Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Prostředky pro mikroprocesorové řízení elektrických pohonů (3. část – dokončení)

Prostředky pro mikroprocesorové řízení elektrických pohonů (3. část – dokončení)

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc., ČVUT v Praze,
Fakulta strojní, ústav přístrojové a řídicí techniky

4. DSP pro řízení elektrických pohonů a elektronických měničů

Pro nejnižší úroveň řízení elektrických pohonů, napájených především z měničů pracujících s šířkově pulsní modulací, se v současnosti v největší míře používají aplikačně orientované DSP. Mikrokontroléry z této kategorie nejtypičtěji nacházejí uplatnění při frekvenčním řízení střídavých pohonů. V uvedených aplikacích tyto obvody nejčastěji realizují generování řídicích pulsů pro výkonové prvky můstkového střídače a momentovou, popř. i otáčkovou regulaci otáček a polohy. Dále se tyto mikrokontroléry často využívají k řízení pulsních a tyristorových měničů pro stejnosměrné pohony, k řízení kompatibilních usměrňovačů, maticových měničů atd. Mezi nejvýznamnější výrobce DSP pro elektrické pohony a výkonovou elektroniku patří např. firmy Motorola, Texas Instruments a Analog Devices.

DSP (Digital Signal Processor) je označení používané pro široké spektrum výpočetně výkonných mikrokontrolérů určených pro práci v reálném čase. Původně bylo použití obvodů DSP orientováno do oblasti zpracování spojitých signálů jako náhrada analogové elektroniky. V posledních přibližně deseti letech se začaly DSP uplatňovat i v dalších oblastech mikroprocesorového řízení v reálném čase. Nyní se používají zejména pro číslicové zpracování video- a audiosignálů, realizaci komunikačních systémů, pro realizaci číslicových filtrů, řízení mechatronických soustav a pro řízení elektrických pohonů a výkonových měničů.

DSP se vyznačují některými společnými znaky. Jsou to obvody koncipované pro velký výpočetní výkon, a proto využívají zřetězené zpracování instrukcí. Výpočetní výkony dosahují stovek milionů operací za sekundu. DSP jsou šestnáctibitové nebo dvaatřicetibitové a některé typy pracují s pohyblivou řádovou čárkou. V elektrických pohonech se však používají DSP s pevnou řádovou čárkou. Další jejich charakteristickou vlastností je vykonávání programu z rychle přístupné paměti RAM. Při vypnutí systému je aplikační program nejčastěji uložen v paměti flash, ze které se po zapnutí napájení přenese do paměti RAM. DSP jsou koncipovány převážně podle harvardské architektuy, mají tedy více nezávislých paměťových prostorů. Množství vestavěných periferií je zpravidla menší než u univerzálních mikrokontrolérů, avšak jejich skladba a možnosti jsou orientovány na konkrétní skupinu aplikací. DSP jsou většinou akumulátorového typu. Jejich instrukční soubor mnohdy zahrnuje ne zcela standardní instrukce, které však umožňují současné vykonání několika operací – např. provedení aritmetické operace, úprava měřítka prostřednictvím posunu operandu ve dvojkové soustavě a přesun dat, někdy umožňují používání tzv. saturačního módu. V tomto módu nedojde při překročení přípustného rozsahu číselné hodnoty operandu k přetečení, ale číslo je omezeno maximální hodnotou rozsahu. To je obdoba omezení napěťového rozsahu v analogové elektronice. Pro efektivní ladění algoritmů jsou DSP vybaveny rozhraním JTAG.

Pro DSP je charakteristická obvodová orientace konkrétních klonů do jednotlivých sfér použití. Filozofie výrobců je často taková, že firma aplikuje výpočetní jádro společné pro širší spektrum klonů a zaměření konkrétního klonu na určitou skupinu aplikací je dáno typy a množstvím vestavěných periferních obvodů. Tím se vyčlenila řada klonů právě pro řízení elektrických pohonů a výkonových měničů. Je zajímavé, že na trhu jsou obvody, u kterých je v jednom pouzdru integrován řídicí systém na bázi DSP, budiče výkonových prvků, ochranné obvody i výkonová část měniče frekvence pro asynchronní motor menšího výkonu. V dalším textu budou přiblíženy základní principy a možnosti dvou typů mikrokontrolérů určených pro řízení elektrických pohonů.

