Название: Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники(И.А. Баховцев )

Жанр: Технические

Просмотров: 1332


2.3. построение и реализация программной мпсу

управляемым выпрямителем

2.3.1. Назначение программной МПСУ

управляемым выпрямителем

Очевидно, что основными в программной системе управления УВ являются функции модулятора и алгоритмического распределения (см. п. 1.5). Однако микропроцессорная реализация имеет свои особенности. Чтобы последние были правильно использованы и/или отрицательно не влияли на характеристики системы управления, необходима конкретизация требований. В этой связи более

детально общую задачу разомкнутой МПСУ управляемым выпрямителем можно сформулировать следующим образом: формирование временного интервала ta, пропорционального углу управления a, с выполнением следующих условий:

– относительно ТЕК;

– в требуемом диапазоне изменения a (0...amax);

– с заданной точностью;

– с формированием необходимой длительности импульсов управления tи;

– с учетом эквивалентной фазности управляемого выпрямителя (т. е. числа вентилей);

– с учетом заданного порядка включения вентилей.

Построение МПСУ управляемым выпрямителем с учетом приведенных выше условий рассмотрено ниже.

2.3.2. Блок синхронизации с сетью

Важнейшим условием реализации в МПСУ УВ функций модулятора и алгоритмического распределения является синхронизация работы МПСУ с питающей сетью. Эту задачу, как было сказано выше, выполняет блок синхронизации с сетью (см. рис. 2.2). В частности, именно с его помощью реализуются первое и последнее условия в вышеприведенном списке. Для этого данный блок должен:

формировать синхронизирующие импульсы, передние фронты которых по времени должны совпадать с ТЕК;

определять текущую полярность линейных сетевых напряжений, формируя соответствующее слово состояния фаз.

Наиболее эффективный способ «привязки» процессов в МПСУ с процессами в сети – это использование процедуры прерывания. Поэтому блок синхронизации с сетью  в моменты ТЕК должен формировать не просто импульсы, а сигналы запроса на прерывание.

В соответствии с вышесказанным, а также с общими принципами построения внешних устройств, к которым относится и БСС, можно разработать его функциональную схему, один из вариантов которой показан на рис. 2.3. На рис. 2.4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу БСС.

 

Рис. 2.3

 

Сетевое напряжение поступает на трехфазный трансформатор (Тр), первичные и вторичные обмотки которого соединены соответственно в звезду и в треугольник (U/D). В результате на выходе получаем уменьшенные в заданное число раз фазы линейного сетевого напряжения, переход через нуль которых происходит в ТЕК. Эти напряжения поступают на соответствующие входы трехканального устройства сравнения (УС), состоящего из трех компараторов. На второй вход каждого компаратора подается нулевое напряжение. На выходе устройства сравнения формируются три меандра, сдвинутые друг относительно друга на 120 эл. град. Полученные меандры, или селекторные импульсы, SAC, SBA, SCB (рис. 2.4) поступают далее на свои одновибраторы (ОВ), которые формируют на выходе узкие импульсы как по фронту, так и по спаду входного сигнала, т. е. два импульса на периоде сети. Полученные импульсы объединяются в буферном логическом элементе 3ИЛИ, выходной сигнал которого INT1 поступает на соответствующую линию запроса прерывания интерфейса МПСУ.

 

 

Рис. 2.4

По сигналу INT1 микропроцессор заканчивает выполнение текущей команды и по соответствующей аппаратной процедуре переходит к подпрограмме обслуживания запроса на прерывание. Одной из операций в подпрограмме должно быть чтение текущего слова состояния фаз. Операция реализуется типовым циклом «Ввод» с формированием адреса БСС и интерфейсного сигнала RD (см. рис. 2.3). Эти адрес и сигнал формируют в дешифраторе адреса и управляющих сигналов ДША/ДШУ внутренний сигнал чтения слова состояния фаз (ССФ) RD1, который переводит трехразрядный буфер данных из z-состояния в рабочее, воздействуя на вход ОЕ (Output Enable – выход доступен) и обеспечивая тем самым передачу сигналов SAC, SBA, SCB на линии D0 – D2 шины данных (ШД), т. е. передачу в микропроцессор ССФ в двоичном (\%) коде.

