Микроконтроллерные системы управления электроприводами : современное состояние и перспективы развития

Микроконтроллерные  системы управления электроприводами :

современное состояние и перспективы развития

Преимущества  цифровых электроприводов

    С момента появления первого микропроцессора  в 1971г. бурно развивается область  цифровой управляющей электроники, относящаяся к встраиваемым микропроцессорным  системам управления реального времени. За последние двадцать лет произошли  качественные изменения в структуре  электропривода, связанные в первую очередь с переходом на новую  элементную базу построения силового канала (IGBT-транзисторы, интеллектуальные силовые модули IPM) и новую элементную базу канала управления - высокопроизводительные микроконтроллерные системы прямого  цифрового управления оборудованием. Речь идет не только о прямом управлении ключами силовых преобразователей, но и о прямом сопряжении с широкой  номенклатурой датчиков обратных связей (положения, скорости, ускорения), а  также с элементами дискретной автоматики (релейно-контакторной аппаратурой, дискретными  датчиками и дискретными исполнительными  устройствами). Область управления двигателями и силовыми преобразователями  стала ярким примером быстрой  адаптации процессорной техники  к задачам предметной области.

    Функции прямого цифрового управления в  современных приводах реализуются  за счет использования специализированных периферийных устройств, интегрированных  непосредственно на кристалл микроконтроллера и не требующих дополнительных развитых средств сопряжения, а также за счет высокопроизводительной архитектуры  и системы команд центрального процессора, позволяющей решать большинство  типовых задач управления двигателями  программным способом (регуляторы, наблюдатели, преобразователи координат  и т.п.). Основные направления развития встроенной периферии для управления двигателями на современном этапе следующие:

• Переход от обычных счетчиков к наборам универсальных счетчиков/таймеров со встроенными каналами сравнения/захвата и далее к многоканальным процессорам событий. Прецизионное формирование многоканальных последовательностей управляющих импульсов (в том числе для управления силовыми ключами в режиме ШИМ) - функция высокоскоростного вывода на частотах до 20-50 кГц. Прецизионная временная обработка входных многоканальных последовательностей импульсов для сопряжения с широким классом датчиков обратных связей (импульсных, индуктивных, на элементах Холла и т.д.) - функция высокоскоростного ввода на частотах до 100 кГц и выше;
• Создание специализированных периферийных устройств типа квадратурных декодеров для обработки сигналов наиболее распространенных датчиков обратных связей (в частности, оптических датчиков положения) - функция идентификации положения и скорости;
• Создание унифицированных многоканальных ШИМ-генераторов со встроенными возможностями прямого цифрового управления ключами инверторов, активных выпрямителей и преобразователей постоянного напряжения в постоянное в режимах фронтовой, центрированной и векторной ШИМ-модуляции - функция прямого управления силовыми ключами.
• Интеграция процессора событий и многоканального ШИМ-генератара в одном универсальном устройстве - менеджере событий;
• Создание микроконтроллеров со сдвоенными менеджерами событий для прямого цифрового управления приводами по системе: Активный выпрямитель-Инвертор-Двигатель и Преобразователь постоянного напряжения в постоянное - Инвертор - Двигатель, а также для управления двухдвигательными приводами.
• Значительное повышение быстродействия аналого-цифровых преобразователей (время преобразования до 100 нс на канал), автосинхронизация процессов запуска АЦП с работой других периферийных устройств, в частности, ШИМ-генераторов, автоконвейеризация процессов преобразования в АЦП по нескольким каналам (до 16)
• поддержка функций прямого токового управления и прямого управления моментом.

