Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники. Часть 2. Учебное пособие
.pdf
51
Гармонические сигналы традиционно реализуются с помощью сту-
ст
N
[ ] max
ст
ππ
sin (2 1)
3
m K A
N N K
N
йщ
= - +
ў
къ
лы
[ ] max
ст
ππ
sin (2 1)
3
m K B
N N K
N
йщ
= + +
ў
къ
лы
ст
0,( / 6 1).KN=-
j
S
[]m K A
N
ў
[]m K B
N
ў
[ ] [ ]m K A m K A
N MN=
ў
[ ] [ ]m K B m K B
N MN=
ў
[]m K A
N
[]m K A
N
пенчатой аппроксимации: задаем
, а две таблицы значений ступе-
нек, соответствующие двум модулирующим сигналам, рассчитываем
по формулам
где
;
,
,
таблица чередования векторов состояния (пять трехразрядных
значений для шести секторов, т.е. 30 значений). Однако лучше иметь
таблицу тридцати шестиразрядных значений – таблицу слов состояния
вентилей (ССВ);
два цифровых компаратора с возможностью прерывания по
сравнению (INT
СМР1
, INT
СМР2
);
порты вывода ССВ.
При этом алгоритм расчета, синхронизируемый сигналом INT1,
может быть следующим:
1) определяется текущее значение угла (это зависит от способа
формирования модулирующего сигнала во времени);
2) вычисляются сектор
3) из таблиц извлекаются
, угол ', номер ступеньки K;
,
, j-я последовательность
слов состояния вентилей (ССВ1 ССВ5);
4) вычисляются и сохраняются соответствующие коды модуляции:
,
.
Данные готовы к использованию. В подпрограммах по прерыванию
необходимо выполнить следующие задачи:
подпрограмма по INT1 в регистры сравнения компараторов за-
писываются коды
подпрограмма по INT
подпрограмма по INT
подпрограмма по INT
,
CMP1
CMP2
CMP2
, в порт записывается ССВ1;
в порт записывается ССВ2;
в порт записывается ССВ3;
в порт записывается ССВ4;
52
подпрограмма по INT
оп
Т
U
MA
0
U
MB
/3
2 / 3
в порт записывается ССВ5.
CMP1
В такой реализации векторной ШИМ имеется крупный недостаток – четыре дополнительных прерывания на интервале усреднения.
Кроме того, в микроконтроллере общего назначения не обеспечиваются ни формирование мертвого времени, ни его компенсация, ни средства защиты, т.е. функции, необходимые для управления АИН. Эти
недостатки устранены в микроконтроллерах со специализированными
модулями ШИМ, в частности в DSC TMS320F2812, в котором предусмотрен в том числе и режим реализации векторной ШИМ [36].
Таким образом, мы рассмотрели вопрос реализации векторной
ШИМ, представленной как во временной области (циклическая
ШИМ), так и на комплексной плоскости. Второй вариант не проще в
реализации. Модулирующих сигналов два, но существует усложнение
в определении ': сначала определяем угол, потом сектор, кроме того, необходима таблица последовательности векторов и т.д., т.е. добавляются свои, специфические действия. Это обусловлено тем, что полученные общие выражения для векторной ШИМ охватывают только
шестую часть, а не весь период модулирующего сигнала. Поэтому, выигрывая в одном, проигрываем в другом.
В то же время необходимо отметить, что для любого распределения векторов на
, т.е. для любого вида векторной ВШИМ, сущест-
вует аналоговый трехфазный эквивалент. Для рассмотренного выше
варианта векторной ШИМ аналоговый модулирующий сигнал изображен на рис. 1.21. Нетрудно увидеть сходство между этим модулирующим сигналом и аналогичным сигналом циклической ШИМ
(см. рис. 1.18).
Рис. 1.21
53
Очевидно, выбор того или иного вида представления способа
[]
[]
1/
K
K
S
MSM=
12
2 3 4
0,75 0,5 0,25 2 2 ,
0,45 0,25 0,125 0,0625 2 2 2 .
--
- - -
= + = +
@ + + = + +
управления (временного или векторного) при микропроцессорной реализации будет зависеть от способа регулирования всей энергетической
системы, в которой присутствует АИН. Главная же цель настоящего
раздела заключалась в том, чтобы показать реализацию в МПСУ способа векторной ШИМ, представленного и во временной области, и на
комплексной плоскости.
