V003523 Дипломная работа Разработка микроконтроллерной системы управления преобразователем частоты

ВВЕДЕНИЕ

Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки.

Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники. Современная промышленность характеризуется использованием высокоэффективных технологий, стремлением добиться высоких эксплутационных характеристик оборудования и уменьшить потери. Все это возможно только при условии повышения качества управления технологическим процессом, в том числе применение высокоэффективных систем управления технологическими объектами и процессами.

На данный момент основные затраты при разработке систем управления приводами приходятся не на создание аппаратной части контроллера, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения. Поэтому роль специалистов в области теории электропривода существенно возрастает.

Именно поэтому тема данного дипломного проекта «Разработка микроконтроллерной системы управления преобразователем частоты» является актуальной.

1 Системы управления современными преобразователями частоты

1.1 Особенности аппаратной и программной реализации

современных систем управления

Современные системы управления электроприводов строятся на базе взаимосвязанных физических принципов, способов организации управления и взаимодействия функциональных элементов системы. Выделяют две основные задачи, решаемые регулируемым электроприводом: управление моментом и скоростью вращения электродвигателя.

Преобразователи частоты, как правило, конструктивно строятся по модульному принципу, позволяющему вводить в них дополнительные функциональные модули, которые в сочетании со встроенными программными средствами позволяют получить различную конфигурацию электропривода, отвечающего требованиям заказчика, – от простейших разомкнутых до точных замкнутых систем позиционирования. Модульность архитектуры позволяет разработчику электронного устройства в достаточно короткий срок, с минимальными финансовыми затратами, получить более простое в эксплуатации ремонтопригодное устройство, с заданными и минимально избыточными аппаратными средствами.

На рисунке 1 изображена типовая схема преобразователя частоты. Графики токов и напряжений на выходе элементов преобразователя показаны в нижней части рисунка.

На выпрямитель 1 подается переменное напряжение (uвх) с постоянной амплитудой и частотой. Фильтр 2 предназначен. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр). Выпрямитель и емкостный фильтр 2 образуют звено постоянного тока. На вход автономного импульсного инвертора 3.с выхода фильтра поступает постоянное напряжение ud.

Рисунок 1 – Типовая структурная схема преобразователя частоты

В современных низковольтных преобразователях частоты автономный инвертор, как правило, выполняют на основе силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT. На рисунке 1 показана схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения.

Назначение инвертора заключается в преобразовании постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. Подключение обмоток электрического двигателя через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока осуществляется по сигналам системы управления. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Именно таким образом система управления производит широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Параметры модулирующей синусоидальной функции определяют амплитуду и частоту напряжения. При несущей частоте ШИМ в диапазоне 2 – 15 кГц, через обмотки двигателя протекают практически синусоидальные токи, поскольку, вследствие их высокой индуктивности они работают как фильтр.

В случае использования управляемого выпрямителя 1, амплитуду напряжения uи можно изменять за счет регулирования величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора. Для сглаживания пульсаций тока на выходе автономного инвертора часто устанавливается фильтр 4. Вследствие низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении IGBT, фильтр 4 обычно отсутствует.

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = vаr, fвых = vаr).

Немаловажной частью любого преобразователя частоты является система управления. Цифровой сигнальный процессор (DSP) является основным и наиболее важным компонентом систем управления современных преобразователей частоты. Применение данного типа процессоров обычно связано с необходимостью выполнения большого числа сложных операций в режиме реального времени, для реализации необходимых алгоритмов управления.

В системе управления может использоваться как один, так и несколько процессоров. Исходя из этого, различают однопроцессорные и многопроцессорные системы управления преобразователем частоты.

Повышенные требования по наличию встроенных периферийных модулей и портов ввода-вывода, по объему памяти и быстродействию являются существенными недостатками однопроцессорных систем: Кроме того, значительно усложняется разработка программного обеспечения. Однако простота аппаратной и программной реализации, при решении задач управления невысокой сложности, остается одной из основных причин их применения в современных системах цифровой обработки сигналов.

В настоящее время большинство преобразователей строятся на двухпроцессорной основе. На первый процессор возложены  основные функции преобразователей частоты, такие как реализация алгоритмов управления инвертором, выпрямителем, опрос датчиков и т.д., второй  обеспечивает работу пульта управления, связь с системой верхнего уровня и другие сервисные функции.

