Kurs_Rab

Министерство образования Российской Федерации

Ульяновский государственный технический университет

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Методические указания и к курсовой работе

Ульяновск 2001

1

Министерство образования Российской Федерации

Ульяновский государственный технический университет

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Методические указания и к курсовой работе

Составитель В.М. Иванов

Ульяновск 2001

2

УДК 681.31 (076)

БПК 32.973.2.273 М59

Рецензент зам. Начальника отдела НИО-14 ОАО УКБП Жаров С.А. Ответственный за выпуск зав. кафедрой «Электропривод и АПУ» д – р техн. наук, профессор М. А. Боровиков.

Одобрено секцией методических пособий научно методического совета Ульяновского государственного технического университета

Микропроцессорные системы управления электроприводом:

М59 Методические указания и задания к курсовой работе /Сост. В.М. Иванов. – Ульяновск: УлГТУ, 2001. – 36 с.

Методические указания составлены в соответствии с учебной программой курса “ Микропроцессорное управление электроприводами” и охватывают вопросы схемотехнического, алгоритмического и программного обеспечения микропроцессорных систем управления. Целью курсовой работы является получение навыков проектирования цифровых систем управления электроприводом, периферийных устройств сопряжения с объектом управления. Основная часть работы базируется на предшествующей дисциплине «Электронные, микропроцессорные и преобразовательные устройства».

Работа подготовлена на кафедре ЭП и АПУ.

УДК 681.31(076) БПК 32.973.2.я73

Учебное издание

Микропроцессорные системы управления электроприводом

Методические указания и задания к курсовой работе Составитель ИВАНОВ Владимир Михайлович Корректор Леонова М.В.

Подписано в печать 09.10.2001. Формат 60384 16. Бумага писчая. Усл.печ. л. 2,10. Уч.- изд. л. 1,50. Тираж 100 экз. Заказ

Ульяновский государственный технический университет, 432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32

Ульяновский государственный технический университет, 2001

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.Общие указания по выполнению курсовой работы……………………… 4

2.Задание на курсовую работу………………………………………………. 5

3.Методические указания……………………………………………………. 7

3.1. Принципы построения микропроцессорных систем управления электро-

приводом……………………………………………………………………… 11

3.2.Интерфейс внешних устройств…………………………………………. 12

3.3.Аналого-цифровые преобразователи…………………………………… 15

3.4Преобразователи перемещения …………………………………………. 20

3.4.1.Фотоэлектрические датчики ………………………………………….. 20

3.4.2.Основные режимы работы датчиков положения типа СКВТ……….. 21

3.5.Цифровые регуляторы…………………………………………………… 23

3.5.1.Алгоритмы реализации следящего электропривода…………………. 24

3.5.2.Алгоритм регулятора положения …………………………………….. 25

3.5.3.Переход к дискретному регулятору по непрерывному прототипу…. 26

3.5.4.Алгоритм регулятора скорости………………………………………... 27

3.6.Тиристорные преобразователи ………………………………………….. 30

3.6.1.Принципы управление управляемыми выпрямителями …………….. 30

3.6.2.Цифровые СИФУ……………………………………………………….. 32 4. Требования к пояснительной записке…………………………………….. 35

Список литературы…………………………………………………………… 35

4

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Сроки выполнения курсовой работы рассчитаны на один семестр, в течение которого студент должен, используя предшествующие знания в предметной области и осваивая специфические особенности курса «” Электроприводы с системами ЧПУ в станкостроении», осуществить системы управления электроприводом на базе микроконтроллера (МК). Учитывая многообразие задач, возникающих при разработке микропроцессорных систем, рекомендуется соблюдать следующую последовательность разработки:

1)освоить идеологию и архитектурные особенности МК систем управления;

2)связать вопросы структурного построения системы регулирования с особенностями обработки информации в МП системах;

3)распределить решение задачи на аппаратную и программную части;

4)выбрать МК и подробно ознакомиться с его интерфейсными устройствами и при необходимости дополнить его внешним интерфейсом;

5)выбрать драйверы для формирования импульсов управления силовыми ключами и формирования обратных связей.

При разработке устройства сопряжения ЭП с центральным процессором системы числового программного управления (ЧПУ) в свою очередь целесообразно:

1)внимательно ознакомиться с заданием и при необходимости произвести доработку и уточнение функциональной схемы станочного интерфейса и разрабатываемого блока управления электроприводом;

2)выделить функциональные элементы и ознакомится с особенностями их схемотехники по справочной и учебной литературе;

3)скомпоновать схему в целом, обратив особое внимание на синхронизацию работы взаимосвязанных элементов и уровни согласования выходных и входных сигналов микросхем разных серий.

Разработка системы в целом требует детальной проработки всех вопросов: схемотехнических, алгоритмических, программного обеспечения. В курсовой работе подобная задача не ставится, однако, отдельные элементы программного обеспечения в части цифровых регуляторов и инициализации интерфейса МК должны быть проработаны полностью.

