5Л. Микропроцессорная система управления электродвигателем

Пусть требуется разработать микропроцессорную систему управления электродвигателем транспортного средства массой 500 кг, способного двигаться со скоростью v = 60 км/час.

Для решения поставленной задачи необходимо прежде все­го подобрать электродвигатель и оценить динамические свой­ства объекта управления (ОУ).

Положим, что сила трения равна примерно

где к_т— коэффициент трения (сцепление с дорогой), m — мас­са транспортного средства, g— ускорение свободного падения.

Коэффициент редукции определим из следующего соотно­шения:

Если транспортное средство снабдить колесами радиусом R = 0,2 м, тогда их максимальная скорость будет

где W_{дв max} — максимальная угловая скорость ротора двигателя.

Положим, что выбираемый двигатель будет иметь частоту вращения n = 1500 об/мин. Тогда:

Зная коэффициент редукции, радиус колеса и силу трения, можно найти момент, который должен развивать двигатель.

Этому условию удовлетворяет двигатель ДПМ-2, параметры которого приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Для оценки динамических свойств ОУ рассмотрим линеари­зованные уравнения выбранного электрического двигателя посто­янного тока с независимым возбуждением. Так как обмотка воз­буждения двигателя создает постоянный магнитный поток, управление осуществляется изменением электродвижущей силы источника в якорной цепи e(t). Внутренним сопротивлением ис­точника пренебрегаем. Входными воздействиями считаем e{t) и приведенный момент нагрузки на валу двигателя M(t). Выходами системы считаем угол поворота ротора a(t), угловую скорость ро­тора w(?) и ток в якорной обмотке i(t). Тогда динамику системы можно описать следующими уравнениями:

Здесь обозначены: L, R- индуктивность и активное сопро­тивление якорной цепи (T= L/R), J— приведенный момент инерции ротора, С_e , C_w — постоянные, зависящие от конструк­

тивных параметров двигателя и величины потока возбуждения. Если положить момент нагрузки постоянным, то используя пре­образование Лапласа, для малых отклонений от состоянии рав­новесия получаем:

Полагая, что J= J_pот + т_кR²/K_peд = 0,3 + 20 ^. 0,2²/0,53 = 0,3 + +1,5 = 1,8, для выбранного двигателя, получаем:

Произведем оценку быстродействия ОУ по логарифмиче­ской амплитудной частотной характеристике (JIA4X) двигателя (см. рис. 5.1). Для чего представим его следующей структурной схемой, которая соответствует последней системе уравнений.

Рис. 5.1. Структурная схема объекта управления При этом

И

которой соответствует структурная схема, показанная на рис. 5.1, и ЛАЧХ, показанная на рис. 5.2.

Рис. 5.2. ЛАЧХ двигателя

Как видно из рис. 5.2, двигатель имеет частоту среза ш_ср = = K= 1,6 1/с, которая и определяет минимально допустимое быстродействие, требуемое от элементов цифровой системы уп­равления (АЦП, ЦАП, процессора и др.).

В классической теории управления техническими объектами рассматривают различные варианты схем систем управления с УВМ в контуре. Наиболее типичный вариант схемы представ­лен на рис. 5.3.

и передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид

Система, приведенная на рис. 5.3, работает следующим обра­зом. Под действием управления U(t) объект движется по программ­ной траектории. Однако случайные, неуправляемые возмущения F(t) отклоняют его движение от заданного. Отдельные компонен­ты вектора состояния объекта X_изм(t) измеряются датчиками,

Рис. 5.3. Система управления с УВМ в контуре

затем квантуются по амплитуде и по времени аналого-цифровы­ми преобразователями (АЦП) и передаются в управляющую циф­ровую вычислительную машину (УЦВМ). Последняя, преобразо­вав измеренную входную информацию по заданному алгоритму, подает на узел сравнения вектор вычисленного воздействия Y_выч(t), соответствующий состоянию объекта на момент измерения. Узел сравнения вырабатывает сигнал ошибки a(t) и передает его исполнительным механизмам. Сформированное исполнительными механизмами управление U(t), воздействуя на объект, возвращает его на программную траекторию.

