Г л а в а 1 3 страница

Аппаратный способ формирования временных интервалов требует использования дополнительных периферийных устройств – преобразователей «код – временной интервал», функции которых выполняют программируемые таймеры. Микропроцессор в этом случае освобождается для выполнения интеллектуальных задач.

Основу программируемых таймеров составляют двоичные (суммирующие) счетчики. Аппаратная процедура формирования временных интервалов определяется прежде всего возможностями программируемого таймера: наличием режима выходного сравнения, возможностью прерывания по переполнению счетчика, организацией счета от нуля или предварительно записанного числа, возможностью останова и сброса счетчика и т.д. [34].

Достоинства и недостатки аппаратного способа формирования угла управления противоположны достоинствам и недостаткам программного способа. Достоинство – более эффективное использование микропроцессора: исчезает рутинная задача реализации функции модулятора, освобождается время для выполнения интеллектуальных задач (функции регулятора, функции алгоритмического распределения, диагностики и т.д.). Недостатки – расширение аппаратных средств, а следовательно, увеличение массы, габаритов и стоимости МПСУ.

Выбор способа формирования t _a зависит от задач, возложенных на МПСУ УВ. Если система разомкнута и требуются небольшие углы управления, то вполне допустимо использовать программный способ.

Замечание. В данном разделе затронута важная проблема – распределение функций между аппаратурой и программными средствами. Ее решение – одна из важнейших задач в процессе оптимизации разрабатываемой МПСУ. Решается она в каждом конкретном случае по-своему. В этой связи можно отметить лишь два момента. Во-первых, реализация задач аппаратными средствами упрощает программное обеспечение (разгружает микропроцессор), и наоборот. Во-вторых, аппаратные средства МПСУ должны быть обязательно использованы. Так, если в МПСУ УВ имеется не задействованный программируемый таймер, то, очевидно, нужно выбрать именно аппаратный способ формирования угла управления. Реализованная с учетом
такого подхода МПСУ в большей степени соответствует понятию «оптимальная система».

Так как в настоящее время наибольшее распространение получил аппаратный способ формирования угла управления, в дальнейшем (кроме оговоренных случаев) мы будем подразумевать именно его.

Рассмотрим количественную сторону формирования угла управления, а именно, как производится расчет параметров счетчика, причем не важно какого: программного или аппаратного. Расчет в общем случае один и тот же. Исходными данными, как правило, являются период (частота) сети Т _с, максимальный угол управления a_max (например, в радианах) и относительная погрешность угла управления, исчисляемая относительно его максимального значения .

Требуется определить разрядность счетчика n, максимальное число N _{a max}, соответствующее a_max, и период (частоту) тактирующих импульсов Т _т (для программного счетчика он соответствует времени одного прохода цикла Т _ц).

Расчет указанных параметров чаще всего представляет собой итерационный процесс. Будем со штрихом обозначать рассчитанные параметры первой итерации. Также предположим, что формируемое время равно , где N _a – число, заносимое в программируемый таймер (или в счетчик программных циклов). Учтем, что в программируемых таймерах, как правило, для тактирования используются синхронизирующие сигналы внутренней шины с частотой ¦ _BUS, которая постоянна, но может быть предварительно уменьшена с помощью входного делителя частоты. Порядок расчета следующий.

1. Определение максимального значения счетчика:

,

где квадратные скобки означают операцию «антье» – выделение целой части. После чего выбирается разрядность счетчика n' из условия
2 ⁿ ³ N' _{a max}.

2. Определение максимального временного интервала:

t _{a max} = a_max /2p.

3. Определение периода тактирующих импульсов (или Т _ц):

T ¢ _т £ t _{a max} / N ¢ _{a max}.

4. Определение коэффициента деления тактирующих сигналов программируемого таймера:

K _дел = [ ¦ _BUS ] = [ / Т_BUS ].

5. Уточнение рассчитанных параметров (вторая итерация):

Т _т = K _дел, N _{a max} = [ t _{a max} / Т _т], n – из условия 2 ⁿ ³ N _{a max}.

