привело к широкому использованию в узлах систем управления интегральных микросхем (ИМС).

ИМС представляют собой микроэлектронные устройства с высокой плотностью компоновки элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др. Номенклатура ИМС определяется их функциями и масштабом производства. Наиболее широко употребляемые массовые ИМС можно отнести условно к группе базовых ИМС. По желанию заказчика могут создаваться ИМС со специализированными функциями. Такие ИМС называют заказными, целесообразность их применения зависит от техникоэкономических факторов.

По технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. Полупроводниковая ИМС – кристалл полупроводника, в котором выполнены все элементы микросхемы. Пленочные ИМС выполнены в виде пленок проводящих и непроводящих материалов. Гибридные ИМС содержат более сложные компоненты (например, несколько полупроводниковых кристаллов в одном корпусе).

По функциональному назначению микросхемы делят на аналоговые и цифровые. Цифровые ИМС обрабатывают импульсные сигналы с двумя ярко выраженными уровнями: высокий уровень, соответствующий логической 1 (напряжение 5...10 В) и низкий уровень, соответствующий логическому 0 (напряжение 0...1 В). Существует огромное множество цифровых ИМС, выполняющих функции регистров, сумматоров, инверторов, элементов памяти, и т. д. Аналоговые ИМС преобразуют непрерывные переменные во времени сигналы – усилители сигналов, генераторы аналоговых сигналов, фильтры, перемножители сигналов и др. В настоящее время широкое распространение получили операционные усилители (ОУ).

Микропроцессоры в системах электропривода

Микропроцессор (МП) — программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Основные узлы МП (рис. 2.2.1.2) – арифметически-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Для взаимодействия МП с внешним миром необходимы запоминающие устройства для хранения программ и результатов промежуточных вычислений, устройства ввода-вывода (УВВ) информации и др. Совокупность перечисленных устройств называется микропроцессорным устройством (МПУ).

Устройство ввода-вывода обычно разделяют на две части: интерфейс (англ, interface – устройство отображения) и внешнее или периферийное устройство. Интерфейс преобразует сигналы от МП в сигналы, воспринимаемые внешним устройством, и наоборот. Периферийные устройства, связанные с объектом управления, называются также устройствами сопряжения (УСО). Обычно они согласовывают сигналы, поступающие с датчиков, контролирующих параметры объекта с интерфейсом МПУ. Устройства сопряжения обычно включают в себя преобразователи аналоговых сигналов в

10

цифровые (АЦП) и наоборот — цифровые в аналоговые (ЦАП), а также усилители сигналов.

Микропроцессор АЛУ УУ

Память Память (данные) (программа)

УВВ МПУ

Объект Рис. 2.2.1.2. Упрощенная структура МПУ

На основе МПУ создаются различные вычислительные устройства, чаще всего рассчитанные на взаимодействие с человеком и содержащие в качестве средств связи клавиатуру и дисплей. Если МПУ используется для управления различными техническими устройствами, объектами или техническими системами, то такие МПУ называются микропроцессорными контроллерами или микроконтроллерами.

Рассмотрим кратко пример использования микроконтроллера, на рис. 2.2.1.3 [6] приведена упрощенная схема плавного пуска двигателя. Пуск двигателя в этой схеме осуществляется от трехфазной сети через встречновключенные тиристоры VS в каждой фазе. Плавный пуск реализуется за счет регулирования напряжения на обмотке двигателя, изменением угла управления тиристорами VS по заданному закону.

Система обеспечивает управление тиристорами, формируя импульсы управления в заданные моменты времени, соответствующие углам управления α (рис. 2.2.1.4). Для этого в нее должны входить датчики нуля напряжения (ДНН), фиксирующие моменты начала отсчета угла включения α и блока тиристоров (БТ). Сигналы с ДНН поступают на микропроцессорную систему и служат для запуска таймеров соответствующей фазы. Таймер представляет собой счетчик импульсов внутреннего генератора стабильной частоты. С приходом сигнала от ДНН этот счетчик начинает считать. От обычного счетчика таймер отличается наличием предуставки, т. е. определенного числа, при достижении которого счетчик таймера останавливается и выдает выходной сигнал. Этот сигнал подается на устройство управления тиристорами и служит для отпирания соответствующего тиристора. Счетчик тайме-

11

ра сбрасывается на ноль и ждет появления следующего импульса от соответствующей фазы ДНН.