Для взаимодействия УЦВМ с исполнительными устройства­ми необходимо наличие в системе цифроаналоговых преобразо­вателей (ЦАП).

Очевидно, что УЦВМ, включенная в контур рассмотрен­ной системы управления, должна удовлетворять следующим тре­бованиям:

• осуществлять возложенные на нее вычисления с точнос­тью, позволяющей системе нормально выполнять свои функции;

• проводить обработку входной информации в темпе работы системы. Иначе говоря, УЦВМ должна выдавать результаты |с требуемой точностью и работать в реальном масштабе време­ни, т. е. работать под управлением операционной системы ре­ального времени (ОС PB).

Для выбора преобразователей (ЦАП и АЦП) требуется знать два основных параметра: минимальное число разрядов и быстродействие.

Для расчета числа разрядов п воспользуемся требованиями к точности системы. Тогда при заданной точности 0,5 % получим:

Видно, что для выполнения условия по точности системы достаточно 8 разрядов преобразователя.

Быстродействие преобразователей должно соответствовать быстродействию объекта управления. В рассматриваемом случае время преобразования должно быть не более чем t_k = 1/10 w_cp =

= 1/10-1,6 = 0,06 с.

Очевидно, что и время вычисления управляющего воздей­ствия контроллером УЦВМ не должно превышать полученное значение t_k = 0,06 с. При этом функцию вычисления сигнала ошибки a(t) может выполнять тот же контроллер. Тогда струк­турную схему системы управления можно представить в виде, показанном на рис. 5.4. После ЦАП необходимо установить уси­литель У, чтобы обеспечить подачу на двигатель напряжения до 220 В, так как на выходе ЦАП обычно не более 10—12 В.

Исходя из выявленных требований к числу разрядов и быс­тродействию в качестве АЦП в системе можно использовать, например, модуль А116-5А

\

Модуль Al 16-5А выполнен в стандарте Micro PC и предназ­начен для преобразования 16 аналоговых сигналов напряжения или 8 сигналов тока в 14-разрядный цифровой код. Все входы- выходы платы гальванически изолированы от системы (группо­вая изоляция), а аналоговые входы имеют защиту от перенапря­жения.

Рис. 5.4. Структурная схсма системы управления

Основные характеристики:

16 однопроводных или 8 дифференциальных входов (про­граммируемый тип подключения входов);

14-разрядный АЦП (AD7894-10).

Программируемый коэффициент усиления по любому вхо­ду (хранится в регистре):

1, 2, 4, 8 (диапазон I, PGA206);

1,10,100,10001 (диапазон II, PGA204).

Диапазоны входных напряжений/токов (с учетом усиления):

диапазон I: ±10 В; ±5 В; ±2,5 В; ±1,25 В;

±80 мА; ±40 мА; ±20 мА; ±10 мА

диапазон И: ±10 В; ±1 В; ±0,1 В; ±0,01 В;

±80 мА; ±8 мА; ±0,8 мА; ±0,08 мА.

Защита от перенапряжения (ADG439F): —35/+50 В.

Пропускная способность (по DMA или при работе с FIFO):

100000 выборок в секунду (для диапазонов I)

40000/33000/7500/800 выборок в секунду (для диапазона II)

Входное сопротивление: >10 M (напряжение).

Аппаратное усреднение 2, 4, 8, 16 выборок.

Случайная погрешность измерения без усреднения: ±2 МЗР.

Случайная погрешность измерения с усреднением: ±0,5 МЗР

FIFO (CY7C429).

Авто-сканирование входов и выходов.

2 однопроводных выхода (AD7249 + AD6941).

12-разрядная точность.

Диапазон (установка перемычками):

0-5 В; ±5 В; 0-10 В;

0-20 мА; 4-20 мА; 1

Таймер: 16-бит (1 мс или 10 мс).

Цифровые выходы: 8 (время установки 1,6 мс)

(совместимость с AIMUX-32, MUX-16).