Сроки выполнения работы и ее успешная защита могут быть обеспечены лишь благодаря самостоятельной систематической работе студента. Контроль над выполнением работы возложен на преподавателя. Поэтому каждый студент не реже одного раза в неделю должен обращаться к преподавателю для консультации по конкретным вопросам и проверки законченных этапов работы. После защиты осуществляется дифференцированная оценка работы, которая кроме качества работы и знаний студента учитывает своевременность выполнения установленных сроков проектирования.

5

2.ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Разработайте функциональную схему МП системы регулирования ЭП. Вариант системы регулирования задается преподавателем в соответствии с уточняющими пунктами. При этом детализация разработки осуществляется с учетом выбранного микропроцессора (микроконтроллера) и интерфейсных БИС.

2.1 Вариант 1

Преобразователи частота-код:

ПЧК 1 – с непосредственным отсчетом частоты; ПЧК 2 – с измерением периода собственной частоты; ПЧК 3 – итерационного типа.

Преобразователи напряжения-код:

ПНК 1 – последовательного счета; ПНК 2 – следящего типа; ПНК 3 – поразрядного уравновешивания; ПНК4 – с преобразованием напряжения в частоту; ПНК5 – двухступенчатый следящий; ПНК6 – с двойным интегрированием.

Цифровой преобразователь угла и скорости (ЦПУС) на основе СКВТ.

6

2.1.1.Разработайте функциональную и принципиальную схемы устройства сопряжения с датчиком скорости. Разработка схем осуществляется совместно с выбранным интерфейсом.

2.1.2.Осуществите переход от первичных регуляторов к их дискретным аналогам, найдите рекуррентные выражения, характеризующие работу регуляторов.

2.1.3.Разработайте алгоритмы работы регуляторов. При разработке алгоритмов учтите насыщение регуляторов. Представьте структуру непосредственного программирования корректирующих звеньев.

2.2Вариант 2

Тип тиристорного преобразователя:

1 – полууправляемый однофазный мост; 2 – полностью управляемый однофазный мост; 3 – нереверсивный однофазный мостовой с контактным реверсом главной цепи; 4 – нереверсивный трехфазный мостовой с контактным реверсом главной цепи; 5 – трехфазный встречно-параллельный с двухкомплектной нулевой схемой; 6 – однофазный реверсивный с встречнопараллельной мостовой схемой; 7 ɡ трехфазный реверсивный с встречнопараллельной мостовой схемой; 8 ɡ широтно-импульсный нереверсивный преобразователь с обратным диодом в главной цепи; 9 ɡ широтноимпульсный реверсивный мостовой преобразователь

2.2.1.Разработайте функциональную и принципиальную схемы цифро-

вой СИФУ.

2.2.2.Обоснуйте выбор регулятора тока и осуществите переход к его дискретному аналогу. Разработайте алгоритм работы регулятора и согласуйте логику его работы с СИФУ.

2.2.3.Представьте диаграммы работы СИФУ и напряжений вентильного преобразователя при работе в выпрямительном и инверторном режимах.

7

Примечание. При разработке системы на основе специализированных МК необходимо представить подробное описание используемых интерфейсных блоков и обоснование алгоритмов работы .

2.3. Вариант 3

2.3.1.Разработайте функциональную и принципиальную схемы преобразователя перемещения с учетом интерфейса.

2.3.2.В соответствии с принципом построения преобразователя обоснуйте выбор регуляторов и структурную схему следящей системы. Разработайте алгоритмы работы следящего привода с учетом периодичности сигналов задания и обратной связи.

2.3.3.Представьте диаграммы работы преобразователя перемещения.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Продолжающийся в развитых странах научно-технический прогресс в области электронных и информационных технологий существенным образом изменяет как подходы к проектированию систем управления, так и их элементную базу. Электропривод как компонент является одним из основных узлов машин и механизмов. В свою очередь, основу любого электропривода составляют силовой преобразователь и электрическая машина. Появление мощных полностью управляемых полевых транзисторов, обозначаемых в за-

рубежной литературе MOSFET (Metal - Oxide - Semiconductor Field Effect Transistor), и биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) привело к бурному развитию преобразовательной техники и постоянному расширению сферы применения асинхронных электроприводов с преобразователями частоты. Другим фактором, обусловившим совершенствование регулируемого электропривода и расширение сфер его применения, было создание микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров достаточной вычислительной мощности

Многообразие объектов и требований, предъявляемых к электроприводу в каждом конкретном применении, приводит к множеству структурных, конструктивных, схемотехнических решений. Необходимые потребительские качества МП систем управления зависят не только от совершенства компо-

8

нентов, но и уровня математического обеспечения. Учитывая, что основную стоимость конечного продукта составляют затраты на математическое обеспечение МП систем, в ряде случаев, оказываются эффективными разработки

