Разработка МПС управленя

        
Содержание 
 
 

        Введение 

       В связи с распространением, удешевлением, и увеличением вычислительной мощности современных процессоров, стало выгодно использовать их в самых разнообразных областях техники. Одним из перспективных направлений является использование микропроцессорных средств в производстве различных силовых электрических преобразователей энергии. Замена СИФУ микропроцессорной системой позволяет решать такие задачи, которые были бы практически неразрешимы или привели к громоздкости системы управления, что повлекло бы за собой непременное снижение надежности в обычных аналоговых системах. Целью данной курсовой работы является проектирование тиристорного нереверсивного широтно-импульсного преобразователя  на базе микропроцессорного комплекта K1810 с техническими параметрами, указанными в задании.

        1 Разработка  функциональной схемы 

1.1 Описание принципа  работы преобразователя. Выбор элементов силовой части 

       Тиристорные регуляторы напряжения находят применение в  основном  в электроприводе переменного тока для питания  асинхронного двигателя.  Данный преобразователь  обеспечивает регулирование действующего напряжения вниз от номинального напряжения сети. Уменьшение напряжения питания АД позволяет регулировать скорость в небольших пределах, вниз от номинальной.

       В данной курсовой работе необходимо разработать  систему управления для трехфазного  ТРН  со встречно-параллельным включением тиристоров. Схема преобразователя состоит из шести тиристоров, включенные по два в каждой фазе (рисунок 1.1).

       Рисунок 1.1—Схема ТРН. 

       Напряжение  в каждой фазе регулируется путем  изменения угла (альфа) открытия тиристора(рисунок 1.2).

        Рисунок 1.2—Регулирование напряжения. 

        Тиристоры выбираем по среднему току, протекающему через них, и по  обратному напряжению.

       Средний ток тиристора: 

       I_d= = =37,5 А,   (1.1) 

где  I_dн—номинальный ток нагрузки;

       К_з—коэффициент запаса тока (по условию);

       К_охл—коэффициент, учитывающий условия охлаждения;

       m—число тиристоров в  фазе.

       Величина  расчетного значения обратного напряжения для тиристора: 

       U_p=К_з*U_обр.max=1,4*(1,41*220)=436 В,   (1.2) 

где К_з=1,4—коэффициент, учитывающий возможное перенапряжение.

       U_обр.max—максимальное обратное напряжение: 

       U_обр.max=1,41*U_ф,     (1.3) 

       Выбираем  тиристор по следующим параметрам:

• I_н 37,5 А;
• U_н 436 В

       Выбираем  оптотиристор со следующими параметрами:

• Наименование—2ТО142-400-7.
• Максимальный ток—40 А.
• Номинальное напряжение—700 В.
• Ток управления—150 мА.
• Напряжение управления—2,5 В.

       1.2 Описание функциональной  схемы системы  управления 

       Функциональная  схема имеет следующий вид, приведенный  на рисунке 1.3.

       Описание  функциональной схемы:

       На  данной схеме можно выделить следующие  блоки:

• Устройство ввода (УВ). Необходимо для ввода управляющего воздействия (угла управления тиристорами), а также для блокировки управляющих воздействий
• Средство отображения информации (СОИ). Отображение введенного значения угла управления, сигнала  готовности системы.
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Предназначен для введения задающего аналогового сигнала.
• Распределитель сигналов осуществляет взаимодействие первых трех функциональных блоков с внутренней магистралью связи.
• Процессор и запоминающее устройство (ЗУ) выполняют функции управления, т. е. обработку сигналов, поступающих по внутренней магистрали связи, и преобразование их в различного рода управляющие воздействия.
• Блок синхронизации осуществляет синхронизацию работы ФСУ с сетью.
• Фазосдвигающее устройство. Осуществляет выдержку времени, равную длительности угла управления, производит согласование с силовыми элементами преобразователя (ТРН).
• Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) – силовой преобразователь электрической энергии переменного тока.

       Рисунок 1.3– Функциональная схема системы. 

        2 Разработка  аппаратной части 

       2.1 Краткое описание  МП комплекта 

       Микропроцессорный комплект БИС серии К1810 предназначен для построения как простейших одноплатных микроЭВМ общего назначения, так и мощных мультипроцессорных систем. Комплект используется в системах управления технологическими процессами, производственным оборудованием и промышленными роботами, в контрольно-измерительных комплексах и в информационно-измерительных системах.