Согласно требованиям, предъявляемым к периферийным устройствам, формирующим запрос на прерывание, данный запрос должен управляться со стороны микропроцессора, т.е. запрещаться/разрешаться. Для этого в представленной структуре предназначена «Схема прерывания». Когда микропроцессор запишет в нее разрешающий уровень, например, через линию D0 шины данных, только тогда сигнал разрешения прерывания «Разр. пр» обеспечит прохождение сигнала INT1 в магистраль МПСУ. Так работает блок синхронизации с сетью, структурная схема которого представлена на рис. 2.3.

Теперь остановимся подробнее на слове состояния фаз – двоичном числе, считываемом с БСС: определим его роль в распределении импульсов управления.

Если посмотреть на фазные напряжения UA, UB, UC с точки зрения их амплитуд (рис. 2.4), то можно выделить на периоде сети шесть одинаковых по длительности (60-градусных) зон, отличающихся друг от друга фазными напряжениями, имеющими в течение них максимальные значения. Например:

t1 – t2 – зона, на которой наибольшее значение имеет фаза UA, а наименьшее – фаза UB. Этой зоне соответствует ССФ, равное 5 (101, см. рис. 2.4);

t2 – t3 – зона, на которой наибольшее значение имеет фаза UA, а наименьшее – фаза UС. Этой зоне соответствует ССФ, равное 1 (001, см. рис. 2.4).

Аналогичную информацию можно записать и для остальных четырех интервалов. На новом периоде сети все будет повторяться.

Если вспомнить правило работы трехфазного неуправляемого выпрямителя [23], то можно увидеть, что выделенные нами ранее зоны – это интервалы, в начале которых включаются очередные диоды. Причем здесь имеет место однозначное соответствие: зоне, для которой ССФ = 5, соответствуют включение вентиля V1 и продолжение работы вентиля V6; зоне, для которой ССФ = 1, соответствуют включение V2 и продолжение работы V1 и т. д. Это соответствие отражено на рис. 2.4. (Включенному состоянию вентиля соответствует 1.)

Таким образом, можно сделать вывод: слово состояния фаз однозначно определяет номер диода, включаемого (естественным образом) в трехфазном выпрямителе.

Если вернуться к управляемому тиристорному трехфазному выпрямителю, то можно увидеть, что в этих же зонах должен быть включен одноименный (с диодом) тиристор, если угол управления a < 60 эл. град. Если 60 < a < 120 эл. град., то нетрудно видеть, что картина соответствия смещается на один шаг (интервал) вправо: вентиль V1 должен включаться в зоне, для которой ССФ = 1; вентиль V2 – в зоне, для которой ССФ = 3, и т. д. Если 120 < a < 180 эл. град., то картина соответствия смещается еще на один шаг вправо. Таким образом, и применительно к трехфазному управляемому выпрямителю можно сказать, что ССФ однозначно определяет номер вентиля, включаемого в трехфазном выпрямителе в данной 60-градусной зоне.

Зная, какой вентиль нужно включить в зоне, для которой считано ССФ, можно правильно распределить сформированные импульсы управления, т. е. реализовать функцию алгоритмического распределения.

Обратимся снова к рис. 2.4. Содержимое колонок можно также рассматривать как цифровую информацию, если состоянию каждого вентиля привести в соответствие состояние определенного разряда шины данных. Данная информация определяет, какой вентиль в данной зоне должен быть включен. Назовем эту информацию «словом состояния вентилей» (ССВ) и дадим определение.

 

Слово состояния вентилей – это двоичное шестиразрядное число, состояние каждого бита которого (1/0) определяет очередное состояние (включить/выключить) соответствующего этому биту вентиля вентильного преобразователя.

 

Таким образом, сигнала INT1 и ССФ достаточно, чтобы правильно отсчитать угол регулирования a, сформировать импульс управления и правильно его распределить между тиристорами. В разных типах МПСУ УВ информация из блока синхронизации с сетью используется по-разному. Это определяется, в частности, типом фазосдвигающего устройства, реализованным в МПСУ. Данный вопрос рассматривается в следующем разделе. Чтобы отличать фазосдвигающее устройство в МПСУ от фазосдвигающего устройства в системах, построенных на другой элементной базе, будем в дальнейшем рассматриваемый вариант обозначать как микропроцессорные ФСУ (МП ФСУ).