1.5.6. Умножение на десятичную дробь
Во всех формулах, которые мы выводили для определения ступенек модулирующего сигнала, есть операция умножения на глубину
модуляции. Причем М = 0…1, т.е. в общем случае – десятичная дробь.
Как это реализовать в микроконтроллере, где возможно только целочисленное беззнаковое умножение.
Рассмотрим несколько вариантов реализации такого умножения.
1. Замена умножения делением.
Операцию умножения на десятичную дробь можно представить
так:
где 1/М число больше единицы. Программист, зная требуемое значение М, вычисляет обратную величину, округляет ее до целого и вставляет в программе в операцию деления в качестве делителя.
2. Разложение десятичной дроби на степени числа 2 с отрица-
тельным показателем.
Здесь используется свойство двоичных кодов, заключающееся в
том, что сдвигу числа вправо на один разряд соответствует его деление
на два (с точностью до младшего разряда), или умножение на 0,5. Еще
один сдвиг – это уже деление на четыре, или умножение на 0,25 и т.д.
Ниже представлено разложение двух десятичных чисел:
,
54
Чтобы умножить некое число Q на 0,75, нужно его сдвинуть вправо
( )
12
0.75 0.5 0.25 .Q Q Q Q Q
®®
= + = +
м
N
м
QN
на один разряд, потом его же на два разряда и сложить полученные
два числа:
Другими словами, разложив десятичную дробь на степени числа
два с отрицательными показателями, мы получим алгоритм обработки
множимого: величина степеней говорит о том, сколько раз нужно
множимое сдвинуть вправо, а число степеней говорит о количестве
слагаемых. Естественно, что не все дроби будут разлагаться на указанные степени точно (см. разложение числа 0.45). Поэтому нужно задаться точностью разложения.
Два предыдущих способа умножения используются, когда дроби
известны и программист заранее может составить алгоритм их реализации.
3. Использование особенностей целочисленного умножения дво-
ичных чисел.
Рассмотрим данный способ на примере восьмиразрядной шины
данных микроконтроллера. Известно, что при перемножении байтов
произведение будет двухбайтным и сохраняется в двухбайтном регистре. Представим, что числа от 0 до 255 соответствуют десятичным
дробям от 0 до 1, т.е. 255 ($FF) ~ 1. Также известно:
если некоторое однобайтное число Q умножить на $FF, то в
старшем байте произведения получим (Q 1), т.е. с точностью до
младшего разряда получили умножение числа Q на 1;
если число Q умножить $7F, то в старшем байте будет (Q/2 1)
и т.д.
Отсюда станет понятна суть данного способа. Он заключается в
следующем: диапазон изменения глубины модуляции «привязывается»
к диапазону чисел 0 …255 (код глубины модуляции
умножение
, в качестве результата используется старший байт
), выполняется
произведения (с возможным инкрементом). То же самое можно использовать и при перемножении двубайтных чисел.
Данный способ более универсален. Единственным условием здесь
является «привязка» единицы глубины модуляции к максимальному
числу шины данных.
55
4. Универсальный вариант
м_1
N
м
N
м_1
N
_1
/
MM
QM QN N=
Если по каким-то причинам упомянутое выше условие не удается
выполнить, то можно сделать следующее. Задаем число (код), соответ-
ствующее единичной глубине модуляции (обозначим его
у нас текущее значение кода глубины модуляции
дуляции может быть больше величины
(оно при перемо-
). Тогда произведение
). Пусть
числа Q на глубину модуляции нужно реализовать следующим образом:
.
Таким образом, одно действие заменяется двумя: умножением и
делением. Причем нужно строго выполнять этот порядок операций,
иначе можно будет серьезно проиграть в точности. Этот способ еще
более универсален, но его реализация требует выполнения двух (причем самых времяемких) операций: умножения и деления.
1.5.7. Особенности микропроцессорной реализации
синусоидальной ШИМ
в трехуровневом инверторе напряжения
Рассмотрим коммутационную модель инвертора.
1. Коммутационная модель трехуровневого инвертора напря-
жения.
