Рубрики

| индикация | события | инструменты | беспроводная связь | датчики | источники питания | компоненты | корпуса | микроконтроллеры | приборы | промышленная мебель | прочее | сетевые решения | силовая электроника | средства разработки | новые технологии |

Интересные статьи

Рубрика: прочее

Применение микроконтроллеров и DSP-процессоров для управления устройст

16.09.2008 В статье рассматриваются основные разновидности устройств силовой электроники и их особенности. Описываются основные алгоритмы цифрового автоматического управления. Приводятся примеры применения микроконтроллеров и DSP-процессоров ведущих производителей для управления устройствами силовой электроники.

Основные разновидности устройств силовой электроники и их особенности

Любая электрическая система содержит, как минимум, два элемента — источник энергии (электрическая сеть переменного тока, батарея (аккумулятор), электрогенератор и т.п.) и потребитель энергии (элементы освещения, нагревательные элементы, электродвигатели, электронные приборы и т.п.). В большинстве случаев электрические параметры (постоянный/переменный ток, амплитуда напряжения и т.п.) источника и потребителя энергии отличаются, что требует определенного преобразования энергии с помощью энергетического процессора.

Обобщенная структурная схема электрической системы [1] приведена на рисунке 1. В наиболее общем случае, контроллер имеет прямую связь с источником и обратную связь с потребителем энергии. Это позволяет ему реализовы-вать алгоритмы управления с обратной связью и адаптироваться к параметрам источника энергии. Использование в качестве контроллера электрической системы микроконтроллера (МК) смешанного сигнала или DSP-процессора позволяет реализовать высокоэффективные алгоритмы управления энергетическим процессором в различных режимах.

Рис. 1. Обобщенная схема электрической системы

Рис. 2. Структура энергетического процессора

Структура энергетического процессора в общем случае имеет вид [1], показанный на рисунке 2. Энергетический процессор содержит несколько преобразователей энергии, а также элементов сохранения энергии (таких как конденсаторы или катушки индуктивности). В зависимости от вида электрических сигналов на входе и на выходе преобразователя (AC — переменный ток, DC — постоянный ток), различают следующие типы преобразователей:

• AC/DC — переменный/постоянный (выпрямитель);
• DC/AC — постоянный/переменный (инвертор);
• DC/DC — постоянный/постоянный;
• AC/AC — переменный/переменный.

В них используются следующие управляемые ключи: биполярные транзисторы (BJT), полевые транзисторы (MOSFET), включаемые и выключаемые тиристоры (GTO), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Каждый из них имеет определенные ограничения по напряжению, току и частоте переключения. Однако все вместе они «покрывают» весьма значительный диапазон [1]: напряжение до 5 кВ, ток до 3000 А, рабочую частоту до 1 МГц. Это означает, что современные элементы силовой электроники в состоянии управлять такими нагрузками, как например, двигатель электровоза.

Рис. 3. Обобщенная схема преобразователя энергии: а) однофазного; б) трехфазного

Обобщенная схема однофазного ключевого (импульсного) преобразователя [2] приведена на рисунке 3а. Выходное напряжение V_O такого преобразователя, в зависимости от состояния ключей (0 — выключен, 1 — включен), описывается следующей функцией от входного напряжения V_I:

Согласно этой функции, с помощью преобразователя энергии, изображенного на рисунке 3а, из однополярно-го постоянного напряжения можно получить двухполярное переменное напряжение (т.е. построить инвертор) или наоборот, из двухполярного переменного — постоянное (т.е. построить выпрямитель). Преобразователи двух остальных типов реализуются с использованием двух популярных в силовой электронике методов управления: фазового управления или широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Дальнейшим развитием технологии импульсного преобразования энергии является матричный конвертор [2]. Пример такого трехфазного преобразователя приведен на рисунке 3б. Вектор выходных напряжений этого преобразователя описывается матричной функцией:

Сочетание возможностей современных МК или DSP-процессоров (разрядность до 64 бит, встроенные ШИМ-модуляторы, таймеры и т.д.) и применение технологии импульсного преобразования энергии позволяют проектировать высокоэффективные электронные силовые устройства. Технические характеристики таких устройств в значительной степени зависят от применяемых алгоритмов цифрового управления [3].

Основные алгоритмы цифрового автоматического управления

Среди алгоритмов управления силовыми устройствами наибольшее распространение получили алгоритмы на основе конечно-автоматных моделей, алгоритмы релейного управления, алгоритмы квазилинейного цифрового управления и алгоритмы на основе нечеткой логики.

