автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка систем управления шаговыми и вентильно-индукторными двигателями на базе специализированных микроконтроллеров и нового поколения силовых модулей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ИНВЕРТОРОВ ТОКА ДЛЯ ШАГОВЫХ И ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

1.1. Методы регулирования фазных токов.

1.2. Способы коммутации фаз.

1.3. Результаты математического моделирования различных режимов работы шагового двигателя.

1.4. Некоторые отличия и особенности управления вентильно-индукторными двигателями.

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ВЫБОР ПЕРСПЕКТИВНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕКТНЫХ ШАГОВЫХ И ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ПРИВОДОВ.

2.1. Силовая часть.

2.1.1. Интеллектуальные гибридные модули с высокой степенью интеграции.

2.1.2. Силовые модули средней степени интеграции (до 12-ти ключей).

2.1.3. Силовые модули низкой степени интеграции (менее 12 ключей).

2.2. Управляющая микропроцессорная часть.

2.2.1. Основные требования к микроконтроллерам.

2.2.2. Специализированные микроконтроллеры для управления двигателями первого поколения.

2.2.3. Специализированные высокопроизводительные DSP-микро-контроллеры.

2.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МНОГООСЕВЫМ ПОЗИЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА БАЗЕ

ВЫСОКОИНТЕГРИРОВАННЫХ ИНВЕРТОРОВ ТОКА.

3.1. Разработка инверторов тока.

3.1.1. Инвертор тока для реализации одиночной, парной и смешанной коммутаций

3.1.2. Инвертор тока с электрическим дроблением шага.

3.1.3. Тепловой расчет инвертора.

3.2. Проектирование цифрового интерфейса сопряжения с управляющей частью.

3.2.1. Временные диаграммы управления инверторами тока.

3.2.2. Выбор микропроцессорной системы управления.

3.2.3. Анализ и выбор периферийных устройств микроконтроллера для управления инверторами тока.

3.3. Разработка программного обеспечения.

3.3.1. Структура модульного программного обеспечения для управления инверторами тока.

3.3.2. Реализация одиночной, парной и смешанной коммутации.

3.3.3. Реализация электрического дробления шага.

3.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОЗИЦИОННЫМ ШЭП С ИНТЕГРАЦИЕЙ СИЛОВОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ.

4.1. Выбор силовой и управляющей части.

4.1.1. Структура инвертора.

4.1.2. Использование контроллера МК9.1 для отладки макетного образца.

4.2. Разработка метода программной идентификации знака тока.

4.3. Программная реализация контуров фазных токов, блоков коммутации и электрического дробления шага.

4.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ АВТОКОММУТАЦИИ ВИП СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ (ДО 30 КВТ) В РЕЖИМАХ, ПРИБЛИЖЕННЫХ К ВЕКТОРНОМУ УПРАВЛЕНИЮ.

5.1. Особенности построения силовой и управляющей частей системы управления многофазными ВИП.

5.2. Идея частотно-токового управления вентильно-индукторным двигателем.

5.3. Выбор способов коммутации 5-ти и 6-ти фазных ВИД, приближен ных к векторному управлению.

5.4. Программная реализация блока автокоммутации фаз.

5.4.1. Общая структура программного обеспечения.

5.4.2. Алгоритм управления фазными токами.

5.4.3. Алгоритм расчета углов коммутации и отключения фаз.

5.4.4. Оптимизация программного обеспечения по быстродействию.

5.5. Экспериментальное исследование опытно-промышленных образцов ВИП.

5.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЬНОЙ СУ ДВУХОСЕВЫМ ШЭП ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ВОЛОЧИЛЬНОГО СТАНКА.

6.1. Введение в проблему волочения длинномерных изделий.

6.2. Обоснование состава аппаратной части.

6.2.1. Информационный анализ объекта управления.

6.2.2. Построение измерительной части.

6.2.3. Структура модульной системы управления двухосевым ШЭП.

6.3. Обоснование алгоритма управления CBKB.

6.3.1. Теоретические предпосылки.