Разделяемые линии прерываний (5) и каналы DMA (2). Напряжение изоляции: 1000В (все входы-выходы от системы). Подключение кабелем СМА-20 (с терминальными платами) или напрямую (без терминальных плат).

Старт АЦП:

программный;

аппаратный (от таймера).

Считывание из АЦП:

опрос (ADC ready, FIFO/SRAM full);

по прерыванию (ADC ready, FIFO/SRAM full);

по каналу DMA (ADC ready).

Напряжение питания +5 В ± 5 %.

Ток потребления по +5 В до 400 мА.

Рабочий температурный диапазон —40...+85 °С.

Температура хранения —55 ... +90 °С.

Относительная влажность воздуха 95 % при +25 °С.

Среднее время наработки на отказ 100 000 часов.

Аналогично, в качестве ЦАП в системе можно использо­вать, например, модуль AO-16.

Модуль АО-16 выполнен в стандарте Micro PC и предназна­чен для преобразования 12-разрядных цифровых кодов в анало­говые сигналы напряжения или тока. Все аналоговые выходы изолированы от системы и имеют общий изолированный ис­точник питания (групповая изоляция).

Основные характеристики модуля:

количество аналоговых выходов напряжения и/или тока16;

время установления аналоговых выходов для всего диапазо­на 10 мкс (напряжение), 20 мкс (ток);

скорость цифроаналогового преобразования для одного ка­нала 100000 выб./с;

скорость цифроаналогового преобразования для N каналов 100000/W выб./с;

диапазоны выходных напряжений: ± 5; 0-5; 0-10; ± 10В;

диапазон выходных токов: 0—20; 4-20 мА;

нагрузка для выходов напряжения 2 кОм;

нагрузка для выходов тока 150 Ом;

2 выхода УНЧ 1 Вт на нагрузке 8 Ом;

FIFO выборок 1024 слов (2048 байт);

16 изолированных цифровых выходов (установка 10 мкс);

16-разрядный таймер с внутренней частотой: 100 кГц, 1 мГц;

5 разделяемых линий аппаратных прерываний IRQ [7—3];

2 линии запросов канала DMA DRQ 1/3;

групповая оптоизоляция от системы 1000 В;

напряжения питания 5 В ±5 %.

Максимальный ток потребления по +5 В:

для конфигурации Vl 6 — 550 мА;

для конфигурации V8 — 350 мА;

для конфигурации С16 — 620 мА;

для конфигурации С8 — 390 мА.

Рабочий температурный диапазон -40 ...+85 °С.

Температура хранения —55. ..+85 °С.

Влажность 95 % при температуре +25 °С.

Среднее время наработки на отказ 100 000 ч.

Подсоединение аналоговых выходов модуля производится кабелем СМА-20 (2) через вилки J2, J3 (для подключения под винт или зажим, дополнительно требуются терминальные пла­ты типа ТВ-20). Аналоговые сигналы подключаются одним про­водом к соответствующим контактам. Подключение цифровых выходов DGT [15—0] осуществляется кабелем СМА-26 через разъем J4.

В качестве контроллера можно использовать, например, модуль центрального процессорного устройства CPU 686Е (рис. 5.5).

Составные части CPU 686Е:

процессор Geode GXl-300, имеющий 32-битовое ядро, 64-битовый арифметический сопроцессор, 64-битовую шину па­мяти, кэш-память 1-го уровня размером 16 кбайт;

чипсет СХ5530, содержащий видеоконтроллер с аналого­вым и цифровым RGB выходом, IDE контроллер, контроллер USB и звука;

оперативное запоминающее устройство, имеющее синх­ронную динамическую память (SDRAM) размером 32/ 128 Мбайта;

постоянное запоминающее устройство (FLASH BIOS), име­ющее для хранения базовой системы ввода-вывода микросхему FLASH памяти размером 512 кбайт, для хранения операцион­ной системы, кодов программ и долговременной информации в модуле микросхему FLASH памяти размером 8 Мбайт с под­держкой файловой структуры;

