Проектирование систем управления электродвигателями

Тип статьи:
Перевод
Проектирование  систем управления электродвигателями
Первое появление цифрового управления электродвигателями было связано с попытками преодолеть трудности, связанные с традиционными аналоговыми системами, а именно наличие дрейфа, старение компонентов, а также температурные изменения. Гибкие программные алгоритмы не только исключили вопросы, связанные с допусками на компоненты, но и позволили разработчикам обеспечить динамическое приспосабливание к меняющимся во времени окружающим условиям. Например, вместо того, чтобы только включать или отключать электродвигатель вентилятора, при реализации цифровых методов возможно регулирование скорости вентилятора исходя из температуры в системе. Кроме того, появилась возможность самокалибровки систем, исключившая необходимость проведения регулярного ручного обслуживания.

 

Чарли Айс (Charlie Ice), Билал Эйкин (Bilal Akin)

 

В данной статье представлен обзор соображений по проектированию устройств управления электродвигателями, в том числе рассматривается вопрос управления несколькими электродвигателями, управление возбуждением, коррекция коэффициента мощности и управление без использования датчиков. Также идёт речь об использовании современных микроконтроллеров для повышения точности, КПД и снижения затрат в широком спектре устройств.

Современные микроконтроллеры позволяют обеспечить высокую точность, высокий КПД и снизить стоимость широкого спектра устройств, в том числе:

  • Бытовых приборов и техники, в состав которой входят вентиляторы и компрессоры, например стиральных машин и холодильников.
  • Систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).
  • Промышленных сервоприводов, используемых для управления перемещениями, силовых инверторов и робототехнических устройств.
  • Автомобильных систем управления, в том числе систем рулевого управления с усилением, систем антиблокировки тормозов и систем управления подвеской.

 

Корпорация Texas Instruments (TI) понимает трудности, с которыми сталкиваются разработчики при проектировании таких высокоэффективных систем управления электродвигателями. Изготовители стремятся к внедрению улучшенных алгоритмов управления, что связано с разнообразием изделий и повышением законодательных требований по снижению энергопотребления и уровня электромагнитных излучений.

Чтобы помочь разработчикам в удовлетворении этих противоречивых требований, Tl предлагает серию микроконтроллеров TMS320C2000™ Piccolo™. Микроконтроллеры Piccolo™ имеют оптимизированную архитектуру со встроенными специализированными периферийными устройствами, которые:

  • позволяют использовать алгоритмы реального времени для реализации более точного управления;
  • обеспечивают более высокий КПД за счёт коррекции коэффициента мощности (PFC);
  • поддерживают возможность управления несколькими электродвигателями при использовании одной микросхемы;
  • упрощают конструкцию благодаря использованию управления без применения датчиков;
  • снижают сложность и стоимость системы.

 

Преимущества Piccolo™

 

Используя высокоэффективное ядро TMS320C28x™, микроконтроллеры Piccolo™ обеспечивают все необходимые эксплуатационные параметры и периферийные устройства, необходимые для управления системой, простроенной на единственном автономном контроллере. Благодаря большому операционному запасу и специализированным периферийным устройствам микроконтроллеры Piccolo™ позволяют разработчикам реализовать более совершенные алгоритмы управления для дальнейшего улучшения эксплуатационных параметров при одновременном снижении затрат.

Архитектура Piccolo™ была оптимизирована для устройств с цифровым управлением с развитой архитектурой в плане улучшения высокоскоростной обработки сигналов. Ядро микроконтроллера Piccolo™ имеет такие встроенные возможности для цифровой обработки сигнала, как однотактный 32-разрядный умножитель с накоплением, значительно ускоряющий вычисления. Кроме того, такие периферийные устройства, как АЦП и ШИМ, обладают высокой гибкостью и легко адаптируются для большинства задач, требуя при этом очень незначительной переработки программного обеспечения. Например, аналогоцифровой преобразователь может быть запрограммирован на циклическое взятие отсчётов в заданном порядке, чтобы эти отсчёты были уже подготовлены к моменту, когда в них возникает потребность. Благодаря более интеллектуальному управлению периферийными устройствами и мощному ядру контуры регулирования работают более эффективно, улучшается динамика алгоритмов управления, что ведёт к повышению помехоустойчивости.