6.3.2. Экспериментальная проверка адекватности математического описания СВКВ.

6.3.3. Структура алгоритма управления и состав ПО.

6.4. Экспериментальная проверка алгоритма управления СВКВ.

6.5. Выводы по главе.

Автоматизированные системы разомкнутого и замкнутого электропривода на базе шаговых двигателей в настоящее время широко используются в станках с ЧПУ, гибких автоматизированных производствах и других промышленных системах комплексной автоматизации технологических процессов. Их широкое применение, прежде всего в системах позиционного электропривода, обусловлено отличительными особенностями самого шагового двигателя как электромеханического преобразователя энергии, такими, как возможность отработки элементарных фиксированных перемещений, бесконтактность, уменьшение или полное исключение узлов кинематического преобразования движения (линейные, планарные ШД и т.д.), высокая совместимость с современными микропроцессорными системами программного управления и т.д.

Вентильно-индукторные двигатели имеют большие перспективы применения, прежде всего в мощных частотно-регулируемых приводах и обладают такими ценными качествами, как бесконтактность, высокая надежность, экономичность, большой срок службы, большие предельные значения мощности и напряжения, быстродействие, простота и дешевизна эксплуатации. До недавнего времени эти машины имели ограниченную область применения в силу сложности получения импульсов большой мощности, а также отсутствия (или невозможности реализации) высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих небольшие пульсации момента и высокий КПД. Однако с появлением в последние годы мощной преобразовательной и вычислительной техники ситуация меняется в сторону их более широкого применения в промышленности и других областях. И хотя вентильно-индукторные двигатели, строго говоря, не являются синхронными машинами, они тем не менее во многом похожи с шаговыми двигателями с точки зрения принципов формирования фазных токов и способов коммутации [2]. Но, естественно, эти машины имеют все-таки разное предназначение.

Для наиболее полного и эффективного решения задач автоматизации жизненно необходимым является требование модульного и однотипного выполнения как элементов используемого привода, так и привода в целом при его максимальной конструктивной и функциональной интеграции с другими компонентами технологического оборудования. За многие годы работ в этом направлении было предложено много вариантов решения проблемы, ставших уже классическими [5, 6]. Однако сегодня эти решения во многом не отвечают современным требованиям по массогабаритным показателям, показателям надежности, экономичности и универсальности. Благодаря развитию электронной техники на сегодняшний день уже не является проблемой получение разнообразных импульсных сигналов значительной мощности при сравнительно небольших размерах силовых модулей. Такие известные фирмы-производители электронной техники, как Motorola, Advanced Micro Devices, Maxim, International Rectifier, ST Microelectronics, Mitsubishi и др., предлагают большое количество как отдельных силовых ключей, так и интеллектуальных интегрально-гибридных модулей. А с появлением и быстрым развитием микропроцессорной техники, в частности, DSP-микроконтроллеров появились новые возможности создания многофункциональных устройств управления различными электроприводами (асинхронными, шаговыми, постоянного тока), обладающих следующими достоинствами:

- однотипное схемотехническое решение системы управления для приводов, выполняющих различные функции (программное управление, слежение и т. п.);

- универсальность и гибкость управления, состоящая в простоте коррекции программы при изменении условий эксплуатации, например нагрузки, при замене двигателя, модернизации оборудования и т.д.;

- развитые интерфейсы (в том числе и сетевые) для сопряжения с управляющей ЭВМ более высокого уровня и построения сложных взаимосвязанных систем гибких автоматических линий и робототехнических комплексов;

- простота регистрации и контроля параметров системы, диагностики неисправностей;

- снижение стоимости системы управления при более высокой ее надежности.

В нашей стране, с ее морально и физически устаревшим парком промышленного оборудования проблема создания конкурентоспособных и недорогих, но достаточно функциональных систем модульного комплектного автоматизированного электропривода, в том числе шагового и вентильно-индукторного, стоит особенно остро.

