3.Микропроцессорная система регулирования электродвигателя
3.1.Схема электрическая функциональная
Вариант схемы, показанный на рис.3.1.1, включает следующие блоки:
1. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения, сочлененный с рабочим органом, обозначенным на схеме как "Нагрузка".
2. Реверсивный усилитель мощности, предназначенный для усиления по мощности сигналов управления, поступающих с логических элементов D1, D2.
3. Микроконтроллер, предназначенный для реализации алгоритма управления рабочим органом и контроля выходных и задающих параметров системы. Микроконтроллер имеет в своем составе следующие узлы:
3.1 Три порта ввода (B1, B2, C);
3.2 Три порта вывода (A1, A2, C);
3.3 Контроллер прерываний с восемью входами (IR0...IR7);
3.4 Шесть программируемых таймеров (1PT0...1PT2; 2PT0...2PT2);
3.5 Монитор, предназначенный для загрузки и отладки управляющих программ, тестирования микроконтроллера, а также пуска и останова программы. Информация на монитора представляется в шестнадцатеричном коде.
4. Терминал, предназначенный для коррекции и контроля параметров регулирования непосредственно в работе системы. ТЕРМИНАЛ - это пульт управления с цифровыми задатчиками и индикаторами. Информация на терминале представляется в удобном для оператора десятичном коде.
5. Аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования сигналов с датчиков в цифровой эквивалент.
6. Аналоговый коммутатор, предназначенный для программного подключения сигналов с датчика к микроконтроллеру.
7. Усилители постоянного тока, предназначенные для масштабирования аналоговых сигналов с датчиков, контролирующие рабочие параметры электродвигателя и нагрузочного устройства. Верхний и нижний пределы выходных сигналов с датчиков устанавливаются с помощью усилителей в рабочем диапазоне входных сигналов АЦП, применяемого в системе.
8. Датчики рабочих параметров двигателя и нагрузочного устройства, предназначенные для контроля действительных параметров исполнительного устройства системы и рабочих органов. Например, в данной системе контролируется частота вращения электродвигателя, его температура, а также крутящий момент, развиваемый в нагрузочном устройстве и величина перемещения рабочего органа.
9. Триггер (D3), предназначенный для организации двухтактного режима работы измерителя периода вращения, с целью уменьшения погрешности.
10. Делитель частоты, предназначенный для организации сетки частот, сфазированных с кварцевым генератором контроллера. Эти частоты используются для удобства организации работы измерителя периода вращения, широтно-импульсного модулятора и других узлов системы.
Принцип работы системы следующий.
После подачи питания в систему управления производится сброс монитора и набор начального адреса программы. Запуск программы производится клавишей "ПУСК" (CR). При этом в ячейки ОЗУ контроллера, которые предназначены для хранения кода заданного периода вращения заносится число, соответствующее нулевой частоте вращения. Якорь двигателя остается неподвижным, а микроконтроллер после инициализации портов ввода/вывода и контроллера прерываний переходит в режим ожидания.
Заданная частота и направление вращения двигателя набирается на терминале. С нажатием кнопки "ЗАПИСЬ" на входе IR6 микроконтроллера появляется сигнал запроса на прерывание, по которому микро процессор начинает выполнять программу обработки информации, набранной оператором на терминале. В процессе этой обработки информация с терминала преобразуется в двоичный эквивалент и записывается в пару ячеек по адресу, который также установлен оператором.
Занесение информации о направлении вращения приводит к появлению логической единицы в одном из двух разрядов порта С, связанных со входом логических элементов D1 и D2. При этом на один из входов РУМ начинают поступать положительные импульсы с выхода ШИМ (выход PT1). Частота следования этих импульсов постоянна и определяется тактирующей частотой, поступающей с делителя частоты на вход CLK таймера (например 5 кГц). Коэффициент заполнения импульсной последовательности (Кз) рассчитывается микропроцессорным регулятором частоты вращения и в момент трогания якоря двигателя близок к единице. Поэтому разгон двигателя происходит интенсивно при токе якоря, близком к максимально допустимому схемой РУМ.
