Mexbios - среда разработки современных систем управления электроприводов

Специализированное программное обеспечение (ПО) развивалось параллельно развитию микроконтроллеров и первоначально основывалось на языках низкого уровня типа Assembler , что требовало высокой профессиональной подготовки программистов. Развитие объектно-ориентированных языков программирования незначительно облегчило процесс создания программ управления для систем автоматического регулирования на базе исполнительных электроприводов. Таким образом, появилась необходимость в создании нового инструмента для разработки и отладки ПО современных систем управления электроприводов.

В настоящее время прослеживается тенденция опережающего развития ПО цифровых микропроцессорных систем управления (МПСУ) электроприводов при достаточно высоком уровне их аппаратной части, реализованной на микроконтроллерах. До 90 % функций управления в современных системах электроприводов обеспечивается за счет программного обеспечения. Именно поэтому данное направление исследований является актуальным.

Существующие программные комплексы MatLab Simulink, Vissim позволяют сгенерировать программный код для микроконтроллера, однако обладают рядом недостатков: дополнительно тре- буется система программирования, невозможно проводить отладку кода и настройку системы управления непосредственно из автоматизированной системы проектирования встроенного ПО микроконтроллера [1–2].

В лаборатории микропроцессорных систем управления электроприводами кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института Томского политехнического университета был проведен ряд исследований, основной целью которых было создание встроенных МПСУ современных высокоточных электроприводов. Основная задача таких систем обеспечить: значительное сокращение сроков разработки электронных модулей управления (преобразователей частоты для систем управления электродвигателями, сервоприводов, контроллеров); гарантированное получения в системе электропривода требуемых характеристик; снижения стоимости системы управления [3].

Разработанный программный комплекс MexBIOS™ Development Studio 2.15 (MexBIOS) в настоящее время применяется в научно-внедренческой деятельности Томского политехнического университета и используется несколькими вузами в учебном процессе для освоения принципов построения цифровых систем управления. Программный комплекс представляет собой интегри-

Электромеханические системы рованную среду автоматизированного проектирования с возможностью отладки и настройки цифровых систем управления электроприводами. К программному комплексу прилагаются файлы прошивок для наиболее распространенных типов микроконтроллеров, применяемых при создании устройств управления [4].Основной функционал первых версии MexBIOS –разработка МПСУ для управления электроприводом в режиме реального времени. Однако программа, полученная средствами MexBIOS, не обладала наглядностью и имела достаточно громоздкий вид [5].

Для наглядности и компактности схем, была выработана новая концепция создания структуры создаваемого ПО. Стало возможно создавать разветвлённые алгоритмы. Далее разработчики реализовали популярный метод программирования – машина состояний. Благодаря этому методу стало возможным в процессе анализа будущего ПО выделить различные состояния объекта управления и строго описать действия системы управления в этих состояниях. Сейчас разработчики реализуют функцию изменения ПО, не останавливая выполнения программы. Данный подход позволяет изменять структуру программы управления без остановки технологического процесса [6, 7].

Создание цифровых систем управления реального времени для управления электромеханическими объектами является сложной задачей, решение которой требует применение специальных методов и программно-аппаратных средств. Объём решаемых задач на программируемых контроллерах многократно усложнил процесс создания встроенного программного обеспечения для новых решений в области разработки цифровых систем управления автоматизированных электроприводов. Зачастую приходится прибегать к це- почке специалистов: от специалиста предметной области до программиста специализированных контроллеров. Такой подход приводит к удорожанию процесса разработки нового устройства как из-за увеличения времени разработки, так и из-за возникающих ошибок в процессе реализации идеи специалиста программистом в конечном продукте. Набирает оборот новое направление программирования – с помощью визуальных блок-схем. Данных подход позволяет исключить промежуточного специалиста в программировании между инженером и программой [4].

Цель данной статьи – показать возможность синтеза векторной системы управления частотнорегулируемым асинхронным двигателем методом визуального программирования в новой программной среде MexBIOS.

Синтез контура регулирования тока

Первый этап программирования – создание адекватной модели объекта регулирования: питающей сети трёхфазного напряжения и асинхронного двигателя марки АИР71А4. Модель двигателя представлена в двухфазной неподвижной системе координат относительно осей α и β. На рис. 1 представлена функциональная схема, собранная в интегрированной программной среде, и представлен график имитационного моделирования.

На втором этапе работы необходимо провести отладку модели замкнутой системы управления током статора асинхронного двигателя.

Для отладки контура регулирования тока необходимо отключить механическую часть электродвигателя (застопорить вал). На рис. 2 представлен результат имитационного моделирования контура управления током статора по оси Q .

