Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам
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.
Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники было освоено
промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе
(стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей
и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции
в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных
периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на
системы прямого цифрового управления
Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключем
силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого
ввода в микроконт-роллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или
импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого
цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание
одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как
однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в
одно целое мехатронный модуль движения.
Основные тенденции
Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных
исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:
Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем
привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более
высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока.
По прогнозам специали-стов в начале следующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10% от
общего числа приводов.
Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями.
Большинство таких приводов (около 80%) нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей
частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.
Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е.
электронно-коммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока
(БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с
электромагнитным возбуждением (для больших мощно-стей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения
и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при
использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.
Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного
двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный
ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть
обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой
электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны
индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов индукторные двигатели с независимым возбуждением
со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с
обычными приводами постоянного тока.
Рис. 1 Интеграция управления двигателем и технологическим процессом
Для большинства массовых применений приводов (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и т.д.) требуется
относительно небольшой диапазон регулирования скорости (до 1:10, 1:20) и относительно низкое быстродействие. При
этом целесообразно использовать классические структуры скалярного управления. Переход к широкодиапазонным
(до 1:10000), быстродействующим приводам станков, роботов и транспортных средств, требует применения более сложных
структур векторного управления. Доля таких приводов составляет сейчас около 5% от общего числа и постоянно растет.
В последнее время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением
моментом. Отличительной особенностью этих решений является предельно высокое быстродействие контуров тока,
реализованных, как правило, на базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов, работающих на принципах
нечеткой логики (фаззи-логики). Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы в первую очередь
на транспорт, на использование в кранах, лифтах, робототехнике.
Усложнение структур управления приводами потребовало резкого увеличения производительности центрального
процессора и перехода к специализированным процессорам с объектно-ориентированной системой команд, адаптированной
к решению задач цифрового регулирования в реальном времени. Ряд фирм (Intel, Texas Instruments, Analog Devices
и др.) выпустили на рынок новые микроконтроллеры для управления двигателями (из серии Motor Control) на базе
процессоров для обработки сигналов DSP-микроконтроллеры. Они не только обеспечивают требуемую производительность
центрального процессора (более 20 млн.оп./сек.), но и содержат ряд встроенных периферийных устройств,
предназначенных для оптимального сопряжения контроллера с инверторами и датчиками обратных связей. Среди
встроенной периферии особое место занимают универсальные генераторы периодических сигналов, обеспечивающие
самые современные алгоритмы управления инверторами, в частности, алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции.
Рост вычислительных возможностей встроенных систем управления приводами сопровождается расширением их функций.
Кроме прямого цифрового управления силовым преобразователем реализуются дополнительные функции поддержки
интерфейса с пользователем (через пульт оперативного управления), а также управления технологическим процессом.
Рис. 1 демонстрирует дополнительные возможности современных систем управления преобразователями частоты для
приводов насосов. В состав системы управления входят: универсальный регулятор технологической переменной, а
также генератор управляющих воздействий на базе часов реального времени. Такое решение позволяет поддерживать
давление в трубопроводе на заданном, в соответствии с суточной циклограммой, уровне исключительно средствами
электропривода, без использования промконтроллеров.
Рис. 2 Распределенные системы управления приводами
Литература
A.M. Trzynadlowski, R.L. Kirlin, S.F. Legowski. Space vector PWM technique with minimum switching losses
and a variable pulse rate, IEEE Transactions on Industrioal Electronics, vol. 44, no. 2, pp. 173-181, 1997.
Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296
во встроенных системах управления. М.:Эком. 1997. 688 с.
В.Козаченко, А.Соловьев. Новые DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices ADMC300/330 для
высокопроизводительных систем векторного управления электроприводами переменного тока// CHIP NEWS. 1998. ╧ 5. С. 16-21.
Козаченко В.Ф., Грибачев С.А. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrumenst TMS32x24x для
высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами// CHIP NEWS. 1998. ╧ 11-12. С. 2-6.
Московский энергетический институт,
кафедра Автоматизированного электропривода,
лаборатория микропроцессорных систем управления
Тел. (095) 115-7977, факс (095) 273-1348
E-mail: kozachenko@aep.mpei.ac.ru