видеопорт, позволяющий подключать аналоговые ЭЛТ-мо­ниторы;

Рис. 5.5. Плата контроллера

контроллер Ethernet обеспечивает подключение к сети Ethernet 10\100 Base-T стандарта IEEE 802,3 через разъем RG-45, в кото­ром установлены два стандартных разъема для подключения уст­ройств с интерфейсом USB;

FLASH-диск;

порт для подключения IDE устройств, который имеет встро­енный контроллер IDE-устройств модуля CPU 6S6E, позволя­ющий подключать накопители на жестких магнитных дисках и оптических дисках (CD ROM);

универсальный параллельный порт, который поддерживает работу в режимах SPP, ESP, ЕРР;

последовательные порты (J1, J2) в составе двух асинхронных последовательных портов СОМ1, COM2 совместимых с микро­схемой 16450\16550А. Порт COMl может работать в сети RS232 (разъем Jl), порт COM2 — в сети RS232 (разъем J2) или исполь­зоваться для подключения устройств с инфракрасным интерфей­сом. Максимальная скорость обмена по RS232 до 200 кбит/с; порт PS/2 для подключения клавиатуры и мыши;

АТ-совместимые часы реального времени и установленную литиевую батарейку с ресурсом не менее 10 лет.

Рис. 5.6. Схема УВМ

Последовательное перепрограммируемое постоянное запоми­нающее устройство (SEPROM), которое используется для хране­ния резервной копии параметров конфигурации модуля CPU 686Е. Запись в SEPROM производится автоматически после изменения параметров, CMOS. Загрузка параметров из SEPROM произво­дится также автоматически при неисправности или отсутствии литиевой батарейки.

Супервизор, отслеживающий сбои напряжения питания и сторожевой таймер (WDT) с фиксированным временем сра­батывания 1,6 с. Супервизор формирует сигнал RESET при по­нижении напряжения питания от уровня 3,3 В ниже 3 В, а также NMI при понижении напряжения питания 5 В ниже 4,75 В. Сто­рожевой таймер также формирует сигнал сброса RESET и может использоваться для исключения программных зависа­ний. Активизация, сброс и блокирование WDT осуществляются программно.

Модуль удаленного сброса и прерывания, имеющий два дискретных изолированных входа с активным уровнем от 4 до 12 В, которые могут быть использованы для формирования внеш­него сброса и прерывания процессора.

Технические характеристики CPU 686Е:

• производительность Р55С-250;

• питание 5В+-5 %, ток потребления 2 А без внешних устройств;

• диапазон рабочих температур от —40 до +70 °С;

• диапазон температур хранения от —55 до +85 °С;

• относительная влажность до 95 % без конденсации;

• среднее время наработки на отказ не менее 100 ООО ч.

Схема подключения внешних устройств к модулю контрол­лера приведена на рис. 5.6.

УВМ должна выдавать результаты с требуемой точностью и работать в реальном масштабе времени. Работа УВМ в реаль­ном масштабе времени обеспечивается операционной системой реального времени (ОС PB), являющейся фундаментом базово­го программного обеспечения любой ЭВМ. ОС PB должна обес­печивать полный цикл жизни программного обеспечения: со­здание текста программы, ее компиляцию, построение, отладку, исполнение и сопровождение. Требования, которым должны удовлетворять любые ОС PB, изложены в стандарте POSIX 1003.4 (Real Time Extensions for Portable Operating Systems) рабочего комитета IEEE, утвержденном ISO/IEC как международный стандарт 9945.

В настоящее время известно несколько десятков ОС PB, бо­лее половины имеют поддержку архитектуры процессоров Intel х86. К широко известным и имеющим многочисленные внедре­ния и дилерскую поддержку в России можно отнести следую­щие ОС PB:

VxWorks, разработчик Wind River Systems;

QNX, разработчик QNX Software Systems Ltd;

OS-9, разработчик Microware Systems Coip.;

RTOS-32, разработчик On Time Software;

RTX for Windows NT and Windows СЕ, разработчик VenturCom;

Windows CE и Windows NT Embedded, разработчик Microsoft Corp.

