Kurs_Rab

10

димо осуществлять с двойной точностью, что существенно снижает быстродействие.

В развитых системах автоматизации технологических процессов различают несколько уровней управления. В зависимости от распределения задач управление электроприводами может осуществляться с помощью одной микроЭВМ (рис.1,а.) через устройства сопряжения (УС). Типичным примером является УЧПУ, в которых контурная обработка осуществляется с помощью двух или трех следящих приводов.

ЭВМ верхнего уровня

Рис.1. Варианты структур систем автоматизации технологических процессов

Решение более сложных задач в реальном масштабе времени достигается за счет распараллеливания вычислительного процесса. При иерархическом принципе управления задачи нижнего уровня (управления электроприводами) решаются с использованием микроконтроллеров МК (рис.1,б,в). В случае удаленных приводов связь микроЭВМ с МК целесообразно осуществлять через последовательный радиальный интерфейс (рис.1,в).

11

Современные микроконтроллеры могут быть объединены в мультипроцессорную систему с помощью последовательного синхронного интерфейса (SCI) или 8-битного полнодуплексного host-интерфейса.

Для разработки программ реализации алгоритмов используются, как правило, кросс-средства. Отсутствие средств отладки приводит к повышенным требованиям к квалификации разработчика. Один из используемых выходов из этой ситуации основан на разработке эмуляторов и симуляторов, т.е. разработке программного обеспечения, позволяющего производить отладку программ, включая обращения к внутреннему и внешнему пространству памяти МК на персональном компьютере. Более мощные средства отладки содержат отладочные модули, содержащие МК или совместимый по системе команд процессор, память и каналы связи с компьютером. Программное обеспечение в этом случае содержит дополнительные средства: загрузчик и отладчик.

3.1.Принципы построения микропроцессорных систем управления электроприводом. Любые специализированные микропроцессорные системы, предназначенные для локального управления, называют микроконтроллерами (МК). На начальном этапе разработки целесообразно определить основную архитектуру и распределить задачи управления между программными и аппаратными средствами МК. Особенностью цифровых систем управления является обработка и преобразование информации в реальном времени, поэтому особое значение приобретают вопросы разработки развитого интерфейса, связывающего объект управления с вычислительным ядром МК.

На рис.2 показан один из возможных вариантов структуры микроконтроллера для регулирования скорости двигателя постоянного тока. В МК, как и в любой микропроцессорной системе, можно выделить две части.

Первая часть представляет собой общесистемные блоки: центральный процессор (ЦП), постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), системный таймер, пульт оператора, последовательный интерфейс.

Во вторую часть входят специализированные интерфейсные модули, с помощью которых осуществляется сопряжение контроллера с объектом управления. Система управления электроприводом двухконтурная с датчиком тока (ДТ) и импульсным датчиком скорости (ИД). Формирование обратных связей осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП и преобразователя частота-код ПЧК. Управление тиристорным преобразователем (ТП) осуществляется с помощью цифровой или аналоговой системы импульсно-фазного управления (СИФУ). Для решения задач электроавтоматики используется блок ввода-вывода дискретных сигналов (БВВДИ). Пульт управления (ПУ) в МК представляет собой простейшую клавиатуру и алфавитно-цифровой индикатор, с помощью которого в автономном режиме можно осуществлять отладку и задавать режимы работы.

12

Для расширения вычислительных возможностей в МП систему вводят сопряженный арифметический процессор или аппаратный блок умножения

(БП), например, К1815ВЖ1, К1802ВР2 [7,1].

ИД Рис. 2. Структурная схема МК для регулирования скорости электродвигателя

Структура МП системы практически повторяет структуру аналоговой системы управления электроприводом. Основные отличия состоят лишь в дополнительных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразованиях и в процессе реализации регуляторов скорости и тока. При достаточной вычислительной мощности могут быть использованы другие подходы к принципам построения МП системы, например, токовый контур может быть реализован чисто программным способом в виде прогнозирующей модели (наблюдателя). Это позволяет достаточно просто решить задачи обеспечения необходимой динамики контура тока и токоограничение. Дополнительные преимущества при этом связаны с формированием сигнала обратной связи в области прерывистых токов. Известно, что в данной области целесообразно измерять среднее значение тока [6].

В современных системах управления реализация подобной структуры возможна с использованием более современных компонентов, например, связки микроконтроллера общего применения и специализированного сигнального процессора.