Предуставка таймера может изменяться, вместе с этим будет меняться и угол включения α тиристора. Для этого каждый канал таймера подключается к микропроцессору через параллельный интерфейс вывода. На микропроцессор возлагается задача менять предуставки таймера в соответствии с выбранным законом изменения напряжения на двигателе АД. Этот закон может быть задан как некоторая функция u(t), где t — текущий момент времени пуска двигателя. В этом случае напряжение будет меняться по жесткому закону u(t) вне зависимости от того, как будет происходить реальное увеличение числа оборотов двигателя u(t). При возможных отклонениях в условиях пуска (пуск в холодную погоду, загустевание смазки в подшипниках и т. п.) такой жесткий закон может привести к появлению токовых перегрузок двигателя.

Более надежным способом пуска является использование функциональной связи между напряжением на двигателе U, током I через его обмотки и числом оборотов n: U = f(I,n). Подставив в эту формулу ограничение по току

I = Iдоп, получим закон изменения напряжения U(t) = f(Iдоп,n(t)). Однако для реализации этого закона нужен датчик частоты вращения двигателя. Такой

датчик требует дополнительного канала таймера — канала записи момента

— со счетчиком и генератором стабильной частоты.

После разгона двигателя до номинальной скорости, угол α становится равным нулю. Тиристоры имеет смысл шунтировать силовыми контактами контактора КМ, управление которым осуществляет МП.

В зависимости от конкретных условий применения микроконтроллеры могут иметь различное конструктивное исполнение и быть смонтированы на одной или нескольких платах. Последнее время преимущественно используются одноплатные контроллеры на основе однокристальной микросхемы, включающей в себя 95...98% общего числа элементов слаботочной платы, включая микропроцессор, память, интерфейсы и др.

В электроприводах низкого и среднего класса для реализации алгоритмов управления и обеспечения полного набора функций применяют 8- разрядные микроконтроллеры, в электроприводах высокого класса – 16разрядные высокопроизводительные микроконтроллеры. Для решения большинства задач управления в электроприводах низкого и среднего класса, которые на рынке в основном занимают промышленный и бытовой сектора, наиболее подходящими являются 8-разрядные микроконтроллеры. В их функции входят: вычисление необходимого набора значений, формирование и вывод импульсных комбинаций, требуемых для работы инвертора, слежение за параметрами силовых полупроводниковых приборов (СПП): ток, температура нагрева; предупреждение аварийных ситуаций, их анализ и безопасный выход из них.

12

Рис. 2.2.1.3. Упрощенная схема с микроконтроллером для пуска двига-

теля

Рис. 2.2.1.4. Регулирование напряжения встречно-включенными тиристорами

13

В последнее время получил широкое распространение векторный способ управления электродвигателями переменного тока различных типов (асинхронными двигателями, бесколлекторными двигателями постоянного тока, двигателями с переменным магнитным сопротивлением и т.д.), который обеспечивает с помощью преобразователя частоты раздельное регулирование частоты вращения ротора и момента двигателя путем изменения амплитуды и фазы напряжения на зажимах обмотки статора двигателя. Для осуществления векторного способа управления лучше применять шестнадцатиразрядные микроконтроллеры.

2.2.1.2. Системы электропривода с двигателями постоянного тока.

Уравнения и режимы работы двигателя постоянного тока. Однофазный и трехфазный силовой преобразователь. Примеры расчетов. Импульсные схемы электропривода

Основной вид регулируемых электромеханических систем – системы с электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ). Для питания якорных цепей двигателей и обмоток возбуждения (ОВ) используются полупроводниковые преобразователи напряжения. В большинстве современных преобразователей используются тиристоры.

Преимущества тиристорных преобразователей (ТП) напряжения переменного тока в постоянный:

1)высокий КПД;

2)малая инерционность;

3)высокий коэффициент усиления по мощности;

4)высокая надежность, обеспечиваемая быстродействующей защитой и блочным исполнением СУ.

5)не содержат вращающихся частей;

6)имеют меньшую массу, чем электромашинные преобразователи напряжения;

7)не требуют для своей установки дорогостоящих фундаментов.

8)Применение ТП для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока позволяет на 5...7% повысить КПД электропри-

вода по сравнению с системой генератор—двигатель.

Основные недостатки ТП:

-низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании выпрямленного напряжения;

-значительное влияние мощных преобразователей на амплитуду и форму напряжений питающей сети.

-обладают меньшей помехоустойчивостью и повышенным уровнем излучаемых радиопомех по сравнению с электромашинными преобразователями.

14