Управление электроприводом с использованием микропроцессоров

Применение мощных вычислительных машин в АСУ ТП эко­номически эффективно лишь на крупных производственных объектах, так как такие машины дороги, сложны, требуют спе­циального обслуживания. Для управления отдельными объек­тами с малым числом электроприводов целесообразно исполь­зовать м и к р о п р о ц с с с о р ы.

На базе микропроцессоров сформировался новый класс ма­шин— микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ — электронная вычислительная машина, выполненная, как правило, на одной — двух платах, состоящая из микропроцессора (МП), памяти, устройств связи с объектом (УСО) и периферийными устройствами.

Микро-ЭВМ, УСО, пульт управления, периферийные устрой­ства и другие элементы образуют управляющий вычислитель­ный комплекс УВК (рис. 1), ориентированный на решение за­дач управления, контроля, защиты, диагностики и т. п. Устрой­ство связи с объектом УСО, позволяет соединить микро-ЭВМ с управляемым объектом через посредство датчиков Д1—ДN, исполнительных устройств ИУ1, ИУN, которые могут представ­лять собой систему локальных регуляторов с обратными свя­зями.

Рис. 1. Структурная схема управляющего вычислительного комплекса

УСО осуществляет также преобразование аналоговых, ди­скретных и импульсных сигналов в цифрокод и обратно.

Основным компонентом микро-ЭВМ является микропроцес­сор МП, выполняющий самые различные функции, связанные с обработкой данных, вычислением и управлением объектом.

В тиристорных приводах прокатных станов, ножниц, МНЛЗ, конвертеров и других агрегатов металлургических цехов все шире используются микропроцессорные устройства управ­ления.

Микропроцессорная техника используется в электроприводе для прямого цифрового управления, т. е. организации сигналов управления с помощью микро-ЭВМ с выдачей управляющих импульсов на тиристоры (через усилители). Многофункциональные микропроцессор­ные устройства выполняют функции регуляторов и СИФУ.

Управляющее микропро­цессорное устройство ре­шает задачи сбора и пере­дачи информации, формиро­вания и выдачи управляю­щих воздействий на объект управления по правилам, предписываемым алгорит­мом. При управлении при­водом оно выполняет функ­ции регуляторов парамет­ров привода: регуляторов положения, скорости, тока с одновременным выполне­нием функций СИФУ, кон­троля и диагностики состояния электропривода. Микропроцес­сор управляет преобразователем в якорной цепи электродвига­теля и преобразователем в цепи его обмотки возбуждения. Одновременно выполняет «сеточную» защиту при аварийных ре­жимах в цепи преобразователя, контроль включения тиристоров, состояния предохранителей и блокировок в цепях электропри­вода, контроль технологических параметров приводимого меха­низма. Осуществляет обмен информацией с другими устройст­вами управления, исполнение команд устройств более высокого уровня иерархии АСУ ТП.

МП имеют специальные диагностические программы поиска неисправностей, обеспечивающие локализацию поврежденных цепей.

Микропроцессор представляет собой функционально закон­ченное полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких интегральных микросхем с большой степенью ин­теграции (БИС), включающее в себя все средства, необходи­мые для обработки информации и управления, и рассчитанное ни совместную работу с устройствами памяти и ввода—вывода информации.

Основными частями МП являются арифметическо-логическое устройство, устройство, внутренние регистры и интерфейсные средства.

В арифметическо-логическом устройстве (АЛУ) выполняются все арифметические и логические операции: сложение, вычитание, обработка кодов чисел, пересылка, И, ИЛИ, НЕ, сложении операций. Ряд операций выполняется по микропро­граммам и подпрограммам.

	Рис. 2Структурная схема микропроцессора

Управляющее устройство (УУ) решает задачу сбора и пере­дачи информации об управляемом объекте, переработки ин­формации, выдачи управляющих воздействий на объект управ­ления в соответствии с алгоритмом.

В микропроцессорной системе управления используется двоичная система исчисления из чисел 0 и 1. Информация о пе­ременных состояния электропривода дается в виде чисел в двоичной системе исчисления и ее преобразование произво­дится по известным законам арифметики и алгебры. Длина слов, вводимых в микро-ЭВМ, т. е. число разрядов двоичных чисел, с которыми она оперирует, не превышает 16—32.