Модель одной фазы (фазы А) изображена на рис. 1.22. В плечо
трехуровнего АИН (3У–АИН) входят четыре последовательно
включенных ключа и два диода, соединенные общей точкой со
средней точкой источника питания. Остальные выводы диодов соединены с общей точкой пар ключей: а1 и а2, а3 и а4. К общей точке
ключей а2 и а3 подведена фаза нагрузки. Как известно, такая структура инвертора позволяет увеличить число уровней в выходном напряжении и, следовательно, улучшить качество выходного напряжения [26]. Регулирование выходного напряжения в этом случае
также осуществляется методами ШИМ.
Всего в схеме 3У–АИН двенадцать ключей, поэтому для их управления требуется двенадцать последовательностей модулированных по
длительности импульсов. Однако, как и для двухуровневого АИН,
56
E/2
E/2
y
a4
y
a1
y
a2
y
a3
Z
A
a1
a2
a3
a4
31
,
aa
yy=
42
.
aa
yy=
м
e
оп1
e
оп2
e
Рис. 1.22
чтобы выходное напряжение не зависело от параметров активноиндуктивной нагрузки, в процессе управления ключами АИН необходимо выполнять условия, которые для фазы А выглядят так:
В этом случае достаточно сформировать шесть последовательностей импульсов и дополнительно инвертировать их, т.е. для управления 3У–АИН требуется шесть комплементарных пар импульсов.
2. Форма модулирующих и опорных сигналов.
Рассмотрим сигналы, формирующие ШИМ в данном преобразователе (рис. 1.23). Необходимы один синусоидальный модулирующий
сигнал
и два синфазных треугольных опорных сигнала
и
смещенные относительно оси абсцисс: первый располагается в положительной области, а второй – в отрицательной. Соответственно этим
сигналам на рисунке приведены импульсы управления. Получается,
что ключи а1 и а3 работают на положительной полуволне модулирующего сигнала, а ключи а2 и а4 на отрицательной. Для реализации
данного способа управления необходимо иметь в системе управления
два компаратора на фазу.
Изменим и дополним эти сигналы так, чтобы данный способ можно
было проще реализовать в МПСУ. На рис. 1.24 приведен другой вариант реализации способа, также требующий двух компараторов. В нем
,
57
используются два противофазных треугольных опорных сигнала
(
оп1
e
)
оп2
e
(
м1
e
)
м2
e
(
м2
e
)
оп2
e
e
оп1
(t)
eм(t)
y
a1
= y
a3
e
оп2
(t)
y
a2
= y
a4
t
t
t
T/2
T
e
оп1
(t) eм1(t)
e
оп2
(t)
eм2(t)
t
t
y
a1
= y
a3
e
оп2
(t)
y
a4
= y
a2
t
t
T/2
T
и
щих сигнала
, расположенные в положительной области, и два модулирую-
и
, каждый из которых представляет собой мо-
дуль одной полуволны синуса. Также на рисунке приведены сформированные импульсы управления. В силу того что вторая пара сигналов
и
представляет собой модуль исходных сигналов отрица-
тельной области (см. рис. 1.23), вторая последовательность ШИМсигналов, представленная на рис. 1.24, инверсная. Таким образом, все
свелось к двум модулирующим однополярным сигналам и двум опорным однополярным сигналам.
Рис. 1. 23
Рис. 1.24
58
3. Необходимые аппаратные средства.
Как видно из описания предложенного варианта реализации синусоидальной ШИМ, в системе управления 3У–АИН также необходимы
шесть компараторов. В одной тройке компараторов сравниваются
положительные полуволны фазных модулирующих сигналов и положительный треугольный сигнал, а в другой тройке – модули отрицательных полуволн фазных модулирующих сигналов и положительный противофазный треугольный сигнал. В цифровом виде это требует наличия двух специализированных ШИМ-модулей, формирующих по три комплементарные пары модулированных по длительности прямоугольных импульсов. Два таких модуля, как правило,
имеются в современных контроллерах класса Motion Control, например DSP56F803, TMS320F2812 [21, 36, 37]. При использовании второго из упомянутых выше вариантов реализации способа управления
один ШИМ-модуль должен работать с положительными полуволнами, а второй – с модулями отрицательных полуволн модулирующих
сигналов. Первый ШИМ-модуль должен управлять первым и третьим
ключами фаз инвертора, а второй – соответственно четвертым и вторым ключами.
Так как для расчета кода модуляции при синусоидальной ШИМ
трехуровневым АИН материала, приведенного в предыдущих разделах, вполне достаточно, читателю предлагается самостоятельно составить необходимый набор формул для расчета таблиц и кода модуляции и выявить особенности их использования в разных ШИМмодулях.
