Высококачественные электроприводы должны иметь широкий диапазон регулирования скорости вплоть до нулевой, обеспечивать полное управление вращающим моментом, интенсивное ускорение и торможение. В прошлом в широкодиапазонных электроприводах преобладали коллекторные двигатели постоянного тока из-за их лучших регулировочных характеристик. Однако эти двигатели имеют малую надежность и небольшой ресурс, требуют трудоемкого обслуживания, порождают мощные радиопомехи. В последнее время более широкое распространение в регулируемом приводе получили трехфазные двигатели переменного тока, такие, как асинхронные (АД) и синхронные (СД) с магнитным или электромагнитным возбуждением, а также синхронные реактивные двигатели (РД). Это двигатели значительно надежнее, почти не требуют обслуживания, имеют более высокую удельную мощность, особенно при высоких частотах вращения.
До недавнего времени управление двигателями переменного тока осуществлялось довольно примитивным образом, путем изменения частоты тока, питающего статорные обмотки в зависимости от величины и знака ошибки по скорости. Это ограничивало их применение низкодинамичными приводами со сравнительно узким диапазоном регулирования. Сейчас все шире используются более передовые способы регулирования, направленные на создание в машине магнитных полей, интенсивность и положение которых являются оптимальными при данном положении ротора двигателя. Эти способы базируются на решении уравнений Парка—Горева и, по сути, сводятся к позиционному управлению вектором магнитного поля машины. Такое управление часто называют векторным. Векторное управление требует большого объема вычислений, которые совсем недавно не могли быть выполнены в реальном времени за приемлемую цену.
Сейчас ситуация изменилась. Появились недорогие однокристальные цифровые процессоры сигналов (ЦПС) с высокой производительностью, которые позволили обеспечить полосу пропускания контура регулирования до 4 кГц при выполнении этими процессорами векторных преобразований сигналов, пропорциональных токам и напряжениям двигателя. Эти преобразования включают вычисления в реальном времени синуса и косинуса угла поворота ротора, плюс операции «умножение—накопление» [9.9].
Для управления высококачественным сервоприводом переменного тока требуется дискретизирующее АЦ-преобразование сигналов, пропорциональных токам статора. Номинальный режим работы двигателя характеризуется мощностью на валу, которую двигатель может развивать не перегреваясь в течение продолжительного времени. Кратковременно двигатель может развить мощность, превосходящую номинальную в несколько раз (некоторые типы двигателей — шестикратно). В широкодиапазонных следящих и программно-управляемых приводах двигатель работает значительную часть времени с пониженными нагрузками, но кратковременно — со значительными перегрузками. Еще 25 лет назад международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендовала для привода станков с программным управлением диапазоны регулирования скорости вплоть до 30000:1. Все это требует для систем векторного управления приводами применения АЦП высокой разрядности (до 12... 14 бит). Второе требование, предъявляемое к АЦП: одновременное осуществление выборки, по крайней мере, по двум каналам. В этом случае, зная мгновенное значение тока в двух фазах при обычно трехпроводном включении двигателя, мы можем рассчитать ток в третьей фазе. Любая задержка между считываниями приведет к значительной погрешности определения тока.
Несколько фирм выпускают системы сбора данных, ориентированные на применение в системах векторного управления двигателями переменного тока. Например, микросхемы семейства AD7862/3/4 (Рис. 9.38) включают по два АЦП (каждый со своим УВХ) и по два входных аналоговых мультиплексора мих.
С помощью входных делителей можно в некоторых пределах изменять полную шкалу входных сигналов. AD7862/4 имеют 12-разрядные АЦП, a AD7863 — 14-разрядные.
Впоследствии разработчики резонно посчитали, что для систем, не требующих очень высокого быстродействия, достаточно использовать один АЦП, но с
четырьмя УВХ на входах 4-х канального мультиплексора. Так появился более дешевый 14-разрядный AD7865.
Типовое включение систем сбора данных этого семейства показано на Рис. 9.39.
Недостатком этой схемы является отсутствие информации о текущем положении ротора, которая необходима для более точного управления двигателем.
В приводах на основе синхронных двигателей такая информация абсолютно необходима для обеспечения оптимального угла выбега ротора. Поэтому обычно двигатели снабжаются магнитными датчиками положения ротора на эффекте Холла. Для недорогих приводов применение датчиков положения ротора может оказаться накладным, тогда применяют метод оценивания угла поворота ротора по Калману, основываясь на значениях токов и напряжений двигателя. Это, однако, требует большей вычислительной мощности ЦПС и не обеспечивает необходимой точности при низких скоростях привода.
Фирма Burr-Brown выпускает систему сбора данных ADS7864, ориентированную на применение в системах векторного управления двигателями переменного тока с датчиками положения ротора. Блок-схема этой системы приведена на Рис. 9.40.
Микросхема ADS7864 содержит два 12-разрядных АЦП последовательного приближения с максимальной частотой преобразований 500 кГц и шесть УВХ, которые могут одновременно производить выборку шести дифференциальных сигналов.
Два дифференциальных мультиплексора 3x1 подключают поочередно выходы УВХ к входам АЦП, также дифференциальным. Такое построение аналоговой части позволяет обеспечить подавление синфазного сигнала на 80 дБ вплоть до частоты 50 кГц. Для упрощения передачи данных процессору в состав микросхемы входит память типа FIFO (first input — first output) емкостью шесть 16-битных слов (адрес и данные).