Достоинства двухпроцессорной системы по сравнению с однопроцессорной – снижение требований к процессорам по встроенной периферии, быстродействию и объему памяти; возможность применения единого интерфейса для связи центрального контроллера с пультом управления и системой автоматизации верхнего уровня; значительное упрощение разработки программного обеспечения для каждого из контроллеров.

С помощью блока формирования шестиканального ШИМ-сигнала с автоматическим добавлением «мертвого времени» можно осуществлять управление драйверами инвертора. Большинство производителей микроконтроллеров ШИМ-модуль реализуют аппаратно. Для получения формы выходного напряжения, близкой к синусоидальной (что особенно критично при скалярном управлении), обычно используется аппаратная или программная коррекция «мертвого времени». Кроме этого, в случае аварии в большинстве систем предусмотрена аппаратная блокировка сигналов ШИМ.

Еще одним компонентом систем управления является пульт управления.

Управление преобразователем может осуществляться с помощью пульта (возможно удаленного), дискретных или аналоговых входов.

Пульт управления в современных преобразователях частоты содержит специализированные кнопки, а также в отдельных случаях возможно наличие цифровой клавиатуры. Необходимая информации обычно отображается посредством одно- или двухстрочного ЖКИ или нескольких семисегментных индикаторов. Для индикации режимов работы чаще всего используют светодиоды. В процессе эксплуатации на индикаторе происходит отображение информация о возникших неисправностях, что позволяет проводить контроль состояния электропривода. Для того чтобы, подключать пульт к преобразователям частоты только при необходимости и использовать один пульт для нескольких преобразователей, он делается съемным.

Современные преобразователи частоты имеют также в своем составе модули расширения. Модули или платы расширения могут содержать в своем составе, как аналоговые и дискретные входы и выходы, так и интерфейсы связи. Обязательным структурным компонентом аналоговых входов и выходов на платах расширения является встроенный источник питания. Аналоговые входы и выходы большинство производителей выполняют гальванически развязанными от системы управления и дискретных входов и выходов. С помощью пульта управления можно задавать функции, выполняемые аналоговыми входами и выходами.

Аналоговые входы чаще всего используются для подключения датчиков обратной связи по технологическим параметрам (для этих целей, как правило, предусматривается один вход напряжения и один вход тока). Большинство современных преобразователей частоты имеют также вход для подключения потенциометра, который используется в качестве задатчика выходной частоты, в случае скалярного метода управления. Для питания задатчика частоты используется встроенный источник питания (обычно 10 В). В некоторых конструкциях преобразователей возможно наличие дополнительного входа для подключения датчика температуры двигателя (терморезистора).

Индикация одного из параметров состояния преобразователей частоты – именно такое основное назначение аналоговых выходы. К таким параметрам, например, относятся: текущая выходная частота или расчетное значение момента на валу двигателя). Выходы напряжения и выходы тока позволяют подключать амперметры и вольтметры. Формирование выходных аналоговых сигналов осуществляется с помощью ЦАП (как правило, 10-битных). Выходное напряжение также можно формировать методом широтно-импульсной модуляции.

Для подключения внешних управляющих сигналов, поступающих с электромагнитных реле, а также формирования сигналов управления такими реле используются дискретные входы и выходы на модулях расширения.

Обычно в преобразователях частоты имеется от четырех до восьми дискретных входов типа «открытый коллектор». Эти входы выполняют следующие функции: управление отключением и реверсом, выбор одной из трех выходных частот (или скоростей вращения ротора), аварийное отключение преобразователей частоты. Как и аналоговые, все дискретные входы выполняют гальванически развязанными от системы управления.

Выделяют две категории дискретных выходов: выходы типа «открытый коллектор» для работы с внешними логическими схемами и силовые («релейные») выходы для управления внешними электромагнитными реле. Платы расширения обычно содержат два релейных выхода, имеющих пару нормально замкнутых и пару нормально разомкнутых контактов, а также четыре выхода типа «открытый коллектор». С пульта управления обычно задаются функции выходов. Наиболее часто встречающиеся функции управления –  это «ГОТОВНОСТЬ», «ПЕРЕГРУЗКА», «АВАРИЯ». Все дискретные выходы гальванически развязаны между собой, а выходы типа «открытый коллектор» имеют общий нулевой сигнал.

