Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Факультет энергетический

Кафедра электропривода и электрического транспорта

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ

Методические указания по выполнению курсового проекта

для студентов, обучающихся

по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»,

специальности: 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Иркутск

2012 г.

1. Задание на курсовой проект.

Задания на курсовой проект приведены в сборнике:

1. В. Д. Сартаков. Микропроцессорные средства и системы: Методические указания по выполнению курсового проекта. -Иркутск: ИрГТУ, 2008. 56 с. ЭВ.

Общие требования к оформлению курсового проекта

Содержание КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект в соответствии с СТО ИрГТУ.5-2009 должен содержать:

титульный лист;

задание на курсовое проектирование;

оглавление;

введение;

основная проектная часть;

заключение;

библиографический список;

приложение.

Содержание курсового проекта по дисциплине «МПС и С» оформляется в соответствии с заданием на курсовое проектирование и требованиями стандарта СТО ИрГТУ.005-2009.

3. Общие рекомендации по выполнению курсового проекта.

Во введении дается обоснование актуальности темы курсового проекта.

В основной проектной части приводятся проектные решения по реализации задания на курсовое проектирование.

В заключении характеризуются результаты проектирования.

Библиографический список содержит перечень литературных источников, используемых при проектировании.

В приложении приводятся дополнительные материалы по выполнению задания на курсовое проектирование.

4. Специальные указания по выполнению курсового проекта

1. Тема курсового проекта – Микропроцессорная система управления пуском электрического двигателя по линейному закону

2. Титульный лист курсового проекта оформляется по прилагаемому образцу.

3. Задание на курсовое проектирование подписывается и выдается руководителем курсового проектирования в начале учебного семестра.

Задание на курсовой проект:

Выполнить проектирование микропроцессорной системы управления пуском электродвигателя по линейному закону.

Состав материалов и документов проекта: проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

В расчетно-пояснительной записке необходимо представить следующие разделы:

• задание на проектирование;

• введение;

• функциональная схема микропроцессорной системы для управления пуском двигателя по линейному закону и текущего измерения скорости двигателя;

• описание взаимодействия узлов системы;

• математическая модель функционирования микропроцессорной системы электропривода с приложением графического расчета напряжения управления силового преобразователя;

• детализированная структурная схема микропроцессорного устройства для управления пуском двигателя по линейному закону и текущего измерения скорости двигателя;

• расчет интервала дискретности реализуемой МПС;

• выбор и обоснование выбора элементов разрабатываемой микропроцессорной системы (МПС);

• структурная схема алгоритма управления пуском двигателя по линейному закону и измерения скорости двигателя;

• подробный комментарий и математическое обоснование к каждому блоку структурной схемы алгоритма;

• программу, реализующая управление пуском двигателя по линейному закону;

• текст программы с комментариями;

• схема подключения ПМК к источнику питания, тахогенератору и силовому преобразователю.

Методические рекомендации по выполнению курсового проекта

Сначала на основе задания к курсовой работе необходимо составить схему, представляющую совокупность функциональных блоков, каждый из которых выполняет определенные действия. Функциональная схема содержит модули ПМК, такие как аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), силовой преобразователь (СП), электрический двигатель (М), рабочую машину (РМ), датчик скорости (ДС) с соответствующим пределом измерения, нормирующий преобразователь (НП) для приведения выходного сигнала ДС к стандартным значениям (см. рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема микропроцессорного устройства для управления пуском двигателя по линейному закону

Цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП) служит в проектируемой системе в качестве устройства, согласующего (или связывающего) ПМК, работающего с цифровыми (дискретными) сигналами, и СП, являющегося аналоговым устройством, а следовательно «понимающим» только непрерывные (т.е. аналоговые) сигналы управления. ЦАП преобразует цифровой код, поступающий с вычислительного блока ПМК, в аналоговый сигнал, воздействующий на систему управления СП. Вычислительный блок ПМК – это центральный процессорный блок ПМК (CPU). В данном случае промышленный микропроцессорный контроллер состоит из CPU и модуля аналогового ввода-вывода, включающего цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Этот этап курсового проектирования считается выполненным, если определено назначение каждого элемента функциональной схемы микропроцессорной системы управления скоростью электропривода.