Mikrokontrolér TMS320F240
Mikrokontrolér TMS320F240 je výrobkem firmy Texas Instruments. Tento obvod je dodáván již delší dobu, od konce 90. let dvacátého století, avšak v řídicích systémech elektrických pohonů je poměrně frekventovaný. Jde o šestnáctibitový mikrokontrolér s 32bitovým akumulátorem, pracující s pevnou řádovou čárkou. Typický kmitočet zdroje taktování je 20 MHz, jeden instrukční cyklus je dán periodou tohoto taktování, tj. 50 ns. Většina instrukcí se vykonává během jednoho instrukčního cyklu.

Struktura paměťového prostoru je harvardská, zahrnující paměť programu, paměť dat a vstupní a výstupní (I/O) adresový prostor; to je v podstatě prostor pro komunikaci obvodu přes vnější paralelní sběrnici. Paměť je organizována po slovech (slovo = 16 bitů). Vnitřní paměť programu obsahuje 16 kslov a tuto paměťovou oblast je možné provozovat ve dvou módech: v módu mikropočítač a v módu mikroprocesor. V módu mikropočítač se obvod využívá při ladění a zavádění programů, v módu mikroprocesor je obvod provozován s odladěným programem v aplikaci, přičemž instrukce uživatelského programu se při jeho běhu vyčítají z vnější paměti RAM. Tato koncepce je standardní i u jiných typů DSP. V prostoru vnitřní paměti dat je k dispozici 544 slov pro uložení hodnot uživatelských proměnných.

Instrukční soubor obsahuje kromě standardních aritmetických a logických instrukcí, instrukcí přesunů dat, podmíněných a nepodmíněných skoků a porovnání také řadu instrukcí, které vycházejí z konkrétního obvodového řešení mikrokontroléru. To je svázáno zejména s koncepcí adresování operandů. Řada instrukcí vykonává více operací; to se týká zejména spojení aritmetických operací s operacemi posunů dat při úpravě měřítek hodnot. Mikrokontrolér je vybaven násobičkou, která násobí dvě čísla v jednom instrukčním cyklu. Instrukční soubor však neobsahuje instrukci dělení, tuto operaci je nutné v případě potřeby řešit podprogramem.

TMS320F240 má 32 paralelních vstupních a výstupních vývodů, které jsou uspořádány do čtyř portů po osmi bitech. Všechny bity portů mají alternativní funkce. Sériovou komunikaci umožňují dvě sériové linky – jedna je určena pro komunikaci po RS-232, druhá pro komunikaci se sériově připojitelnými číslicovými obvody nebo s jinými procesory. Další vestavěnou periferií je zabezpečovací obvod – watchdog.

Mikrokontrolér má integrovány dva desetibitové A/D převodníky, každý s osmi multiplexovanými vstupy. To umožňuje paralelní převádění dvou hodnot v jednom čase. Tento paralelní převod se dobře uplatní např. při současném měření dvou fázových proudů při vektorové regulaci momentu asynchronního motoru. Doba převodu je nastavitelná v osmi stupních, nejkratší doba je 6,6 µs. Při ukončení A/D převodu je možné generovat přerušení. Mikrokontrolér dovoluje volit několik způsobů startování A/D převodu: instrukcí, externím signálem, od přetečení či podtečení časovače a od dosažení komparační úrovně ve spojení s komparační jednotkou.

Podpora řízení výkonových měničů
Vestavěnou periferií, která je podporou pro řízení výkonových měničů, je tzv. Event Manager Modul (správce událostí). Ten umožňuje velmi efektivní generování šířkově pulsní modulace, přednostně pro střídač, ale i pro další typy výkonových polovodičových měničů. Vzhledem k tomu, že jeho několik rysů je obecně charakteristických i pro vestavěné periferie orientované na řízení měničů i u jiných DSP, bude vysvětlení jeho funkce věnován přiměřený prostor. Popis bude orientován na zřejmě nejtypičtější aplikaci, tj. generování řídicích pulsů pro šířkově pulsní modulaci u třífázového střídače. Řízení jiných typů měničů, např. tyristorových usměrňovačů nebo pulsních měničů, je zpravidla jednodušší variantou uváděných principů a vychází přímo z činnosti komparační jednotky tak, jak byla popsána u mikrokontroléru SAB80C166.