Сравнительно недавно фирма Analog Devices начала выпуск однокристальных контроллеров семейства АОМСЗхх для векторного управления трехфазными электродвигателями. Упрощенная блок-схема системы управления двигателем показана на Рис 9.41.
На входы регулятора поступают сигналы, зависящие от токов двигателя, а также от положения и скорости вращения его ротора. Первичным датчиком положения здесь является синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ). Цифровой процессор сигналов используется для векторных вычислений в реальном времени, необходимых для генерации сигналов управления ключами трехфазного мостового инвертора. ИМС ADMC300 располагает 5-канальным 16-разрядным сигма-дельта АЦП и трехфазным цифровым ШИМ-контроллером с разрешением 12 бит на период, а также имеет гибкий интерфейс кодера датчика положения ротора. Микросхемы ADMC330/1 содержат 7-канальные АЦП последовательного счета с 12-битным разрешением и
программируемый 3-фазный 16-разрядный ШИМ-генератор. В качестве процессорного ядра всех этих микросхем используется 16-разрядный ЦП С с фиксированной точкой фирмы Analog Devices ADSP-2171, имеющий быстродействие 20 MIPS (млн команд в с).
Для улучшения формы токов, питающих обмотки двигателя, контроллер с помощью широтной модуляции импульсов, управляющих ключами инверторов, формирует синусоидальные (в среднем) напряжения на выходе силового инвертора. Частота управляющих импульсов, модулированных по ширине, регулируется в пределах до 20 кГц. Это позволяет инвертору генерировать квазисинусоидальное трехфазное напряжение в диапазоне частот 0...250 Гц. В микросхемах ADMC3xx обеспечивается разрешающая способность по времени ШИМ-контроллерадо 38 не.
Из-за невысокого быстродействия АЦП этих микросхем невозможно отслеживать мгновенные значения токов двигателя, что снижает возможности контроля над формой токов и оценивания положения ротора по информации о токах. В этом отношении лучшими характеристиками обладает ADMC401. Эта микросхема включает 8-канальный 12-разрядный конвейерный АЦП, имеющий время преобразования менее 2мкс. В отличие от ADMC3xx в состав ADMC401 входит встроенный интерфейс кодера положения.
48. Принцип работы генераторов.
В радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматического управления используют генераторы сигналов – устройства, которые служат для получения периодических незатухающих колебаний заданной формы.
Главная особенность колебаний, наблюдаемых в генераторе, состоит в том, что они обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями.
Структурная схема генератора сигналов показана на рис. 1.
Рисунок 1 – Структурная схема генератора сигналов
Здесь А – коэффициент передачи усилителя.
Она состоит из двух частей – усилителя (активного элемента) и частотно-селективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией Kос (jw), по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход.
Рассмотрим качественно процессы, происходящие в генераторах периодических колебаний. Причиной возникновения колебаний служат флуктуации – слабые колебания, происходящие случайным образом. Флуктуации наблюдаются в любой реальной цепи. Колебания, возникающие на входе активного элемента, усиливаются и через цепь обратной связи вновь поступают на вход. Поскольку обратная связь положительна, сигналы на входе складываются, а выходной сигнал лавинообразно растет. Такой процесс называют самовозбуждением генератора. На рис. 2 показан процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний.
Рисунок 2 - Процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний
Самовозбуждение имеет место, если коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи больше единицы:
K = A×Kос(jw) > 1. (1)
В (1) мы полагаем, что коэффициент передачи усилителя А не зависит от частоты.
Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока активный элемент
не перейдет в нелинейный режим. При этом коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи становится равным единице:
K = A×Kос(jw) = 1. (2)
При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим (рис. 1). В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Если условие (2) выполняется только на частоте ω0 , колебания имеют синусоидальную форму. Если это условие выполняется на нескольких частотах, колебания на выходе генератора имеют сложную форму, а спектр содержит гармоники с частотами, на которых выполняется условие (2).
Таким образом, в зависимости от частотных характеристик цепи обратной связи форма колебаний может иметь синусоидальную или несинусоидальную форму. Соответственно различают генераторы гармонических колебаний и импульсные. Для получения гармонических колебаний необходимо использовать цепь обратной связи второго или более высокого порядка, имеющую, как правило, резонансные характеристики. Цепи обратной связи импульсных генераторов имеют обычно первый порядок.
Рассмотрим подробнее условия, при которых в генераторе наступает стационарный режим. Представим коэффициент передачи цепи обратной связи в комплексной форме:
Kос (jw) = |Kос (jw)|ejφ(w) .
Тогда условие (2) можно записать в виде
A× |Kос (jw)| = 1; (3)
φ(w ) = 2n , n = 0,1, 2,.. (4)
Равенство (3) называют условием баланса амплитуд, а равенство
(4) – условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий (3) и (4) соответствует установившемуся режиму работы генератора. Эти условия называют в специальной литературе критерием Баркхаузена.
Генераторы гармонических колебаний классифицируют по виду используемых частотно-избирательных цепей. Широкое распространение получили LC- и RC-генераторы. В кварцевых генераторах в качестве частотно-избирательной цепи используют кварцевый резонатор – пластину кварца, обработанную таким образом, что она имеет определенную частоту колебаний.
, n = 0,1, 2,.. (4)