       В состав комплекта К1810 входят микросхемы, приведенные в таблице 2.1:

       Таблица 2.1 

       Нагрузочная способность каждого выхода БИС  относительно невелика и соответствует  одному входу микросхемы, выполненной  по стандартной ТТЛ-технологии. Поэтому практически всегда выходные сигналы БИС необходимо буферизировать с помощью внешних схем, обеспечивающих требуемую нагрузочную способность.

       Предельно допустимые условия эксплуатации МПК  БИС: температура окружающей среды: 0...70 °С; напряжение на любом выводе относительно корпуса -1,0...+7 В.

       Центральный процессор К1810ВМ86 осуществляет общую  обработку данных и управление блоками  системы в соответствии с заданной программой. Характерной особенностью МП К1810ВМ86 является возможность частичной реконфигурации аппаратной части для обеспечения работы в двух режимах — минимальном и максимальном.

       Н минимальном режиме МП формирует все сигналы для управления внутрисистемным интерфейсом МПС и используется для построения однопроцессорных контроллеров и микроЭВМ. При этом для построения блока центрального процессора используется малое число ИС: генератор К1810ГФ84, буферные регистры К1810ИР82/83 и шинные формирователи К1810ИР86/87. В максимальном режиме МП используется для построения многопроцессорных систем (МПС), в которых сигналы управления шиной вырабатываются системным контролером К1810ВГ88 на основании кода, сформированного МП.

       Центральный процессор К1810ВМ88 в отличие от К1810ВМ86 имеет 8-битовую внешнюю шину данных, что, в частности, дает возможность вводить его в системы, ранее

разработанные для МП К580ВМ80. Арифметический сопроцессор  К1810ВМ87, называемый также сопроцессором  числовых данных, подключается параллельно центральному процессору и выполняет предназначенные ему команды из общего с ЦП потока команд. Оба процессора фактически работают попеременно, причем сопроцессор является зависимым от центрального процессора. Процессор ввода—вывода К1810ВМ89 и ЦП являются независимыми, и каждый из них выполняет собственный поток команд, что позволяет распараллелить выполнение программы.

       Центральный процессор имеет встроенные средства для координации работы процессоров  обоих типов в многопроцессорной  системе. Эти средства позволяют осуществлять разделение и отключение магистралей с помощью сигналов по линиям запроса — представления канала, а также с помощью БИС арбитра магистрали К1810ВБ89.

       Для организации системы приоритетных прерываний предусмотрен программируемый  контроллер прерываний (ПКП) типа К1810ВН59А, который отличается от аналогичной БИС К580ВН59 тем, что способен работать в системах, построенных на основе МП серий К1810 и К580. Для практической реализации ОЗУ большой емкости на основе динамических БИС памяти целесообразно применять контроллеры К1810ВТ02 или К1810ВТОЗ, которые обеспечивают управление памятью и регенерацию ее содержимого.

       Большую роль в реализации функций интерфейса внешних устройств в МПС, выполненных  на базе К1810, выполняют программируемые  БИС интерфейсов и контроллеров семейства К580, в которой все  соответствующие БИС изготовлены по технологии n-МДП.

       Микросхема  К1810ВМ86 представляет собой однокристальный 16-битовый МП, выполненный по высококачественной n-МОП-технологии. Кристалл микросхемы с геометрическими размерами 5,5Х5,5 мм содержит около 29000 транзисторов и потребляет 1,7Вт от источника питания +5 В. Схема выпускается в 40-выводном корпусе. Синхронизируется однофазными импульсами с частотой повторения 5 МГц от внешнего тактового генератора. Основные операции обработки данных (сложение, вычитание, логические действия) типа регистр — регистр выполняются за три такта, что обеспечивает быстродействие 1,66- 10⁶ оп./с при периоде тактовых импульсов 200 нc. С максимальной быстротой (за два такта) выполняются регистровые пересылки, а также некоторые однооперандные команды (например, сдвиг на один бит, инкремент, декремент, управление флагами).

       Микропроцессор  К1810ВМ86 (далее обозначен для краткости  ВМ86) содержит 14 16-битовых внутренних регистров и образует 16-битовую  шину данных для связи с внешней  памятью и портами ввода—вывода. Шина адреса имеет 20 линий, что позволяет непосредственно адресоваться к памяти емкостью до 1 Мбайт =2²⁰= 1 048 576 байт. Пространство памяти разделяется на сегменты по 64 Кбайт, причем в любой момент времени МП может обращаться к ячейкам четырех сегментов, которые программно выбраны в качестве текущих. Сегментация памяти обеспечивает удобный механизм вычисления физических адресов и способствует модульному проектированию программного обеспечения, что упрощает программирование и отладку.