Входы для подключения датчика скорости типа «энкодер» обычно применяются для построения систем с обратной связью по скорости. Модуль сопряжения с датчиком скорости может входить в стандартную комплектацию преобразователей частоты или выполняться в виде платы расширения. Для питания дискретных входов и датчика скорости используется встроенный источник питания (обычно 24 В).

Для хранения настроек системы, калибровочных параметров, журнала аварий и другой информации используется дополнительная энергонезависимая память на основе микросхем Flesh-памяти. Многие микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры имеют возможность сохранения данных во внутренней энергонезависимой памяти.

Важным этапом при проектировании систем управления является разработка программного обеспечения для управления силовой частью преобразователя и организации пользовательского интерфейса.

Выделяют ряд задач, решаемых программным обеспечением современных преобразователей частоты:

1) Реализация различных методов формирования выходного напряжения, а также методов управления электродвигателем.

2) Управление входным выпрямителем, в случае если используется управляемый или полууправляемый выпрямитель, – выдача управляющих импульсов на силовые ключи в зависимости от заданного угла открытия тиристоров. При этом должна обеспечиваться синхронизация с питающей сетью, то есть определение момента прохождения фаз входного напряжения через ноль и корректировка открытия ключей выпрямителя.

3) Обеспечение взаимодействия с периферийными модулями контроллера. Примерами таких взаимодействий может быть, работа часами реального времени, с Flаsh-памятью, а также многими другими устройствами, которые обеспечивают дополнительные сервисные функции.

4) Прием и обработка сигналов с датчиков. Данную информацию можно использовать для определения текущего состояния преобразователей частоты и двигателя. Сигналы с датчиков являются важной составляющей при реализации требуемых законов управления, отслеживания аварийных ситуаций и т.д.

5) Взаимодействие с системой автоматизации верхнего уровня. Осуществляется по принципу «ведущий – ведомый» (Mаster – Slаve). Преобразователь частоты выступает в роли ведомого устройства. Программное обеспечение предназначено для реализации требуемого протокола обмена, обеспечения приема и выполнения команд управления, а также выдачи необходимой информации о состояния датчиков, текущем режиме работы и параметрах преобразователей частоты. Возможность совместной работы основного контроллера и контроллера пульта управления обеспечивается в случае двухпроцессорной системы управления.

6) Обработка внешних сигналов и выдача управляющих воздействий на внешнюю аппаратуру, при управлении преобразователем частоты через аналоговые или дискретные входы.

7) Реализация пользовательского интерфейса. Возможность организации удобного интерфейса определяется прежде всего набором средств управления и индикации пульта управления.

8) Диагностика аппаратуры и самодиагностика. Диагностика заключается в определении работоспособности различных модулей, входящих в состав преобразователей частоты (как силовых, так и управляющих) и подключенного электродвигателя. Кроме того, производится контроль целостности программы и данных хранимых в энергонезависимой памяти.

9) Реализация защитных функций: максимальная токовая защита, защита от перегрева двигателя и преобразователя, от перегрузки, чрезмерных отклонений напряжения питания, обрыва фазы, межфазного короткого замыкания, замыкания фазы на землю и ошибок связи.

10) Сохранение информации о режимах работы преобразователя частоты, подсчет показателей эффективности за определенный период, ведение журнала произошедших сбоев и аварий.

11) Реализация дополнительных функций. Разные фирмы производители преобразователей снабжают свои системы управления возможностью задания фиксированных установок скорости или настройки расписания работы преобразователя, управления несколькими электродвигателями, а также возможностью контроля режима торможения электропривода.

Для большинства современных систем управления характерна реализация управляющих функций, дающих возможность адаптации характеристик

электропривода под условия нагрузки. К ним относят:

a) Плавный пуск и остановку двигателя с выбором формы кривой изменения скорости. Обычно используют линейную, S-, и U-образную характеристики изменения скорости. Кроме этого, необходима раздельная настройка времени разгона и торможения, с автоматической коррекцией ускорения и замедления в случае превышения допустимого момента;

b) Режим «подхвата» электродвигателя, который используется при включении преобразователей частоты на вращающийся двигатель. Например, после кратковременного пропадания напряжения сети;

c) Определение и пропуск частотных диапазонов, при которых работа управляемой электромеханической системы нежелательна;

d) Компенсацию падения напряжения на активном сопротивлении статора (IR-компенсация). Для обеспечения работы с минимальным током потребления, IR-компенсация может быть заменена настройкой требуемого профиля кривой «напряжение – частота»;

e) Увеличение напряжения на определенное значение позволяет поддерживать на низких частотах высокий пусковой момент;

f) Скорость вращения можно стабилизировать за счет влияния на частоту, находящейся в зависимости от нагрузки (компенсация скольжения);

g) Настройку реакции на скачок скорости или момента нагрузки с учетом инерционных свойств механизма;

h) автоматическое определение параметров подключенного электродвигателя.