Встроенный в микроконтроллеры TMS320F2803x Piccolo™ ускоритель (CLA) представляет собой 32-разрядный математический сопроцессор с плавающей запятой, который разгружает ядро центрального процессора при работе в высокоскоростных контурах управления. Модуль CLA обеспечивает это благодаря прямому доступу к периферийным устройствам и благодаря возможности отвечать на прерывания от периферийных устройств без участия ядра ЦПУ. Являясь по своей сути независимым ядром, CLA имеет свой собственный набор команд и собственное пространство памяти, что позволяет ему работать полностью независимо от ЦПУ.

К другим важным особенностям микроконтроллеров Piccolo™ относятся:

  • единый источник питания 3,3 В;
  • два встроенных высокоточных генератора, не требующих навесного кварцевого резонатора;
  • 12-разрядный 16-канальный АЦП с максимальной частотой дискретизации 4,6 млн выборок в секунду;
  • 14 каналов ШИМ с автоматически конфигурируемой зоной нечувствительности;
  • 7 из 14 каналов ШИМ могут работать в режиме высокого разрешения с разрешающей способностью не хуже 150 пс;
  • улучшенный импульсный датчик положения (QEP) и улучшенное устройство захвата (eCAP) для упрощения работы с датчиками.

 

Точное и надёжное управление

 

Архитектура Piccolo™ обеспечивает очень высокую производительность, от 40 до 60 млн команд в секунду (MIPS). Такой уровень производительности позволяет разработчикам не только параллельно контролировать и управлять несколькими электродвигателями, но и реализовывать более сложные алгоритмы управления, направленные на повышение точности и снижение энергопотребления. Например, один микроконтроллер Piccolo™ MCU способен управлять двумя электродвигателями, обеспечивая при этом активную коррекцию коэффициента мощности и имея резервы для реализации дополнительных алгоритмов управления электродвигателями, например для управления возбуждением без использования датчиков (FOC).

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) играет важную роль в генерации напряжения или тока, необходимых для питания электродвигателей, или при построении высокоэффективных источников питания. Последние усовершенствования в алгоритмах управления позволяют разработчикам реализовывать высокоточные алгоритмы, обеспечивающие динамическое управление в режиме реального времени при изменениях поведения системы.

FOC обеспечивает множество преимуществ, включая получение полного крутящего момента электродвигателя на малых скоростях, отличные динамические характеристики, высокий КПД в широком диапазоне скоростей, независимое управление крутящим моментом и магнитным потоком, возможность кратковременных перегрузок и работу в четырёх квадрантах. Однако FOC при этом требует выполнения значительно более сложных вычислений по сравнению со стандартными схемами управления.

 

 



Рисунок 1. Объединяя CLARKE- и PARK-преобразования, как показано выше, мы уходим от 3-фазной составляющей к постоянной составляющей. Нам всего лишь необходимо контролировать постоянные величины в реальном времени

 

 

Принцип FOC заключается в управлении углом и амплитудой поля статора путём опроса фазовых токов электродвигателя и последующего преобразования их для удобного управления. Три фазовых тока электродвигателя считываются в систему посредством АЦП. Эти фазовые токи находятся в области 3-фазного вращения и преобразуются в область двунаправленного вращения с помощью преобразования Clarke. После этого две фазы могут быть преобразованы в стационарную область с использованием преобразования Park, как показано на рисунке 1. Преобразования Clarke и Park могут быть представлены в виде проекций вектора, как показано на рисунке 2. Преобразование Park даёт Id, компоненту магнитного потока, и Iq, компоненту крутящего момента. Крутящий момент электродвигателя с постоянным магнитом зависит только от компоненты крутящего момента, Iq. Таким образом, наиболее удобной стратегией управления является задание нулевой компоненты магнитного потока (Id), что минимизирует отношение между крутящим моментом и током и приводит к увеличению КПД электродвигателя. Управление компонентами тока требует знания мгновенного положения ротора. Положение ротора при отсутствии датчиков может быть рассчитано с применением соответствующей методики или измерено с помощью датчиков.