3.2. Интерфейс внешних устройств. Под интерфейсом понимается совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для обмена информацией между ЦП и внешним устройством. Обмен информацией ЦП с внешним устройствами может осуществляется программным способом или по прерыванию. В соответствии с этим различают активные и пассивные источники (приемники) данных.

14

темы на современной элементной базе может быть ориентирована или на специализированные МК, специально разработанные для управления электроприводами, или на совокупности 8- разрядных и специализированных МК.

Организация интерфейса аналого-цифрового преобразователя АЦП поразрядного уравновешивания показана на рис. 4. Цикл работы АЦП начинается с приходом сигнала Запуск, а его завершение ¾ сигналом Готовность. Для обмена информацией интерфейс АЦП должен содержать регистр состояния РС и регистр данных РД. При использовании АЦП типа К572ПА1 регистр данных и буферные вентили являются внутренними элементами, обеспечивающими возможность работы с шиной без промежуточных элементов. Для минимизации схемы, в данном случае, целесообразно использовать однонаправленные шинные усилители (приемник, передатчик) типа К155ЛН6, К555ИП2. При переходе шинных формирователей ШФ в третье состояние за счет нагрузочных резисторов на линии шины создается сигнал, соответствующий логической 1, который будет принят ЦП как 0. Следовательно, по шине можно передавать только один разряд, например 7-й, соответствующий биту Готовность. Информация по шине, как правило, передается низким уровнем напряжения с двойной инверсией в канале передачи от ЦП к приемнику (источнику).

Спомощью селектора адреса выделяется группа адресов, относящихся

кблоку или интерфейсу привода. При этом последовательность адресов будет отличаться только младшими разрядами, фиксируемыми в регистре адреса РА. Информационным разрядом, позволяющим выделить два адреса из группы, например, РС – 167640 и РД – 167642, является разряд АД01. Признак ВУ эквивалентен 3-м старшим разрядам адреса внешних устройств. Разряд АД00 используется совместно с сигналом БАЙТ при необходимости об-

16

триггера Т1 в единичное состояние. На вход С2 через элемент И начинают поступать импульсы от частотного датчика скорости. Счет импульсов прекращается в момент формирования сигнала Конец цикла. При этом осуществляется установка Т1 в исходное состояние и перезапись содержимого счетчика С2 в буферный регистр БР. Признак направления движения, соответствующий знаковому разряду выходного числа Nвых , формируется с помощью

триггера Т2. Импульсный (частотный) датчик скорости ИД формирует в зависимости от направления вращения импульсы только по одному из каналов. Серийные фотоэлектрические импульсы датчика содержат также синхроканал, по которому вырабатывается один импульс на оборот.

При построении ПЧК второго типа [6, 11] счетчик С2 заполняется импульсами высокой частоты FT на протяжении k периодов Fвх так, что за-

фиксированный буферным регистром код

Nвых = 2πkFT /(ωn)

обратнопропорционален измеряемой частоте вращения. Для нахождения величины пропорциональной частоте вращения необходима операция деления или обработка данных с помощью ПЗУ, в котором зашита гиперболическая зависимость. Разрешающая способность данного преобразователя увеличивается на низких частотах. Однако при вычислении Nвых приходится опери-

ровать с большим числом разрядов. Поэтому может оказаться целесообразным введение нескольких диапазонов измерения, каждому из которых соответствуют свои значения k и FT . Ввод диапазонов или переход от одного

способа измерения к другому может быть осуществлен под управлением ЭВМ. В качестве интерфейсных БИС для реализации рассмотренных преобразователей могут быть использованы программно-управляемые таймеры типа К580ВИ53.

Технологические погрешности ИД и сопряжения его с двигателем приводят к неравномерности следования импульсов, что вызывает эффект, равносильный пульсациям напряжения тахогенератора. Уменьшение данной погрешности может быть достигнуто за счет усреднения показания ПЧК на нескольких интервалах измерения. В работе [6] описан интеграционный ПЧК, принцип действия которого основан на реализации рекуррентных соотношений, описывающих работу дискретного интегратора с параметрической обратной связью. Так же описаны некоторые недостатки приведенной схемы ПЧК. Структурная схема ПЧК такого типа показана на рис. 6. ПЧК содержит блок управления, реализованный на основе генератора импульсов ГИ и делителя частоты ДЧ, с помощью которого формируется шаг квантования, равный периоду сигналу перезаписи информации в буферный регистр БР. Для разделения импульсных последовательностей, поступающих на входы реверсивного счетчика РС, используется блок синхронизации БС. Регулируемый делитель частоты РДЧ, включенный в цепь обратной связи интегратора РС, выполняет функции умножителя сигналов. Процесс уравновешивания входной частоты Fвх частотой обратной связи Fд на k -м интервале времени мо-