1.2 Методы управления

Системы управления современными  преобразователями частоты имеют достаточный набор аппаратных и программных средств для реализации большинства методов управления электроприводов.

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора n2 в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора n1.

В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора n2 в установившемся режиме отличается от частоты вращения n1 на величину скольжения s.

Частота вращения ротора n2 в синхронном электрическом двигателе в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора n1.

В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора n2 в установившемся режиме отличается от частоты вращения n1 на величину скольжения s.

Частота вращения магнитного поля n1 зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой f создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле:

       (1)

где p – число пар полюсов статора.

Переход от скорости вращения поля w1, измеряемой в радианах, к частоте вращения n1, выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле:

      (2)

где 60 – коэффициент пересчета размерности.

Подставив в это уравнение скорость вращения поля  , получим, что:

       (3)

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания.

Именно, из этой зависимости и вытекает метод частотного регулирования. Т.е. частоту вращения ротора можно регулировать, изменяя с помощью преобразователя, частоту на входе двигателя.

Электропривод переменного тока с асинхронными электродвигателями становится все популярнее с каждым годом. На стороне асинхронных двигателей и простота конструкции, и, соответственно, надежность и долговечность, и высокие энергетические показатели. В синхронном частотно регулируемом электроприводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

Выделяют следующие методы управления: скалярное, векторное управление и прямое управление моментом.

Типичным представителем законов частотного регулирования является закон U/f = const – метод скалярного управления. В данном случае соотношение между напряжением и частотой статора поддерживается постоянным. Достоинство этого метода заключается в том, что электропривод может работать без отрицательной обратной связи по скорости и обладает естественной жесткостью механических характеристик в ограниченном диапазоне регулирования скорости. Задавая соотношение между напряжением и частотой статора, закон регулирования можно подстроить под различную нагрузку. Функциональная схема, реализующая данный метод управления, показана на рисунке 2. Она включает следующие блоки: задатчик интенсивности, функциональный преобразователь, полупроводниковый преобразователь, асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Функциональный преобразователь (ФП) реализует один из законов регулирования, определяемый характером нагрузки. Полупроводниковый преобразователь (ПП) включает в себя автономный инвертор и его систему управления, задатчик интенсивности (ЗИ) формирует медленно нарастающий входной сигнал, необходимый для плавного нарастания скорости асинхронного короткозамкнутого двигателя (АКЗ) без колебаний момента и тока.

Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления. Благодаря относительно низкой стоимости, широко он используется для привода механизмов, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости. В первую очередь это относится к электроприводам насосов, вентиляторов, компрессоров. Данный класс механизмов обладает широкими потенциальными возможностями энерго- и ресурсосбережения, которые успешно реализуются при внедрении указанного типа систем.

Рисунок 2 – Функциональная схема разомкнутого асинхронного электропривода со скалярным управлением

Второй тип систем управления – системы векторного управления. Метод управления обеспечивает характеристики асинхронного электропривода, близкие к характеристикам привода постоянного тока. Эти свойства системы достигаются за счет разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения электродвигателя, не достижимого при использовании скалярного управления. При построении указанных систем используется векторное представление физических величин.

На рисунке 3 изображена функциональная схема, реализующая данный закон управления. Она включает следующие блоки: регуляторы, наблюдатель, преобразователь координат, полупроводниковый преобразователь, асинхронный короткозамкнутый двигатель. Преобразователи координат (ПК) необходимы для перевода модели асинхронного двигателя в систему координат, ориентированную по вектору потокосцепления ротора двигателя. Этот перевод необходим для разделения каналов регулирования. Каналы регулирования в данной системе строятся по принципу подчиненного регулирования.

Рисунок 3 – Функциональная схема асинхронного электропривода с векторным управлением

Структура каждого канала может быть различной в зависимости от требований, предъявляемых к системе регулирования. Необходимые для регулирования неизмерясмыс переменные восстанавливаются в наблюдателе. В случаях, когда установка датчика положения ротора затруднена или экономически невозможна, на наблюдатель возлагается дополнительная задача оценки скорости.