При вращении двигателя появляются сигналы с датчика частоты вращения. Число импульсов (отметок) датчика на один оборот якоря двигателя выбирается в зависимости от максимальной частоты вращения, допустимой статической ошибки регулирования и величины тактирующей частоты измерителя периода вращения. Каждый сигнал с усилителя этого датчика (СЧВ) поступает на вход IR2 контроллера прерываний и параллельно на счетный вход триггера измерителя периода (D3). Этот триггер подает сигналы на управляющие входы С0 таймеров РТ0 и РТ2 измерителя периода вращения. Заметим, что на тактирующие входы CLK 0, CLK 1 этих таймеров подаются импульсы с выбранной частотой (например 100 кГц). Рассмотрим работу измерителя периода.
Допустим, что в предыдущем такте i-1 на прямом выходе Q триггера D3 был логический ноль, а на инверсивном - логическая единица. Тогда таймер РТ0 программно подготовлен к режиму терминального счета: информация с этого таймера уже считана и он загружен начальным числом, например, 7FFF. Тем временем таймер РТ2 продолжает аппаратно декрементировать загруженное еще ранее
(на такте i-2) такое же число. С приходом очередного импульса СЧВ триггер D3 опрокидывается, и на i-том такте таймер РТ2 приостанавливает вычитание, а таймер РТ0 его начинает.
Таким образом, независимо от количества отметок датчика процесс измерения в двухтактной схеме происходит в течение всего периода вращения, практически без потери информации.
Рассмотрим программную часть работы системы при измерении регулированию частоты вращения, т.е. работу микроконтроллера.
С приходом очередного импульса СЧВ на вход IR2 прерывается выполнение программ с более низкими приоритетами (IR3-IR7) и начинается выполнение подпрограмм измерения и регулирования частоты (периода) вращения. Эта подпрограмма выполняется в такой последовательности:
считывается информация с порта С, младший разряд которого соединен с выходом Q триггера D3;
в зависимости от состояния триггера D3 считывается и обрабатывается информация о периоде вращения с таймера, на управляющий вход которого подан логический ноль;
таймер загружается начальным числом, например 7FFF;
информация о текущем периоде вращения сравнивается с кодом заданного периода, поступившем в ОЗУ с терминала;
разность действительного и заданного периода умножается на коэффициент усиления регулятора, значение которого также задается оператором с терминала;
вычисляется относительное отклонение действительного и заданного периодов вращения. Если отклонение не превышает заданного оператором (например 10 %), то вводится интегральная составляющая регулирования: код произведения разности действительного и заданного периодов вращения на коэффициент усиления пропорциональной составляющей декрементируется или инкрементируется в зависимости от знака отклонения;
код, полученный в результате выполнения вычислений по пп.5,6 загружается в счетчик программируемого таймера РТ1, на выходе которого формируется импульсная последовательность с коэффициентом заполнения, прямо пропорциональным весу загружаемого кода. Таким способом осуществляется импульсное моделирование сигналов управления двигателем;
РУМ усиливает по мощности импульсы, поступающие в зависимости от заданного направления вращения или с выхода D1, или с D2 и подает их в якорную цепь двигателя. Двигатель отрабатывает это управляющее воздействие до тех пор, пока направление и период вращения якоря не станет равным заданным. При этом абсолютная статическая ошибка интегрального регулятора не должна превышать +/-1 единицы МЗР кода периода вращения.
Таким образом, программная часть работы регулятора завершается с момента окончания загрузки счетчика таймера ШИМ. После выполнения определенных команд, связанных с выходом контроллера из режима прерываний по входу IR2 он возвращается либо к выполнению подпрограмм прерываний с более низкими приоритетами, либо к выполнению основной программы. При выполнении основной программы микроконтроллер последовательно опрашивает и анализирует информацию с других датчиков системы. Так, например, при не допустимом превышении температуры двигателя на одном из портов контроллера формируется сигнал аварии; при увеличении крутящего момента выше уровня предельно-допустимого вводится ограничение по току якоря; при отработке заданного перемещения рабочего органа возможна коррекция скорости и т.п.