Цель данной диссертационной работы - на основе анализа современной силовой элементной базы и специализированных контроллеров для управления двигателями (в том числе с функциями цифровой обработки сигналов) выработать ряд комплексных предложений по построению и оптимизации аппаратно-программной части комплектных позиционных и скоростных приводов на базе шаговых и вентильно-индукторных машин как малой (до 200 Вт), так и большой (до 35 кВт) мощности. Под оптимизацией аппаратной части здесь подразумевается, во-первых, использование наиболее интегрированного решения с учетом мощности микропроцессорной части, во-вторых, разработка цифрового интерфейса сопряжения силовой и управляющей частей, минимизированного по числу контактов и обеспечивающего требуемую функциональность системы (например, одновременное управление несколькими осями). Основная проблема здесь в том, что для такого диапазона мощностей нагрузки не существует однотипной силовой элементной базы. Для приводов малой мощности удается на одном кристалле совместить силовую часть и реализовать многие функции системы управления, например, регуляторы тока, блоки коммутации и электрического дробления шага. Для приводов средней и большой мощности таких вы-сокоинтегрированных решений пока не существует. Оптимизация программной части включает в себя использование высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих, с одной стороны, снижение нагрузки на центральный процессор, с другой - обеспечение работы двигателя в наиболее оптимальном режиме, например, с точки зрения КПД, а также снижения пульсаций момента и его поддержания в широком диапазоне скоростей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

• Анализ существующих методов регулирования фазных токов и способов коммутации с указанием наиболее целесообразных областей их применения.

• Обзор перспективных интеллектуальных силовых модулей различной степени интеграции и специализированных микропроцессорных средств управления с целью выработки рекомендаций по их применению для построения приводов в широком диапазоне мощностей.

• Разработка модульной системы управления многоосевыми шаговыми электроприводами на базе специализированного микроконтроллера для управления двигателями и высокоинтегрированных инверторов тока с аппаратно реализованными контурами фазных токов, блоков коммутации и электрического дробления шага, включая оптимизацию цифрового интерфейса сопряжения силовой и управляющей частей.

• Разработка модульной системы управления шаговыми двигателями с интеграцией силовой и управляющей части на базе нового поколения специализированных DSP-микроконтроллеров и силовых модулей с встроенными датчиками тока.

• Разработка и оптимизация алгоритма автокоммутации фаз для управления пяти- и шестифазными вентильно-индукторными двигателями, приближенного к векторному управлению.

• Разработка комплектного шагового электропривода с модульной системой управления экспериментальным станком для волочения длинномерных изделий.

Для решения поставленных задач в первой главе проведен анализ существующих методов импульсного регулирования фазных токов. На примере двухфазного ШД рассмотрены основные способы коммутации фаз, включая режим электрического дробления шага. Основные достоинства и недостатки различных режимов работы прокомментированы с помощью результатов математического моделирования. Сделаны выводы о целесообразности использования того или иного метода поддержания тока и способа коммутации фаз в зависимости от требований к точности позиционирования, диапазону скоростей, ширине токового коридора и постоянству частоты коммутации ключей.

Во второй главе проведен сравнительный анализ перспективной элементной базы в области силовой электроники (интеллектуальные модули) и специализированных микропроцессорных средств управления двигателями.

Сформулированы основные требования к микроконтроллерам для реализации эффективного управления двигателями. Основные тенденции по обеспечению этих требований проиллюстрированы на примере специализированных микроконтроллеров серии "Motor Control", включая DSP, различных фирм (Intel и Texas Instruments).

Сделаны выводы о целесообразности использования той или иной элементной базы в зависимости от мощности привода и производительности микропроцессорной системы управления.

Третья глава посвящена основным этапам разработки системы управления многоосевым позиционным электроприводом на базе силовых интеллектуальных модулей высокой степени интеграции с аппаратно реализованными контурами фазных токов, блоками коммутации и электрического дробления шага.

Основное внимание уделено выбору силовой и микропроцессорной элементной базы, а также проектированию и оптимизации цифрового интерфейса их сопряжения. В главе обоснована модульная структура ПО и приведены принципы построения оптимизированных по быстродействию программных драйверов для реализации одиночной, парной, смешанной коммутации и микрошагового управления.