2.3.5. Число каналов микропроцессорных ФСУ

По числу каналов ФСУ делятся на одноканальные и многоканальные [23]. В одноканальных системах импульсы управления для всех вентилей вырабатываются в одном общем канале, из которого они по известной логике распределяются по вентилям. В многоканальных системах импульсы управления на каждый вентиль (или локальную группу) вырабатываются в своем канале.

Число каналов в ФСУ определяется числом устройств, формирующих угол управления [27].

В микропроцессорных ФСУ число каналов определяется числом программируемых таймеров, используемых для формирования угла управления.

Рассмотрим варианты построения микропроцессорных ФСУ с этой точки зрения. Для МПСУ трехфазным мостовым выпрямителем вроде бы логично ФСУ строить на шести программируемых таймерах (каждый – для своего вентиля). Основным достоинством такого многоканального микропроцессорного ФСУ является простота реализации функции алгоритмического распределения, а основным недостатком – большие аппаратные затраты (неидентичность каналов в цифровых системах, в отличие от аналоговых, практически не проявляется). Однако такой вариант построения фазосдвигающего устройства в МПСУ УВ почти не используется. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, не в каждом микроконтроллере присутствует такое количество программируемых таймеров. И, во-вторых, объект управления – управляемый выпрямитель – принципиально позволяет в силу особенностей своей работы уменьшить число каналов.

В то же время сокращение числа каналов автоматически усложняет реализацию функции алгоритмического распределения и формирование углов управления, больших чем 2p/ m _э (m _э – эквивалентное число фаз управляемого выпрямителя [23]). Однако усложнение касается в основном только программного обеспечения, а в аппаратуре всегда получается выигрыш, что часто является основополагающим фактором при выборе числа каналов многопроцессорного ФСУ.

Ниже описаны наиболее распространенные варианты построения микропроцессорных ФСУ для трехфазного мостового УВ с точки зрения числа каналов. На рис. 2.6, а приведена схема выпрямителя, а на рис. 2.6, б представлены временные диаграммы, поясняющие особенности работы этих вариантов. Для простоты будем считать, что максимально возможный угол управления равен 180 эл. град.

Трехканальное микропроцессорное ФСУ. В этом случае один программируемый таймер используется для управления вентилями одной фазы, или плеча управляемого выпрямителя. Если рассмотреть работу вентилей одной фазы УВ, например фазы А, по временным диаграммам (рис. 2.6, б), то можно увидеть, что максимально возможный угол управления, равный 180 эл. град., для первого вентиля V 1 (a_1max) никогда не перекрывается с аналогичным углом для четвертого вентиля V 4 (a_4max). Эти углы соприкасаются в точке J₄ (см. линию 3ПТ на рис. 2.6, б). Поэтому один программируемый таймер может формировать углы управления для двух вентилей одной фазы как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. А микропроцессор при этом должен организовать формирование импульсов управления и в соответствии со ССВ распределить их по вентилям.

Двухканальное микропроцессорное ФСУ. В этом случае таймеры работают на вентильные группы управляемого выпрямителя: один – на анодную группу, второй – на катодную. Данный вариант еще в большей степени упрощает аппаратуру, но сужает диапазон независимого формирования одним программируемым таймером углов управления вентилями одной группы. Как видно из рис. 2.6, б, в диапазоне a £ 120 эл. град. интервалы формирования углов управления вентилями одной группы не перекрываются, что обеспечивает, в частности, без затруднений полный охват выпрямительного и частично инверторного режимов (при большой индуктивности сглаживающего фильтра [23]). Более сложная ситуация возникает при a > 120 эл. град. Например, в момент J₃ еще формируется угол управления для вентиля V 1, отсчитываемый от точки J₁, как нужно уже начинать формировать угол управления для вентиля V 3. Данную ситуацию (наложение интервалов) можно обойти программными средствами, т.е. за счет усложнения программного обеспечения, но об этом речь пойдет ниже.