Базовым языком для микропроцессоров является АССЕМБ­ЛЕР. Емкость памяти — это предельноеколичество информа­ции, которое можно разместить в памяти микро-ЭВМ. Она может быть измерена в битах, т. е. числе двоичных единиц, в байтах — восьмибитовых словах; килобайтах. Быстродействие процессора принято характеризовать количеством операций сложения, выполняемых за 1 с.

На рис. 2 представлена структурная схема микропроцес­сора. В состав центрального процессора ЦП входят АЛУ, ре­гистр данных РД, адресный регистр АР, управляющее устрой­ство УУ, генератор синхронизирующих импульсов ГСИ.

Регистры данных РД используются для промежуточных действий с данными и накопленной информацией; передач про­цессором данных и их прием в центральный процессор. Адрес­ные регистры АР предназначены для хранения адресов в па­мяти и для связи с регистром данных для их передачи из па­мяти в интерфейс ввода—вывода и обратно. Управляющее устройство УУ осуществляет управление и контроль за правиль­ным исполнением команд. Генератор синхронизирующих (так­товых) импульсов ГСП объединен с блоком управления. Его частота определяет оперативную скорость микропроцессора.

Использование микро-ЭВМ предусматривает два вида обес­печения: схемное (аппаратное), определяющее совокупность электронных элементов и связей между ними, и программное, реализуемое с помощью изменяемых пользователем или неиз­менных наборов команд. Программы, команды и данные хра­нятся в блоках памяти, которые содержат определенное, харак­теризующее объем памяти, число адресов и ячеек. Реализуясь в микропроцессоре, они обеспечивают требуемый режим работы электропривода.

В постоянном запоминающем устройстве ПЗУ программы хранятся постоянно. Они могут считываться, но могут быть стерты. Поскольку в большинстве случаев каждая микро-ЭВМ используется лишь для одной конкретной цели, число программ, хранящихся в памяти, ограничено. Поэтому программы микро-ЭВМ, как правило, хранятся в долговременной памяти, а на­бор команд неизменен. Требуемые программы «вживаются» в микро-ЭВМ при ее производстве. Необходимые постоянные, например справочные данные, также хранятся в ПЗУ.

В оперативном запоминающем устройстве ОЗУ информа­ция может записываться, либо считываться в процессе работы. Данные и результаты промежуточных вычислений могут быть сохранены и ОЗУ. Центральный процессор в соответствии с программой может считать эти данные или, если требуется, изменить содержимое ячеек ОЗУ.

Микро-ЭВМ могут содержать как ОЗУ, так и ПЗУ. Раз­личные постоянные и справочные данные, стандартные про­граммы хранятся в ПЗУ, в то время как ОЗУ содержат пара­метры и куски программ, которые могут в процессе работы из­мениться.

Под интерфейсом МП понимается системп адресных, инфор­мационных и упражняющих шин, предназначенных для связи перечисленных устройств. В МП различают внешний интер­фейс, обеспечивающий сопряжение МП, памяти и периферий­ных устройств и внутренний интерфейс — для связи между блоками МП.

Периферийным называется устройство, осуществляю­щее преобразование и ввод—вывод в микро-ЭВМ информации о регулируемых координатах электропривода, состоянии защит­ной и коммутационной аппаратуры, о технологических параметрах процесса и т. п. Схема сопряжения периферийных устройств с микро-ЭВМ называется интерфейсом ввода—вывода.

Информации от всех периферийных устройств вводится и микро-ЭВМ н каждый момент естественного открытия вентилей.

С помощью МП решаются как типовые, так и специальные задачи управления электроприводом. По мере совершенство­вания микропроцессорных систем эти задачи будут услож­няться и круг их расширяться. Предусмотрен наладочный ре­жим работы МП. В этом режиме осуществляется корректи­ровка программ регулирования и проверка устройства на функ­ционирование с указанием на индикаторе пультового терминала результатов проверки.

Важным достоинством управления с помощью микро-ЭВМ является его гибкость, возможность оперативного изменения алгоритмов и программ управления. Это позволяет программно изменять характеристики привода и выполняемые им функции без изменения элементной и схемной основы системы управле­нии. Задача автоматизации в этом случае сводится лишь к со­ставлению новых программ и внесению некоторых изменений вустройства связи с объектом (УСО) без разработки новых элеменговсхем и организации их производства.