Также приведен пример теплового расчета инвертора.

В четвертой главе решаются вопросы разработки систем управления позиционным шаговым электроприводом с интеграцией силовой и управляющей части. Предложена структура одноплатного модуля инвертора тока, и показана перспективность использования силовых интеллектуальных модулей средней степени интеграции с встроенными датчиками тока и программной реализации контуров фазных токов, блоков коммутации и электрического дробления шага на базе высокопроизводительных DSP-процессоров для приводов малой и средней мощности.

На базе DSP-процессора TMS320F241 фирмы Texas Instruments разработан алгоритм программной идентификации знака тока.

Приведены экспериментальные осциллограммы фазных токов, доказывающие эффективность разработанных алгоритмов.

Пятая глава посвящена разработке аппаратного и программного обеспечения систем автокоммутации вентильно-индукторных приводов средней мощности (до 35 кВт) в режимах, приближенных к векторному управлению.

В главе приведены основные особенности построения аппаратной части системы управления многофазными ВИП и структура замкнутой системы регулирования скорости. Обосновано использование для этих целей высокопроизводительного DSP-микроконтроллера TMS320LF2407A.

Разработан высокоэффективный алгоритм автокоммутации фаз, приближенный к векторному управлению. Приведена структура его программной реализации, включая модули ограничения фазных токов и расчета углов коммутации/отключения в функции текущей скорости.

Предложен метод оптимизации разработанного программного обеспечения по быстродействию.

Приведены экспериментальные данные, полученные на опытно-промышленных образцах ВИП, подтверждающие эффективность реализованного алгоритма.

Шестая глава посвящена практическому применению результатов работы, а именно - проектированию модульной системы управления двухосевым шаговым электроприводом для экспериментального волочильного станка.

Приведены результаты экспериментов, доказавших работоспособность предложенных алгоритмов управления.

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложении приведены основные положения использованного при моделировании математического описания двухфазного шагового двигателя ДШИ-200, а также акты внедрения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Трофимов С. А. Система управления волочильным станком для волочения длинномерных изделий // Пятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов : Тез. докл. - М., Моск. энерг. ин-т, 1999. - Т. 2. - С. 214 - 216.

2. Трофимов С. А. Инверторы для прямого цифрового управления шаговыми двигателями на основе самозащищенных мостов с интегрированными датчиками тока // Шестая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - М., Моск. энерг. ин-т, 2000. - Т. 2. - С. 108.

3. Козаченко В. Ф., Обухов Н. А., Трофимов С. А. Малогабаритный инвертор тока для управления шаговыми двигателями на базе интеллектуальных силовых ключей и микроконтроллера TMS320F241 // Электропривод и системы управления. - М., Моск. энерг. ин-т, 2001. - Вып. 677. - С. 53 - 67

4. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями / Темирев А., Козаченко В., Трофимов С. и др. // Chip News. - 2002. - №4. - С. 24 - 30.

5. Применение DSP-микроконтроллеров фирмы Texas Instruments в преобразователях частоты «Универсал» с системой векторного управления / Козаченко В., Обухов Н., Трофимов С. и др. // Электронные компоненты. - 2002. - №4. -С. 61-64.

6.5. Выводы по главе.

1. Сделано введение в проблему волочения длинномерных изделий и показана перспективность идеи компенсации возмущающих воздействий путем изменения положения волокодержателя в пространстве.

2. Проведен информационный анализ самоустанавливающегося волокодержателя с качающейся волокой, на основе которого был определен набор необходимых датчиков (углового положения и усилия), и разработана соответствующая плата их сопряжения с микропроцессорной системой управления.

3. Разработана модульная конструкция блока управления двухосевым шаговым электроприводом.

4. На основе кинематического и математического анализа объекта управления разработан алгоритм управления волокодержателем.

5. Экспериментально подтверждена работоспособность предложенных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ существующих методов регулирования фазных токов и способов коммутации с указанием наиболее целесообразных областей их применения.