Конечно-автоматные модели применяются для описания поведения системы в процессе ее функционирования. Работа энергетического процессора может быть задана описанием режимов (состояний) и определенных условий перехода из одного режима в другой, что может быть представлено конечно-автоматной моделью. Переход от конечно-автоматной модели к схеме алгоритма является формальным и помогает сократить количество ошибок проектирования. Наиболее простой моделью является модель автомата Мура, которая может быть реализована современными МК в виде главной программы, выполняющей переходы автомата, и подпрограммы обработки прерывания таймера синхронизации автомата, вычисляющей значения входных сигналов-условий переходов [4]. Алгоритмизация процесса управления с помощью конечно-автоматных моделей предусматривает использование принципа иерархии — т.е. каждое состояние главного автомата представляется моделью автомата более низкого уровня — подавтомата и т.д.

Примером применения этого метода алгоритмизации является проект управления трехфазным электродвигателем фирмы Freescale Semiconductor [5], диаграмма состояний главного алгоритма которого представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Диаграмма состояний главного алгоритма управления 3-фазным электродвигателем

Релейные (bang-bang или on/off) системы автоматического управления отличаются предельной простотой, обеспечивают достаточно качественное управление, особенно объектами со значительной инерционностью. В силовой электронике это относится, прежде всего, к управлению нагревательными элементами. Для достижения требуемых показателей качества и устойчивости системы используют релейные элементы с гистерезисом. На рисунке 5а представлена характеристика релейного регулятора температуры, а на рисунке 5б — схема алгоритма релейного регулирования для электрического бойлера (нагревателя воды) [6]. Система поддерживает температуру горячей воды в пределах от 68 до 73°C. Такой алгоритм легко реализуется десятком строк программного кода на языке ассемблера для любого типа МК.

Рис. 5. Релейное управление температурой: а) характеристика регулятора; б) схема алгоритма

Наиболее общим случаем линейного автоматического управления является пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование. При цифровой реализации ПИД-регулятора вместо интеграла сигнала ошибки системы используется сумма выборок этого сигнала, а вместо дифференциала — разность выборок.

Рис. 6. Структурная схема цифрового ПИД-регулятора

Фирма Microchip Technology, например, рекомендует такой алгоритм для следящего управления коллекторным электродвигателем постоянного тока с использованием выходного сигнала ПИД-регулятора для управления ШИМ-генератором [7]. Структурная схема такого регулятора приведена на рисунке 6. Оператор Z¹ означает задержку на один временной интервал квантования. Значение выходной выборки y_i для такого регулятора описывается следующей зависимостью от выборки входного сигнала ошибки e_i:

y_i = k_P e_i + k_I ∑ e_i + k_D (e_i - e_i-1),

где k_P, k_I и k_D — коэффициенты соответственно пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выходной выборки.

Серьезной альтернативой классическим алгоритмам цифрового управления являются алгоритмы замкнутого автоматического управления на основе нечеткой логики (fuzzy logic), позволяющие снизить сложность алгоритмов управления, сократить время проектирования и внедрения в производство. Особенно рекомендуется применение регуляторов на основе нечеткой логики для сложных процессов, где практически невозможно построить адекватную модель для нелинейных процессов высокого порядка. В этом плане устройства силовой электроники на базе ключевых, т.е. сугубо нелинейных элементов, являются весьма подходящим объектом управления для таких регуляторов, что подтверждается рекомендациями ведущих производителей МК и DSP-процессоров.

Рис. 7. Регулятор на основе нечеткой логики: а) структурная схема; б) функции принадлежности

Например, компания Texas Instruments предлагает управлять скоростью вращения электродвигателя с использованием двух входных переменных: сигнала ошибки скорости ei и приращения сигнала ошибки d_ei = (e_i - e_{i -1}) [8]. В соответствии с общими принципами построения регуляторов на основе нечеткой логики структурная схема регулятора скорости вращения может быть представлена в виде, показанном на рисунке 7а. Регулятор содержит блок фаззификации, блок решений и блок дефаззификации. Блок фаззификации определяет степень принадлежности значений входных переменных ei и dei к нечетким множествам (лингвистическим переменным) в соответствии с функциями принадлежности, приведенными на рисунке 7б. Каждое из этих нечетких множеств содержат пять значений: Н — нулевое, ПМ — положительное малое, ПС — положительное среднее, ОМ — отрицательное малое и ОС — отрицательное среднее. Блок решений преобразует нечеткие входные переменные в нечеткую выходную переменную в соответствии с нечеткими правилами (см. табл. 1). Блок дефаззификации преобразует нечеткую выходную переменную в выходное значение yi в соответствии с функцией принадлежности (см. рис. 7б). Регулятор на основе нечеткой логики требует хранения в памяти системы базы знаний (в виде программного кода), содержащей информацию о лингвистических переменных и нечетких правилах.