Event Mananager Modul (EV) obsahuje zejména: trojici šestnáctibitových časovačů, každý s přiřazenou komparační jednotkou, komparační jednotku pro generování šestice řídicích pulsů pro střídač, komparační jednotku pro generování dalších tří jednoduchých šířkově pulsních modulací a čtyřkanálovou jednotku pro záchytný režim. Modul má tedy dvanáct výstupních kanálů pro generování šířkově pulsních modulací a čtyři vstupní kanály pro záchytný režim. S činností modulu dále souvisí vstup PDPINT (Power Drive Protection Interrupt) mikrokontroléru, který je v principu vstupem pro externí přerušení. Přes tento vstup je na obvod přiveden logický signál od obvodových ochran výkonové části měniče. Je-li logickou nulou hlášena na tento vstup od výkonové části měniče porucha (např. proudové přetížení) a je-li povoleno přerušení od tohoto vstupu, je nastaven na všech výstupech EV pro generování řídicích pulsů stav vysoké impedance, čímž se tedy generování řídicích pulsů zablokuje. Zároveň se generuje přerušení, v jehož obslužném podprogramu se provedou akce, které jsou nutné po výskytu poruchy.

Tři identicky koncipované šestnáctibitové časovače EV modulu T1, T2 a T3 jsou určeny pro generování časové základny pro šířkově pulsní modulaci. Jedna doba časovače je odvozena od základního taktovacího kmitočtu mikrokontroléru a je nastavitelná v osmi stupních. Směr čítání časovače lze nastavit vzestupně, sestupně nebo střídavě vzestupně a sestupně či s řízením směru čítání podle nastavení příslušného řídicího bitu. Perioda, za kterou nastává přetečení, popř. podtečení, nebo změna směru čítání časovače, je nastavitelná. Činnost časovačů T2 a T3 je možné svázat tak, že společně tvoří jeden 32bitový časovač, jehož dolních šestnáct bitů je v T2. Komparační jednotky časovačů pracují na principu, který byl popsán u obvodu SAB80C166. Na obr. 6 je znázorněn případ, kdy časovač čítá vzestupně. Kromě generování přerušení od přetečení (či podtečení) časovače a od dosažení komparační úrovně a generování šířkově pulsní modulace na příslušném výstupním vývodu mikrokontroléru je stejnými událostmi možné generovat i start A/D převodu.

Možnost generování dalších tří jednoduchých šířkově pulsních modulací (PWM) poskytuje další komparační jednotka. Princip její funkce na všech třech kanálech PWM je stejný jako u komparačních jednotek časovačů T1, T2, T3. Časovou základnu pro tuto komparační jednotku lze generovat pouze s využitím časovače T1 nebo T2. Od této komparační jednotky je rovněž možné generovat přerušení.

Pro generování šířkově pulsní modulace pro střídač je určena komparační jednotka se šesti výstupy. Výstupy jsou uspořádány do dvojic, z nichž každá řídí dvojici tranzistorů v jedné větvi, tj. výstupní fázi, střídače. Řízení této dvojice výstupů je svázáno a jejich stav je dán společnou komparační úrovní. Celá komparační jednotka tedy pracuje se třemi komparačními úrovněmi. Časovou základnou pro tuto komparační jednotku je časovač T1.