    Переход к цифровым системам управления приводами  на базе специализированных микроконтроллеров позволил обеспечить новый, недостижимый в аналоговых системах, уровень показателей качества:

• на порядок меньшие габариты и вес управляющей электроники;
• резкое повышение надежности (фактическое время наработки на отказ достигает 100000 час и выше) и срока службы привода (до 10 лет и более);
• быструю и качественную интеграцию привода в систему комплексной автоматизации производства с помощью унифицированных интерфейсов сопряжения с системами управления более высокого уровня и соответствующих средств программной поддержки (RS-232, RS-485, CAN);
• местное и дистанционное управление;
• интерактивный дружественный интерфейс с человеком-оператором на языке страны использования привода: отображение на встроенном дисплее информации о текущем состоянии привода и значениях наблюдаемых переменных; ввод команд оперативного управления со встроенной клавиатуры; настройка параметров привода и системы управления в процессе пуско-наладочных работ с сохранением значений в энергонезависимой памяти; интерактивная справочная система и система подсказок стратегии управления в реальном времени;
• встроенный и удаленный (по сети) мониторинг состояния привода и раннее предупреждение аварийных ситуаций в технологическом оборудовании, возникающих вследствие срабатывания защит или идентификации отказов в приводе;
• конфигурирование структуры системы управления самим пользователем в процессе запуска привода в эксплуатацию для адаптации к конкретной технологии или специфике применения привода;
• встроенное  управление   средствами  привода сопутствующей  дискретной  автоматикой без использования дополнительных промышленных программируемых контроллеров и управляющих ЭВМ;
• распределенное мультимикропроцессорное управление многоосевыми приводами роботов, манипуляторов, кабельных линий и т.п. с использованием локальных промышленных сетей, например, CAN, с широкими возможностями синхронизации, вплоть до систем электрического вала, распределенного позиционного и контурного управления;
• унификацию встроенных  средств   управления  приводами (контроллеров, модулей ввода-вывода, пультов оперативного  управления ) независимо от типа исполнительного двигателя, структуры силового канала, типов используемых датчиков обратных связей;
• простую  систему  наращивания мощности комплектного  электропривода за счет использования секционируемых исполнительных двигателей (например, вентильно-индукторных), каждая секция которых управляется от отдельного типового преобразователя с объединением  систем управления всеми преобразователями в локальную промышленную сеть;
• возможность использования самых  современных  структур и алгоритмов управления приводами, которые трудно, а порой и невозможно реализовать на аналоговой элементной базе: векторного управления двигателями переменного тока; прямого управления моментом; прямого частотно-токового  управления; управления с элементами фаззи-логики; прямой программной реализации по графам переходов дискретных  управляющих автоматов любой сложности и т.п.

Специализированная  элементная база для построения систем управления электроприводами

    К 1995 г. фирмой Intel была разработана первая в мире серия специализированных микроконтроллеров для управления двигателями (Motor Control) и движениями (Motion Control). Серия состоит из трех микроконтроллеров 8xC196MC, 8xC196MD, 8xC196MH и создана на базе популярного семейства 16-разрядных микроконтроллеров для управления событиями в реальном времени MCS-96/196 с перспективной регистровой архитектурой и мощной системой команд. Эффективная производительность процессора -2 млн.оп./с.

    Набор встроенных периферийных устройств включает в себя таймеры/счетчики, параллельные и последовательные порты ввода/вывода, многоканальный процессор событий, многоканальный АЦП, генератор частоты, 3-канальный генератор ШИМ-сигналов и универсальный 6-канальный генератор периодических сигналов.

    Похожие по функциональным возможностям и производительности микроконтроллеры стали выпускать и другие фирмы, в частности Siemens (Infineon) и Motorola. Осознав преимущества для целей управления двигателями технологии цифровой обработки сигналов с 1995-96 гг. в борьбу за рынок включились ведущие компании по производству сигнальных процессоров (DSP): Texas Instruments, Motorola, Analog Devices. Имея на порядок более производительное ядро центрального процессора, они интегрировали на кристалл процессора специализированную периферию для управления двигателями, расширили ее функциональные возможности, предложили развитые интегрированные средства разработки и отладки ПО - создали новую элементную базу: специализированные сигнальные микроконтроллеры для управления двигателями (DSP Motor Control) высокой производительности (более 20 млн.оп. цифровой обработки/с). Возросший уровень технологии позволил производить сигнальные микроконтроллеры по цене обычных микроконтроллеров и даже ниже.

