Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8

Журнал «Домашняя лаборатория»

Управление электродвигателями

Асинхронный двигатель известен достаточно давно, благодаря простоте конструкции, дешевизне, высокой эффективности и надежности, однако область его применения была ограничена из-за невозможности управления его динамическими характеристиками, например, скоростью вращения, вращающим моментом и реакцией на изменяющуюся нагрузку. Однако достижения в области цифровой обработки сигналов и технологии создания смешанных цифроаналоговых интегральных схем открывают новые горизонты в использовании асинхронных двигателей переменного тока. Изготовители, беспокоящиеся об эффективности использования электроэнергии и ее экономии, могут уменьшить затраты и время выхода на рынок широкого диапазона изделий — от индустриальных двигателей до электромоторов для

электромобилей и локомотивов, — с помощью стандартной системы так называемого векторного управления, состоящей из комплекта интегральных микросхем и среды разработки.

Вряд ли Никола Тесла (1856–1943), изобретатель асинхронного двигателя, мог предвидеть, что эта «рабочая лошадка промышленности» получит второе рождение в виде двигателя нового класса, который окажется вполне конкурентоспособным в большинстве индустриальных приложений.

Перед обсуждением преимуществ векторного управления необходимо дать основные положения принципа функционирования различных типов электрических двигателей в обычном использовании.

До недавнего времени области применения электромоторов, связанные с сервоуправлением, например, — с переменной реакцией на динамические нагрузки, постоянством вращающего момента или регулированием частоты вращения в широком диапазоне — были исключительно прерогативой коллекторных двигателей постоянного тока и синхронных двигателей с постоянными магнитами. Основная причина такого предпочтения заключалась в наличии понятных и отработанных схем управления. В то же время, несмотря на легкость управления, коллекторные двигатели постоянного тока имеют несколько недостатков: их щетки изнашиваются и должны регулярно заменяться, коллекторы также изнашиваются и могут быть повреждены в случае неправильной установки щеток, механический контакт «щетки-коллектор» является источником загрязнений и искрения, что повышает риск пожара при наличии горючих материалов.

Появление мощных инверторов, способных управлять столь же мощными двигателями, привело к практическому использованию синхронных двигателей постоянного тока с постоянными магнитами (PMSM) в приложениях, требующих сервоуправления. Но, наряду с устранением многих проблем механического характера, присущих коллекторным двигателям постоянного тока, эти двигатели потребовали более сложных схем управления и выявили ряд собственных недостатков. Обладая высокой стоимостью, PMSM-двигатели в большинстве своем отличаются высоким моментом инерции ротора, что ограничивает их применение в приложениях, где требуется высокая скорость вращения, из-за механических ограничений конструкции ротора [4].

В 60-х годах развитие теории управления привело к созданию теории косвенного полеориентированного управления, ставшей основой динамического управления асинхронными двигателями переменного тока. Косвенное полеориентированное управление использует теорию эталонных фреймов, описывающую преобразование изменяющегося фазового положения обмоток электродвигателя из одного фрейма в другой эталонный фрейм. Продуманный выбор математической модели позволяет значительно уменьшить сложность математической модели механизма. Хотя эти методы первоначально создавались для анализа и моделирования двигателей переменного тока, к настоящему времени они стали неотъемлемой частью инструментария цифрового управления такими механизмами. Более того, цифровые методы управления расширены до управления токами в обмотках и вращающим моментом электромеханизмов, что само по себе невозможно без компактных, корректных моделей электродвигателей.

Описываемая теория математических моделей равно применима и к синхронным машинам типа синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM). Этот двигатель иногда называют синусоидальным вентильным двигателем, или вентильной машиной переменного тока, и он очень широко используется в высокоэффективном сервоприводе.

Вследствие интенсивных математических вычислений, необходимых для косвенного полеориентированного управления, теперь обычно называемого векторным управлением или теорией эталонных фреймов, практическое использование этой теории было невозможно на протяжении долгих лет. Доступные аппаратные вычислительные средства не могли осуществлять высокоскоростное позиционирование положения ротора и выполнять вычисления в режиме реального времени динамического потока векторов. Доступность современных точных оптических кодеров, биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), высокоскоростных резольверов и быстродействующих цифровых сигнальных процессоров (DSP) выдвинула векторное управление на передний край работ по использованию преимуществ, свойственных асинхронному двигателю переменного тока.

Упрощенная блок-схема системы управления асинхронного двигателя переменного тока показана на рис. 9.21.