Při základním řízení střídače existuje šest tzv. aktivních stavů, při kterých jsou výstupní fáze připojeny na vstupní stejnosměrný zdroj, a to vždy dvě fáze k jednomu stejnosměrnému pólu a třetí k druhému stejnosměrnému pólu. Dalším možným stavem je zkratování svorek zátěže, tj. nastavení nulového napětí zátěže. Tento stav se realizuje sepnutím všech tří horních nebo všech tří dolních tranzistorů (nebo tyristorů) ve větvích střídače. V každém stavu musí být zabezpečen průchod proudu zátěže, přičemž na úrovni šířkově pulsního modulátoru zpravidla není znám jeho směr. Není tedy známo, bude-li se uzavírat proud ve fázi střídače přes diodu, nebo přes tranzistor. Z toho je zřejmé, že ve fázi střídače je nutné vždy budit jeden ze dvou tranzistorů, buď horní, nebo dolní. Tato funkce je zabezpečena právě související dvojicí výstupů komparační jednotky. V závislosti na relaci mezi okamžitou hodnotou časovače a komparační hodnotou pro danou fázi je tedy sepnut horní nebo dolní tranzistor. Situace je znázorněna na obr. 10. Jestliže bude na výstupu střídače generována šířkově pulsní modulace ve všech třech fázích, bude každá dvojice výstupů komparační jednotky budit řízení tranzistorů jedné fáze a související komparační úroveň pro dvojici výstupů bude mít v čase nespojitě sinusový průběh. Nespojitost je dána diskrétností činnosti mikroprocesoru jak v čase, tak z hlediska číselného rozsahu. Průběh funkce sinus je uložen v podobě tabulky v paměti mikrokontroléru. Fázový posun časových sinusovek komparačních úrovní je 120°, tak jak to odpovídá požadovanému fázovému posunu mezi prvními harmonickými generovaných fázových napětí. Komparační úroveň v dané fázi, tj. fázové napětí, představuje fyzikálně potenciál výstupní svorky k fiktivnímu středu stejnosměrného napájecího zdroje střídače. Kmitočet a amplituda sinusového průběhu komparačních úrovní udávají kmitočet a efektivní hodnotu první harmonické výstupního napětí střídače. Četnost přetečení časovače, který je zdrojem časové základny pro komparační jednotku, udává spínací kmitočet šířkově pulsní modulace.

Podle časového průběhu hodnot časové základny, tj. v tomto případě časovače T1, se pro komparační jednotku rozlišuje symetrická a asymetrická šířkově pulsní modulace. Při asymetrické modulaci čítá časovač poskytující časovou základnu vzestupně a po přetečení čítá od nejnižší hodnoty. To odpovídá režimu na obr. 6. Při symetrické modulaci čítá časovač střídavě vzestupně a sestupně, tj. při dosažení maximální hodnoty při vzestupném čítání začne čítat sestupně, při dosažení minimální hodnoty při sestupném čítání začne čítat vzestupně. Situace při řízení dvojice tranzistorů v jedné fázi je znázorněna na obr. 10. Při řízení střídače se zpravidla používá symetrická modulace, neboť při dané spínací frekvenci, která je omezena spínacími ztrátami ve výkonových prvcích střídače, se dosáhne dvojnásobné četnosti akčních zásahů řídicí struktury do průběhu výstupního napětí, tj. modulátor pružněji reaguje na zadání nadřazené struktury.

Z elektrického zapojení střídače na obr. 9 je zřejmé, že je nepřípustné sepnutí dvou tranzistorů v jedné fázi současně, protože by nastal zkrat napájecího zdroje. Při přepínání mezi spínáním horního a dolního tranzistoru je kromě toho nutné respektovat nenulové spínací doby, navíc se zohledněním doby potřebné k vypnutí delší než k zapnutí tranzistoru. Proto se při přepínání tranzistorů musí nejprve vedoucí tranzistor vypnout, poté musí následovat stav vypnutí obou tranzistorů – tzv. ochranná doba – a poté se může zadat sepnutí druhého z tranzistorů. Nutná délka ochranné doby je závislá na použitých prvcích ve střídači a pohybuje se od desetin do jednotek mikrosekund. DSP podporující generování šířkově pulsní modulace pro střídače, včetně TMS320F240, umožňují automatické vkládání ochranné doby s nastavitelnou délkou trvání do řídicích signálů na výstupu související popisované komparační jednotky. Vkládání ochranné doby do řídicích signálů je zřejmé z obr. 10.