 

 




 

Рисунок 2. Вектор тока статора, разложенный на составляющие крутящего момента и магнитного потока для реализации управления возбуждением

 

 

Поскольку выходы преобразования Park находятся в стационарной области, ими можно управлять с использованием традиционных методов, например контура ПИД. Выходной сигнал контура ПИД затем может быть подвергнут обратным преобразованиям Park и Clarke и подан непосредственно на привод электродвигателя.

 

 




 

Рисунок 3. Законченная система управления возбуждением для электродвигателя с постоянным магнитом

 

 

На рисунке 3 показана законченная FOC-система управления электродвигателем, использующая методику без датчиков для определения положения ротора. Выходные сигналы ADCINx и ADCINy 3-фазного инвертора представляют собой два из трёх фазовых токов; третий может быть легко рассчитан. Отсюда фазовые токи подаются на преобразователи Park и Clarkе, как описано выше. В такой системе без датчиков «SMOPOS» и «SMOSPD» используются для расчёта положения ротора с помощью сигнала обратной связи по трём фазовым токам, при этом отпадает необходимость использования дорогого датчика.

FOC представляет собой технологию, разработанную для систем, в которых используются электродвигатели с постоянными магнитами (PM). Популярность электродвигателей с постоянными магнитами в бытовой технике возрастает, поскольку они обладают большей удельной мощностью и менее подвержены износу.

Разработчикам необходимо только обеспечить несколько векторов и направление вращения для обновления сигнала реального времени на выходе. Такой улучшенный механизм управления, как FOC, представляет собой важную технологию улучшения эксплуатационных характеристик без дополнительных затрат. Архитектура Piccolo™ значительно упрощает генерацию симметричных сигналов ШИМ. С помощью микроконтроллеров Piccolo™ разработчики могут легко реализовать точное и надёжное управление, и при этом ещё остаются достаточные ресурсы для реализации коррекции коэффициента мощности (PFC). Фактически, TI является единственной корпорацией, которая предлагает реализацию PFC и FOC на одном кристалле, имеющем цену $2–6.

 

 

Коррекция коэффициента мощности

 

Коррекция коэффициента мощности (PFC) обеспечивает совпадение формы сигнала тока и сигнала напряжения, а также обеспечивает поддержание выходного сигнала постоянного тока на неизменном уровне независимо от изменений нагрузки или входных параметров. При реализации PFC в активном цифровом виде можно достичь большей точности и исключить фазовый сдвиг между током и напряжением. Снижение гармонических составляющих тока является желательным, поскольку они представляют реактивную мощность, которая отводится и не используется. Смысл коэффициента мощности состоит в том, что энергоснабжающие компании поставляют потребителям вольт-амперы, а обещают ватты. При коэффициенте мощности менее 1,0 необходимо произвести энергии больше, чем необходимо при реальной мощности (Вт).

Среди прочего, коррекция коэффициента мощности служит для снижения передаваемой мощности и для стабилизации выходного напряжения. Например, при включении компрессора в холодильнике он даёт большую нагрузку на сеть питания, что обычно обнаруживается в виде падения напряжения. Такие выбросы питания могут привести к повреждению уязвимых электронных систем. При выбросах в системе без PFC забирается бесполезная мощность, что снижает общий КПД. Кроме того, коррекция коэффициента мощности обеспечивает поддержание стабилизированного напряжения на шине постоянного тока даже при динамической нагрузке.