сиспользованием собственных решений, особенно в области алгоритмического и программного обеспечения. Эффективность решения поставленной задачи во многом определяется уровнем математического описания объекта управления и оптимизацией законов его управления. По сути здесь решается основная задача «чем управлять» и «как управлять». С этой точки зрения учебный процесс преследует несколько разработку на современной элементной базе, а понимание и осознание сущности разработки. Симбиоз предметных специализированных знаний и ориентация в микропроцессорной технике позволяет генерировать новые решения. Необходимо помнить при этом, что новые решения в МП технике, в том числе в архитектуре МК, исходят из обобщения аппаратных принципов систем управления. Микропроцессорные системы, построенные на основе МП наборов, в зависимости от параметров используемых БИС, объема основной памяти и состава внешних устройств, охватывают широкий класс средств обработки данных от простейших микроконтроллеров до сложных программируемых управляющих комплексов.

Внастоящее время существует широкая номенклатура МК для разнообразных сфер применения, удовлетворяющая самые разнообразные требованиям к параметрам локальных цифровых регуляторов. Усилия разработчиков в области электропривода и электронных компонентов привели к созданию интегрированных модулей, включающих в своем составе силовой преобразователь, вычислительное ядро, преобразователи информации и датчики физических параметров. Микроконтроллеры являются специализированным прибором, им присущи незначительный объем памяти, физическое и логическое распределение памяти программ (ПЗУ) и памяти данных (ОЗУ), упрощенная и ориентированная на задачи система команд, а также специфическая организация ввода/вывода информации и ее обработка.

Новые поколения однокристальных микроЭВМ и микроконтроллеров по своей сущности мало отличаются от своих предшественников. Более того их архитектура во многом подобна большим вычислительным машинам прошлого века. В любом микроконтроллере с точки зрения пользователя можно выделить центральное вычислительное ядро, память и магистраль передачи данных, через которую производится обмен данными между процессором и внешними устройствами. Магистраль в свою очередь или прямо, или

сразделением по времени включает в себя шины адреса, данных и управления.

К числу предшественников современных микропроцессоров можно отнести: отечественные однокристальные 8-разрядные микропроцессоры КР580ИК80, являющиеся аналогом Intel 8080, и 16-разрядные КР1810ВМ1, К1801ВМ2, совместимые по системе команд с процессорами фирмы DEC. Основы проектирования микропроцессорных устройств на основе БИС К580, К1810, К1801 подробно изложены в [3]. Применение однокристальных циф-

9

ровых МК типа К1816ВЕ51 (аналог MCS-51) и цифро-аналоговых МК типа К1813ВЕ13 (предшественников сигнальных процессоров) в системах управления рассмотрены в [4].

Ведущие производители микропроцессорной техники для встроенных применений: Intel, Motorola, Siemens, Texas Instruments, Analog Devices.

Область МП средств, предназначенная для управления двигателями, получила специальное название (Motor Control). К числу МК, специально разработанных для использования в системах управления электроприводов,

относятся: MC68HC705M4, MC68HC708MP16 (Motorola), 8XC8196MC,

8XC8196MD, 8XC8196MH (Intel).

Во многих семействах микроконтроллеров осуществлена поддержка операций цифровой обработки сигналов (ЦОС). Такая поддержка реализуется двумя способами:

1)в структуру микроконтроллеров вводится блок МАС, реализующий базовую операцию «умножение и накапливающее суммирование»;

2)в структуру микроконтроллера вводится непосредственно ядро цифровой обработки сигналов или, иначе, сигнального процессора (DSP).

По первому способу созданы следующие семейства МК : *16-разрядное семейство М68НС16, совместимое с семейством

М68НС11; *32-разрядное семейство МРС800 (коммутационная группа контролле-

ров, основанная на процессорном ядре PowerPC.

По второму способу создан коммутационный контроллер М68356, входящий в семейство интегрированных процессоров М68300.

Традиционно сложившееся направление в области средств числового программного управления связано с использованием микроЭВМ типа «Электроника 60» и дальнейших ее модификаций на основе микропроцессорных БИС серии К1801 [5]. Благодаря эффективной системе команд, отработанности технологии, ее совместимости с сериями К588, К589, К580 данная серия до сих пор конкурентоспособна для многих применений. Использование современной памяти и других интерфейсных БИС позволяет существенно расширить возможности модернизируемых изделий в условиях практического отсутствия новых отечественных МК и МП.

При решении задачи прямого цифрового управления электроприводом основное требование к МП – обеспечение необходимого быстродействия, определяемого периодом выполнения программы по заданному алгоритму или периодом квантования информации по времени. Данное требование особенно ощутимо при переходе на более низкий уровень управления, т.е. при попытке реализовать с помощью МП обработку входных сигналов или формирование выходных, например, в соответствии с функциями СИФУ. При этом, особое значение при разработке МП систем имеют периферийные устройства, на которые перекладывается часть функций управления. Другим не менее важным требованием является обеспечение заданной точности, что определяется шагом квантования информации по уровню. Обработку информации при использовании 8-разрядного МП в большинстве случаев необхо-