Popsaný způsob generování šířkově pulsní modulace patří do skupiny tzv. asynchronních modulací, kdy časová základna generovaná časovačem není nijak synchronizována s průběhem první harmonické výstupního napětí. Jiným způsobem asynchronní modulace je tzv. vektorová modulace, kterou mikrokontroléry pro elektrické pohony, včetně TMS320F240, podporují. Při tomto způsobu se generují řídicí pulsy pro všechny výstupní fáze v úzké vzájemné vazbě tak, že se moduluje prostorový vektor výstupního napětí z hlediska jeho velikosti a okamžitého úhlu natočení.

Existují i další algoritmy. Popsané vkládání ochranné doby deformuje průběh napětí a proudu. Existují např. pokročilé algoritmy, které zohledňují okamžitý stav střídače, např. okamžitou polaritu proudu, a v případě příznivých podmínek negenerují ochrannou dobu. Zejména při generování pulsů s velmi krátkou dobou trvání mají tyto korekce dosti velký vliv na kvalitu formování výstupních průběhů.

Kromě asynchronních modulací existují synchronní modulace, u kterých je obdélníkový průběh výstupního napětí pevně svázán s jeho první harmonickou. Tyto modulace se uplatňují u měničů se spínacími kmitočty řádově stovek hertzů v oblasti řádově srovnatelných kmitočtů první harmonické výstupního napětí. To se týká především měničů s GTO nebo IGCT. Tyto algoritmy musí být naprogramovány uživatelem, DSP pro jejich generování nenabízí zvláštní podporu.

Specifickou skupinou úloh jsou některé algoritmy pro řízení bezkomutátorových stejnosměrných motorů, při kterých, na rozdíl od všech předchozích postupů, neprobíhá řízení přepínáním horního a dolního tranzistoru ve fázi střídače, ale v dané fázi je buzen buď jeden, nebo žádný tranzistor. Tato metoda neumožňuje využít generátorické brzdění, ale někdy se používá u pohonů s bezsenzorovou elektronickou komutací. DSP tuto metodu také nepodporují a celý algoritmus musí sestavit uživatel.

Jednotka Event Manager Modul obvodu TMS320F240 obsahuje čtyři kanály pro záchytný režim. Jako časovou základnu pro tento režim lze využít časovač T2 nebo T3. Z hlediska elektrických pohonů je velmi přínosný mód, kdy se na dva ze vstupů přivádějí výstupní signály inkrementálního čidla se vzájemným fázovým posunem 90°, příslušný časovač pracuje jako čítač, a jeho stav tím indikuje relativní polohu hřídele snímače, nebo je ze stavu čítače možné vyhodnocovat rychlost otáčení, včetně směru.

S jednotkou Event Manager souvisí 23 přerušení. Jde o přerušení od časovačů a jednotek komparačních a záchytných režimů.

Mikrokontrolér TMS 320F2812
Tento obvod představuje moderní DSP pro řízení elektrických pohonů. Jde o poměrně složitý, avšak výkonný mikrokontrolér. Obvod je produktem firmy Texas Instruments a do určité míry je nástupcem obvodu TMS320F240. Má 32bitové výpočetní jádro, které vykonává zřetězené zpracování instrukcí. Typický kmitočet taktovacího obvodu je 150 MHz; ten udává dobu instrukčního cyklu, tj. 6,67 ns. Obvod pracuje s napájecím napětím a úrovní logických vstupů a výstupů 3,3 V. Paměť je organizována po slovech a obvod obsahuje 128 kslov flash. Procesorová jednotka je akumulátorového typu s 32bitovým akumulátorem a pracuje s pevnou řádovou čárkou. Je integrována násobička pro násobení dvou 32bitových čísel. Instrukci dělení instrukční soubor přímo nemá, ale obsahuje instrukce, které provedení efektivního dělení podporují. Několik instrukcí provádí více operací, obdobně jako u TMS320F240. Obvod je možné přepnout do módu, kdy jej lze provozovat jako TMS320F240.