Рис. 1. Модель объекта регулирования:

POWER_SOURCE – блок имитационной модели трёхфазного симметричного источника напряжения (Ua, Ub, Uc) и идеального двухфазного источника напряжения в неподвижной системе координат (Ualpha, Ubeta); ACIM_2PH_AB1 – имитационная модель двухфазного асинхронного двигателя; isa, isb – составляющие вектора тока статора; psi_ra, psi_rb – составляющие вектора потокосцепления ротора; wr – частота вращения ротора; Me – электромагнитный момент; theta – угол поворота вектора потокосцепления ротора; OUT2 – графический визуализатор, отображающий результат моделирования прямого пуска двигателя в рад/с; IN – задание момента нагрузки в Н·м

PID

IN

Ref Out —1

QG RECT

Reset

1.00026 *

Рис. 2. Имитационная модель системы управления током АД:

QG_RECT – генератор прямоугольных импульсов; Ampl – амплитуда сигнала; Freq – частота сигнала; Reset – на всех блоках вход сигнала сброса; Out – выход генератора; IN2, IN3 – задание амплитуды и частоты генератора прямоугольных импульсов; PID, PID1 – ПИД регуляторы составляющих тока статора по осям D и Q; Ref, Fdb – входы сигналов задания и обратной связи ПИД-регуляторов составляющих тока статора; IPARK, PARK – блоки инверсного и прямого преобразования Парка–Горева; Ds, Qs – составляющие вектора тока статора во вращающейся системе координат; Alpha, Beta – составляющие вектора тока статора в неподвижной системе координат; Angle – угол поворота координатной системы; RAMPGEN – генератор пилообразного сигнала для принудительного ориентирования координатной системы; FTOIQ, IQTOF – преобразователи форматов сигналов; GAIN – блок усиления сигнала; OUT – графический визуализатор полученных переходных процессов по току по оси Q

Для регулирования частоты вращения АД в зоне с постоянством момента, необходимо изменять активную составляющую вектора тока статора двигателя. Создание системы векторного управления АД базируется на общеизвестных уравнениях математического описания работы АД во вращающейся системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления статора.

При отсутствии датчиков потокосцепления асинхронного двигателя необходимо вычислять угол поворота координатной системы. Вычисление угла поворота производится по токовой модели (модель ротора).

Подключение токовой модели ротора

Токовая модель ротора состоит из следующих двух дифференциальных уравнений двигателя во вращающейся системе координат:

di

• i    d=Tr

i                                    ■(1)

• 1    d 9 to

toe =--= — zp +, tob dt   tob p Triцюb где 9 - положение ротора; iц - ток намагничивания двигателя; id, iq – d и q составляющие вектора тока статора во вращающейся координатной системе;

T r = L r /R_r - постоянная времени ротора, где L r -индуктивность ротора, R r – сопротивление ротора; to e - угловая частота вращения поля ротора; to b - базовая угловая частота вращения двигателя; to r - угловая частота вращения ротора; z_p - число пар полюсов двигателя.

Функция токовой модели CUR_MOD дискретном виде представлена системой уравнений:

ⁱ ц ( i )     ⁱ ц ( i - 1) ⁺ ^ ^{( i}d ( i )    ⁱ ^ (i - 1) ) ^;

T r

• a, -     iq

• 5 ^to slip    _T .           ^;

T rⁱ ц ( i ) ^to b

• toe =to r +to slip ;

,9 ( i ) =9 ( i - 1) + Tf b to e ,

где T - период дискретизации; to _slip - скольжение ротора; f_b – базовая частота питающей сети.

Чтобы по данным уравнениям реализовать функцию управления, необходимо преобразовать уравнения по первой разностной схеме Эйлера и привести их к относительным единицам. Приведённая система уравнений реализована в блоке CUR_MOD. Регулирование скоростью осуществляется с помощью ПИД регулятора [8–10]. Для того чтобы двигатель успел сформировать магнит-

Электромеханические системы ное поле перед запуском, необходимо задержать формирование задания на момент. Задержку осуществляет блок Delay.

На рис. 3 представлена функциональная схема векторной системы управления скоростью АД.

Графические визуализаторы позволяют наблюдать, регистрировать и анализировать результаты имитационного моделирования векторной системы управления АД.

Далее необходимо добавить и настроить блоки драйверов устройств периферии (QEP, PWM, ADC), то есть задать:

• -    тип ШИМ преобразователя;

• -    тактовую частоту ШИМ;

• -    величину «мертвого» времени.

После чего запускается программное обеспечение на контроллере системы управления электропривода, и полученные данные имитационного моделирования сравниваются с экспериментальными данными.

Графики, полученные с функции CUR_MOD и угла поворота координатной системы, ориентированной по вектору потокосцепления ротора, представлены на рис. 4.

Как видно из рис. 4, рассчитанный угол положения и угол положения математической модели двигателя практически совпадают.

Так же можно сравнить и проанализировать графики переходных процессов по току и угловой частоте вращения асинхронного двигателя.

Рис. 3. Модель векторной системы управления скоростью АД. Добавлена функция CUR_MOD: Ids, Iqs – токи статора во вращающейся системе координат; ACI – вход параметров двигателя

Рис. 4. Угол поворота вектора потокосцепления ротора, полученный при моделировании АД, и вычисленный функцией CUR_MOD в момент реверса

Заключение

Отличительной особенностью данного подхода к синтезу системы векторного управления регулируемого электропривода является применение собственного открытого программного обеспечения MexBIOS.

Для получения требуемых выходных характеристик электропривода, можно менять структуру микропроцессорной системы управления и используя стандартные процедуры оптимизации получать требуемое качество переходных процессов и в короткий срок произвести отладку управляющей программы для микроконтроллеров производства Texas Instruments серии C2000.

Предложенный программный комплекс позволяет проводить проектирование, предварительное имитационное моделирование, загрузку кода в микроконтроллер, отладку встроенного программного обеспечения и настройку регуляторов цифровой системы управления электродвигателем в одном продукте в отличие, например, от Simulink MatLab .