В заключение данного раздела сделаем еще одно важное замечание. На рис. 2.4 величина указанных выше интервалов обозначена как Тип – интервал повторения работы выпрямителя. Он ограничен ТЕК и определяет интервал между коммутациями соседних (по номеру) диодов в неуправляемом выпрямителе. Очевидно, что такой же по длительности интервал будет и между коммутациями соседних тиристоров в управляемом выпрямителе в статике, т.е. при постоянном значении угла управления.

Интервал повторения имеет большое значение для работы МПСУ УВ. Во-первых, ТЕК определяют моменты времени, относительно

которых формируется угол a. Но прежде чем его формировать, данный угол должен быть известен заранее. Тип – это интервал времени, в течение которого должен быть рассчитан новый угол управления –

конечный результат алгоритма расчета МПСУ. Так в данном случае производится совмещение дискретности работы вентильного преобразователя с дискретностью управления микропроцессорной системы (см. пп. 1.3 и 1.4).

 

2.3.3. Классификация микропроцессорных

фазосдвигающих устройств

К настоящему времени накоплен богатый опыт разработки МПСУ УВ, который соответствующим образом был обобщен [1–8, 10–13]. В контексте реализации программных систем управления была произведена классификация МПСУ УВ по методам реализации микропроцессорных фазосдвигающих устройств [3]. Укажем классификационные признаки и деление по ним таких устройств.

I – по способу организации момента отсчета временного интервала: синхронные и асинхронные.

II – по числу каналов в МП ФСУ: одноканальные и многоканальные.

III – по способу распределения импульсов управления: с подпрограммой прерывания от таймера и без подпрограммы прерывания от таймера.

IV – по способу формирования временного интервала – фазового сдвига: с программным и аппаратным формированием угла управления.

Рассмотрим суть данных признаков и соответствующие виды микропроцессорных фазосдвигающих устройств.

2.3.4. Способы формирования фазового сдвига

В данном разделе пойдет речь о методах реализации функции модулятора, формирующего временной интервал ta, пропорциональный углу a.

Известны два способа формирования ta: программный и аппаратный.

Программный способ основан на том факте, что любая команда микропроцессора выполняется за определенное число периодов (тактов) частоты синхронизации микропроцессора. Требуемую временную длительность можно выразить через число тактов или, соответственно, через определенное число команд, которые должен выполнить микропроцессор для формирования требуемой временной задержки. Процедура формирования временного интервала обычно заключается в подпрограмму и реализуется в виде программного цикла по известной структуре: счетчик циклов, тело цикла, модификация счетчика циклов, опрос условия выхода из программного цикла [32, 33].

Данную процедуру можно представить как формирование временного интервала с помощью «программного счетчика». Аналогом периода тактирующих сигналов, или дискретности формирования временного интервала, служит время одного прохода тела цикла (Тц). Формируемый интервал будет пропорционален Тц  и числу, записанному в счетчик циклов.

Важным достоинством программного способа формирования временных интервалов является простота аппаратной реализации: необходим только микропроцессор (!) и ничего больше. Однако в данном способе много недостатков:

неэффективное использование микропроцессора: выполняет элементарные, однотипные операции, его интеллектуальные возможности не используются;

возможен только одноканальный вариант ФСУ (см. п. 2.3.5);

сокращение функций, реализуемых МПСУ;

ограниченный диапазон угла регулирования (< 60 эл. град.).

Поясним два последних недостатка. Обозначим время, необходимое для формирования максимального угла управления, как ta max, а время, необходимое для выполнения остальных функций, в том числе подпрограммы обслуживания прерывания по сигналу INT1, как tр. Как было сказано выше, весь алгоритм расчета должен быть выполнен за интервал повторения. Таким образом, для выполнения всех функций должно выполняться неравенство

         Тип ³ ta max + tр.        (2.1)

Графически эта ситуация изображена на рис. 2.5.

 

 

Рис. 2.5

Нетрудно видеть, что чем больше максимальный угол управления (интервал ta max), тем меньше времени остается на выполнение остальных функций. Очевидно, что при таком способе реализации функции модулятора максимальный угол регулирования равен 60 эл. град. (во временной области – Тип). Но в этом случае другие функции уже реализовать невозможно, за исключением, может быть, функции алгоритмического распределения, которая на фоне интервала Тип выполняется практически мгновенно.

Стратегическая функция регулятора требует, как правило, много времени на реализацию, что автоматически снижает возможный угол a (ta max) и, соответственно, диапазон регулирования выходного напряжения.