Необходимо отметить, что в ШИМ-модулях опорные сигналы
должны быть между собой синхронизированы во времени и противофазны друг к другу.
Векторное управление, обеспечивающее расширение линейной зоны регулировочной характеристики на 15 %, для 3У–АИН становится
довольно громоздким и поэтому здесь не рассматривается. Но такой
же линейный диапазон обеспечивает синусоидальная ШИМ с добавлением третьей гармоники, которая также используется для управления
3У–АИН. Его ступенчатая аппроксимация описана в подразд. 1.5.4, а
для расчета таблиц и кода модуляции будут справедливы те же формулы, что и для синусоидальной ШИМ.
59
1.6. ФОРМИРОВАНИЕ МОДУЛИРУЮЩЕГО СИГНАЛА
ст
3N є
ст
2N є
ст
N
( )
ст
4N є
ст
N
ВО ВРЕМЕНИ
Как известно, гармонический сигнал имеет две координаты: фазу и амплитуду. Все, что было сказано в предыдущих разделах, касалось формирования модулирующего сигнала по амплитуде. Поскольку текущее значение модулирующего сигнала меняется при
изменении фазы, т.е. времени, то ранее это было отражено некоторым дискретным временем, которое выражалось как K – номер ступеньки. Но это время относительное, абстрактное, не связанное пока
ни с какими конкретными временными интервалами. В данном разделе рассмотрим вторую координату модулирующего сигнала –
время.
Формирование данного сигнала во времени одна из важнейших задач МПСУ АИН, особенно при регулировании частоты выходного напряжения. Ее решение зависит, прежде всего, от кратности, т.е. от соотношения частот модулирующего и опорного сигналов. Здесь возможны два основных случая: кратность целое число
и дробное число.
1.6.1. Кратность частот – целое число
Приведем исходные положения, частично справедливые и для
дробных кратностей (в последнем случае дробь, естественно, будет
неправильной).
1. Объект управления – трехфазный АИН, следовательно:
зами модулирующего сигнала, иначе во времени ступеньки разных фаз
не будут совпадать;
полуволнам.
Отсюда следует, что
Иногда с целью сокращения объема таблицы вводят условие
= 12, 24, 36…
, что необходимо для обеспечения симметрии между фа-
, что необходимо для обеспечения симметрии синуса по
= 6, 12, 18, 24…
для обеспечения симметрии по четверти периода. Тогда
60
2.
оп м
м оп
Kp
fT
fT
==
м
Т
оп
Т
ст
N
ст
τ
ст м
оп оп ст ст
τKрT
p
T T N N
= = =
оп
Т
– целое число, т.е. на периоде
укладывает-
ся целое число периодов опорного сигнала. Также для обеспечения
симметрии между фазами импульсов управления, а значит и выходного напряжения, Kp 3, так как опорный сигнал – один для всех
трех фаз модулирующего сигнала. Отсюда следует, что Kp = 3, 6, 9,
12, 15, 18…
3. В специализированном модуле ШИМ в течение периода опор-
ного сигнала код модуляции меняться не может, поскольку он переписывается (защелкивается) в рабочие регистры модуля только один
раз в начале
гда
> Kp. Ступеньки модулирующего сигнала, расположенные
[33, 36, 37]. Поэтому нет смысла в ситуации, ко-
внутри периода опорного сигнала, в формировании ШИМ участвовать уже не будут. Другими словами, на периоде опорного сигнала
модулирующий сигнал может не меняться, что упрощает его реализацию. Но противоположная ситуация возможна: на длительности
ступеньки
может располагаться целое число периодов опорного
сигнала.
Введем новую переменную, определяемую как
Эта переменная (р = 1,2,3…) показывает, сколько периодов опорного
сигнала располагается на длительности одной ступени модулирующего сигнала.
чале
перезагрузке, который требует от микропроцессора к следующему мо-
менту перезагрузки новых данных о коде модуляции. Обозначим этот
сигнал INT1. Таким образом, INT1 всегда совпадает с началом периода
опорного сигнала.
полняться оптимальным образом, т.е. по возможности без использования дополнительных аппаратных средств.
. (1.18)
4. В момент перезагрузки кода модулирующего сигнала, т.е. в на-
, модуль ШИМ может генерировать запрос на прерывание по
5. Формирование модулирующего сигнала во времени должно вы-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]