2.3.3. Классификация микропроцессорных фазосдвигающих устройств

К настоящему времени накоплен богатый опыт разработки МПСУ УВ, который соответствующим образом был обобщен [1–8, 10–13]. В контексте реализации программных систем управления была произведена классификация МПСУ УВ по методам реализации микропроцессорных фазосдвигающих устройств [3]. Укажем классификационные признаки и деление по ним таких устройств.

I – по способу организации момента отсчета временного интервала: синхронные и асинхронные.

II – по числу каналов в МП ФСУ: одноканальные и многоканальные.

III – по способу распределения импульсов управления: с подпрограммой прерывания от таймера и без подпрограммы прерывания от таймера.

IV – по способу формирования временного интервала – фазового сдвига: с программным и аппаратным формированием угла управления.

Рассмотрим суть данных признаков и соответствующие виды микропроцессорных фазосдвигающих устройств.

2.3.4. Способы формирования фазового сдвига

В данном разделе пойдет речь о методах реализации функции модулятора, формирующего временной интервал t_, пропорциональный углу .

Известны два способа формирования t_: программный и аппаратный.

Программный способ основан на том факте, что любая команда микропроцессора выполняется за определенное число периодов (тактов) частоты синхронизации микропроцессора. Требуемую временную длительность можно выразить через число тактов или, соответственно, через определенное число команд, которые должен выполнить микропроцессор для формирования требуемой временной задержки. Процедура формирования временного интервала обычно заключается в подпрограмму и реализуется в виде программного цикла по известной структуре: счетчик циклов, тело цикла, модификация счетчика циклов, опрос условия выхода из программного цикла [32, 33].

Данную процедуру можно представить как формирование временного интервала с помощью «программного счетчика». Аналогом периода тактирующих сигналов, или дискретности формирования временного интервала, служит время одного прохода тела цикла (Т_ц). Формируемый интервал будет пропорционален Т_ци числу, записанному в счетчик циклов.

Важным достоинством программного способа формирования временных интервалов является простота аппаратной реализации: необходим только микропроцессор (!) и ничего больше. Однако в данном способе много недостатков:

неэффективное использование микропроцессора: выполняет элементарные, однотипные операции, его интеллектуальные возможности не используются;
возможен только одноканальный вариант ФСУ (см. п. 2.3.5);
сокращение функций, реализуемых МПСУ;
ограниченный диапазон угла регулирования (< 60 эл. град.).

Поясним два последних недостатка. Обозначим время, необходимое для формирования максимального угла управления, как t__max, а время, необходимоедлявыполнения остальных функций, в том числе подпрограммы обслуживания прерывания по сигналу INT1, как t_р. Как было сказано выше, весь алгоритм расчета должен быть выполнен за интервал повторения. Таким образом, для выполнения всех функций должно выполняться неравенство

Т_ип  t__max + t_р. (2.1)

Графически эта ситуация изображена на рис. 2.5.

Рис. 2.5

Нетрудно видеть, что чем больше максимальный угол управления (интервал t__max), тем меньше времени остается на выполнение остальных функций. Очевидно, что при таком способе реализации функции модулятора максимальный угол регулирования равен 60 эл. град. (во временной области – Т_ип). Но в этом случае другие функции уже реализовать невозможно, за исключением, может быть, функции алгоритмического распределения, которая на фоне интервала Т_ип выполняется практически мгновенно.

Стратегическая функция регулятора требует, как правило, много времени на реализацию, что автоматически снижает возможный угол  (t__max) и, соответственно, диапазон регулирования выходного напряжения.

В процессе разработки МПСУ возможны два пути решения неравенства (2.1). Причем, как правило, Т_ип и тип регулятора заданы и вариации не подлежат. Тогда, если задано t__max(меньше Т_ип), то можно определить время расчета регулятора, а значит, быстродействие и тип микропроцессора. Если же задан микропроцессор, т. е. известно t_р, то определяется максимально возможный угол регулирования, который обеспечивается выбранной микропроцессорной элементной базой.

Аппаратный способ формирования временных интервалов требует использования дополнительных периферийных устройств – преобразователей «код – временной интервал», функции которых выполняют программируемые таймеры. Микропроцессор в этом случае освобождается для выполнения интеллектуальных задач.

Основу программируемых таймеров составляют двоичные (суммирующие) счетчики. Аппаратная процедура формирования временных интервалов определяется прежде всего возможностями программируемого таймера: наличием режима выходного сравнения, возможностью прерывания по переполнению счетчика, организацией счета от нуля или предварительно записанного числа, возможностью останова и сброса счетчика и т.д. [34].

Достоинства и недостатки аппаратного способа формирования угла управления противоположны достоинствам и недостаткам программного способа. Достоинство – более эффективное использование микропроцессора: исчезает рутинная задача реализации функции модулятора, освобождается время для выполнения интеллектуальных задач (функции регулятора, функции алгоритмического распределения, диагностики и т.д.). Недостатки – расширение аппаратных средств, а следовательно, увеличение массы, габаритов и стоимости МПСУ.

Выбор способа формирования t_ зависит от задач, возложенных на МПСУ УВ. Если система разомкнута и требуются небольшие углы управления, то вполне допустимо использовать программный способ.

Замечание. В данном разделе затронута важная проблема – распределение функций между аппаратурой и программными средствами. Ее решение – одна из важнейших задач в процессе оптимизации разрабатываемой МПСУ. Решается она в каждом конкретном случае по-своему. В этой связи можно отметить лишь два момента. Во-первых, реализация задач аппаратными средствами упрощает программное обеспечение (разгружает микропроцессор), и наоборот. Во-вторых, аппаратные средства МПСУ должны быть обязательно использованы. Так, если в МПСУ УВ имеется не задействованный программируемый таймер, то, очевидно, нужно выбрать именно аппаратный способ формирования угла управления. Реализованная с учетом такого подхода МПСУ в большей степени соответствует понятию «оптимальная система».

Так как в настоящее время наибольшее распространение получил аппаратный способ формирования угла управления, в дальнейшем (кроме оговоренных случаев) мы будем подразумевать именно его.

Рассмотрим количественную сторону формирования угла управления, а именно, как производится расчет параметров счетчика, причем не важно какого: программного или аппаратного. Расчет в общем случае один и тот же. Исходными данными, как правило, являются период (частота) сети Т_с, максимальный угол управления _max (например, в радианах) и относительная погрешность угла управления, исчисляемая относительно его максимального значения .

Требуется определить разрядность счетчика n, максимальное число N__max, соответствующее _max, и период (частоту) тактирующих импульсов Т_т (для программного счетчика он соответствует времени одного прохода цикла Т_ц).

Расчет указанных параметров чаще всего представляет собой итерационный процесс. Будем со штрихом обозначать рассчитанные параметры первой итерации. Также предположим, что формируемое время равно , гдеN_ – число, заносимое в программируемый таймер (или в счетчик программных циклов). Учтем, что в программируемых таймерах, как правило, для тактирования используются синхронизирующие сигналы внутренней шины с частотой _BUS, которая постоянна, но может быть предварительно уменьшена с помощью входного делителя частоты. Порядок расчета следующий.