Н а втором этапе необходимо разработать цифровую (дискретную) модель, которая будет реализована в проектируемой микропроцессорной системе (МПС) для управления пуском двигателя по линейному закону программным способом. Задание предусматривает, что скорость электропривода (ЭП) изменяется по линейному закону при пуске ЭП (см. рис. 2).

Рис. 2. График изменения скорости электропривода при пуске

Для того, чтобы обеспечить изменение скорости ЭД постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ) по такому закону, напряжение на якоре двигателя должно изменяться по такому же закону во времени (см. рис. 3). Это следует из уравнения электромеханической характеристики ДПТ с НВ (см. рис. 3).

(1)

Так как ДПТ с НВ питается от силового преобразователя (тиристорного или широтно-импульсного преобразователя), то выходное напряжение преобразователя U_ВЫХ также должно изменяться по такому же закону во времени (см. рис. 3).

У читывая характеристику управления силового преобразователя (см. рис. 4), получим линейную зависимость напряжения управления силового преобразователя во времени U_ВХ=f(t), представленную на рис. 5.

Рис. 3. График изменения выходного напряжения силового преобразователя

Р ис. 4. Характеристика управления силового преобразователя

Г рафик изменения напряжения управления системой электропривода можно получить, используя графический метод построения.

Рис. 5. График изменения напряжения управления системой электропривода

Структурная схема алгоритма может быть построена как для варианта с аппаратным таймером, так и для варианта с программно реализуемым таймером. Блок-схема по второму варианту представлена на рис.6. Ее недостаток заключается в непроизводительной загрузке процессов, который не может решать другие задачи, когда производится отсчет времени, т.е. когда работает программа «Время». Трудно представить, как с использованием этого варианта алгоритма при управлении пуском можно было бы одновременно реализовать и измерение скорости двигателя с помощью импульсного датчика в процессе пуска и фиксации текущих значений скорости в озу микропроцессорной системы. структурные схемы алгоритмов с аппаратным таймером представлены на рис. 7.

При разработке структурной схемы алгоритма необходимо аппроксимировать линейную зависимость входного напряжения, подаваемого на вход СП ступенчатой функцией (ступенчатая линия 3 на рис. 5).

Уравнение прямой (1 участок) на рис. 5 имеет следующий вид.

,

где .

Это уравнение реализуется в дискретной форме в виде

. (2)

Дискретному уравнению 1 участка соответствует ступенчатая линия на рис. 5. Чтобы получить ступенчатый график через каждый интервал t к предыдущему значению входного напряжения добавляется приращение этого сигнала .

. (3)

Чем меньше значение t, тем точнее прямая аппроксимируется ступенчатой кривой.

Итак, . (4)

Такое состояние сохраняется до момента времени t₁, после чего выходное напряжение становится постоянным и равным U₀.

. (5)

У равнению (5) соответствует 2 участок графика изменения напряжения при управлении системой электропривода (см. рис. 5).

Рис. 6. Структурная схема алгоритма программы управления пуском ЭП по линейному закону

Алгоритм управления пуском ЭП по линейному закону разрабатывается на основе математической модели микропроцессорной системы управления. Так в алгоритме на рис. 6 блоки 6 и7 реализуют уравнения (2)-(5) математической модели. Условно алгоритмы управления пуском ЭП по линейному закону можно разделить на две части: основная и сервисная. Сервисная часть алгоритма готовит «почву» для выполнения основной части, включающей блоки вычисления по формулам математической модели. В сервисную часть алгоритма на рис. 6 входят блоки 2, 3, 4 и 9, в которых вводятся исходные данные и производится вывод управляющего напряжения.

Рис. 7. Алгоритм выдачи управляющего напряжения тиристорного преобразователя с аппаратным таймером

В алгоритме на рис. 7 блок 7 непосредственно реализует уравнение (4) математической модели. Блоки 2, 5, 6, 10 и 11 можно условно отнести к сервисной части.

Число ступенек при аппроксимации графика изменения напряжения управления системы электропривода выбирается, исходя из следующих соображений. Во -первых, в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона чем меньше Δt, тем точнее ступенчатый график аппроксимирует исходную прямую линию. Во- вторых, за время Δt необходимо выполнить несколько блоков алгоритма, в том числе блоков вычислений, которые занимают относительно большое время. Рекомендуется следующий порядок определения интервала дискретности.

В первом варианте находится Δt по формуле Δt= . Число ступенек n не должно быть меньше 100, чтобы ступенчатая линия наиболее точно характеризовала прямую линию на 1 участке.