На рис. 2.6, б для двухканального варианта (линия 2ПТ) для вен­тилей катодной группы отмечены штрихом максимально возможные

а б

Рис. 2.6

углы управления, реализуемые аппаратно, без привлечения дополнительных программных средств.

Одноканальное многопроцессорное ФСУ. Использование одного программируемого таймера для управления шестью вентилями трехфазного мостового УВ возможно потому, что логика работы преобразователя подразумевает включение в течение интервала повторения (одной шестой части периода сети) только одного вентиля. Причем вентили включаются в строго определенном порядке. Как и в предыдущем случае, при таком построении многопроцессорного ФСУ существует диапазон, в котором углы управления всеми шестью вентилями могут формироваться независимо друг от друга. В одноканальном варианте это возможно приa £ 60 эл. град. При большей величине угла происходит наложение формируемых интервалов: в диапазоне 60 < a < < 120 эл. град. накладываются интервалы регулирования двух соседних вентилей, а при a > 120 эл. град. – интервалы регулирования трех вентилей. Таким образом, здесь ситуация еще больше осложнилась. Однако и ее можно разрешить соответствующим усложнением программных средств (см. п. 2.3.8).

На рис. 2.6, б для одноканального варианта (линия 1ПТ) для вентилей УВ отмечены штрихом максимально возможные углы управления, реализуемые аппаратно, без привлечения программных средств.

Подчеркнем еще одно, помимо упрощения аппаратуры, достоинство одноканальных микропроцессорных ФСУ. Так как ПТ может формировать угол управления не больше 60 эл. град., в этом случае более эффективно используется его разрядность. Определим вес одного разряда, или погрешность, при формировании угла a 8-битным программируемым таймером:

d = 60 эл. град./255 = 0, 23 эл. град.,

т. е. погрешность составляет всего 0, 23 эл. град., что для многих применений вполне приемлемо. В двух- и трехканальном вариантах эта погрешность (при той же разрядности ПТ) соответственно увеличивается в два и три раза.

2.3.6. Способы организации момента
отсчета временного интервала

По этому классификационному признаку микропроцессорные ФСУ делятся на синхронные и асинхронные. Рассмотрим по отдельности эти два типа.

Синхронные (или неавтономные) микропроцессорные ФСУ по умолчанию рассматривались нами выше, и их признаки уже известны. Но все-таки их необходимо зафиксировать и далее провести по ним сравнение с асинхронными системами. В синхронных устройствах момент отсчета угла управления a, или временного интервала t _a, производится от точек естественной коммутации. Чтобы обеспечить точную привязку к этим точкам, в МПСУ используется режим прерывания, который инициируется, как было показано выше, блоком синхронизации с сетью, формирующим сигналы запроса на прерывание INT 1, совпадающие по времени с ТЕК (рис. 2.7, а). По этим сигналам микропроцессор заканчивает текущую команду и по специальной процедуре переходит на подпрограмму обслуживания запроса на прерывание. В данной подпрограмме его главной задачей является засылка в ПТ кода длительности нового временного интервала (N _a) и запуск его на счет. После завершения подпрограммы микропроцессор продолжает выполнять прерванную головную программу. Вопрос формирования импульсов управления (после отработки таймером интервала t _a) пока опускаем.

а б

Рис. 2.7

Можно сказать, что синхронное микропроцессорное ФСУ – это жесткая конструкция, четко привязанная к сетевому напряжению, поэтому ее еще называют неавтономной. К ее основным достоинствам относят, во-первых, возможность функционирования как в разомкнутом, так и в замкнутом режиме и, во-вторых, постоянство времени, предоставляемого на расчет следующего значения N _a. Оно определяется силовой схемой, частотой сети и равно интервалу повторения. В качестве примера для частоты сети, равной 50 Гц, величина интервала повторения (ИП) (в градусном и временном выражении) для разной эквивалентной фазности УВ приведена в табл. 2.1.