       Для сокращения необходимого числа выводов  БИС младшие 16 адресных линий мультиплексированы во времени с линиями данных и  составляют единую шину адреса/данных (ШАД). Четыре старшие адресные линии  аналогично мультиплексированы с линиями  состояния. Чтобы сигналы этих линий можно было использовать в системе, их обязательно разделяют с помощью внешних схем, т. е. осуществляют демультиплексирование шин.

       При выполнении операций ввода — вывода используются 8- или 16-битовые адреса, так что кроме доступа к основной памяти МП может обращаться к портам (регистрам ввода—вывода), суммарная емкость памяти которых составляет 64 Кбайт. В БИС ВМ86 реализована многоуровневая система прерываний по вектору с числом векторов до 256. Адреса подпрограмм прерывания занимают область емкостью 1 Кбайт, которая располагается в памяти, начиная с младших адресов. Предусмотрена также организация прямого доступа к памяти, при котором МП прекращает работу и переводит в третье состояние шины адреса, данных и управления.

       Микропроцессор ВМ86 появился как результат совершенствования МП ВМ80, и архитектура обоих процессоров имеет много общего. Программно-доступные узлы и система команд ВМ80 могут считаться подмножествами узлов и системы команд ВМ86. Преемственность этих микропроцессоров выражается в программной совместимости снизу вверх, благодаря которой для ВМ86 можно использовать программное обеспечение ВМ80. Хотя программы на машинном языке ВМ80 не могут непосредственно выполняться микропроцессором ВМ86, они достаточно просто переводятся с языка ассемблера ВМ80 на язык ассемблера ВМ86.

       Основными архитектурными особенностями микросхемы К1810ВМ86, отличающими    ее от микросхемы КР580ИА80А и позволяющими больше чем на порядок повысить производительность систем, являются:

       1) более мощная система команд с расширенными возможностями адресации памяти, включающая команды умножения, деления и обработки последовательностей байтов или слов;

       2) аппаратная реализация процесса  совмещения операций выполнения и выборки команд;

       3) более гибкая и мощная организация системы прерываний;

       4) аппаратная реализация некоторых  механизмов взаимодействия нескольких  процессоров, упрощающая построение  сложных мультипроцессорных систем.

       Структурная схема микропроцессора К1810ВМ86 представлена на рисунке 2.1, и она включает следующие устройства: арифметико-логическое устройство (ALU) с тремя регистрами временною хранения операндов (RGB) и регистром признаков (RS); группу регистров общего назначения (R0 - R7); микропрограммное устройство управления (MCU) для управления выполнением команд; схему управления доступом к магистрали (DMU);схему внутренней синхронизации (CLG), преобразующую внешние тактовые импульсы во внутренние последовательности синхроимпульсов и обеспечивающую синхронизацию МП с медленными ЗУ и УВВ; схему обработки запросов прерываний (INTU); схему управления циклами обмена (СU), осуществляющую управление работой 16-разрядного канала адреса/данных; буферы канала   адреса/данных (BD/A); указатель команд (IР), выполняющий функции программного счетчика; сегментные регистры (RGS), содержащие базовые адреса программ, данных и стека; сумматор адреса (Sm), служащий для вычисления 20-разрядного физического адреса; регистры очереди команд (RI), предназначенные для формирования шестибайтной очереди команд, готовых к исполнению.

       Отличительной особенностью архитектуры микропроцессора К1810ВМ86 является наличие двух основных асинхронно работающих устройств: устройства обработки (УО) и устройства сопряжения канала (УСК). Упрощенная структурная схема, представляющая МП в виде двух независимых устройств, изображена на рисунок 2.1 б. УО декодирует и выполняет команды, а УСК осуществляет связь с внешними устройствами, обеспечивает выборку команд и данных из памяти, формирует очередь команд. Организация параллельной работы УО и УСК и уменьшение конфликтных ситуаций при обращении к памяти за счет применения очереди команд позволяет существенно повысить производительность систем на основе микропроцессора К1810ВМ86.

       Регистровая модель микропроцессора К1810ВМ86 приведена на рисунок 2.2, а. Регистры CS, DS, SS и ES называются сегментными регистрами и используются при обращении к памяти для вычисления физических адресов ячеек. Основное назначение этих регистров следующее: регистр программного или кодового сегмента (CS) определяет текущий программный сегмент; содержимое регистра CS вместе с содержимым указателя команд (IP) задает адрес очередной команды выполняемой программы; регистр сегмента данных, или информационного сегмента (DS), используется в командах при обращении к данным; регистр стекового сегмента (SS) определяет текущий стековый сегмент и используется в командах обращения к стеку, при обработке подпрограмм и прерывании; регистр дополнительного сегмента (ES) обычно  применяется  как  вспомогательный сегмент данных.