PFC также снижает ударные нагрузки на силовые сети. Поскольку энергетические компании вынуждены вырабатывать больше энергии для компенсации выбросов, производители электронного оборудования поощряются в плане создания технологий типа PFC, уменьшающих потери энергии. В некоторых случаях коррекция коэффициента мощности является обязательной – согласно IEC 60730, в бытовой технике, продаваемой на рынках Европы, должна быть коррекция коэффициента мощности.

Аналоговая, или пассивная, коррекция коэффициента мощности работает в единственном режиме и имеет ограниченные возможности реагирования на изменения условий работы. Наоборот, активная, или цифровая, PFC может адаптироваться к изменению этих условий. Например, когда система кондиционирования воздуха включает свой компрессор, PFC может активно компенсировать возникшую большую нагрузку. При этом не только снижается количество переходных процессов, но более эффективно используется подводимая энергия. Гибкость цифровых корректоров коэффициента мощности позволяет разработчикам использовать более сложные топологии PFC по сравнению с пассивными системами.

Нельзя недооценивать важность ШИМ и АЦП с высокой разрешающей способностью для эффективной реализации коррекции коэффициента мощности. Поддержание целостности сигналов в аналоговой и цифровой областях имеет исключительную важность, поскольку любая ошибка резко ухудшает эксплуатационные характеристики.

 

 

Управление несколькими электродвигателями

 

 

Во многих системах используется более одного электродвигателя. Например, в системах HVAC (отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) необходимо управлять и компрессором, и вентилятором. В большинстве устройств используются отдельные контроллеры для каждого электродвигателя и для реализации коррекции коэффициента мощности.

Микроконтроллер C2000™ Piccolo™ представляет собой первый микроконтроллер, который может управлять двумя электродвигателями и обеспечивать PFC, используя один кристалл. Многие микроконтроллеры не обладают необходимой вычислительной мощностью или не имеют встроенных периферийных устройств, необходимых для управления несколькими электродвигателями и реализации PFC. Управление электродвигателем, к примеру, может потребовать работы контура управления на частоте до 20 кГц. С другой стороны, PFC требует рабочей частоты от 50 до 100 кГц. Для надёжной реализации таких высокочастотных алгоритмов управления — в данном случае для управления двумя электродвигателями и для коррекции коэффициента мощности – микроконтроллер должен обладать возможностью производить вычисления быстро и эффективно с малой задержкой.

Возможность управления несколькими электродвигателями не только снижает стоимость системы, но и повышает общий КПД и улучшает эксплуатационные характеристики. Для устройств с двумя электродвигателями наличие управления обоими двигателями от одного и того же микроконтроллера обеспечивает возможность быстрого разгона одного электродвигателя относительно скорости второго. Кроме того, поскольку оба двигателя питаются от одного источника, коррекция коэффициента мощности может быть реализована с лучшими результатами.

 

 

Управление без использования датчиков

 

 

Другой областью возможного снижения затрат является использование обратной связи без датчиков. Вместо использования датчиков скорости и/или положения могут использоваться методики моделирования, точно определяющие положение или скорость электродвигателя. При управлении бесщёточными электродвигателями с постоянными магнитами информация о положении и скорости является критической. В большинстве современных систем для обеспечения этих входных данных для реализации алгоритма управления используются датчики. Однако наличие этих датчиков нежелательно из-за их размера, цены, необходимости обслуживания и низкой надёжности.

Для некоторых устройств датчики абсолютно необходимы. Кислородный насос больничного вентилятора, к примеру, должен обладать достаточной точностью, гарантирующей поддержание заданного расхода. В случаях, когда используются заказные электродвигатели, создание точной модели может оказаться слишком сложным. В низкоскоростных устройствах для реализации без применения датчиков может быть недостаточен сигнал обратной связи.