В процессе разработки МПСУ возможны два пути решения неравенства (2.1). Причем, как правило, Тип и тип регулятора заданы и вариации не подлежат. Тогда, если задано ta max (меньше Тип), то можно определить время расчета регулятора, а значит, быстродействие и тип микропроцессора. Если же задан микропроцессор, т. е. известно tр, то определяется максимально возможный угол регулирования, который обеспечивается выбранной микропроцессорной элементной базой.

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 ta 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 Тс, максимальный угол управления amax (например, в радианах) и относительная погрешность угла управления, исчисляемая относительно его максимального значения .

Требуется определить разрядность счетчика n, максимальное число Na max, соответствующее amax, и период (частоту) тактирующих импульсов Тт (для программного счетчика он соответствует времени одного прохода цикла Тц).

Расчет указанных параметров чаще всего представляет собой итерационный процесс. Будем со штрихом обозначать рассчитанные параметры первой итерации. Также предположим, что формируемое время равно , где Na – 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

2n ³ N'a max.

2. Определение максимального временного интервала:

         ta max =  amax /2p.

3. Определение периода тактирующих импульсов (или Тц):

         T ¢т £ ta max / N¢a max.

4. Определение коэффициента деления тактирующих сигналов программируемого таймера:

         Kдел = [¦BUS] = [/ТBUS].

5. Уточнение рассчитанных параметров (вторая итерация):

         Тт =  Kдел,  Na max = [ta max / Тт], n – из условия 2n ³ Na 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/mэ (mэ – 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 V1 (a1max) никогда не перекрывается с аналогичным углом для четвертого вентиля V4 (a4max). 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 V1, отсчитываемый от точки J1, как нужно уже начинать формировать угол управления для вентиля V3. 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 при a £ 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 ta, 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 INT1, 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 (Na) и запуск его на счет. После завершения подпрограммы микропроцессор продолжает выполнять прерванную головную программу. Вопрос формирования импульсов управления (после отработки таймером интервала ta) 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 Na. 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

Силовая схема

b0, эл. град.

Тип, мс

mэ = 2

180

10,0

mэ = 3

120

6,66

mэ = 6

60

3,33

 

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/mэ.

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 INT2). 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 Da будет равен b0. 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.

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.

В текущем режиме 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).

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.

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 Damin. 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

п/п

Синхронное

Асинхронное

1

Синхронизация от БСС

Синхронизация от БСС (при первом включении) и от ПТ

2

Время расчета постоянное

Время расчета переменное

3

Вычисляется a

Вычисляется Da

4

Работа возможна в разомкнутой и замкнутой системах

Работа возможна только в замкнутой системе

5

Усложнение алгоритма управления в одноканальном варианте при a > b0

Простота и постоянство алгоритма работы при любом угле a

6

Возможен практически любой скачок угла управления

Скачок угла управления ограничен в сторону уменьшения

7

Неработоспособно в сетях с искажениями

Работоспособно в сетях с искажениями

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 ADR1 и ADR2. 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 WR1) код Na, определяющий длительность формирования требуемого интервала, и запускает его на счет (пусть это происходит автоматически при записи данных). Отсчитав заданное число периодов тактирующих сигналов fт и сформировав тем самым интервал ta, программируемый таймер создает на выходе импульс, который поступает на линию INT2 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 ADR2 шестиразрядного слова состояния вентилей, которое записывается внутренним сигналом WR2. Этот же сигнал поступает на вход одновибратора, который формирует требуемую длительность управляющего импульса tи, 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 (у1 – у6) через усилители и гальваническую развязку непосредственно поступают на вентили.

у1

 

 

 

у2

 

 

 

у3

 

 

 

у4

 

 

 

у5

 

 

 

у6

 

 

 

 

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 WR2 на вход одновибратора не поступает), а затем код Na – 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 INT2, 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.

2.3.8. Особенности реализации одноканальных

синхронных ФСУ при больших углах управления

Напомним, что под большим углом регулирования здесь понимается угол a > b0. Именно в связи с такой величиной угла регулирования в разд. 2.3.5 применительно к одноканальным микропроцессорным ФСУ говорилось о возникновении конфликта: с началом нового интервала повторения один ПТ должен одновременно формировать два различных временных интервала, что, естественно, невозможно. Также было сказано, что этот конфликт можно разрешить программным способом. К настоящему моменту читатель познакомился с достаточным количеством материала, чтобы понять принцип решения этой проблемы.