       Рисунок 2.1– Структурная схема микропроцессора  К1810ВМ86

       Регистры  общего назначения АХ. ВХ. СХ и DX, называемые также регистрами данных, используются при выполнении арифметических и логических операций. Эти же регистры могут выполнять некоторые специальные функции, что и нашло отражение в их мнемонических обозначениях : АХ — аккумулятор. ВХ - базовый регистр,  СХ — счетчик.  DX — регистр данных. Эти регистры общего назначения допускают раздельною адресацию к их старшим (Н) и младшим (L) половинам и могут использоваться в виде набора 8-разрядных регистров.

       Регистры  общего назначения SP, ВР, SI и DI называются адресными регистрами, так как в них хранятся относительные адреса, используемые для определения адресов операндов в пределах одного из сегментов памяти. В указателе стека (SP) и в указателе базы (ВР) содержатся относительные адреса в пределах стекового сегмента памяти, а в регистре индекса источника (SI) и регистре индекса приемника (DI) хранятся относительные адреса в пределах сегмента данных.

       Рисунок 2.2– Регистровая модель микропроцессора  К1810ВМ86

       В пределах любого из сегментов емкостью в 64К байт обращение к операндам происходит с помощью 16-разрядного адреса смещения в сегменте. Этот адрес определяется способом адресации и называется также исполнительным адресом (ЕА). 20-разрядный физический адрес памяти (ADDR) формируется в сумматоре адреса (Sm) посредством сложения 16-разрядного адреса смещения в сегменте с 16-разрядным адресом в сегментом регистре, сдвинутым на четыре разряда влево (рисунок 2.2,б).

       Рассмотренные функции регистров микропроцессора  К1810ВМ86 являются основными и реализуются  в командах по умолчанию. Дополнительные возможности использования регистров  указываются при описании конкретных видов команд.

       Регистр признаков или флагов (RS) состоит из одноразрядных регистров, фиксирующих состояние процессора и применяемых для управления его функционированием (рисунок 2.2, в). Флаги CF, PF, AF, SF и ZF аналогичны флагам микропроцессора КР580ИК80А и характеризуют результат выполнения последней арифметической или логической операции. Флаг переполнения OF устанавливается в состояние 1 при переполнении, возникающем в результате арифметических операций над величинами со знаком. Флаги DF, IF и TF применяются для управления микропроцессором. Флаг направления DF служит для автоматического увеличения или уменьшения адреса при наработке последовательностей символов питания режимов автоинкрементной и автодекрементной адресации). Установка флага разрешения прерывания IF разрешает МП-прием запроса прерывания на входе INT. Установка флага трассировки TF переводит МП в состояние прерывания  после  выполнения  каждой команды, т. е. организует режим пошагового выполнения программ.

       Микропроцессор  К1810ВМ86 предназначен для использования как в простых однопроцессорных, так и в сложных мультипроцессорных системах управления и обработки информации. В связи с этим МП имеет специальный вывод (см. рисунок 2.1, а) для задания минимального или максимального режимов функционирования. Каждый режим характеризуется некоторым набором управляющих сигналов, соответствующим сложности проектируемой системы. При подключении вывода к выводу Uсс (или 00) микропроцессор настраивается на работу в минимальном режиме, в котором все сигналы управления периферийными устройствами вырабатываются самим МП. При подключении вывода к выводу GND происходит изменение функций ряда управляющих сигналов и МП перенастраивается на работу в максимальном режиме. В этом режиме МП используется обычно с системным контроллером, генерирующим сигналы управления системой. Управляющие сигналы максимального режима работы на рисунок 2.1, а заключены в круглые скобки.

       Назначения  выводов МП и соответствующих им сигналов, в данном разделе рассматривать не будем, как, впрочем, и во всей записке. 

       2.2 Описание структурной  схемы системы  управления 

       Рисунок 2.3–Структурная схема системы. 