Однако во многих устройствах, включая изделия бытовой техники, такая точность не является необходимой, так что для снижения цены может быть применено управление без применения датчиков. Например, при использовании синхронного электродвигателя с постоянным магнитом датчики могут быть заменены на динамическую модель, которая называется оператором скользящего режима и обладает высокой надёжностью и простотой реализации. Кроме того, возможно достижение высокого КПД при пренебрежимо малой погрешности скорости в са- мом плохом случае.

Отказ от датчиков требует, чтобы контроллер моделировал состояние электродвигателя таким образом, чтобы можно было правильно оценить соответствующее положение/ скорость. Для поддержания достаточной точности модели необходим точный и быстрый контроль напряжений. Для этого в микроконтроллерах Piccolo™ имеется встроенный 12-разрядный АЦП, обладающий достаточным уровнем точности для большинства случаев.

Для устройств, в которых датчики необходимы, микроконтроллеры Piccolo™ могут поддерживать импульсные датчики положения и тахогенераторы. Для таких устройств в микроконтроллерах Piccolo™ имеется встроенное устройство поддержки импульсных датчиков положения (QEP), которое автоматически преобразует сигналы от оптического датчика положения в скорость и направление, используя два цифровых входа и 16/32-разрядный встроенный регистр таймера. QEP представляет собой другой пример направленности компании Tl на ускорение разработки за счёт снижения сложности системы. Благодаря автоматической обработке импульсов с выдачей информации о положении и скорости QEP освобождает разработчиков от необходимости самостоятельно разрабатывать подобные программы и позволяет сконцентрироваться на других вопросах.

QEP в микроконтроллерах Piccolo™ исключительно гибок и может взаимодействовать практически с любыми датчиками положения, включая и те, которым необходим тактовый сигнал, в том числе и генерируемый самостоятельно, а также с датчиками, которым тактовый сигнал не нужен. В микроконтроллерах без QEP разработчик должен обеспечить захват импульсов с помощью устройств ввода/вывода общего назначения, а затем передать эту информацию в программу так, чтобы обеспечивалась поддержка режима реального времени в быстродействующих контурах управления.

Существуют различные типы тахогенераторов; некоторые из них выдают постоянное напряжение, пропорциональное скорости вращения электродвигателя. Эта скорость может быть легко рассчитана путём подключения одного из входов АЦП микроконтроллера Piccolo™ к выходу тахогенератора. В дешёвых электродвигателях для получения серии импульсов, соответствующей одному обороту, используются простейшие датчики на эффекте Холла; при этом измерение частоты импульсов и отслеживание направления вращения осуществляются программно.

В микропроцессорах Piccolo™ подобные программы упрощаются благодаря использованию встроенного устройства захвата (eCAP). eCAP запускается по фронту или спаду импульса, поступающего от датчика на эффекте Холла, и автоматически рассчитывает ширину импульса и их период следования. Кроме того, eCAP может выполнить захват до четырёх импульсов перед тем, как выполнить считывание.

 

 

Снижение системных затрат

 

 

Идеальная система объединяет аналоговые и цифровые технологии таким образом, чтобы обеспечить необходимую производительность при заданном ценовом ориентире.

Одной из ключевых особенностей архитектуры микроконтроллеров Piccolo™ является то, что в единственный кристалл интегрировано множество функций. При выполнении задач в цифровой области количество компонентов может быть уменьшено. При этом снижается стоимость системы и увеличивается надёжность. Компромисс заключается в том, что микроконтроллер должен быть способен без увеличения себестоимости воспринимать добавочную нагрузку.

Эффективное управление во всём диапазоне скоростей позволяет разработчику создавать силовые цепи, оптимально отвечающие потребностям устройства, обеспечивающие повышение КПД и снижение затрат. При этом также повышается плавность работы и улучшаются эксплуатационные характеристики за счёт повышения стабильности крутящего момента и снижения уровня вибраций, влияющих на срок службы.

Для устройств без датчиков экономия может быть значительной. В дополнение к тому, что из перечня материалов исключаются датчики, также пропадает необходимость обеспечения интерфейсов для датчиков. Это не только удешевляет изготовление, но и уменьшает вероятность отказа.