Входными данными для контроллера являются токи обмоток двигателя (обычно

трехфазные) и положение и скорость ротора. Датчики на основе эффекта Холла очень широко используются для контроля токов и с помощью пространственно-цифрового преобразователя (RDC) позволяют контролировать положение ротора в пространстве, а также его скорость. Цифровой сигнальный процессор используется для вычисления в режиме реального времени величин векторов, которые необходимы для генерации выходного сигнала управления инвертором преобразователя мощности. Преобразования, необходимые для преобразования эталонного фрейма и для векторного управления, также выполняются с помощью DSP.

Функции блока управления интегрированы в одном кристалле в контроллерах электродвигателей Analog Devices — ADMC300, ADMC331, ADMC401, и ADMC326 (на базе ПЗУ) и ADMC328 (на базе DSP). Эти устройства включают в себя периферию: АЦП, источники опорного напряжения, PWM-контроллеры, таймеры и т. д., необходимую для реализации всех функций, показанных на рис. 9.21.

Самые последние члены семейства контроллеров электродвигателей — ADMCF326 и ADMCF328, называемые DashDSP™,— характеризуются наличием цифровой части, аналоговой части и FLASH-памяти (см. рис. 9.22).

Использование FLASH-памяти позволяет перепрограммировать устройство, обеспечивая таким образом большую гибкость и сокращение времени новых разработок. Эти контроллеры включают 16-разрядное процессорное ядро с фиксированной точкой и производительностью 20 MIPS, основанное на архитектуре семейства ADSP-217X. Память состоит из 512х24 бит ОЗУ памяти программ, 512x16 бит ОЗУ памяти данных, 4Кх24 бит ПЗУ памяти программ и 4К х 24 бит программируемой FLASH-памяти. Интегрированная посредством использования АЦП аналоговая подсистема позволяет полностью контролировать трехфазные токи в обмотках двигателя. 16-разрядный 3-фазный PWM генерирует управляющие сигналы для внешнего мощного инвертирующего каскада. Контроллеры выпускаются в 28-выводном SOIC или PDIP корпусе. Блок-схема контроллера ADMCF328 показана на рис. 9.23.

Доступность программного обеспечение контроллеров на базе DSP, состоящего из трех частей, руководства разработчика, и систем отладки, облегчает разработку систем управления электродвигателями с использованием этих контроллеров.

Компания Analog Devices недавно анонсировала нового представителя семейства DashDSP — ADMCF5XX на базе 16-разрядного ядра с фиксированной точкой ADSP-219X с производительностью 150 MIPS. При токе потребления 0,4 mA/MIP новый контроллер позволяет разработчикам строить системы с низкой потребляемой мощностью и с широкими пределами регулирования скорости. Интеграция до 128 Кбайт внутрикристальной FLASH-памяти значительно облегчает разработку системы и позволяет гибко модифицировать программное обеспечение системы. Такое решение также позволяет пользователю загружать программное обеспечение непосредственно из FLASH-памяти в оперативную память. Пользователь может выбрать, исходя из требований к параметрам и стоимости разрабатываемой системы, один из 10-, 12-, или 14-разрядных АЦП. Семейство DashDSP поддерживается средствами разработки VisualDSP ADI, которые включают первый промышленный C++ компилятор. Семейство ADMCF5XX дополнено широким диапазоном высокопроизводительной периферии, например, 3 6-фазными 16-разрядными PWM с одиночным или двойным интерфейсами кодера для управления многокоординатными двигателями. Оцифровка токов в обмотках двигателя может быть реализована с помощью средств гальванической развязки или методом инвертирующего шунта, с программируемым пользователем временем преобразования АЦП. Источник опорного напряжения, схема сброса процессорного ядра при включении питания и вспомогательные PWM, позволяющие корректировать коэффициент мощности, также интегрированы на кристалле. Дополнительно в рамках семейства реализована различная интерфейсная периферия, например, полноценная CAN-шина, UART, сериальные порты, и JTAG-интерфейс.

Кодеки и процессоры обработки сигналов в голосовых приложениях и аудиосистемах

В каналах голосовой связи и аудиосистемах типа автомобильных телефонных комплектов и модемов на сигнальных процессорах строятся превосходные конструктивные блоки систем.

Компания Analog Devices недавно анонсировала выпуск серии ADSP-21ESP202, специально разработанной для встроенных систем обработки речи в автомобильных голосовых телефонных системах. Эта микросхема включает в себя два кодека AD73322 и 16-разрядное вычислительное ядро с фиксированной точкой ADSP-218X. Из 40 Кбайт ОЗУ на кристалле 8 Кб х 24 бит отдано под память программ и 8 Кб х 24бит — под память данных. Внутрикристальное ППЗУ объемом 24 Кбайт конфигурировано под 8 Кб х 24бит память программ.