Т а б л и ц а 2.1

Величина интервала повторения для различных схем
выпрямителей

В качестве недостатка синхронных микропроцессорных ФСУ можно указать сложность реализации одноканального варианта при
a > 60 эл. град.. Этот вопрос подробно будет рассматриваться в п. 2.3.8.

В асинхронных (или автономных) микропроцессорных ФСУ момент отсчета временного интервала, определяющего включение очередного вентиля, задается моментом включения предыдущего, согласно очередности их включения, вентиля. Таким образом, в асинхронных микропроцессорных ФСУ формируется временной интервал между коммутациями соседних вентилей. Принцип его формирования для асинхронных МП ФСУ показан на рис. 2.7, б. Здесь введены следующие обозначения:

a_{[ n– 1]} – угол включения вентиля на [ n– 1]-м ИП;

a_{[ n ]} – угол включения вентиля на [ n ]-м ИП;

Da_{[ n ]} – интервал между включением вентилей на [ n ]- и [ n– 1]-м интервалах повторения;

j_{[ n ]} – угол включения вентиля на [ n ]-м ИП, отсчитываемый от начала предыдущего ИП, т.е. от точки J₀.

Интервал повторения в радианах вычисляется по формуле

b₀ = 2p/ m _э.

Из рисунка можно вывести следующие очевидные соотношения:

j_{[ n ]} = b₀ + a_{[ n ]},

Da_{[ n ]} = j_{[ n ]} – a_{[ n– 1]} = b₀ + a_{[ n ]} – a_{[ n– 1]}. (2.2)

Следовательно, зная предыдущее и последующее значения углов управления, можно определить интервал между включением предыдущего и следующего вентилей, что и требуется для асинхронного управления УВ. Этот интервал также должен формироваться программируемым таймером. Но, чтобы занести в него очередное значение, микропроцессор должен знать, когда закончилось формирование предыдущего интервала Da_{[ n– 1]}, это лучше всего реализуется запросом на прерывание от самого ПТ (на рис. 2.2 этот сигнал обозначен как INT 2). По этому запросу микропроцессор переходит на выполнение соответствующей подпрограммы, в которой также главной задачей микропроцессора является засылка в программируемый таймер информации и запуск его на счет. Отличие заключается только в характере входной информации: она задает величину не угла a, а интервала Da.

Из выражения (2.2), в частности, видно, что в установившемся режиме, когда a_{[ n ]} = a_{[ n– 1]}, интервал Daбудет равенb₀. Кстати, то же самое имеет место и в синхронных микропроцессорных ФСУ.

Важным достоинством асинхронных микропроцессорных ФСУ является простота реализации одноканального варианта. Как и работа управляемого выпрямителя представляет собой ряд последовательных коммутаций вентилей, так и асинхронное микропроцессорное ФСУ формирует последовательный ряд межкоммутационных интервалов. Причем, согласно выражению для Da, принцип формирования моментов коммутации не зависит от величины угла управления. Следовательно, алгоритм работы во всем диапазоне изменения угла a будет один и тот же. Это, соответственно, упрощает программное обеспечение по сравнению с синхронным одноканальным вариантом.

Следует упомянуть еще одно достоинство асинхронных ФСУ, не связанное прямо с микропроцессорной реализацией. Асинхронные системы импульсно-фазового управления изначально [23] были разработаны с целью исключения влияния искажений сетевого напряжения на работу системы управления УВ. «Привязавшись» один раз к сети, асинхронные системы управления УВ далее за счет обратной связи по току или напряжению работают автономно. Таким образом, асинхронные микропроцессорные ФСУ могут устойчиво работать при наличии искажений в сети.

К недостаткам можно отнести следующее.

1. Работа асинхронных микропроцессорных ФСУ возможна только в системах с обратной связью. Иначе в силу неточного соответствия временных параметров сетевого напряжения и временных параметров формируемых МПСУ углов управления выходное напряжение будет «плыть» в сторону увеличения или уменьшения выходного напряжения (как сигнал на экране осциллографа с несинхронизированной разверткой). Несоответствие, в частности, может возникнуть из-за отклонения частоты питающей сети от 50 Гц и ограниченной разрядности программируемого таймера.