    На  сегодняшний день абсолютным мировым  лидером в производстве цифровых сигнальных микропроцессоров и микроконтроллеров является фирма Texas Instruments (TI), владеющая примерно половиной рынка. В последние годы она вышла на первое место в мире по производству и аналоговых микросхем. Быстро прогрессирует компания Analog Devices, сигнальные процессоры которой имеют оригинальную архитектуру и удобный для пользователей язык программирования.

    Наиболее  полную номенклатуру сигнальных микроконтроллеров  для управления двигателями предлагает фирма Texas Instruments (TI) - семейство TMS320C2000. Её микроконтроллеры ориентированы на использование: а) в массовом, встраиваемом, дешевом приводе изделий бытовой техники (стиральные машины, пылесосы, кондиционеры и т.д.); б) в приводах общепромышленного назначения, в том числе в преобразователях частоты; в) в ответственных прецизионных приводах роботов, манипулятов и станков с числовым программным управлением.

    DSP-микроконтроллеры TI отличаются улучшенной периферией: 1) один или два менеджера событий со встроенной поддержкой широтно-импульсной модуляции базовых векторов для прямого цифрового управление приводами по структуре Активный выпрямитель - Инвертор - Двигатель; 2) встроенный контроллер локальной CAN-сети для поддержки распределенного управления; 3) многоканальное быстродействующее АЦП с режимами автовыборки данных сразу по нескольким каналам для систем векторного управления; 4) полный спектр быстродействующих интерфейсных устройств для межмодульных соединений и подключения к системам управления верхнего уровня. Широкая номенклатура позволяет оптимизировать систему управления привода по критерию: требуемые функциональные возможности за минимум цены.

    В качестве памяти программ используется надежная флэш-память, допускающая многократное перепрограммирование непосредствено в изделии, или однократно - программируемое на заводе изготовителе масочное ПЗУ (для массового производства).

    Микроконтроллеры TI имеют производительную модифицированную Гарвардскую архитектуру центрального процессора с конвейерной обработкой команд и выполнением любой команды за один такт. Последние представители семейства - микроконтроллеры `C28, объединяют в себе достоинства всех трех процессорных архитектур: обычных микроконтроллеров, DSP-микропроцессоров и RISC-процессоров. Они имеют встроенную библиотеку трансцендентных функций, допускают программирование и отладку непосредственно на языке высокого уровня СИ в реальном времени.

    Использование в качестве памяти программ флэш-памяти не требует никаких специальных программаторов, так как алгоритм стирания и прожига реализуется собственно DSP-процессором, а загрузка программного обеспечения может быть выполнена непосредственно в изделии от компьютера по последовательному каналу связи.

    Новейшие  микроконтроллеры `С28 являются альтернативой  процессорам с плавающей точкой. Имея в несколько раз меньшую стоимость они позволяют работать с 32-разрядными данными с точностью, достаточной для самых сложных задач управления. Так, необходимые в системах векторного управления операции, например, сдвоенного умножения с накоплением 16*16, умножения с накоплением 32*32 выполняются за один такт, длительностью всего 6,67 нс и даже сложная система дифференциальных уравнений наблюдателя состояния 100-го порядка может быть решена за время, меньшее 1 мкс, что занимает не более 1% ресурсов центрального процессора при частоте ШИМ 10 кГц.