По второму варианту Δt определяется по формуле Δt= . Минимальная постоянная времени находится путем выбора наименьшего значения из двух постоянных времени проектируемой системы электропривода Т_М и Т_Э=Т_Я.

Электромеханическую постоянную времени рассчитаем по формуле

,

где С= .

Электромагнитную постоянную времени найдем по формуле

,

где L_{Я РЕЗ} - результирующая индуктивность цепи якоря;

R_{Я РЕЗ} - результирующее сопротивление цепи якоря.

Выбирают наименьшую из двух постоянных времени и определяют Δt по второму варианту.

Сравнивают рассчитанные значения интервалов квантования Δt по обеим вариантам и выбирают наименьшее.

Составление программы управления осуществляют на основе разработанного алгоритма. Ее можно написать на одном из языков программирования, принятых для ПМК, например на языке лестничной логики или на языке структурированного текста. В качестве примера на рис. 8-10 на основе алгоритма с аппаратным таймером (см. рис. 7) приведена управляющая программа на языке лестничной логики (Ladder) для ПМК S7-200, выпускаемых фирмой Siemens.

По алгоритму, представленному на рис. 7, составлена программа на языке Ladder в пакете «Step7 Micro/Win32» V3.2.0.105.

Область памяти, начиная с VB200 до VB250, зарезервирована для исходных данных и результатов вычислений в программе, реализующей линейный запуск электропривода.

Ячейка памяти VD200 предназначена для хранения приращения ΔU _(К), ячейка памяти VD204 для максимального значения U₀, VD208 для начального значения управляющего сигнала U_У(k), равного нулю.

Аккумулятор АС1 служит для хранения текущего значения управляющего сигнала U_(yk). Формат U_(yk) принят как двойное целое, со знаком в диапазоне от 0 до32000₁₀.

Аккумулятор АС2 служит для хранения значения управляющего сигнала U_(yk) при выводе его на ЦАП. Формат U_(yk) принят как двойное целое, со знаком в диапазоне от 0 до32000₁₀.

Команды в схеме Network 1 (см. рис. 8) реализуют блоки 2 и 3 алгоритма на рис. 7. Первая команда FILL_N очищает ячейки памяти VD200-VD250. Вторая команда MOV_R загружает ΔU_K в ячейку памяти VD200. Третья команда MOV_R загружает U_О в ячейку памяти VD204. Четвертая команда MOV_R загружает U _УK =0 в ячейку памяти VD208. Разрешение для выполнения команд схемы Network 1 (см. рис. 8) получено от битовой команды «замыкающийся контакт» с адресом SM0.0, который в микроконтроллерах S7 включен всегда (то есть на выходе этой команды после запуска программы в любой момент сигнал равен логической 1). В схеме Network 2 имеется только одна команда LBL c номером 0. Эта команда указывает метку перехода с номером 0 при выполнении команды перехода JMP, у которой будет указан номер 0 метки.

Команды в схеме Network 3 (см. рис. 9) реализуют блоки 4-8 алгоритма на рис. 7. Первая команда TON запускает таймер Т32, на выходе которого появляется логическая 1 (срабатывает реле Т32) после временной задержки, равной в данном случае 10 мс (Δt, см. рис. рис. 5). Запуск таймера Т32 (блок 4 алгоритма на см. рис. 7) осуществляется по сигналу с дискретного входа I0.0 микроконтроллера. Этот сигнал фактически запускает электропривод.

Рис. 8 Программа реализации линейного запуска электропривода на языке LAD (лист 1)

Рис. 9 Программа реализации линейного запуска электропривода на языке LAD (лист 2)

Рис. 10 Программа реализации линейного запуска электропривода на языке LAD (лист3)