Системы векторного управления имеют сравнительно более высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости, например, приводы в лифтах, станках, кранах. В настоящее время существует четкая тенденция к отказу от датчиков скорости и разработке алгоритмов оценки механических величин. Это ведет к снижению стоимости и повышению надежности системы.

Новым направлением в области разработки высококачественных систем управления являются системы с прямым управлением моментом. Основная идея управления заключается в том, что на каждом шаге расчета определяется оптимальное состояние инвертора напряжения по значению момента и потока статора, из системы исключается широтно-импульсный модулятор как отдельное звено. Система реализует векторное регулирование скорости, математический аппарат которого основан на дифференциальных уравнениях динамики асинхронного двигателя и векторных соотношениях. Метод одинаково корректен как для переходных, так и для установившихся процессов, что существенно повышает динамический диапазон работы системы, приводит, например, к отсутствию провалов скорости при скачках нагрузки. Задача контура скорости – задать мгновенное положение вектора тока, необходимое для поддержания заданной скорости. Задача контура тока – обеспечить реальное положение и амплитуду вектора тока равными заданным значениям.

Функциональная схема, реализующая данный закон управления, показана на рисунке 4. Она включает следующие блоки: регуляторы, наблюдатель, блок петли гистерезиса, логический автомат, полупроводниковый преобразователь, асинхронный короткозамкнутый двигатель. Блок регуляторов состоит из регуляторов скорости, момента, потока и частоты переключений «ключей». Необходимые для регулирования неизмеряемые переменные восстанавливаются в наблюдателе. В петле гистерезиса (ПГ) осуществляется регулирование в скользящем режиме вектора потокосцепления статора и момента двигателя на основе заданных и действующих величин.

Быстродействующий логический автомат (ЛА), переключает «ключи» автономного инвертора в функции «оптимизации» вектора выходного напряжения по предельным отклонениям момента и потока статора, таким образом, момент переключения инвертора не привязан к периоду ШИМ, а зависит от реальной ошибки вектора тока. Определяющим в работе контура является критерий выбора состояния инвертора при переключениях, который позволяет:

• минимизировать частоту переключений инвертора при малой амплитуде ошибки;

• уменьшить кратковременно возникающую большую токовую ошибку за минимальное время при минимальном количестве коммутаций инвертора.

Рисунок 4 – Функциональная схема асинхронного электропривода с прямым управлением моментом

Данный метод управления током имеет существенные преимущества по сравнению с ШИМ-управлением. Он позволяет строить более скоростные системы, мгновенно реагирующие на возмущающие воздействия, и одновременно рассеивать меньше энергии в силовых ключах по сравнению с методом ШИМ.

Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.

2 Микропроцессорная система управления. Аппаратная часть

2.1 Разработка структурной схемы системы управления

Отличительной особенностью применения инвертора напряжения для питания цепи статора является то, что необходима синхронизация импульсов управления относительно фазы тока. Пуск преобразователя осуществляется при помощи подключаемых резисторов в цепь якоря. Информация о токе в процессор поступает от датчика тока.

Система управления необходима для управления инверторным звеномпреобразователя частоты статора исследовательского стенда асинхронизированного вентильного двигателя, ее условно можно разделить на 2 части – это непосредственно аппаратная часть и программное обеспечение микроконтроллера TMS320F28335.

Аппаратная часть обеспечивает согласование между программным обеспечением процессора и силовой частью преобразователя. Защита преобразователя тоже выполняется аппаратно.

Система разрабатывалась для конкретного преобразователя частоты серии «ОМЕГА» производства российской электротехнической  компании ОАО «Электровыпрямитель». Структура системы управления данным преобразователем позволяет реализовывать различные методы управления электроприводом. В данной работе рассматривается структурная и программная реализация скалярного управления электроприводом.

Структурная схема преобразователя частоты серии «Омега» показана на рисунке 5.

Она включает: входной фильтр, входную защитную цепь, ,выпрямитель, фильтр, зарядовую цепь, автономный инвертор напряжений на основе IGBT, систему управления, драйверы и датчик температуры и  технологических параметров, и мало чем отличается от типовой структуры преобразователей частоты рассмотренной предыдущей главе.