2. На основе обзора современной силовой и специализированной микропроцессорной элементной базы даны рекомендации по ее использованию для построения систем управления приводами приводов разной мощности.

3. Разработана система управления многоосевым позиционным электроприводом на базе высокоинтегрированных инверторов тока, включая проектирование цифрового интерфейса сопряжения с микроконтроллером и оптимизацию алгоритмов управления.

4. На базе специализированного DSP-микроконтроллера и силовых интеллектуальных модулей средней степени интеграции с встроенными датчиками тока предложена структура одноплатного модуля инвертора тока с интеграцией силовой и управляющей части; разработан и отлажен (на макетном образце) оригинальный алгоритм восстановления истинного знака фазных токов, а также ПО, реализующее контуры фазных токов, блок коммутации и электрического дробления шага; эффективность решений подтверждена экспериментально.

5. Проведена отработка и реализация высокоэффективного алгоритма автокоммутации фаз, приближенного векторному управлению, для замкнутых систем регулирования скорости целого ряда многофазных вентильно-индукторных приводов для спецприменений мощностью от 1.1 до 32.5 кВт, выпуск которых освоен на опытном заводе Института биологического приборостроения Российской академии наук в г. Пущино Московской области (акт внедрения прилагается).

6. Разработан универсальный блок управления двухосевым шаговым электроприводом, использованный в экспериментальном станке для волочения

148 длинномерных изделий; сделана модернизация измерительной части данной системы, и проведены эксперименты по изучению ее метрологических характеристик; разработан алгоритм управления волокодержателем, работоспособность которого доказана в ходе экспериментов (Заказчик - ООО «Русмед-М», акт внедрения прилагается). Результаты работы могут быть использованы при разработке замкнутых и разомкнутых систем управления шаговым и вентильно-индукторным приводом.

1. Атаев Д. И., Болотников В. А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник. 2-е изд. - М.: Изд-во МЭИ, ПКФ «Печатное дело», 1992. - 240 е., ил.

2. Бычков М. Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. М., 1999.-354 с.

3. Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 320 е.: ил.

4. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под общей ред. М. Г. Чиликина. -М.: Энергия, 1971. 624 с.

5. Ивоботенко Б. А., Козаченко В. Ф. Шаговый электропривод в робототехнике / Под ред. Л. А. Садовского. М.: МЭИ, 1984. - 100 с.

6. Ивоботенко Б. А., Козаченко В. Ф. Проектирование шагового электропривода/ Под ред. Л. А. Садовского. М.: Моск. Энерг. Ин-т, 1985. - 100 с.

7. Ильинский Н. Ф. Элементы теории эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МЭИ, 1983.- 92 с.

8. Ключев В. И. Теория электропривода. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с. с ил.

9. Козаченко В. Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. -М.: Издательство ЭКОМ, 1997. 688 е., ил.

10. Маслов А. П. Основы теории динамических систем управления процессом волочения. М.: изд-во ООО «Русмед-М», 1999. - 48 с.

11. Нестеренко Б. К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 128 е., ил.

12. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов. 11-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 1995. - 416 с. ил.150

13. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 е., ил.

14. Автоматическое устройство волочения длинномерных изделий: Патент на изобретение 2144442 РФ / А. П. Маслов.

15. Intel / Intel 8ХС196МС User's manual, 1992.

16. International Rectifier: интернет-документ. http://www.irf.com, 2002.

17. Mitsubishi / 3rd Generation IGBT and intelligent power modules application manual, 1996.-88 p.

18. National Semiconductor: интернет-документ, http://www.national.com, 1999.

19. SGS-Thomson/ Smart power: Application manual. 1st Edition, 1989.

20. SGS-Thomson / Subsystems: Databook. 1st Edition, 1994.

21. Siemens: интернет-документ, -http://www.siemens.de/semiconductor, 2001.

22. ST Microelectronics: интернет-документ. http://www.st.com, 2002.

23. Texas Instruments: интернет-документ. http://www.ti.com, 2001, 2002.