои идеи в готовые прототипы. Уже сейчас для этого есть все возможности, от мини-сообществ, в которых можно посмотреть чужие проекты до прямых контактов с настоящими производителями электроники. Начать проектировать гаджеты может любой талантливый разработчик - порог входа очень низкий.

Семинар и тренинг "ФеST-TIваль инноваций: MAXIMум решений!" (14-15.10.2013, Новосибирск)

Компания Компэл, приглашает вас принять участие в семинаре и тренинге ?ФеST-TIваль инноваций: MAXIMум решений!?, который пройдет 14 и 15 октября в Новосибирске.

Мне нравится

Комментарии

дима пишет в теме Параметры биполярных транзисторов серии КТ827:

люди куплю транзистар кт 827А 0688759652

тамара плохова пишет в теме Журнал Радио 9 номер 1971 год. :

как молоды мы были и как быстро пробежали годы кулотино самое счастливое мое время

Ивашка пишет в теме Параметры отечественных излучающих диодов ИК диапазона:

Светодиод - это диод который излучает свет. А если диод имеет ИК излучение, то это ИК диод, а не "ИК светодиод" и "Светодиод инфракрасный", как указано на сайте.

Владимир пишет в теме 2Т963А-2 (RUS) со склада в Москве. Транзистор биполярный отечественный:

Подскажите 2т963а-2 гарантийный срок

Владимир II пишет... пишет в теме Параметры биполярных транзисторов серии КТ372:

Спасибо!

В. Козаченко

Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам

Введение

    Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.
    Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления
    Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключем силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконт-роллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое мехатронный модуль движения.

Основные тенденции

    Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:


Рис. 1 Интеграция управления двигателем и технологическим процессом


Рис. 2 Распределенные системы управления приводами

Типовые структуры перспективных систем управления приводами переменного тока

    На рис. 3 показана структура привода переменного тока с векторным управлением. В качестве исполнительного двигателя может применяться либо синхронный двигатель с активным магнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивный двигатель. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторных двигателей постоянного тока.