Команды TRUNC и команда MOV_W в Network 4 реализуют блок 5 алгоритма (см. рис. 7), позволяющий преобразовать сигнал управления из формата с плавающей запятой в сигнал управления в формате целого числа (16 двоичных разрядов). Команда TRUNC преобразует действительное число (ЯП VD208) в целое число двойной длины. Результат преобразования записывается в аккумулятор АС1. Следующая команда MOV_W Network 4 реализует блок 6 алгоритма (см. рис. 7) и передает выходной сигнал управления из ЯП VW230 в буфер выхода аналоговых величин (адрес ячейки памяти аналогового буфера AQW0). Последней командой в Network 4 является команда ADD_R, реализующая блок 7 алгоритма (см. рис. 7) и вычисляющая новое значение напряжения управления в соответствии с формулой (14) математической модели МПС. Network 5 управляющей программы содержит команды, по которым выполняется блок 8 алгоритма (см. рис. 7). В этой схеме имеются четыре команды. С помощью первой из них сравниваются выходной сигнал управления U _УK и максимальное значение U _О. Вторая команда в Network 5 – это битовая команда «замыкающийся контакт» с адресом Т32; контакт Т32 срабатывает и передает логическую 1 вправо, когда завершается время задержки, управляемое таймером Т32. Третья и четвертая команды – 2 «катушки реле». Одна из катушек управляет дискретны выходом Q0.0, а другая – реализует безусловный переход на метку 0 в рассматриваемой программе. Команды Network 6 реализуют блоки 9 -11 алгоритма (см. рис. 7). Первая команда в Network 6 передает напряжение U _О в ЯП VD208, где хранится выходной управляющий сигнал. Команды TRUNC и команда MOV_W в Network 6 реализуют блок 10 алгоритма (см. рис. 7), позволяющий преобразовать сигнал управления из формата с плавающей запятой в сигнал управления в формате целого числа (16 двоичных разрядов). Команда TRUNC преобразуют действительное число (ЯП VD208) в целое число двойной длины. Результат преобразования записывается в аккумулятор АС2. Следующая команда MOV_W Network 6 реализует блок 11 алгоритма (см. рис. 7) и передает выходной сигнал управления из ЯП VW230 в буфер выхода аналоговых величин (адрес ячейки памяти аналогового буфера AQW0).

Далее приводится текст управляющей программы на языке STL.

Network 1

LD SM0.0 //Если замыкается контакт SM0.0, то

FILL +0, VW200, 50 //производится очистка области

//памяти, начиная с ЯП VW200, и

MOVR 0.1, VD200 //приращение ΔU_K, равное 0.1,

//записывается в ЯП VD200 и

MOVR 10.0, VD204 //максимальное напряжение

//управления U _О, равное 10 В,

//записывается в ЯП VD204 и

MOVR 0.0, VD208 //начальный выходной сигнал

//управления U _УK =0 записывается

//в ЯП VD208

Network 2

LBL 0 //Определяется метка перехода

//с номером 0

Network 3

LD I0.0 //Если замыкается контакт I0.0, то

TON T32, +10 //запускается таймер Т32

//на время 10мс

Network 4

LD SM0.0 //Если замыкается контакт SM0.0, то

TRUNC VD208, AC1 //действительное число (U _УK в ЯП //VD208) преобразуется в целое

//число двойной длины и

//результат сохраняется в

//аккумуляторе АС1

MOVW AC1, VW230 //и содержимое аккумулятора АС1

//пересылается в ЯП VW230

MOVW VW230, AQW0 //и содержимое ЯП VW230

// пересылается в буфер выхода

//аналоговых величин AQW0

+R VD200, VD208 //и к выходному напряжению U _УK

//(ЯП VD208) прибавляется

// приращение ΔU_K (ЯП VD200) и

//результат сохраняется в (ЯП VD208)

Network 5

LDR<= VD208, VD204 //Производится сравнение U _УK,

//хранящемуся в ЯП VD208, и U _О,

// хранящемуся в ЯП VD204.

// Если U _УK< U _О и

A T32 //сработал таймер Т32, то

= Q0.0 //на дискретном выходе Q0.0

//появляется сигнал логической 1 и

JMP 0 //происходит переход на метку 0

Network 6

LD SM0.0 // Если замыкается контакт SM0.0, то

MOVR VD204, VD208 //Напряжение U _О=10 В из ЯП VD204

//передается (копируется) в

//ЯП VD208, где хранится выходной

//сигнал управления

TRUNC VD208, AC2 //действительное число (U _УK в ЯП //VD208) преобразуется в целое

//число двойной длины и

//результат сохраняется в

//аккумуляторе АС2

MOVW AC2, VW230 //и содержимое аккумулятора АС2

//пересылается в ЯП VW230

MOVW VW230, AQW0 //и содержимое ЯП VW230

// пересылается в буфер выхода

END //окончание управляющей программы

Оформление проекта должно соответствовать требованием стандарта СТП ИрГТУ 05-04.