Также, за счёт реализации аналоговых функций цифровыми методами, значительно расширяются возможности самоконтроля. Наличие 16 каналов АЦП в совокупности с программным механизмом упрощает процесс контроля различных токов, напряжений и датчиков в составе системы. Те же данные, которые используются для повышения точности и эксплуатационных характеристик электродвигателя, могут применяться и для диагностики потенциальных проблем. Например, путём наблюдения за частотным спектром вибраций можно на ранней стадии распознать, предсказать и предотвратить отказ системы.

 

 

Единственная в своём роде платформа разработки

 

 

Никогда не было так просто создавать системы с цифровым управлением. Комплекты разработчика для управления электродвигателями и коррекции коэффициента мощности, а также для управления двумя электродвигателями и для коррекции коэффициента мощности, базирующиеся на микроконтроллерах Piccolo™, обеспечивают разработчикам платформу, ускоряющую процесс разработки и поиска неисправностей в системах управления электродвигателями. Удобные в использовании комплекты позволяют даже разработчикам, незнакомым с коррекцией коэффициента мощности, понять, как совместить PFC с управлением электродвигателем любого типа.

 

 

 




 

Рисунок 4. Блок-схема комплекта разработчика от TI для управления электродвигателем и для коррекции коэффициента мощности

 

 

Комплект для управления электродвигателем и для коррекции коэффициента мощности (рисунок 4) обеспечивает непосредственный доступ ко всем усовершенствованиям и возможностям архитектуры Piccolo™. Наличие обширных библиотек программного обеспечения и подробная документация позволяют разработчику освоить процесс создания законченной системы управления электродвигателем с использованием алгоритмов режима реального времени. Комплект также позволяет разработчику быстро оценить ресурсы, необходимые для реализации базовой системы управления электродвигателем. Имея такую основу, разработчик может использовать улучшенные алгоритмы, позволяющие найти компромисс между требованиями к повышенной точности, лучшим эксплуатационным характеристикам, повышенному КПД, управлению несколькими электродвигателями и т. д. Таким способом разработчик может создавать архитектуру системы, оптимизированную под конкретные требования и ограничения.

Имеются микроконтроллеры C2000™ Piccolo™ самой различной конфигурации, что обеспечивает разработчику возможность найти процессор для своего устройства, оптимальный с точки зрения производительности, объёма памяти и наличия периферийных устройств. Tl также предлагает все аналоговые компоненты, необходимые для измерения напряжений и токов, а также широкий спектр стандартных и улучшенных драйверов электродвигателей.

Tl понимает трудности, с которыми сталкиваются разработчики недорогих эффективных устройств управления электродвигателями. Серия микроконтроллеров Piccolo™ обеспечивает непревзойдённое сочетание высокой производительности и встроенных периферийных устройств, что позволяет разработчикам реализовать управление двумя электродвигателями, используя единственный процессор, обладающий достаточными возможностями для реализации алгоритмов точного управления, обеспечения высокого КПД, использования обратной связи без применения датчиков при одновременном снижении системных затрат.

 

ССЫЛКИ

  1. Motor Control and PFC Developer's Kits www.ti.com/c2000tools
  2. TI eStore https://www.ti-estore.com
  3. TI's Piccolo™ MCUs https://www.ti.com/corp/docs/landing/f280xx-piccolo/
  4. Piccolo one-day workshop https://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=1DW000328
  5. TI's microcontrollers https://focus.ti.com/mcu/docs/mcuprodoverview.tsp?sectionId=95&tabId=1531&familyId=916
  6. MCU tools videos https://e2e.ti.com/videos/m/microcontroller/default.aspx
  7. TI E2E MCU community https://e2e.ti.com/support/microcontrollers/tms320c2000_32-bit_real-time_mcus/f/171.aspx
Источник:
Написать:
3264
Нет комментариев. Ваш будет первым!