Рис. 3 Структурная схема привода переменного тока с векторным управлением

    В качестве силового преобразователя используется инвертор на IGBT-ключах или интеллектуальных силовых модулях. Драйверы ключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера (A, A/, B, B/, C, C/), работающего в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции), что обеспечивает максимально высокую степень использования напряжения звена постоянного тока и минимизацию динамических потерь в инверторе (ниже более подробно).
    Структура на рис. 3 предполагает использование импульсного датчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятся непосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценки положения, который может быть реализован на основе специального периферийного устройства таймера с "квадратурным" режимом работы. Код механического положения ротора программно преобразуется в код электрического положения ротора внутри полюсного деления машины q. Для реализации блока оценки скорости могут применяться либо специальные периферийные устройства микроконтроллера, принцип действия которых основан на измерении временного интервала отработки двигателем заданного отрезка пути (эстиматоры скорости), либо периферийные устройства общего назначения, такие как процессоры событий или менеджеры событий. В последнем случае таймер, работающий в "квадратурном" режиме является базовым для одного из каналов сравнения. Как только двигатель отработает заданный отрезок пути, возникнет прерывание по сравнению. В процедуре обслуживания этого прерывания центральный процессор определит временной интервал с момента предыдущего прерывания и выполнит расчет текущей скорости привода w.
    Желательно, чтобы таймер, работающий в "квадратурном" режиме допускал начальную инициализацию в соответствии с числом меток на оборот импульсного датчика положения, а также имел режим автоматиче-ской коррекции своего состояния по реперному датчику. Эстиматор скорости должен работать с регулируемым разрешением как по числу импульсов на периоде измерения скорости (от 1 до 255), так и с регулируемым разрешением по времени (максимальное разрешение 50-100 нс при диапазоне регулирования разрешения 1:128). Если перечисленные выше требования к периферийным устройствам микроконтроллера будут выполнены, то окажется возможным измерение скорости в диапазоне, как минимум, 1:20000 с точностью, не хуже 0,1%.
    Для измерения электрических переменных микроконтроллер должен иметь встроенный АЦП с разрешением не ниже 10-12 двоичных разрядов и временем преобразования не хуже 5-10 мкс. Как правило, восьми каналов АЦП достаточно для приема не только сигналов обратных связей по токам фаз (рис. 3), но и сигналов обратных связей по напряжению и току в звене постоянного тока, а также внешних задающих сигналов. Дополнительные аналоговые сигналы используются для реализации защит инвертора и двигателя. Работа АЦП будет более производительной, если микроконтроллер допускает режим автоматического сканирования и запуска процесса преобразования. Обычно это делается либо с помощью отдельного периферийного устройства процессора периферийных транзакций, либо с помощью режима автозапуска АЦП от процессора событий или генератора ШИМ-сигналов. Желательно, чтобы выборка как минимум двух аналоговых сигналов была одновременной.
    Итак, на основе полученной информации о токах фаз ia и ib восстанавливается значение тока в фазе С (ic) и выполняется преобразование токов к неподвижной системе координат, связанной со статором (a, b, c ╝ a, b). Переход от неподвижной системы координат к подвижной, связанной с текущим положением ротора (a, b ╝ d, q), позволяет рассчитать компоненты результирующего вектора тока статора по осям d и q соответственно.
    Известно, что момент синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов прямо пропорционален составляющей вектора тока статора по поперечной оси q. При этом для минимизации общего потребляемого двигателем тока желательно поддерживать ток по продольной оси d равным нулю. Таким образом, выход регулятора скорости привода (РС) следует подключить на вход регулятора тока по поперечной оси (РТ iq) а на вход регулятора тока по продольной оси (PT id), подать нулевое задание (рис. 3). Обычно регуляторы скорости и токов являются пропорционально-интегральными.
    Выходные сигналы регуляторов тока пропорциональны компонентам результирующего вектора напряжения статора по осям d и q соответственно. В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняется сначала преобразование компонент вектора напряжения к полярной системе координат (g,r), связанной с продольной осью ротора, а затем, с учетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор, внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторов в абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируются напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя Ua, Ub, Uc.
    Все перечисленные выше преобразования координат (прямые и обратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться в реальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализации системы векторного управления микроконтроллер имел встроенную библиотеку функций, адаптированных для эффективного управления двигателями, в том числе функций преобразования координат. Время реализации каждой из этих функций не должно превышать нескольких микросекунд.
    Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронными двигателями является необходимость использования дополнительного вычислительного блока, в котором производится оценка текущего углового положения вектора потокосцепления ротора. Это делается на основе решения в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью двигателя. Естественно, что подобная операция требует дополнительных вычислительных ресурсов центрального процессора.
    Рассмотренная выше структура системы управления обеспечивает автоматическое формирование в фазах двигателя синусоидальных токов и напряжений при работе исполнительного двигателя в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока с оптимальным углом коммутации и минимизацией пульсаций электромагнитного момента. В ряде применений, например, для приводов с вентильно-индукторными и бесколлекторными двигателями постоянного тока, вполне достаточно на интервале коммутации поддерживать в обмотке двигателя заданный фиксированный уровень тока. Структура системы управления при этом заметно упрощается рис. 4.


Рис. 4 Блок-схема системы управления бесколлекторным двигателем постоянного тока

    Особенность схемы состоит в том, что ШИМ-генератор обеспечивает сразу две функции: автокоммутацию фаз двигателя по сигналам датчика положения и поддержание тока на заданном уровне путем регулирования приложенного к обмоткам двигателя напряжения. Первая функция может быть реализована автоматически, если генератор имеет встроенный блок управления выходами, допускающий прием команд от процессора событий. Вторая функция традиционна и реализуется путем изменения скважности выходных ШИМ-сигналов.
    Для оценки положения ротора двигателя можно использовать либо датчик положения на элементах Холла, либо более дорогой импульсный датчик положения. В первом случае сигналы с датчика положения вводятся в микроконтроллер на входы модулей захвата процессора событий. Отработка двигателем каждого целого шага идентифицируется процессором событий и вызывает автокоммутацию ключей инвертора. Прерывание, возникающее при каждом захвате фронта сигнала с датчика, используется для оценки времени между двумя соседними переключениями и, далее, скорости привода.
    Во втором случае можно получить более точную информацию о текущем положении ротора двигателя и о его скорости, что может потребоваться в приводах с интеллигентным управлением углом коммутации в функции скорости.
    Таким образом, полноценные системы векторного управления приводами переменного тока требуют для своей реализации высокопроизводительных микроконт-роллеров с широким набором перечисленных выше встроенных периферийных устройств, допускающих совместную работу и требующих от центрального процессора минимальных ресурсов на свое обслуживание.