Все OC PB имеют поддержку языка С, как основного языка разработчиков систем реального времени, и библиотеки графи­ческих функций для создания удобного пользовательского ин­терфейса для устройств отображения. Некоторые ОС PB, напри­мер QNX, имеют встроенные графические оболочки.

Для систем реального времени важным параметром являет­ся размер системы исполнения, а именно суммарный размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т. д.). Например, размер ядра операционной системы реального времени OS-9 на микропроцессорах МС68ххх — 22 кбайт, QNX — 20 кбайт VxWorks — 16 кбайт. Другим важным свойством ОС PB является возможность исполнения системы из ПЗУ. Оно позволяет созда­вать компактные встроенные системы реального времени повы­шенной надежности, с ограниченным энергопотреблением, без внешних накопителей.

Кроме того, одним из главных вопросов, который прихо­дится решать при выборе ОС, является стоимость. Недорогими являются 0S9, QNX.

В качестве ОС PB для УВМ в рассматриваемом случае можно выбрать операционную систему QNX 6.1, так как она.

соответствует требованиям системы управления;

• совместима с выбранными аппаратными средствами;

• распространяется бесплатно;

• имеет региональную дилерскую поддержку.

В связи с тем что ОУ рассматриваемой системы управления имеет следующую передаточную функцию:

представляется целесообразным при вычислении в контроллере управляющего воздействия u(t) по сигналу ошибки а(/) исполь­зовать пропорционально, интегрально, дифференциальный (ПИД) закон управления:

при соблюдении условий:

Проведем исследование полученной цифровой системы уп­равления с помощью пакета Simulink в программной среде MATLAB для того, чтобы убедится в том, что разработанная система обеспечивает требуемое качество управления.

Представим всю систему в виде структурной схемы (рис. 5.7).

В системе

При этом положим, что

K₂ = 1 (для упрощения расчетов).

Рис. 5.7. Структурная схема системы управления

Тогда

и

Рассмотрим остальные параметры схемы:

где

— максимальная угловая скорость ротора двигателя

Тогда

где К_ацп — коэффициент аналого-цифрового преобразователя; Kцап — коэффициент цифроаналогового преобразователя; K_y — коэффициент усиления усилителя.

Схема модели системы при отсутствии возмущений, реали­зованной на ЭВМ с помощью пакета Simulink в программной среде MATLAB, показана на рис. 5.8.

Результаты моделирования при отсутствии возмущений пред­ставлены на рис. 5.9. Как видно из рисунка, система обеспечи­вает хорошее качество управления скоростью при отсутствии возмущений.

Рис. 5.9. График переходного процесса при отсутствии возмущений

Теперь проведем исследование системы при воздействии на объект управления возмущения в виде следующего момента со­противления: M_c = mg где — угол наклона дороги и — коэффициент трения. При этом в компь­ютерной модели добавятся блоки, моделирующие момент со­противления, вычитающийся из вращаюшего момента, и схема примет вид, показанный на рис. 5.10.

Результаты моделирования при = 0,16 рад/с представ­лены на рис. 5.11, при = 0,08 рад/с — на рис. 5.12 и при = 0,008 рад/с — на рис. 5.13.

Из рисунков видно, что при высокой скорости движения и/или большой неравномерности профиля дороги неизменная настройка параметров закона управления (k1, k2, k3) или, что то же, регулятора скорости (Wc(p)) желаемого качества управ­ления достичь не удается. Это говорит о том, что необходимо использовать комбинированное управление (по отклонению и по возмущению), либо — адаптивное.

К аналогичным результатам можно было бы прийти и при моделировании воздействия изменения коэффициента трения, например, из-за изменения покрытия дороги (асфальт, грунт, щебенка), температуры, влажности и других факторов. При этом прямое измерение коэффициента фения практически невозможно.

Поэтому учет указанных факторов в системе управления возмо­жен только в виде логико-лингвистических или вероятностных переменных, что делает всю систему управления нечеткой.