Серия отечественных модульных микроконтроллерных систем

управления  электроприводами

    Разработана серия модульных цифровых систем управления для современных электроприводов с исполнительными двигателями различных типов: от асинхронных до многофазных вентильно-индукторных, а также для преобразователей частоты

    Универсал. В состав  системы   управления  входят унифицированные модули:

    1. Модуль контроллера привода (МК) - выполняет функции прямого цифрового управления элементами силового канала и сопряжения с датчиками, управления дополнительными модулями: ввода/вывода, пультами оперативного управления. Имеет необходимые интерфейсы сопряжения с системами управления более высокого уровня. Для повышения модульности и удешевления системы управления может конструктивно разбиваться на плату базового контроллера и одну или несколько плат расширения функций базового контроллера. Вся серия контроллеров привода имеет единую архитектуру и отличается производительностью центрального процессора и объемом памяти.

    2. Модуль расширения функций базового  контроллера (МР) - позволяет в  зависимости от типа привода и специфики его применения расширить функции базового контроллера, например, обеспечить: управление сразу двумя инверторами, сопряжение с двумя датчиками положения, расширить память, сетевые или загрузочные возможности контроллера. Номенклатура модулей расширения изменяется в соответствии с вновь возникающими потребностями. Конструктивно модули расширения выполняются как платы- наездники, соединяемые с базовым контроллером через специальные разъемы для минимизации общих габаритов системы управления.

    3. Модуль ввода/вывода (МВВ) - обеспечивает  сопряжение системы управления приводом с другими системами: промышленными программируемыми контроллерами, датчиками, технологическим оборудованием. Для большинства применений разработаны пассивные модули ввода/вывода дискретных сигналов сухим контактом реле или напряжением 24 В (МДВВ), имеющие гальваническую развязку и подключаемые к контроллеру привода по одному из интерфейсов: параллельному или последовательному синхронному SPI. Конструктивно монтируются в составе преобразователя. Для распределенных систем управления разработаны активные процессорные модули удаленного дискретного  и аналогового ввода/вывода, подключаемые к контроллеру привода по сетевому CAN-интерфейсу. Могут устанавливаться непосредственно в технологическое оборудование, в частности в станции группового управления насосами.

    4. Пульт оперативного управления (ПУ) с дисплеем и клавиатурой обеспечивает интерфейс привода с человеком оператором. Разработаны несколько типов ПУ с различными дисплеями, вплоть до графического, и специализированными клавиатурами. Для подключения с контроллеру привода предусмотрены интерфейсы: параллельный, синхронный последовательный SPI и сетевой CAN. В двух первых случаях ПУ монтируется непосредственно на переднюю панель преобразователя, а в последнем - может быть съемным или удаленным.

    Все контроллеры привода, независимо от типа центрального процессора имеют унифицированную блочно-модульную архитектуру, оптимизированную по числу входов/выходов и функциям и для эффективного решения типовых задач прямого цифрового управления компонентами привода с различными типами исполнительных двигателей двигателей и структурой силовой части.

    Для оптимизации стоимости и габаритов  системы управления в серию входят универсальные контроллеры двух типов: I - для одноинверторных применений и II – для двухинверторных применений. Они отличаются числом блоков прямого цифрового управления ключами и ввода аналоговых сигналов. Кроме того, в универсальных контроллерах второго типа используется более мощный центральный процессор со сдвоенным менеджером событий и 16-канальным быстродействующим АЦП.

    Центральный процессор - специализированный микроконтроллер  для управления двигателями, частота работы которого определяется блоком тактового генератора. Модуль питания формирует необходимые уровни вторичных напряжений и содержит фильтры защиты от помех. Блок сброса и мониторинга питания обеспечивает начальную инициализацию контроллера и постоянный контроль качества системы питания. При раннем предупреждении об исчезновении любого уровня питания код аварии и важнейшие параметры системы управления сохраняются в модуле энергонезависимой памяти контроллера. Блок управления режимами обеспечивает: загрузку программного обеспечения во встроенную флэш-память контроллера по одному из последовательных каналов связи с компьютера или выполнение рабочей программы. Состояние контроллера для наладки и диагностики отображается в блоке светодиодной индикации. Для решения сложных задач векторного и бездатчикового управления, мониторинга переменных привода, память центрального процессора расширяется в модуле расширения встроенной памяти до требуемого объема. Интерактивная отладка и загрузка программного обеспечения выполняется по JTAG-интерфейсу с использованием внутрисхемных эмуляторов и интегрированных средств разработки типа Code Composer.

