Баховцев.Ч2

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

И.А. БАХОВЦЕВ

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Часть 2

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.314.6(075.8) Б 305

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Г. С. Зиновьев, д-р техн. наук, проф. В. К. Макуха

Работа подготовлена на кафедре промышленной электроники

Баховцев И.А.

Б 305 Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники : учеб. пособие / И.А. Баховцев. – В 2 ч. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – Ч. 2. – 110 с.

ISBN 978-5-7782-1360-9

Во второй части настоящего учебного пособия излагаются принципы построения микропроцессорных систем управления вентильными преобразователями с искусственной коммутацией (на примере автономных инверторов напряжения), способы микропроцессорной реализации алгоритмов управления указанными преобразователями, а также основы реализации цифровых регуляторов.

Учебное пособие предназначено для студентов 5-го курса факультета РЭФ, изучающих дисциплину «Микропроцессорные системы силовой электроники». Пособие может быть полезно специалистам в области управления устройствами силовой электроники.

УДК 621.314.6(075.8)

ISBN 978-5-7782-1360-9	© Баховцев И.А., 2010
	© Новосибирский государственный
	технический университет, 2010

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие «Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники» (Ч. 2) посвящено вопросам проектирования микропроцессорных систем управления (МПСУ) автономными вентильными преобразователями и вопросам цифровой реализации регуляторов, используемых в замкнутых системах регулирования.

Первая группа вопросов (глава 1) рассматривается на примере управления автономным инвертором напряжения (АИН) с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). Как и в первой части пособия [1], здесь излагаются только принципы построения МПСУ АИН и методы микропроцессорной реализации его алгоритмов управления. Материал представлен в виде функциональных и структурных схем, а также временных диаграмм. Такой подход позволяет использовать приведенный материал при разработке МПСУ как на специализированных (класса Motion Control), так и на общепромышленных микроконтроллерах.

При написании настоящего учебного пособия использованы отечественные и зарубежные публикации [2 8, 9 13], а также опыт кафедры промышленной электроники НГТУ по разработке МПСУ АИН [14 18]. Подразумевается, что читатель познакомился с первой частью учебного пособия. Это необходимо, так как обе части связаны между собой и концептуально и информативно.

Вторая группа вопросов (глава 2) из-за ограниченного объема учебного пособия и большого количества соответствующих публика-

ций [19 23] рассматривается в самом общем виде: приведены краткие cведения по регуляторам и дискретному преобразованию, описаны дискретная модель пропорционально-интегрально-дефференциального (ПИД)-регулятора и его программная реализация.

Пособие предназначено для студентов 5-го курса факультета РЭФ НГТУ инженерного направления специальности 210106 «Промышленная электроника» и магистерского направления 210100 «Электроника и микроэлектроника», а также может быть полезно специалистам в области управления устройствами силовой электроники.

3

Г л а в а 1

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМИ ИНВЕРТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. ТИПОВАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим объект управления – инвертор напряжения, работающий в составе электропривода переменного тока. Типовая структура системы автоматического регулирования (САР) данного электропривода в упрощенном виде приведена на рис. 1.1.

В силовой канал электропривода входят неуправляемый выпрямитель, фильтр, АИН и асинхронный двигатель (АД). Также в силовом канале присутствуют измерительные компоненты: датчики тока (ДТА, В, С) и датчик скорости – тахогенератор (ТГ).

Замечание. В большинстве случаев в промышленных установках используется трехфазный мостовой двухуровневый инвертор напряжения с ШИМ. Именно этот тип преобразователя, кроме оговоренных случаев, рассматривается в настоящем учебном пособии.

В информационно-управляющий канал электропривода входят фазосдвигающее устройство (ФСУ), блоки регуляторов скорости (БРω), тока (БРI ) и блоки сопряжения с датчиками (БСД) тока и скорости. Блоки сопряжения с датчиками обеспечивают гальваническую развязку цепей системы управления от цепей силовой схемы, предварительную фильтрацию и нормализацию соответствующего сигнала обратной связи (UОСω или UОСI ).

4

	Неуправ- +			+		ДТА	AД
UC
	ляемый	Фильтр			АИН	В
fC	выпря-						С
								ТГ
	митель
					6
		Регу-		3
		лятор			УС
			I	Uу
БPI					ГОН		3(2)
		3	UI
	UзА
						ФСУ
	ГМН	3		3	БСД
					I
Uзf		UзI		UосI
	Регу-				БСД
	лятор
		U		Uос
БP
			Uз
				Рис. 1.1

Каждый блок регулятора по сигналам задания и обратной связи формирует соответствующий сигнал управления. Блок регулятора скорости в соответствии с принципом подчиненного регулирования формирует сигнал задания для блока регулятора тока. Этот сигнал посту-

пает на входы задания частоты (Uз f ) и амплитуды (UзA ) генератора

модулирующего напряжения (ГМН). В свою очередь, блок регулятора тока формирует сигнал управления U у , поступающий на фазосдви-

гающее устройство.