V základním jádru obvod obsahuje šest paralelních portů, tři 32bitové časovače, watchdog, čtyři sériové linky, A/D převodník se šestnácti vstupy s rozlišením na 12 bitů. Nejkratší nastavitelná doba převodu je 80 ns. TMS320F2812 má integrovány dva Event Manager Moduly, které představují podporu pro řízení elektrických pohonů a měničů. V každém modulu jsou integrovány dva šestnáctibitové časovače, tři komparační jednotky a tři jednotky záchytného režimu. Event Manager Modul je podobné koncepce jako u TMS 320F240. Tím, že jsou tyto moduly integrovány dva, je kromě jiného možné jedním mikrokontrolérem řídit dva střídače, což je v případě jednodušších regulačních struktur, vzhledem k dostatečné výpočetní výkonnosti, reálné.

TMS320F2812 je velmi perspektivní obvod pro řízení pohonů a měničů.

5. Koncepce obvodů mikroprocesorových řídicích systémů pro elektrické pohony

Při sledování architektury obvodů systémů pro řízení výkonových měničů pro elektrické pohony je zřejmé, že nabývá velmi širokého spektra podob. U měničů pro pohony menších výkonů z velkosériové produkce je nejzřetelnější tlak na minimalizaci ceny. Proto se systém řízení omezuje na mikrokontrolér s co nejmenším množstvím nutných podpůrných obvodů a je úzce orientován na konkrétní zařízení. V těchto případech se velmi efektivně promítá výhoda integrace podpory pro řízení měničů do mikrokontroléru.

U řídicích systémů pro pohony větších výkonů, pohony s velkými požadavky na spolehlivost a bezpečnost a pro speciální pohony, které často pracují v rozsáhlých systémech distribuovaného řízení, mnohdy jde o stavebnicové řešení, které se skládá z části, jež je nutná pro vlastní činnost mikrokontroléru, a z interfaceové části, která zahrnuje obvody pro oddělení a úpravu vstupních a výstupních analogových a digitálních signálů, obvody ochran, komunikační moduly atd. U takového systému je jádrem mikrokontrolér s externími paměťmi a programovatelné hradlové pole, které řídí a koordinuje činnost regulátoru po stránce obvodové. Mikrokontrolér především provádí vlastní regulační algoritmy a generování šířkově pulsní modulace. Další obvody použité v systému jsou např. obvod reálného času, obvod pro korektní generování signálu reset, budiče sběrnic, obvody pro vyhodnocení specifických signálů z čidel a další. Vstupní a výstupní signály lze rozčlenit do těchto několika skupin:

  • vstupy zadání, často z nadřazeného řídicího systému po sériové sběrnici,
  • analogové vstupy z čidel – nejčastěji proudy a napětí,
  • digitální vstupy z čidel – nejčastěji otáček a polohy,
  • digitální vstupy z obvodových ochran – např. chybová hlášení budičů výkonových prvků,
  • digitální výstupy – řídicí pulsy pro spínání výkonových prvků,
  • výstupní hlášení do nadřazeného řídicího systému a vizuální indikace stavů – diody LED, displeje.

Návrh a realizace obvodového řešení řídicího systému, zejména při použití DSP, je v současnosti vysoce profesionální záležitostí. To je dáno složitostí těchto systémů a vysokými požadavky na provedení konstrukce (vícevrstvé plošné spoje), spolehlivost, bezpečnost, elektromagnetickou kompatibilitu, minimalizaci rozměrů a nízkou cenu.