       Описание  структурной схемы:

• ГТИ (генератор тактовых импульсов) предназначен для подачи тактовых импульсов на микропроцессор с фиксированной частотой (5 МГц).
• (МП) микропроцессор является центральной частью системы, которая обрабатывает все поступающие в него сигналы и выдает управляющие сигналы на различные внешние устройства.
• (ДУС) дешифратор управляющих сигналов устанавливает в зависимости от сигналов микропроцессора сигналы на считывание/запись в/из памяти или в/из внешнего устройства.
• (ШФ) шинный формирователь выполняет функцию демультиплексирования шины адреса/данных процессора в шину данных системы.
• (БР) буферные регистры так же  предназначены для демультиплексирования шины адреса/данных процессора в шину адреса системы.
• (ЗГ)– задающий генератор (выдает импульсы с частотой 100 кГц).
• Программируемый таймер предназначен для отсчета определенного количества импульсов задающего генератора и выдачи управляющих импульсов через гальваническую развязку на тиристоры.
• ОЗУ– хранит текущие данные системы.
• ПЗУ– содержит управляющую программу согласно которой происходит функционирование системы.
• Параллельный порт– позволяет организовать работу с клавиатурой, и такими сигналами как: сигналом «блокировка», обслуживание ввода аналогового сигнала, индикация готовности, и численного значения напряжения вообще.
• АЦП– позволяет преобразовать аналоговый задающий сигнал 0…10 В в цифровой сигнал, который по шине данных поступает в микропроцессор.
• Силовые ключи– в данном конкретном случае ими являются тиристоры.
• Блок синхронизации предназначен для служит для организации синхроимпульсов, с помощью которых система синхронизируется с сетью.

       Описание  функционирования системы

       При включении системы происходит ее инициализация, затем определяется текущая частота сети. Так как  приблизительно частота сети равна (в Беларуси) 50 Гц, то ориентировочно за один период питающего напряжения задающий генератор выдаст импульсов (а за полпериода– 1000). Но частота сети может колебаться, следовательно перед выдачей сигнала «готовность» система выполнит определение текущей частоты сети. Устройство синхронизации подключено к D-триггеру, который выдает равномерный периодический ступенчатый сигнал с частотой питающей сети. Система через параллельный порт определяет изменение импульса от  триггера, запускает один из счетчиков, и постоянно опрашивает через порт состояние выхода триггера. Как  только сигнал от триггера изменяется, то система считывает показания счетчика и находит разность между посланным числом и числом, до которого досчитал счетчик, и записывает его в память в качестве относительного времени одного полупериода, измеренном в количестве прошедших импульсов.

       После прохождения инициализации системы  выдается сигнал «готов».

       Аналоговый  ввод сигнала организован при  помощи АЦП и буферного регистра. 

       2.3 Выбор элементов памяти 

       Так как микропроцессор имеет 16-ти разрядную  шину данных, то для обеспечения  работы микропроцессора как с  отдельными байтами, так и со словами (2 байта– старший и младший), то для  ОЗУ и ПЗУ будут применены  по два «банка» восьмиразрядной  памяти размером по 2 Кбайта каждый.

       Обращение к младшим ячейкам слова происходит по сигналу А0, а к старшим по сигналу  – сигнал разрешения старшего байта.

       Программа работы МП должна храниться в ПЗУ. Поэтому оно должно быть достаточного объема. Также для упрощения модернизации системы оно должно иметь возможность перезаписи, поэтому выбраны микросхемы К573РФ5. Это электрически перепрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Объем ПЗУ—2*2=4 Кбайта.

       ОЗУ хранит переменные необходимые для программы. Для простоты размещения памяти в адресном пространстве МПС, ОЗУ лучше выбрать такого же размера как и ПЗУ, тогда разница при обращении к ПЗУ и ОЗУ будет лишь в старшем бите. С помощью дешифратора, по этому биту будет выбираться ПЗУ или ОЗУ. Выбраны две микросхемы К573РУ10. Объем—2*2=4 Кбайта. 

       2.4 Расчет и выбор  элементов сопряжения 

       Сопряжение  необходимо провести с:

• Силовыми ключами;
• Входными и выходными сигналами;
• Блоком синхронизации.

       Сопряжение  с силовыми оптотиристорами.

       Схема включения одного силового тиристора: 

       Рисунок 2.4—Сопряжение с силовой частью. 

• Ток управления—150 мА.
• Напряжение управления—2,5 В.

       Т.к. выходной ток таймера только 1,5 мА, а включать требуется сразу два  тиристора, то необходимо поставить усилитель. Им будут служить два транзистора в ключевом режиме. Их суммарный коэффициент усиления должен быть: .

       Выбираем  транзисторы:

• Первый: KT312A. Ток коллектора—50мА.
• Второй: КТ3129Д. Ток коллектора—500мА.