Для ясности изложения сформулируем заново основные свойства микропроцессорного ФСУ, для которого решается данная проблема:

объект управления – трехфазный управляемый мостовой выпрямитель;

микропроцессорное ФСУ – синхронное, т. е. отсчет a производится от ТЕК;

микропроцессорное ФСУ – одноканальное, следовательно, в системе один программируемый таймер;

максимальный угол управления, формируемый таймером, меньше 60 эл. град.;

распределение импульсов происходит без подпрограммы прерывания от ПТ;

возможно прерывание от ПТ.

Задача – реализовать при данных условиях угол регулирования во всем диапазоне, т.е. от нуля до 180 эл. град.

Представим величину угла управления в следующем виде:

         a = n* b0 + a*,                (2.3)

где n = [a/b0] – целая часть частного (n = 0, 1, 2); a*= {a/b0} – дробная часть частного (очевидно, что a*< b0).

Нетрудно видеть, что коэффициент n показывает, в каком интервале повторения относительно данной ТЕК должно закончиться формирование соответствующего угла управления. Если он должен закончиться на том же интервале повторения, от начала которого он отсчитывается, то n = 0, если на следующем интервале, то n = 1, и т. д. Для упрощения терминологии будем называть эти интервалы повторения зонами, а n – номером зоны.

В соответствии с выражением (2.3) предлагается:

посредством ПТ формировать только угол a*, который всегда меньше b0 и, соответственно, может быть сформирован этим ПТ, согласно приведенным выше условиям;

остальные части угла a, кратные b0, не формировать, так как по принципу работы управляемого выпрямителя все равно на каждом интервале повторения должна происходить только одна коммутация вентиля, по крайней мере, в установившемся режиме.

Но возникает другая проблема – реализация функции алгоритмического распределения, а именно на какой вентиль следует подать импульс управления, для которого формирование угла a* закончилось на данном интервале повторения.

Вспомним работу блока синхронизации с сетью. Помимо сигналов INT1, совпадающих с ТЕК, он формирует ССФ сети, которое позволяет, как было сказано выше, правильно распределить импульсы управления (составить ССВ) на интервале повторения , соответствующем считанному ССФ. Таблицу, паредставленную на рис. 2.4, преобразуем в табл. 2.3. Колонка «n = 0» полностью соответствует таблице на рис. 2.3, этя колонка, в частности, указывает, какой вентиль нужно включать при том или ином ССФ, если a < b0. Например, при ССФ, равном 5, должен включаться V1. Если же угол управления находится в пределах b0 < a < 2b0 (т. е. n = 1), то данный вентиль должен быть включен на следующем интервале повторения, для которого ССФ равно 1. То же самое будет справедливо и для других вентилей. Таким образом, информация в колонке «n = 1» отличается от информации в колонке «n = 0» циклическим сдвигом вниз на одну строку. Для колонки «n = 2» также нужно сделать сдвиг данных относительно информации в колонке «n = 1». Таким образом, табл. 2.3 позволяет однозначно распределить импульсы управления в одноканальных синхронных микропроцессорных ФСУ при любом значении угла управления.

Рассмотрим теперь работу такого микропроцессорного ФСУ в динамике, т. е. при изменении угла управления, причем при изменении с переходом из одной зоны в другую, что в табл. 2.3 соответствует переходу к другому значению «n». В упрощенном виде работа микропроцессорного ФСУ, а также процессы в управляемом выпрямителе изображены на рис. 2.9, здесь кривая выходного напряжения Uda – утолщенная линия.

Весь интервал времени, представленный на рисунке, разбит на три подынтервала, на каждом из них происходит управление вентилями управляемого выпрямителя с разным углом a. Причем на первом подынтервале a1 < b0, на втором – b0 < a2 < 2b0, на третьем – снова a3 < b0. Под эпюрами кривой выходного напряжения приведены ССФ интервалов повторения, номера включаемых на этих интервалах повторения вентилей, а также обозначены интервалы работы вентилей V1...V6.

Т а б л и ц а  2.3                        

Порядок включения вентилей в одноканальных

синхронных микропроцессорных ФСУ

ССФ

n = 0

n = 1

n = 2

5

V1

V6

V5

1

V2

V1

V6

3

V3

V2

V1

2

V4

V3

V2

6

<\/a>") //-->