2. В текущемрежиме асинхронное микропроцессорное ФСУ работает без синхронизации с сетью. Распределение импульсов управления между вентилями происходит согласно алгоритму работы управляемого выпрямителя. Но первое включение с целью правильного распределения импульсов управления должно быть «привязано» к сети. Таким образом, и в МПСУ подобного типа должен быть БСС (может быть, более простой).

3. Асинхронный режим работы требует наличия запроса на прерывание как от БСС (для первого включения), так и от программируемого таймера, что усложняет в определенной степени и аппаратуру, и программное обеспечение.

4. В установившемся режиме время, предоставляемое на расчет алгоритма управления (или время между коммутациями), постоянно, равно b₀ и не зависит от угла управления. Но в динамике, когда последующие углы управления могут быть как больше, так и меньше предыдущих, соответственно будет меняться и время между коммутациями, т. е. время, предоставляемое на расчет алгоритма.

На этом недостатке остановимся подробнее. Особенно тяжелым случаем является динамический процесс, когда угол управления уменьшается, соответственно уменьшается и Da. Данное обстоятельство может привести к тому, что для расчета новых данных управления просто не хватит времени. Чтобы этого не произошло, в асинхронных микропроцессорных ФСУ скачок угла управления в сторону уменьшения ограничивают путем задания величины Da_min. Эта величина выбирается из условия гарантированного расчета микропроцессором новых данных для управления. В этом случае «недобор» по углу a переходит на следующие интервалы повторения, что, несомненно, ухудшает динамику системы регулирования в целом.

Таким образом, и синхронные и асинхронные микропроцессорные ФСУ имеют достоинства и недостатки. Выбор того или иного вида определяется многими факторами: возможностями микроконтроллера, силовой схемой управляемого выпрямителя, электромагнитной совместимостью с конкретной сетью, требованиями к системе (например, к электроприводу) в целом, особенностями ее работы и т. д. В табл. 2.2 приведены для наглядного сравнения характеристики обоих видов микропроцессорных ФСУ.

Т а б л и ц а 2.2

Характеристики микропроцессорных фазосдвигающих устройств

В ряде случаев, например при ограниченном числе программируемых таймеров в микроконтроллере, при малом числе внешних входов для запросов на прерывание, невысоких требованиях к точности поддержания уровня выходного напряжения, можно использовать синхронно-асинхронный вариант микропроцессорного ФСУ. Его суть заключается в следующем [13]. Синхронизация от ТЕК осуществляется только один или два раза за период сети по одной из фаз для формирования угла a соответствующего вентиля, а формирование интервалов времени, определяющих момент включения остальных вентилей в группе или в УВ в целом, производится асинхронно. На следующем периоде все повторяется. Возможное отклонение выходного напряжения из-за неидеальности формируемых временных интервалов не будет существенным за период сети (20 мс).

Реализация этого варианта требует значительно меньше аппаратных средств (меньшее число ПТ и более простого БСС), что наиболее явно проявляется в одноканальном варианте. Однако при этом усложняется программное обеспечение: оно должно реализовать и синхронный и асинхронный принципы работы. Кроме того, могут возникать проблемы при наложении асинхронных и синхронных интервалов. Важным достоинством синхронно-асинхронного микропроцессорного ФСУ является возможность работать как в замкнутых, так и в разомкнутых системах.

2.3.7. Способы распределения импульсов управления

Одна из функций МПСУ – функция алгоритмического распределения. Она тесно связана с числом каналов микропроцессорного ФСУ. Чем больше каналов, тем проще реализовать распределение. Так, в случае шестиканального микропроцессорного ФСУ функция алгоритмического распределения реализуется автоматически: каждый канал формирует угол и импульс управления для своего вентиля. В случае трехканального варианта импульс управления каждого канала нужно распределить между двумя вентилями, в случае двухканального варианта – между тремя вентилями, а в случае одноканального – между шестью вентилями. Последний случай, самый сложный, рассмотрим подробнее. Методы же, используемые в данном случае, могут быть распространены и на остальные варианты построения микропроцессорного ФСУ.