Генератор модулирующего напряжения предназначен для формирования низкочастотного трехфазного (в общем случае синусоидального) модулирующего сигнала с регулируемой амплитудой и частотой, являющегося эталоном для контура тока. Поскольку регулирование упомянутых параметров модулирующего сигнала чаще всего происходит пропорционально, один и тот же сигнал из регулятора скорости подается на оба входа задания генератора. В принципе воз-

5

можно и независимое регулирование частоты и амплитуды модулирующего сигнала, но оно используется преимущественно в разомкну-

тых системах.

Структура регуляторов скорости и тока (рис. 1.1) на данном уровне рассмотрения не принципиальна. Они могут быть любого типа, который зависит от особенностей момента сопротивления на валу двигателя и требований, предъявляемых в электроприводу в целом. Особенности работы типовых регуляторов и их реализация в МПСУ рассмотрены в главе 2 настоящего пособия.

Фазосдвигающее устройство состоит из генератора опорного напряжения (ГОН) пилообразной формы и устройства сравнения (УС). Последнее сравнивает высокочастотное опорное напряжение с трехфазным сигналом управления, поступающим из регулятора тока, и формирует в моменты сравнения фронты выходных прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью, т.е. ШИМ. Очевидно, что устройство сравнения представляет собой три аналоговых компаратора.

В ряде систем управления частоты генераторов опорного и модулирующего напряжений синхронизированы, что на рис. 1.1 отражено пунктирной связью между упомянутыми блоками.

С точки зрения управления АИН основными блоками системы, представленной на рис 1.1, являются генераторы модулирующего,

опорного напряжений и устройство сравнения, а остальные ком-

поненты имеют вспомогательное значение. Этому имеется следующее объяснение. Во-первых, именно с помощью названных блоков реализуется принцип автономного фазового управления. Во-

вторых, система управления АИН может быть построена только на их основе и потенциометров, с помощью которых оператор может устанавливать задание на частоту и амплитуду модулирующего сигнала. Правда, это будет уже система без обратных связей, т.е. разомкнутая, или, как говорят, программная. Данную триаду блоков часто назы-

вают программной частью системы управления инвертором на-

пряжения. В дальнейшем, при изучении МПСУ АИН, мы будем иметь в виду прежде всего программную часть. Именно в ней отражена специфика управления инвертором по сравнению, например, с выпрямителем.

Как видно из рис. 1.1, данная структура качественно похожа на САР электропривода постоянного тока [1]. Однако между системами существуют принципиальные количественные отличия.

6

В истории использования микропроцессорной техники в управлении автономным инвертором напряжения в составе электропривода переменного тока все эти блоки, обведенные пунктиром на рис. 1.1, реализовывались с помощью микропроцессора в свое время отдельно (программная система управления, регулятор скорости, регулятор тока). А все остальное реализовывалось на внешних ана-

логовых или цифровых элементах [2 4, 14]. Потом был период, когда эти три блока реализовывались на микропроцессорной элементной базе в различных сочетаниях друг с другом. И только с начала 1990-х годов (по крайней мере, в России) с появлением микропроцессоров и микроконтроллеров с высокой производительностью и технической оснащенностью все эти задачи одновременно могли быть реализованы микропроцессорными средствами. Таким образом, в электроприводе переменного тока переход всей системы управления на микропроцессорную элементную базу происходил медленнее, чем в электроприводе постоянного тока. Это обусловлено тем, что привод переменного тока – очень сложная система. Об этом, в частности, говорят ее особенности.

Отметим отличия электропривода переменного тока.

1. Внутренний быстрый контур тока трехфазный, таким образом, в системе управления необходимо обрабатывать три (или два в случае соединения нагрузки в звезду без нулевого провода) высокоскоростных сигнала.

2. В системе управления во времени формируются два типа сигналов: опорный сигнал пилообразной формы и модулирующий сигнал (чаще синусоидальной формы), имеющие различные частоты. Причем, во-первых, их частота может меняться в широких пределах, особенно частота модулирующего сигнала; во-вторых, в широких пределах меняется амплитуда модулирующего сигнала; в-третьих, модулирующий сигнал – трехфазный, т.е. это по сути – три сигнала.