    Блок  прямого цифрового управления силовыми ключами обеспечивает: выдачу 6 сигналов в режиме центрированной или векторной ШИМ-модуляции и 2 сигналов в режиме фронтовой ШИМ, прием 2 запросов прерываний по авариям или до 8 индивидуальных сигналов аварий силовых ключей. При мощностях привода до 500 кВт ШИМ-сигналы выдаются в стандарте открытый коллектор с допустимой нагрузкой 20 мА для непосредственного управления первичными цепями оптронов. При больших мощностях применяются волоконно-оптические приемники/передатчики в виде модулей расширения функций контроллера.

    Аварийные сигналы могут вводиться с  учетом специфики драйверов: от каждогоиз ключей; от двух ключей стойки; общим сигналом аварии инвертора. Формат ввода - открытый коллектор. Технология обработки аварий унифицируется: блокируется инвертор (за 1 мкс); производится идентификация источника аварии; оператору выдается соответствующее диагностическое сообщение; если тип аварии допускает повторное включение, то оно разрешается после отсчета заданной выдержки времени; информация о времени и типе аварии сохраняется в энергонезависимой памяти системы управления для мониторинга отказов.

    Блок  ввода и предварительной обработки  аналоговых сигналов обеспечивает ввод сигналов с датчиков напряжения и тока в звене постоянного, датчиков фазных токов и напряжений, сигналов задания и обратной связи по технологическим переменным. Для выбора формата ввода используется селектор форматов. Имеется схема преобразования входного формата к формату АЦП процессора, фильтр низкой частоты, схема защиты от перенапряжений и переполюсовки. Для систем скалярного управления время аналого-цифрового преобразования на канал не более 10 мкс, разрядность - 8 двоичных разрядов, для систем векторного управления - от 500 до 60 нс, разрядность - не менее 10 разрядов.

    Блок  интерфейса с датчиками положения  обеспечивает прием потенциальных сигналов с 3,4,5,6-канальных датчиков положения (индуктивных, на элементах Холла и др.), а также дифференциальных сигналов с оптических датчиков положения. В его состав входят дифференциальные приемники и триггеры Шмитта для подавления синфазной составляющей напряжения и уменьшения влияния помех.

    Выдача  аналоговых сигналов управления, например, инверторами тока для шаговых двигателей, производится в блоке цифроаналогового преобразования или с помощью дополнительных RC-фильтров на выходе блока прямого управления ключами.

     Системы управления могут комплектоваться  удаленными или встраиваемыми в силовой преобразователь модулями  дискретного  ввода/вывода г) и пультами оперативного управления д) как пассивными, так и интеллектуальными.

    Выводы

    Доступность современной, высокопроизводительной элементной базы - специализированных контроллеров для управления двигателями, накопленный опыт проектирования позволяет отечественным разработчикам:

    1. Создавать системы управления, удовлетворяющие  возросшим требованиям по точности, быстродействию, диапазонам регулирования переменных привода.

    2. Унифицировать аппаратную часть  системы управления независимо  от типа исполнительного двигателя и структуры силовой части.

    3. Обеспечивать оперативную программную  адаптацию систем управления  к типу исполнительного двигателя, типам датчиков обратной связи, структуре силовой части и структуре системы управления.

    4. Реализовывать самые перспективные  алгоритмы управления, вплоть до  векторного бесдатчикового управления и прямого управления моментом.

    5. Разрабатывать новые типы приводов, в частности, с вентильно-индукторными Двигателями.