Способы реализации широтно-импульсной модуляции базовых векторов

    Большинство выпускаемых сегодня преобразователей частоты для регулирования скорости вращения трех-фазных двигателей обеспечивают управление инвертором напряжения в режиме синусоидальной центрированной (симметричной) широтно-импульсной модуляции.
    Суть метода состоит в одновременном управлении на заданной несущей частоте (обычно 10-20 кГц) сразу всеми шестью ключами инвертора (рис. 5) таким образом, что в средних точках каждой стойки инвертора формируются волны синусоидального выходного напряжения U1, U2, U3, сдвинутые друг относительно друга на 120 электрических градусов. При этом верхний и нижний ключи всегда коммутируются в противофазе и максимальная амплитуда выходного сигнала равна половине напряжения на звене постоянного тока Udc/2. Если для формирования напряжения Udc использовать стандарт-ный неуправляемый выпрямитель, то двигатель окажется недоиспользованным по напряжению примерно на 15%.


Рис. 5 ШИМ-модуляция базовых векторов

    Для того, чтобы обеспечить номинальные параметры исполнительного двигателя, разработчики были вынуждены идти на искажение формы выходного напряжения в зоне частот, близких к номинальной, т.е. переходить от синусоидальной формы выходного напряжения к трапецеидальной (в пределе к прямоугольной). Очевидно, что такое решение устраивало далеко не всех потребителей, и работы по поиску более совершенных методов управления продолжались. Теория этого во-проса активно развивалась зарубежными и отечественными учеными на протяжении более чем 10 лет. Сегодня мы можем констатировать, что все теоретические вопросы решены и, более того, аппаратно поддержаны в конструкциях встроенных ШИМ-генераторов ряда специализированных микроконтроллеров серии Motor Control.


Рис. 6 Сравнительный анализ различных методов ШИМ-модуляции базовых векторов

    Суть метода, получившего название широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции), состоит в отказе от одновременной коммутации всех ключей инвертора и в переходе к коммутации между несколькими, заранее выбранными состояниями инвертора, каждое из которых соответствует определенному пространственному положению вектора результирующего напряжения, приложенного к двигателю. В таблице показаны схемы включения силовых ключей и векторные диаграммы для наиболее часто используемого набора базовых векторов, соответствующего стандартной 6-тактной коммутации 1; 0,5; 0,5 (верхний ключ, два нижних или два верхних, нижний).
    Имея восемь базовых векторов, два из которых "нулевые", а остальные сдвинуты в пространстве на 60 электрических градусов (рис. 5), можно воспроизвести любой требуемый вектор выходного напряжения путем переключения на периоде ШИМ между двумя базовыми векторами текущего сектора Ux и Ux+60 и нулевыми векторами O(000) и O(111).
    Амплитуда и фаза результирующего вектора напряжения зависят исключительно от скважности включения базовых векторов. Как показано на рис. 6а, в предельном случае, когда нулевые вектора не используются, годограф вектора результирующего напряжения представляет собой шестиугольник, описанный вокруг базовых векторов. С учетом того, что амплитуда базового вектора составляет 2/3 Udc, возможно формирование кругового годографа вектора результирующего напряжения c амплитудой 0,577 Udc, что на 15% больше амплитуды выходного напряжения для случая классической синусоидальной центрированной ШИМ.

Таблица Схемы включения и векторные диаграммы для инвентора в режиме ШИМ-модуляции базовых векторов