Распределение импульсов управления в одноканальных микропроцессорных ФСУ может быть реализовано двумя способами: с подпрограммой прерывания и без подпрограммы прерывания по программируемому таймеру. В обоих случаях аппаратура примерно одна и та же, более существенно отличие в программном обеспечении.

На рис. 2.8 приведена схема функциональной части одноканального микропроцессорного ФСУ (интерфейсная часть не показана). В ее состав входят один программируемый таймер (PT), шестиразрядный регистр RG, одновибратор и шесть логических элементов 2И. Программируемый таймер и RG являются программно доступными. Обращение к ним происходит соответственно по адресам ADR 1 и ADR 2. Ниже описывается наиболее сложный случай – формирование и распределение узких импульсов управления.

В случае распределения импульсов с подпрограммой прерывания по ПТ алгоритм распределения следующий. В заданный момент времени микропроцессор записывает в программируемый таймер (внутренним сигналом WR 1) код N _a, определяющий длительность формирования требуемого интервала, и запускает его на счет (пусть это происходит автоматически при записи данных). Отсчитав заданное число периодов тактирующих сигналов f _т и сформировав тем самым интервал t _a, программируемый таймер создает на выходе импульс, который поступает на линию INT 2 и далее на программируемый контроллер прерывания (см. рис. 2.2).

По соответствующей процедуре микропроцессор переходит на подпрограмму прерывания по ПТ. В ней одной из первых команд является посылка в RG по адресу ADR 2 шестиразрядного слова состояния вентилей, которое записывается внутренним сигналом WR 2. Этот же сигнал поступает на вход одновибратора, который формирует требуемую длительность управляющего импульса t_и, поступающего на один из входов всех шести логических элементов 2И. На второй вход этих элементов поступает уровень с соответствующего разряда регистра RG. Импульс управления появляется на выходе того логического элемента, на втором входе которого присутствует «1». Сформированные импульсы (у ₁ – у ₆) через усилители и гальваническую развязку непосредственно поступают на вентили.

Рис. 2.8

В случае распределения импульсов без подпрограммы прерывания по ПТ алгоритм распределения несколько иной. В определенный момент времени микропроцессор записывает сначала ССВ в RG (в этом случае сигнал WR 2 на вход одновибратора не поступает), а затем код N _a – в программируемый таймер (такой порядок предотвращает пропуск импульсов управления при a ® 0). Отсчитав заданный интервал, ПТ также формирует на выходе импульс, который поступает не на линию INT 2, а на вход одновибратора (см. штриховую линию). А дальше все происходит, как в предыдущем случае.

Достоинством первого варианта распределения является гибкость в управлении УВ: в RG можно записать информацию, которая наиболее полно отвечает моменту времени, непосредственно предшествующему началу формирования импульса управления и его распределения. Кроме того, этот способ хорошо соотносится как с асинхронным, так и синхронных типом ФCУ. Недостатком является усложнение программного обеспечения: появляется дополнительная подпрограмма по прерыванию от ПТ.

Достоинство второго варианта распределения импульсов – простота программного обеспечения (по сравнению с первым вариантом). Недостатки – жесткая заданность распределения импульсов еще на начальной стадии формирования угла управления, использование только в синхронных микропроцессорных ФСУ.

Замечание. В случае формирования широких (120-градусных) импульсов аппаратура упрощается, особенно для первого варианта. Прежде всего отпадает необходимость в одновибраторе и логических элементах. В первом варианте импульсы снимаются прямо с выходов регистра RG. Во втором варианте необходим еще один регистр, в который ССВ переписывается сигналом с ПТ после формирования угла управления.