6. Koncepce programového vybavení pro systémy řízení elektrických pohonů

Programové vybavení v sobě nese veškeré řídicí struktury. Ty vycházejí po algoritmické i implementační stránce z teorie řízení a regulace a musí respektovat zákonitosti nespojitého zpracování informace. První zásadou, kterou je z hlediska korektnosti implementace třeba dodržet, je stálá perioda výpočtu jednotlivých částí algoritmu. S tím souvisí i volba vhodných priorit vykonávání těchto částí algoritmu. Jak je patrné z již uvedeného popisu, koncepce moderních DSP navíc podporuje vykonávání mnoha rutinních úloh prostřednictvím vestavěných periferií, čímž se odlehčí program. Při řízení elektrického pohonu má zpravidla nejkratší periodu vykonávání algoritmu regulace v nejnižší úrovni, tzn. zpravidla regulace momentu. V případě vektorově regulovaných pohonů s asynchronními motory má vysokou prioritu a opakovatelnost i výpočet matematického modelu asynchronního stroje. Je většinou vhodné, aby existovala vazba mezi taktováním výpočtu regulátoru a frekvencí šířkově pulsní modulace. Vzhledem ke skutečnosti, že z hlediska nejnižší úrovně regulátoru se u elektrického pohonu uplatňují relativně malé, především elektromagnetické časové konstanty, musí být periody výpočtu regulátorů malé. V případě fázově řízených tyristorových měničů je perioda výpočtu dána možnou četností akčních zásahů do soustavy, tj. např. v případě třífázového můstkového tyristorového usměrňovače napájeného napětím s frekvencí 50 Hz je perioda 3,333 ms. U střídavých frekvenčně řízených pohonů řádově koresponduje perioda výpočtu regulátoru s kmitočtem šířkově pulsní modulace. Například v případě vektorové regulace momentu asynchronního nebo synchronního stroje se tato perioda může pohybovat v rozmezí přibližně od 3 ms do 100 µs v závislosti na provedení a výkonu pohonu. U některých měničů frekvence pro průmyslové pohony je možné periodu výpočtu regulátoru v určitém rozmezí uživatelsky měnit, což uživateli umožňuje zasáhnout do optimalizace časového rozložení činností mikroprocesorového řídicího systému.

V pohonech, které pracují se zpětnovazební smyčkou i bez ní, musí mít vždy jednu z nejvyšších priorit úlohy vázané na generování řídicích pulsů pro výkonové prvky měniče. Jednoznačně nejvyšší priorita, mnohdy obvodově podporovaná, je přiřazena reakci na funkci rychlých, nejčastěji nadproudových ochran pohonu. S nižší úrovní priority jsou vykonávány algoritmy spojené s komunikací s uživatelem nebo nadřazeným řídicím systémem, s archivací dat atd. Převážná většina celé struktury řízení se uskutečňuje v obslužných podprogramech přerušení, přičemž se doporučuje nepoužívat příliš velké množství přerušení, neboť tím roste komplikovanost a nepřehlednost programu. Efektivita vykonávání programu závisí i na vzájemném poměru výpočetní výkonnosti systému a složitosti a časové náročnosti algoritmu. Za optimální lze považovat stav, kdy jsou obvodové možnosti řídicího systému využity přibližně na 50 až 60 %, aby tedy existovala dostatečná rezerva k modifikacím programu a programátor mohl v plném rozsahu implementovat potřebný algoritmus. Z hlediska programovacích prostředků se ve sledované oblasti nejčastěji používá kombinace kódu vytvořeného v jazycích C a assembler, přičemž v assembleru se implementují časově nejkritičtější části programu. Je tendence stále více přecházet k vyšším programovacím jazykům, a to nejen k jazyku C, ale i ke specializovaným prostředkům, které umožňují vytvářet kód i v grafické formě.

Programové vybavení v současnosti nejen zabezpečuje vlastní regulační algoritmus, ale provádí i mnoho bezpečnostních a diagnostických funkcí a funkcí, které umožňují množství vstupů do systému na uživatelské nebo servisní úrovni. Nedílnou součástí moderního programového vybavení je i uživatelská vývojová podpora umožňující v několika úrovních přístupy k datům a parametrům programu. Díky této podpoře je možné např. monitorovat průběhy veškerých proměnných programu v podobě mnohokanálového paměťového osciloskopu, archivovat a zpracovávat sejmuté záznamy, měnit parametry programu, podrobně analyzovat regulovanou soustavu atd.