жет быть описан следующим образом:

17

N[k ] = N[k -1] + ÑN[k -1] = N[k -1] + T (Fвх - FT N[k -1]) ,

где период T = K / FЭТ определяется коэффициентом деления K делителя частоты ДЧ и эталонной частотой ГИ, а частота на выходе РДЧ равна

Fд = FT N[k -1] .

Дискретный интегратор может быть реализован на базе реверсивного счетчика типа К155ИЕ7, в качестве регулируемого делителя частоты можно использовать счетчик К155ИЕ8.

Принципиальная схема блока синхронизации показана на рис. 7. Она содержит распределитель импульсных последовательностей (элементы D0, D1) и два канала выделения переднего фронта импульсовFвх и Fд.

&

D1

D2

Fд

Канал 2

Рис. 7. Схема блока синхронизации

С помощью D-триггера осуществляется привязка (синхронизация) входных импульсов, а с помощью JK-триггера и трехвходового элемента И – выделение единичного импульса по переднему фронту входного импульса.

К наиболее распространенным ПНК, используемых в цифровых электроприводах, относятся преобразователи поразрядного управления, следящие и интегрирующие. Большинство схем ПНК поразрядного уравновешивания построено на базе регистров последовательного приближения РПП типа

18

К155ИР17. Запуск ПНК поразрядного уравновешивания (рис. 8) осуществляется сигналом Пуск, который устанавливает 1 в старшем разряде РПП и нули в остальных разрядах. Импульсные последовательности генератора ГИ разделяются на две фазы. На первой фазе производится анализ входного напряжения. Компаратор К сравнивает напряжение Ux с весом текущего разряда и свое решение 1 или 0 передает на вход D1 РПП. Если решение 0, разряд устанавливается в 0. В противном случае разряд устанавливается в 1. Во второй фазе 1 записывается в следующий разряд и ЦАП выдает вес следующего разряда с учетом предыдущего. Таким образом поразрядные решения компаратора в виде последовательностей 1 и 0 накапливаются на выходах РПП. После анализа всех разрядов на выходе РПП формируется сигнал Конец преобразования.

19

Входное напряжение сумматора А1 равно разности Ux и Uцап. Эта разность поступает на устройство сравнения СУ, выполненных на компараторах А2, А3 и А4. Вес младшего разряда счетчика грубого отсчета СТ1 составляет Uэ/2 при равенстве разрядов каналов грубого и точного отсчетов. При резком изменении Ux срабатывает компаратор А3 или А4 и уравновешивание входного напряжения осуществляется за счет двух каналов. При медленном изменении Ux работает только один канал точного отсчета. Для исключения наложения импульсов в канале грубого отсчета используются элементы задержки Э1, Э2. Измерение площади или интеграла от мгновенной величины за определенный промежуток времени можно выполнить с помощью АЦП любого типа. Один из наиболее распространенных вариантов преобразователя такого типа показан на рис. 10.

В данном преобразователе [6] полный цикл содержит два такта интегрирования. Первый такт начинается в момент прихода сигнала Пуск. При этом ключ К1 открывается и на вход генератора, собранного на операционном усилителе А1, подается напряжение Ux. Одновременно на вход счетчика СТ начинают поступать импульсы Fт. Процесс заряда продолжается до определенного переполнения счетчика СТ. В момент времени Т = 2n/Fт на интеграторе накопится напряжение

Uи = UxT/Tи,

где Ти – постоянная времени интегратора.

Импульс переполнения вызывает переключение входных цепей интегратора. На его вход через ключ К2 подают эталонное напряжение Uз с полярностью противоположной Ux. Выходное напряжение интегратора начинает изменятся. При этом счетчик СТ, пройдя через нулевое состояние, продолжает счет импульсов.

Рис. 10.Функциональная схема АЦП двойного интегрирования

В конце второго такта напряжение интегратора станет равное нулю, срабатывает устройство сравнения СУ, прекращая счет импульсов. При этом счетчик накапливает число N = T2 Fт, где длительность второго такта равна длительности разряда конденсатора интегратора Т2 = UиTи/Uэ, откуда