Таблица 1. Таблица нечетких правил для выходного сигнала y_i

		de
		ОС	ОМ	Н	ПМ	ПС
e	ОС	ПС	ПС	ПС	ПМ	Н
	ОМ	ПС	ПС	ПМ	Н	ОМ
	Н	ПС	ПМ	Н	ОМ	ОС
	ПМ	ПМ	Н	ОМ	ОС	ОС
	ПС	Н	ОМ	ОС	ОС	ОС

Использование алгоритмов на основе нечеткой логики позволяет достигнуть высоких значений показателей качества регулирования для нелинейных объектов, что делает их весьма перспективными для управления устройствами силовой электроники.

Применение микроконтроллеров и DSP-прОцессоров ведущих производителей для управления устройствами силовой электроники

Компания	Технические решения и электронные компоненты
	Техническое решение	Тип средства разработки	Микроконтроллеры	DSP-процессоры	Источник информации
Freescale Semiconductor	Управление однофазным электродвигателем переменного тока	Базовый проект	M68HC08		[9]
	Управление вентильно-реактивным 3-фазным электродвигателем с датчиками Холла			DSP56F805	[10]
	Управление шахтерской лампой		MC9S08QG4		[11]
	Программное обеспечение для проектирования микроконтроллерных систем управления на основе нечеткой логики	Программное средство	M68HC12		[12]
Microchip Technology	Управление бесколлекторным электродвигателем постоянного тока (с датчиком или без датчика)	Плата разработки	PIC18F2331 PIC18F2431	dsPIC30F2010 dsPIC30F3010	[13]
	Управление импульсным источником питания			dsPIC30F2020	[14]
	Управление электродвигателем поднимания оконного стекла в автомобиле с функцией антисдавливания и управлением от однопроводной коммуникационной сети	Базовый проект	PIC16F688		[15]
Silicon Laboratories	Управление шаговым электродвигателем		C8051F300		[16]
	Управление бесколлекторным электродвигателем постоянного тока		C8051F310		[17]
	Примеры программ для управления различными типами электродвигателей	Программный пакет	C8051F3xx		[18]
STMicroelectronics	Управление электродвигателем переменного тока или лампой накаливания	Базовый проект	ST7ULTRALITE		[20]
	Управление различными типами электродвигателей переменного тока	Оценочный комплект	ST7FMC2S4T6		[21]
	Понижающий преобразователь переменного тока для мощных нагрузок	Базовый проект	ST7LITES5		[22]
Texas Instruments	Импульсный источник питания	Технический отчет		TMS320F280x	[23]
	Программное обеспечение для разработки систем управления всеми типами электродвигателей	Программный пакет		TMS320C2000	[24]
	Прораммное обеспечение для разработки всех типов силовых преобразователей и систем коррекции коэффициента мощности			TMS320C2000	[24]

Обзор технических решений для управления устройствами силовой электроники, предлагаемых ведущими производителями МК и DSP-процессоров, приведен в таблице 2.

Таблица 2. Технические решения для управления устройствами силовой электроники с использованием микроконтроллеров и DSP-процессоров

Компания Freescale Semiconductor предлагает, например, базовый проект устройства управления однофазным электродвигателем переменного тока [9] (напряжение до 230 В и ток до 4 А) с помощью 8-разрядного МК M68HC08 по технологии ШИМ, которая обеспечивает существенное снижение амплитуды высоких гармоник и уменьшение тем самым электромагнитного излучения по сравнению с фазовым управлением. Другой базовый проект на основе микросхемы DSP56F805, сочетающей функции 16-разрядного МК и DSP-процессора [10], демонстрирует возможности управления вентильно-реактивным 3-фазным электродвигателем с датчиками Холла. В зависимости от подключаемого силового каскада средство разработки позволяет управлять высоковольтным (230 В, 3 × 1,2 А) или низковольтным электродвигателем (10 В, 3 × 28,5 А). Интересен также базовый проект, демонстрирующий возможности управления шахтерской осветительной системой на базе белого светодиода [11], обладающей гораздо более высокими техническими характеристиками, чем традиционная шахтерская лампа. 8-разрядный МК MC9S08QG4 в этой системе обеспечивает ШИМ-управление двумя DC/DC-преобразователями: для управления светодиодом и управления процессом заряда аккумуляторной батареи. Компания выпускает также специализированный 16-разрядный МК M68HC12, имеющий в составе системы команд, наряду с традиционными арифметическими и логическими командами, четыре специальные команды для поддержки операций нечеткой логики. Соответствующее программное обеспечение fuzzyTECH® позволяет проектировать нечеткие системы автоматического управления [12].

Компания Microсhip Technology предлагает плату для разработки систем управления бесколлекторными электродвигателями постоянного тока (как с датчиками угла поворота, так и без них) на основе МК PIC18F2331/2431 или DSP-процессора dsPIC30F2010/3010 [13]. Другая плата разработки, предлагаемая этой же фирмой, демонстрирует возможности цифрового управления импульсным источником питания с помощью 16-разрядного DSP-процессора dsPIC30F2020 [14]. Характерным для процессоров этой фирмы является наличие на кристалле нескольких многоканальных ШИМ-генераторов, а также квадратурных декодеров, весьма полезных в задачах управления электродвигателями. Для применения в автомобилях предназначен базовый проект системы управления электродвигателем механизма поднимания оконного стекла [15], в котором 8-разрядный МК, выполненный по технологии nanoWatt, управляет драйвером электродвигателя как по командам от механического переключателя, так и по командам от однопро-водной сети автомобиля.

Компания Silicon Laboratories предлагает два базовых проекта: систему управления шаговым электродвигателем [16] и систему управления бесколлекторным электродвигателем постоянного тока [17]. Оба проекта выполнены на основе миниатюрных МК семейства C8051F3xx и допускают управление как непосредственно с платы разработки, так и через последовательный порт персонального компьютера с помощью программы HyperTerminal. Кроме этого, компания Silicon Laboratories предоставляет разработчику примеры программ управления различными типами электродвигателей в различных режимах для того же семейства МК [18]. Следует отметить, что эта фирма производит также «интеллектуальные» цифровые силовые контроллеры семейства Si825x, содержащие на одном кристалле МК и DSP-процессор, а также сопровождает эти изделия расширенными средствами разработки и специальным программным обеспечением [19].

Компания STMicroelectronics предлагает использовать «сверхлегкий» 8-выводной 8-разрядный МК ST7ULTRALITE для фазового управления симистором, переключающим силовую нагрузку (обмотку электродвигателя, лампу накаливания и т.п.) [20]. Другое средство проектирования — оценочный комплект [21] позволяет проверить возможности МК ST7FMC2S4T6 по управлению силовым модулем с электронными ключами на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Плата проектирования подключается к компьютеру через порт USB и дополнена удобным графическим интерфейсом пользователя, позволяющим выбрать различные типы управляемых 3-фазных электродвигателей и их параметры. Силовой модуль рассчитан на напряжение до 220 В переменного тока и ток до 10 А. В качестве еще одного примера использования 8-разрядного МК для управления мощными нагрузками переменного тока, такими как электродвигатели различных бытовых приборов (холодильников, стиральных машин и т.п.), можно привести базовый проект понижающего AC/AC-преобразователя этой же фирмы [22], использующий 16-выводной 8-разрядный МК ST7LITES5. Силовой инвертор работает от напряжения 230 В и обеспечивает ток нагрузки 1,5 А. Также, как и решение фирмы Freescale Semiconductor [9], этот базовый проект обеспечивает повышение эффективности использования энергии и подавление высоких гармоник за счет уменьшения сдвига фаз между входным напряжением и током нагрузки.

Компания Texas Instruments рекомендует использовать для управления силовыми устройствами DSP-процессоры. В отчете [23] подробно изложены два метода проектирования DC/DC-преобразователя с обратной связью для импульсных источников питания на базе микросхемы DSP семейства TMS320F280x. Первый метод использует линейные преобразования Лапласа, второй — дискретные Z-преобразования. В обоих случаях используется моделирование с помощью пакета MATLAB.

Специализированные пакеты программ [24], предлагаемые компанией Texas Instruments для бесплатной загрузки через Интернет, поддерживают разработку контроллеров силовых устройств на базе DSP семейства TMS320C2000. С помощью этого программного обеспечения достаточно просто можно спроектировать системы управления всеми типами электродвигателей, силовые преобразователи всех типов, устройства коррекции коэффициента мощности и т.п.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают всех предложений по поддержке производителями микросхем проектов, связанных с применением МК и DSP-процессоров для управления силовыми устройствами. Полную информацию можно получить непосредственно на интернет-сайтах этих производителей.

Литература

1. Mohan N, Undeland T.M., Robbins W.P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. Third Edition. John Wiley & Sons, Inc., 2003, 802 p.
2. Control in Power Electronics: Selected Problems//Editors: M.P. Kazmierkowski, R. Krishnan, F. Blaabjerg. Elsevier Science, 2002, 518 p.
3. Perspectives in Control Engineering: Technologies, Applications, and New Directions/ Edited by T.Samad. IEEE Press, NY., 2001, 502 p.
4. Гладштейн М. Микроконтроллеры смешанного сигнала C8051Fxxx фирмы Silicon Laboratories и их применение: Руководство пользователя. М., Додэка XXI, 2008, 336 с.
5. 3-Phase Switched Reluctance Motor Control with Encoder Using DSP56F80x. Application Note AN1937. Freescale Semiconductor, Inc., 2005. (www.freescale.com).
6. The Computer Engineering Handbook/ Edited by V.G.Oklobdzija. CRC Press, 2002, 1347 p.
7. Servo Control of a DC-Brush Motor. Application Note AN532. Microchip Technology, Inc., 1997. (www.microchip.com).
8. Fuzzy Logic Motor Control with MSP430x14x. Application Report. Texas Instruments, Inc., 2005. (www.ti.com).
9. Single Phase AC Induction Motor Reference Design. Designer Reference Manual. Freescale Semiconductor, Inc., 2003. (www.freescale.com).
10. 3-Phase SR Motor Control with Hall Sensors Reference Design. Designer Reference Manual. Freescale Semiconductor, Inc., 2003. (www.freescale.com).
11. A Miner’s Lamp Using MC9S08QG4. Application Note AN3601. Freescale Semiconductor, Inc., 2008. (www.freescale.com).
12. Demonstration Model of fuzzyTECH® Implementation on M68HC12. Application Note AN1295/D. Freescale Semiconductor, Inc., 2004. (www.freescale.com).
13. PICDEM™ MC LV Development Board. User’s Guide. Microchip Technology, Inc., 2006. (www.microchip.com).
14. dsPICDEM™ SMPS Buck Development Board. User’s Guide. Microchip Technology, Inc., 2006. (www.microchip.com).
15. Anti-Pinch Window Lift Control Module. User’s Guide. Microchip Technology, Inc., 2006. (www.microchip.com).
16. Stepper Motor Reference Design Kit. User’s Guide. Silicon Laboratories, Inc., 2006. (www.silabs.com).
17. Sensor Less BLDC Motor Reference Design Kit. User’s Guide. Silicon Laboratories, Inc., 2006. (www.silabs.com).
18. Motor Control Software Examples. Application Note AN191. Silicon Laboratories, Inc., 2004. (www.silabs.com).
19. Гладштейн М. Новые интегральные компоненты для импульсных силовых преобразователей//Электронные компоненты, №6, 2006. — с. 29—35.
20. Using an ST7ULTRALITE Microcontroller to Drive a TRIAC or an AC Switch for a Mains Supply. Application Note AN2425. STMicroelectronics, 2006. (www.st.com).
21. IGBT Power Module Evaluation Kit — ST7MC Control Board. User Manual. STMicroelectronics, 2007. (www.st.com).
22. Improved ST7LITE05 AC Chopper Driver Solution. Application Note AN2316. STMicroelectronics, 2006. (www.st.com).
23. Designing a TMS320F280x Based Digitally Controlled DC-DC Switching Power Supply. Application Report. Texas Instruments, Inc., 2005. (www.ti.com).
24. TMS320C200™ Digital Signal Controllers. Technology for Innovators™. Texas Instruments, Inc., 2007. (www.ti.com).

Михаил Гладштейн, д.т.н., профессор, колледж орт Брауде, г. Кармиэль, Израиль, Электронные компоненты №7 2008 (c)

другие статьи

Комментарии

Комментариев нет. Ваш комментарий будет первым.

Чтобы оставить свой комментарий Вам необходимо зарегистрироваться.