Nyní bude představena možná koncepce regulačního algoritmu pro frekvenčně řízený pohon. Situace je zřejmá z obr. 12. Nejvyšší prioritu má reakce na hlášení obvodových ochran nebo na povely k rychlému vypnutí. Povely pro tyto akce se do mikrokontroléru zavádějí prostřednictvím externího přerušení. U měničů s vysokými požadavky na bezpečnost se tyto povely, mající zpravidla za úkol blokování měniče, zpracovávají mimo mikrokontrolér na úrovni obvodů. Při bezporuchovém provozu je regulační struktura taktována přerušením od časovače. Vzhledem k tomu, že nový krok výpočtu regulační smyčky vyžaduje znalost naměřených skutečných hodnot, je nejefektivnější koncepce, kdy časovač, jehož četnost přetečení určuje vzorkovací periodu, při svém přetečení spouští A/D převody. Po jejich ukončení generuje A/D převodník přerušení, ve kterém se vykoná hlavní část regulační úlohy a zaznamenají se potřebné naměřené údaje pro potřeby vývoje, diagnostiky a servisu. Na základní úrovni programu lze komunikovat s nadřazeným systémem, s obsluhou, provádět algoritmy časově nenáročného logického řízení atd.

7. Závěr

Článek zdaleka nemohl postihnout celý rozsah problematiky mikroprocesorového řízení elektrických pohonů. Jeho cílem bylo uvést současné principy a prostředky, které se v dané oblasti uplatňují. Omezený prostor článku zároveň neumožňuje prezentovat další rozsáhlou skupinu programovatelných obvodů, které se při řízení pohonů a měničů používají – programovatelná hradlová pole. Třídy univerzálních i aplikačně orientovaných číslicových obvodů se zřejmě budou i nadále rozšiřovat. To umožní jejich využití ve stále rozsáhlejším spektru aplikací, a tudíž i navyšování technických možností a pohodlí uživatelů.

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc.
Vystudoval FEL ČVUT v Praze (1989), obor silnoproudá elektrotechnika. V roce 1992 ukončil studium vědecké výchovy na téže fakultě na katedře elektrických pohonů a trakce. Od roku 1992 pracoval jako odborný asistent, od roku 2003 jako docent v ústavu přístrojové a řídicí techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze. V letech 1995 až 2001 úzce spolupracoval s firmou Elektrosystém Praha, s. r. o., na vývoji a využití elektrických pohonů a řídicích systémů v průmyslových aplikacích, od roku 1998 rovněž spolupracuje s Dopravní fakultou Jana Pernera Univerzity Pardubice v oblasti elektrických pohonů a mikroprocesorového řízení v dopravní technice. Svou odbornou činnost zaměřuje zejména do oblastí elektrických pohonů, výkonové elektroniky, testování elektromechanických soustav a mikroprocesorového řízení. Jako autor pravidelně publikuje v časopisu Elektro.Vystudoval FEL ČVUT v Praze (1989), obor silnoproudá elektrotechnika. V roce 1992 ukončil studium vědecké výchovy na téže fakultě na katedře elektrických pohonů a trakce. Od roku 1992 pracoval jako odborný asistent, od roku 2003 jako docent v ústavu přístrojové a řídicí techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze. V letech 1995 až 2001 úzce spolupracoval s firmou Elektrosystém Praha, s. r. o., na vývoji a využití elektrických pohonů a řídicích systémů v průmyslových aplikacích, od roku 1998 rovněž spolupracuje s Dopravní fakultou Jana Pernera Univerzity Pardubice v oblasti elektrických pohonů a mikroprocesorového řízení v dopravní technice. Svou odbornou činnost zaměřuje zejména do oblastí elektrických pohonů, výkonové elektroniky, testování elektromechanických soustav a mikroprocesorového řízení. Jako autor pravidelně publikuje v časopisu Elektro.

Obr. 7. Řídicí jednotka s DSP v sériově vyráběném měniči frekvence pro průmyslové pohony
Obr. 8. Bloková struktura Event Manager Modulu u TMS320F240
Obr. 9. Základní zapojení střídače
Obr. 10. Symetrická šířkově pulsní modulace pro jednu fázi střídače s ochrannými dobami
Obr. 11. DSP regulátor pohonu – procesorová deska s TMS320F240 (Unicontrols a. s.) s interfaceovou deskou (ústav přístrojové a řídicí techniky ČVUT v Praze, Fakulta strojní)
Obr. 12. Příklad časového rozložení činností řídicího programu

Celý příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde