Контролер двигуна змінного струму

 

• 3. ПРОЕКТУВАННЯ КОНТРОЛЕРА ДВИГУНА  ЗМІННОГО СТРУМУ

• 3.1. Розробка граф-схеми алгоритму програми управління роботою контролера

 

При проектуванні програми необхідно, насамперед, визначити основні режими її роботи, взаємозв’язок між цими режимами, організацію окремих процедур виконання алгоритму. Для цього  розробляється граф-схема алгоритму  роботи програми.

Розроблена граф-схема алгоритму роботи програми наведена в графічній частині роботи. 

З граф-схеми можна визначити  черговість роботи і взаємодію між  режимами і процедурами виконання  алгоритму.

Лістинг програми на мові асемблер наведений у додатку А. Програма починається з ініціалізації. Для прискорення реакції на переривання захисту в таблиці переривань знаходяться не тільки команди переходів але і обробники цих переривань, та команди виключення вихідних сигналів. Описуються точки входу таймерів і лічильників.  Відбувається скид початкових даних. Налаштовуємо режими таймерів і маску переривань. Перед початком основного циклу роботи вмикаємо таймер, дозволяємо роботу драйверів, очищаємо дисплей і переходимо до виводу частоти.

В нас є  задана частота обертання вала електродвигуна і поточна, - частота з якою в даний момент обертається електродвигун. В основному циклі роботи ці дві величини аналізуються і якщо частота обертання двигуна відповідає нормі то перехід на вивід. Якщо ж ні то змінюється частота, спочатку скидається прапорець беремо задану частоту порівнюємо її з поточною якщо вони рівні то виводимо її.  Якщо ж задана частота менша за поточну то зменшуємо поточну частоту, якщо ж більша то і відповідно збільшуємо поточну частоту. Вираховуємо дільник таймера, очищуємо дисплей і знову беремо частоту, виводимо її і продовжуємо роботу. Також в нас є допоміжні функції і процедури які описані після основного циклу роботи: очищення дисплею, вивід числа із акумулятора на дисплей, вивід екранної області на індикатори, процедура затримки на 10 мс і на 10 мкс. Процедура яка встановлює новий дільник для таймера 0, при вході в яку акумулятору присвоюється частота, а коли відбувається вихід то перевстановлюються значення дільника паузи таймера 0. Слід зауважити, що коректний діапазон значення частоти повинен бути встановлений завчасно оскільки таблиця починається не з 0 Гц то потрібно скоректувати зміщення.

Далі ідуть  обробники переривань: обробник переривання  таймера 0, обробка протяжності Т_1, обробник переривання таймера 1, обробка  прапорця зміни частоти. Наступною  описується таблиця значень таймера 0 для обробки частот (таблиця  дільників частот). В кінці програми описані символи цифр для виводу на індикатор.

• 3.2. Розробка функціональної схеми контролера

 

Функціональна схема процесора наведена в графічній частині бакалаврської роботи. Вона розроблена на основі структурної схеми процесора, вибраної елементної бази та організації роботи  процесора, які були описані вище. До її складу входять:

- схема захисту системи від перенавантажень в електромережі;

- схема визначення частоти обертання двигуна;

- схема синхронізації;

- вузол індикації;

- дисплей на семисегментних індикаторах з послідовним вводом і паралельним виводом;

- мікроконтролер AT89C2051;

- формувач вихідних сигналів – реалізований на базі мікросхем 74HC244AN;

При розробці функціональної  схеми враховувались  характеристики вибраних мікросхем  та особливості їх підключення. В схемі використовується недорогий мікроконтролер  AT89C2051. Він реалізує всі потрібні функції по спеціально розробленій програмі.

Схема захисту  отримує значення від давача струму U_вх і порівнює його із заданим максимально можливим значенням, якщо U_вх вище за дане значення то це свідчить про перенавантаження в промисловій електромережі і спрацьовує захист, тобто відбувається скид контролера двигуна і двигун не працює. Також можливий ручний скид контролера.

Коли закінчиться надходження сигналу скиду на мікроконтролер DD15, то він почне виконання своєї програми. Спочатку проходить внутрішня ініціалізація мікроконтролера, а потім подається сигнал дозволу роботи шинного буфера. Цей буфер використовується для швидкого відключення вихідних керуючих сигналів при спрацюванні захисту так як при поступленні сигналу скиду на мікроконтролер на всіх його вихідних портах встановлюється високий логічний рівень, що переводить виходи Р1 в Z – стан. На виходах схеми управління, позначених «f1» - «f6», встановлюється низький логічний рівень, що відповідає закритому стану всіх силових ключів інвертора. Вузол індикації показує режим роботи схеми управління: зелений колір «робота», червоний – «захист».

Наявність схеми захисту зумовлена тим, що швидкодії сучасних недорогих мікроконтролерів явно недостатньо для реалізації захисту програмним чином. Це відноситься не тільки до мікроконтролера який використовується, але й для інших швидкодіючих AVR і PIC.

Зміна частоти відбувається дискретно з кроком 1 Гц, при чому швидкість зміни встановлюється 2 Гц/сек. Це зроблено для виключення стрибкоподібної зміни вихідної частоти, що може призвести  до виникнення ударних струмів в асинхронному двигуні і механічних перенавантажень в рушійному механізмі.

Дисплей з послідовним інтерфейсом, за допомогою якого відображаються задане і поточне значення частоти. Використовується дисплей на шести семи сегментних світодіодних індикаторах і шести регістрах з послідовним вводом і паралельним виводом даних.

• 3.3. Розробка електричної принципової схеми контролера

 

Принципова схема вузла керування  розроблена на основі структурної та функціональної схем процесора. Принципова схема містить такі вузли:

• схема скиду;
• шинні формувачі;
• індикатор режимів роботи контролера;
• дисплей на семисегментних індикаторах з послідовним вводом даних і паралельним виводом;

Схема скиду реалізована на елементах R2, R3, VD1, R4, DA1A, SB1, R6, R9, R10, C21, DD18. Скид можна здійснити натиснувши клавішу SB1. Також скид здійснюється при перенавантаженні в електромережі.

Управління  силовими ключами інвертора за певним алгоритмом здійснює спеціальний керуючий контролер (схема керування). Алгоритм управління передбачає не тільки реалізацію функцій регулювання частоти і дійсного значення вихідної напруги, але також і реалізацію захисту силових ключів від перевантажень і коротких замикань. В деяких випадках додатково реалізуються функції регулювання моменту на валу двигуна та інші специфічні задачі.

Короткі характеристики і особливості схеми управління

• Формування послідовності імпульсів управління силовими ключами по алгоритму, який реалізує лінійну залежність дійсного значення напруги від частоти;
• Регулювання частоти вихідної напруги інвертора від 5 до 500 Гц;
• Швидкодіючий захист силових ключів інвертора від струмів короткого замикання;
• Можливість використання в якості датчика струму схеми захисту як спеціалізованого датчика (наприклад фірми LEM), так і звичайного шунта;
• Дисплей з послідовним інтерфейсом для індикації поточної і заданої частоти;

В схемі використовується недорогий мікроконтролер  AT89C2051-24PI. Він реалізує всі потрібні функції по спеціально розробленій програмі.

Роз'єм Х3 використовується для підключення напруги живлення схеми управління 5В (контакти 1 і 4), а також для підключення до схеми драйверів силових ключів інвертора (контакти f1 – f6).

Роз’єм  Х2 використовується для підключення сигналу з давача струму інвертора. Якщо використовувати давач фірми LEM або аналогічний, то обов’язкова наявність навантажувального резистора R2, опір якого визначається типом давача. Якщо в якості давача використовувати шунт, то цей резистор непотрібний. Шунт повинен бути розрахований так щоб при наявності струму К3 в колі постійного струму інвертора на ньому падала напруга від 3 до 5 В. Якщо напруга значно нижча, то може знадобитися додатковий каскад підсилення.

Схема захисту побудована на компараторі DA1A і тригері DD18, її опис наведено нижче. Напруга з датчика струму через захисне коло R3-VD1 поступає на не інвертований вхід компаратора DA1.A, а на вхід який його інвертує поступає порогове значення напруги з переналаштованого резистора R4. Коли напруга з давача струму перевищить порогове значення, спрацює компаратор і високий логічний рівень з його виходу поступить на тактовий вхід тригера DD1.1, який переключиться  і сигналом зі свого вивода 5 переведе мікроконтролер в стан скиду. При включенні живлення тригер DD18 встановлюється в стан скиду за допомогою кола R10-C21. Щоб скинути схему захисту в робочий стан і запустити тим самим інвертор, треба тимчасово натиснути на кнопку SB1.

Коли закінчиться надходження сигналу скиду на мікроконтролер DD15, то він почне виконання своєї програми. Спочатку проходить внутрішня ініціалізація мікроконтролера, а потім подається сигнал дозволу роботи шинного буфера DD16-DD17 «OE». Цей буфер використовується для швидкого відключення вихідних керуючих сигналів при спрацюванні захисту так як при поступленні сигналу скиду на мікроконтролер на всіх його вихідних портах встановлюється високий логічний рівень, в тому числі і на лінії «OE», що переводить виходи DD16-DD17 в Z – стан. Завдяки резисторній збірці DD19 і резисторам R12, R14 на виходах схеми управління, позначених «VT1» - «VT6», встановлюється низький логічний рівень, що відповідає закритому стану всіх силових ключів інвертора. Світодіод HL1 показує режим роботи схеми управління: зелений колір «робота», червоний – «захист».

Така будова схеми захисту зумовлена тим, що швидкодії сучасних недорогих мікроконтролерів явно недостатньо для реалізації захисту програмним чином. Це відноситься не тільки до мікроконтролера який використовується, але й для інших швидкодіючих AVR і PIC.

З допомогою резистора R8 встановлюється бажане значення частоти вихідної напруги інвертора. Не залежно від розташування R8, зразу після початку роботи інвертор формує вихідні сигнали для частоти напруги  в 5 Гц. Потім, проаналізувавши розташування рушійного струму цього резистора, мікроконтролер починає поступово підвищувати частоту до заданого рівня. Зміна частоти відбувається дискретно з кроком 1 Гц, при чому швидкість зміни встановлюється 2 Гц/сек. Це зроблено для виключення стрибкоподібної зміни вихідної частоти, що може призвести  до виникнення ударних струмів в асинхронному двигуні і механічних перенавантажень в рушійному механізмі.

Дисплей з послідовним інтерфейсом, за допомогою якого відображаються задане і поточне значення частоти. Використовується дисплей на шести семи сегментних світодіодних індикаторах і шести регістрах з послідовним вводом і паралельним виводом даних.

 

• 4.ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА

• 4.1. Техніко-економічна характеристика проектної розробки.

 

В даній бакалаврській  роботі розробляється контролер двигуна змінного струму. Основними компонентами системи є мікроконтролер, перетворювач частоти, вузли індикації, схема захисту від перенавантажень в електромережі та схема визначення частоти обертання вала електродвигуна. Основною задачею даної системи керування частотою і моментом обертання вала електродвигуна.

Дану систему можна  використовувати в багатьох сферах. Можна застосовувати у різних промислових станках, конвеєрному  обладнанні, робототехніці, автомобілебудуванні.

Оскільки сфера застосувань  досить обширна, то я вважаю що моя розробка буде користуватися попитом.

• 4.2. Визначення комплексного показника якості

 

Комплексний показник якості ( ) визначається шляхом порівняння показників якості проектованого виробу і вибраного аналогу.

За аналог обирається виріб, що відповідає проектному рішенню (проектованій конструкції) за сферою застовування та функціональному призначенню і є широко представлений на обраному ринку.

 Для визначення використовується система показників технічного рівня і якості, яка містить в собі наступні групи, причому в кожній групі вказана в дужках мінімальна кількість показників:

1. показники призначення (3-4);
2. показники надійності (2-3);
3. показники безпеки (1-2);
4. показники стандартизації і уніфікації (1-2);
5. ергономічні показники (1-2) тощо.

Комплексний показник якості проектованої системи  визначаємо методом арифметичного  середньозваженого з формули:

                  (2.1)

де  - кількість одиничних показників (параметрів), прийнятих для оцінки якості проектованої системи;

  - коефіцієнт вагомості кожного з параметрів щодо їхнього впливу на технічний рівень та якість проектованої системи (встановлюється експертним шляхом), причому:

            (2.2)

- часткові показники якості, визначені порівнянням числових значень одиничних показників проектованої системи і аналога за формулами:

 або             (2.3)

де  , - кількісні значення і-го одиничного показника якості відповідно проектованої системи і аналога.

Розрахунок Пя проводимо за вище наведеними формулами в табличній формі.