3. Модулирующий сигнал и сигнал обратной связи по току имеют синусоидальную форму. Следовательно, для их формирования и измерения в шину данных микропроцессора необходимо «добавить» помимо разрядов на диапазон регулирования разряды на форму этих сигналов, причем с учетом знака.

4. Частота опорного сигнала в системе управления АИН, как правило, значительно больше 300 Гц – частоты дискретности работы управляемого выпрямителя при питании от частоты 50 Гц. В инверторе именно частота опорного сигнала определяет частоту дискретности работы преобразователя, или период повторения. Таким образом, время, предоставляемое на расчет алгоритма управления, в МПСУ АИН

7

значительно (в 10 – 15 раз) меньше, чем аналогичное время в МПСУ управляемым выпрямителем.

5. В электроприводе переменного тока, как правило, классические законы регулирования значительно сложнее законов регулирования электроприводом постоянного тока. Для управления двигателями переменного тока используются законы прежде всего частотного управления [24]:

U/ f const

при постоянном моменте нагрузки;

U/ f const при постоянной мощности;

U/ f 2 const при вентиляторном моменте нагрузки.

Кроме того, в настоящее время в электроприводе переменного тока широкое распространение получили векторное управление (не путать с векторной ШИМ АИН) и методы из современной теории управления и искусственного интеллекта, представляющие собой еще более сложные процедуры управления [9, 25, 26].

Из всего вышесказанного следует вывод: для реализации всех требований, предъявляемых к приводам переменного тока (по динамике и точности), микропроцессор в МПСУ электроприводом переменного тока с АИН должен обладать:

–разрядностью не менее 16 бит;

–тактовой частотой не менее 50 МГц, чтобы обеспечить производительность, исчисляемую десятками, а лучше сотнями миллионов операций в секунду.

Таким образом, для микропроцессорных систем управления АИН (особенно работающих в составе электропривода переменного тока) требуются достаточно мощные микропроцессорные средства. Поэтому МПСУ АИН появились гораздо позже, чем МПСУ управляемыми выпрямителями.

В Приложении приведены характеристики некоторых современных микроконтроллеров, предназначенных для управления АИН и электроприводами переменного тока, и рекомендации по их выбору.

О сложности управления АИН, в частности, можно судить по программной части системы управления и соответствующим способам управления, микропроцессорной реализации которых посвящены следующие разделы настоящего учебного пособия.

8

1.2. ПРОГРАММНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ АИН

Способы управления АИН читателю должны уже быть известны из курса «Силовая электроника». В данном разделе этот материал систематизирован, и в нем расставлены акценты на том, что может понадобиться при микропроцессорной реализации программных способов управления инвертором напряжения.

1.2.1. Коммутационная модель АИН

Для проектирования системы управления АИН разработчику достаточно знать свойства этого вентильного преобразователя, формирующие его выходное напряжение. Они хорошо отражаются в коммутационной модели АИН, представленной на рис. 1.2. Она описывает дискретные свойства и процессы, протекающие в АИН, т.е. все то, что основано на принципе «включено/выключено».

+
+E/2	1		3			5
	y1		y3		y5
	UA0		UB0		UC0
–E/2	2		4			6
	y2		y4		y6
–
	UA	ZA	UB	ZB	UC	ZC

N	Общая точка нагрузки
	Рис. 1.2
	9

Здесь полупроводниковые приборы заменены идеальными ключами. Автономный инвертор напряжения имеет три плеча, в каждом из которых – два последовательно соединенных ключа. К средней точке плеча подключен один из выводов соответствующей фазы нагрузки, соединенной в «звезду». В соответствии с сигналами управления ключами

y1 y6 АИН формирует на нагрузке напряжение. Фазные напряже-

ния с индексом «0» отсчитываются относительно отрицательного зажима источника питания, а без индекса – относительно общей точки нагрузки. Эта точка может быть изолирована и может быть подключена к средней точке источника питания (см. пунктирную линию на рис. 1.2).

Управляющие сигналы y1 - y6 на данной модели имеют два уровня

управления – 1 и 0 и называются коммутационными функциями ключей. Их логическому уровню 1/0 соответствует состояние управляемого ключа – «замкнут/разомкнут». Чтобы выходное напряжение АИН не зависело от параметров нагрузки, необходимо выполнение следующих условий [26]:

y2 = y1 , y4 = y3 , y6 = y5 ,							(1.1)

т.е. в любой момент времени один из ключей в плече инвертора от-

крыт. Это так называемый комплементарный режим управления

(рис. 1.3).

КФК	м	y1 1	t
	п
	п
фазы А н
	п	1
	п		t
	о	y2
		UA0 1	t
			Рис. 1.3
			10