При использовании микропроцессорного управления дости­гается высокий уровень стандартизации и унификации аппара­туры

Поскольку стоимость микропроцессоров и периферийного оборудования постоянно снижается, электроприводы с управ­лением от микро-ЭВМ становятся конкурентоспособными, и в ближайшее время следует ожидать их широкого внедрения в многочисленных механизмах металлургических агрегатов и машин с высоким уровнем технических требований.

В микропроцессорных системах управления нет отдельно выделенных регуляторов СИФУ в виде физических объектов. Функции регуляторов и СИФУ программно выполняет микро-ЭВМ.Физические переменные представляются в цифровом коде. Достоинством такого управления является использование в системе управления большого числа параметров, в том чи­сле— параметров, недоступных для непосредственного изме­рения; реализация оптимального и адаптивного управления технологическим процессом в условиях изменяющихся в про­цессе работы его характеристик. Благодаря наличию каналов цифровой информации и высокой скорости ее передачи привод может работать во взаимодействии с большой центральной ЭВМ.

При использовании микропроцессорного управления дости­гается высокий уровень стандартизации и унификации аппара­туры. Это позволяет при малой номенклатуре сменных блоков собирать из изделий с высокой степенью заводской готовности системы управления при высокой повторяемости каждого блока в системе. Благодаря этому снижается трудоемкость и сокращаются сроки разработки САУ новыми электроприво­дами, снижаются трудозатраты на изготовление САУ и ее стои­мость.

Поскольку стоимость микропроцессоров и периферийного оборудования постоянно снижается, электроприводы с управ­лением от микро-ЭВМ становятся конкурентоспособными, и в ближайшее время следует ожидать их широкого внедрения в многочисленных механизмах металлургических агрегатов и машин с высоким уровнем технических требований.

Цифровое управление, находит применение в приводе про­мышленных роботов. Широкая автоматизация технологи­ческих процессов предусматривает создание гибких автомати­зированных производств, в основе которых лежит первичная ячейка — роботизированный модуль. Различные грузоподъем­ные, загрузочные и другие машины, предназначенные для вы­полнения операций, требующих пространственного перемеще­ния рабочего органа, являются представителями большого класса машин типа командных промышленных манипулято­ров (роботов). Рабочий процесс таких агрегатов состоит из перемещений рабочего органа по требуемым пространствен­ным траекториям, остановки его в любой требуемой точке об­служиваемого пространства и производства манипуляций рабо­чим органом, предусмотренных конкретной технологией. Элек­троприводы механизмов, осуществляющие эти перемещения, должны отвечать следующим общим требованиям: быстродей­ствие; широкий диапазон регулирования скорости; высокая точность регулирования; надежное ограничение статических и динамических момента и тока двигателя допустимыми значе­ниями как в переходных, так и в установившихся режимах.

Исполнительные органы роботов и манипуляторов оборуду­ются электрическим, гидравлическим, пневматическим приво­дами или их комбинацией. В приводе роботов используются дви гатели постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, малоинерционные двигатели с гладким или полым якорем, вен­тильные двигатели, обладающие свойствами двигателя постоян­ного тока.

Из числа электроприводов для промышленных роботов наи­более полно удовлетворяет предъявляемым требованиям тиристорный привод постоянного тока с программным управлением на базе микро-ЭВМ.

Рис. 64. Схема управления тиристорным электроприводом с микропроцессором: КР _- клавишный регистр; ВД — ячейка выдачи дискретных сигналов; ДС — датчик синхронизации; ПНЧ — преобразователи; ВВ—устройство ввода сигналов защитных и коммутационных аппаратов; ИТ — индикационное табло; ПС — процессорна секция; ППЗУ — перепрограммируемое ПЗУ; ЯС — ячейка счетчика импульсов; ЯУ'Т ячейка управления тиристорами; А — усилитель

Клавишный регистр КР служит для ввода восьмеричных цифр от 0 до 7 и определения программы работы процессора.

ill

Рис. 63. Схема реверсивного тиристорного электропривода с микропроцессорным уп­
равлением:

ЦП — центральным процессор; ПЗУ, ОЗУ — соответственно постоянное и оперативное

запоминающие устройства; //преобразователи сигналов обратной связи; UZ — ти-

ристорный реверсивный преобразователь,; VA, HR — датчики соответственно тока и ско­
рости

тилей. В эти же моменты выдается информация о требуемом угле регулирования а.

Все узлы внутри БИС МП (рис. 62) связаны информацион­ной шиной данных ШД, представляющей собой многопровод­ную магистраль. Шина адреса ША предназначена для пере­дачи адресов. По двухнаправленной шине управления ШУ пе­редаются управляющие сигналы. Обычно интерфейс позволяет передавать информацию с длиной слова до 16 разрядов.

На рис. 63 представлена структурная схема реверсивного ти­ристорного электропривода постоянного тока с микропроцессор­ным управлением.

На рис. 64 представлена структурная схема тиристорного электропривода с микропроцессорным устройством управления. Напряжения шунтов RS, RP в цепи якоря двигателя М и об­мотки возбуждения ОВМ преобразуются в частоту следова­ния импульсов преобразователями ПНЧ. Дальнейшая обработка сигналов выполняется в ячейке ЯС. Для синхронизации про­цессов измерений и вычислений система снабжена датчиком синхронизации ДС. Для отсчета угла регулирования очеред­ного тиристора используется ячейка ЯУ7¹, имеющая в своем составе таймеры и буферные регистры. Периферийная ячейка ВД осуществляет выдачу дискретных сигналов для управления блокировками и цифрового сигнала в последовательном коде в ЭВМ верхнего уровня или в систему управления другими аг­регатами.

ПО

Глава III

МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

I.Приведение моментов

Ур.'ишение движения привода (2) справедливо при условии, что
нес элементы системы (рис. 65): двигатель Д, передаточное уст­
ройство ПУ, рабочий орган РО имеют одну и ту же угловую
скорость. Однако при наличии редуктора их угловые скорости
fiv"^v i различными, что затрудняет анализ системы. Для упро-
iin i расчетом реальный электропривод (рис. 65, а) заменяют
it 11 mnt'ft системой с одним вращающимся элементом
(l< п¹), Тйкпн :»;шена производится на основании приве-

j|f v% моментом н сил к угловой скорости вала двига-

1*

иф етвтическихмоментов основано на том условии,
Mi 1#мйи мощность без учета потер!» нп любом палу

in Hfi^?ff Ht»MMt*HHoft.

Ill

замкнут по потоку Ф_дв, а внешний — по э. д. с. двигателя Дд_В. Схема регулятора э. д. с. РЭ такова, что при £дв<£дв.ном вы­ходное напряжение РЭ постоянно и пропорционально Ф_дв. ном, а при £'дв>£'дв.ном оно уменьшается. .

На входе регулятора потока РФ сравниваются выходное напряжение регулятора э. д. с. £/_р._э и напряжение Цф, пропор­циональное потоку Фдв, которое формируется датчиком потока [/Ф, подключенным к датчику тока возбуждения UA. Выходное напряжение Цф определяет угол отпирания тиристорного воз­будителя UZ, нагрузкой которого служит обмотка возбужде­ния двигателя ОВМ.

Таким образом, при работе двигателя со скоростью ниже основной выходное напряжение регулятора э. д. с. и, следова­тельно, ток возбуждения двигателя не зависят от величины скорости, т. е. система разомкнута по э. д. с. При скорости двигателя выше основной регулятор э. д. с. вступает в действие, регламентируя скорость изменения потока возбуждения двига­теля в переходных режимах в соответствии с заданным тем­пом изменения скорости.

Выходной величиной второго звена объекта является угло­вая скорость двигателя со. Сигнал, пропорциональный угловой скорости со, поступает по цепи обратной связи от тахогенера-тора BR на вход регулятора скорости PC. Как видно из схемы (см. рис. 58, а), выходной сигнал регулятора скорости PC яв­ляется задающим сигналом для регулятора тока РТ.

Таким образом, в данном случае автоматически обеспечи­вается раздельное управление напряжением на якоре двигателя и потоком его возбуждения, хотя управляющий сигнал U_y по­ступает лишь на вход системы управления цепи якоря.

На рис. 58, в представлены механические характеристики привода постоянного тока при двухзонном регулировании ско­рости. Зона / — при ф=Фн, со^соосн; зона // — при Ф<Ф_И,

С0>(0осн.

Диаграммы изменения магнитного потока, э. д. с. момента при двухзонном регулировании приведены на рис. 29.