Базовый вектор Схема включения и векторная диаграмма Фазные напряжения (Uф/Udc
Название Код
C B A Uc Ub Ua
O(000) 0 0 0 0 0 0
U0(001) 0 0 1 -(1/3) -(1/3) +(2/3)
U60(011) 0 1 1 -(2/3) +(1/3) +(1/3)
U120(010) 0 1 0 -(1/3) +(2/3) -(1/3)
U180(110) 1 1 0 +(1/3) +(1/3) -(2/3)
U240(100) 1 0 0 +(2/3) -(1/3) -(1/3)
U300(101) 1 0 1 +(1/3) -(2/3) +(1/3)
O(111) 1 1 1 0 0 0
    Существуют и другие варианты выбора базовых векторов. Так, использование векторов, соответствующих парной реверсивной коммутации фаз двигателя (рис. 6б) обеспечивает ту же самую максимальную амплитуду вектора результирующего напряжения, а переход к базовым векторам, соответствующим 12-тактной коммутации (рис. 6в), позволяет увеличить выходное напряжение инвертора уже на 27%.
    Идея реализации векторной ШИМ-модуляции на базе стандартной центрированной ШИМ показана на рис. 7. Используется двухпроходная коммутация с переключением базовых векторов на периоде ШИМ в последовательности: О(000), m, m+1, O(111), m+1, m, O(111). Метод может быть реализован в большинстве встроенных ШИМ-генераторов современных микроконтроллеров серии Motor Control, однако имеет существенный недостаток необходимость программной коррекции влияния "мертвого" времени в зоне выходных напряжений, близких к максимальному. Кроме того, расчет компонент результирующего вектора во всех обычных микроконтроллерах, кроме DSP-микроконтроллеров, требует значительных ресурсов центрального процессора. Это может привести к невозможности реализации векторной     ШИМ-модуляции на высоких частотах несущей (10-20 кГц).


Рис. 7 Реализация векторной ШИМ-модуляции на базе стандартной центрированной ШИМ

    Второй способ реализации векторной ШИМ заключается в использовании двух каналов полного сравнения и последовательного управляющего автомата, обрабатывающего события по сравнению рис. 8. Автомат работает по двум различным алгоритмам, в зависимости от выбранного пользователем начального направления переключения базовых векторов: (m, m+1) или (m+1, m). Один из алгоритмов следующий:


Рис. 8 Реализация векторной ШИМ-модуляции на базе двухканального компаратора и последовательного управляющего автомата

    Как видно из рис. 8, второй алгоритм отличается только порядком перебора базовых векторов. Главное отличие между алгоритмами состоит в том, к верхней или нижней шине звена постоянного тока обеспечивается "глухое" подключение одной из фаз на периоде ШИМ (что лучше, зависит от типа используемых при построении инвертора драйверов). Для исключения дополнительных переключений на стыках секторов порядок переключения базовых векторов необходимо менять при каждой смене сектора.


Рис. 9 Струтура универсального генератора периодических сигналов для реализации векторной ШИМ-модуляции

    Одним из важнейших преимуществ метода является уменьшение числа переключений на периоде ШИМ с 6-и до 4-х и сокращение на 30% динамических потерь в ключевых элементах инвертора.
    Рассмотренный метод реализации векторной ШИМ использует фирма Texas Instruments в новых микроконтроллерах для управления двигателями серии TMS320x24x. Дополнительный последовательный управляющий автомат включен при этом в состав ШИМ-генератора.
    Некоторые фирмы, например, Analog Devices, идут по другому пути, суть которого состоит в возможности кроссирования стандартных выходных сигналов центрированной ШИМ рис. 9.

    Это позволяет реализовать все многообразие вариантов управления, показанное на рис. 8. Кроме того, появляется дополнительная возможность поддержки более сложных методов векторной ШИМ, основанных на использовании шести дополнительных базовых векторов. При этом особое значение приобретает встроенный в состав генератора периодических сигналов блок управления выходами, позволяющий индивидуально управлять выходами, вплоть до отключения любого ключа или целой стойки.
    В заключение отметим, что, несмотря на серьезную аппаратную поддержку методов векторной ШИМ, появившуюся в новейших микроконтроллерах, работы у программистов не уменьшилось. Они по-прежнему должны обеспечить в реальном времени: расчет номера базового сектора и внутрисекторного угла; определение составляющих базовых векторов и перепрограммирование ШИМ-генератора; коррекцию влияния "мертвого" времени и потерь напряжения на силовых ключах; коррекцию изменения напряжения на звене постоянного тока. Перечисленные задачи являются решаемыми, что дает уверенность в возможности быстрой разработки нового поколения перспективных цифровых систем управления приводами.

Литература

Московский энергетический институт,
кафедра Автоматизированного электропривода,
лаборатория микропроцессорных систем управления
Тел. (095) 115-7977, факс (095) 273-1348
E-mail: kozachenko@aep.mpei.ac.ru






Ваш комментарий к статье
Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам :
Ваше имя:
Отзыв: Разрешено использование тэгов:
<b>жирный текст</b>
<i>курсив</i>
<a href="http://site.ru"> ссылка</a>