CW4L.pdf
(
520 KB
)
Pobierz
<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN" "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
Wydział Mechaniczny
Kierunek: MECHATRONIKA
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Ćwiczenie 4
Przekształtniki impulsowe - tranzystorowy przemiennik
częstotliwości ze sterowaniem mikroprocesorowym
Gdańsk, 2008
1. WPROWADZENIE
Obecnie coraz powszechniej spotykanymi układami napędowymi są układy
przekształtnikowe, zasilające silniki asynchroniczne. Dla układów małej i średniej mocy
stosowane są w przekształtnikach tranzystory IGBT, dla największych mocy (megawaty) -
tyrystory GTO. Sterowanie nowoczesnymi układami napędowymi realizowane jest wyłącznie
w technice mikroprocesorowej, co umożliwia realizację przez sterownik dodatkowych funkcji
(m.in. kontrola i diagnostyka), umożliwia budowę sterowników uniwersalnych, o
przeznaczeniu których decyduje oprogramowanie, zmniejsza także liczbę elementów w
wyniku stosowania mikroukładów specjalizowanych o wysokiej skali integracji (VLSI).
Elementy scalone, przeznaczone do sterowania układami napędowymi, tzw. Motion
Control, zawierają wewnątrz struktury szereg podzespołów, realizujących odpowiednie
funkcje wejścia/wyjścia, przy minimalnym udziale jednostki centralnej procesora.
Produkowane są m.in. tzw. serwoprocesory, niektóre z nich zawierają wewnątrz układu
procesory sygnałowe DSP typu RISC. Wraz z tymi specjalizowanymi układami dostarczane
jest odpowiednie oprogramowanie.
Omówione struktury sprzętowe umożliwiają stosowanie nowoczesnych metod
sterowania napędem - PWM (Pulse With Modulation), FOC (Field Oriented Control), DSC
(Direct Self Control), DTC (Direct Torque Control) i ich kombinacji. Powyższe metody
wymagają przetwarzania sygnałów sprzężeń zwrotnych (prądów, napięć i ewentualnie
prędkości i położenia), a niektóre z nich także ich transformacji programowej.
W niniejszej instrukcji, na przykładzie algorytmów PWM, realizowanych programowo
w jednym mikrokontrolerze, przedstawiono zasadę generacji impulsów sterujących
falownikiem. W konstrukcji procedur programowych, generujących impulsy, uwzględniono
ograniczenia, dotyczące czasowego obciążenia jednostki centralnej i wykorzystania zasobów
pamięciowych mikrokontrolera. Ograniczenia te wynikają z równoległej realizacji przez
mikrokontroler innych programów, np. przetwarzających sygnały zwrotne (napięcia, prądy,
prędkość). Omówiono budowę i oprogramowanie sterownika wykorzystującego
mikrokontroler typu Motion Control.
2. MIKROKONTROLEROWY PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI
Przemiennik częstotliwości składa się z trzech głównych bloków:
•
obwodu mocy, w którym - poprzez prostownik - następuje prostowanie przemiennego
napięcia sieci zasilającej, jego filtracja na kondensatorze o dużej pojemności i
przekształcenie w falowniku na trójfazowe napięcie o zadanej wartości i częstotliwości;
•
sterownika bramkowego, który jest układem pośrednim służącym do nadania sygnałom
sterującym parametrów wymaganych przez elementy wykonawcze (tyrystory, tranzystory).
Stopień ten nazywa się zwykle stopniem sterowania bramkowego (wzmacniaczem
bramkowym, sterownikiem bramkowym);
•
układu sterowania i kontroli, który nadzoruje pracę sterownika bramkowego i obwodu
mocy. Zapewnia jednocześnie obsługę sygnałów sterujących oraz komunikację z
użytkownikiem.
2
Rys. 1. Struktura przemiennika częstotliwości
Krótką charakterystykę bloków przemiennika oraz sposób uzyskiwania napięcia
wyjściowego podano poniżej.
2.1. Obwód mocy
Napięcie zasilające przemiennik może być standardowym napięciem sieciowym
jedno- lub trójfazowym, czyli: 1 x 230 V lub 3 x 400 V, 50 Hz. Na wejściu układu mocy
stosowany jest najczęściej prostownik mostkowy niesterowany. Pomiędzy prostownikiem a
falownikiem – przy większych mocach – znajduje się filtr typu LC. Dla silników małej mocy
stosuje się tylko kondensator. Dodatkowo stosuje się termistory typu NTC, mające za zadanie
ograniczyć wartość prądu ładowania kondensatora w chwili załączenia zasilania.
Urządzenie energoelektroniczne służące do zamiany napięcia lub prądu stałego na
napięcie (prąd) przemienny nazywane jest falownikiem. Jako elementy wykonawcze mocy
stosuje się tranzystory IGBT. Tranzystor IGBT sterowany jest napięciowo, tak jak tranzystor
MOSFET, natomiast od strony wyjścia można go traktować jak tranzystor bipolarny BJT
dużej mocy. Częstotliwość przełączania tranzystorów falownika może być duża (od 300 Hz
do 15 kHz), co zapewnia dobre kształtowanie sinusoidalnego napięcia wyjściowego
falownika.
W przedstawionym dalej przemienniku częstotliwości zastosowano układ falownika
napięcia z modulacją szerokości impulsów (PWM). Wykorzystano w nim układ
mikroprocesorowy, realizujący metodę sterowania wektorem napięcia.
3
2.2. Sterownik bramkowy
Pomiędzy układem sterowania a obwodem mocy znajduje się stopień pośredni, gdyż
obwody główne półprzewodnikowych przyrządów mocy mają zwykle napięcia znacznie
wyższe, niż analogowe lub cyfrowe układy przetwarzania i generacji sygnałów. Dlatego
pożądane jest izolowanie elektryczne tych układów od obwodów głównych przekształtników.
Dokonuje się tego przez doprowadzenie sygnałów generujących impulsy sterujące do
sterowników bramkowych za pośrednictwem transformatorów impulsowych lub – częściej –
wzmacniaczy optoelektronicznych. Sterowniki bramkowe posiadają własne zasilacze lub
odpowiednie napięcie zasilające wytwarzane jest poprzez układ sterownika z obwodu mocy
przemiennika. Dla urządzeń małej mocy stosuje się przeważnie specjalizowane układy
scalone, zaś dla większych mocy obwody sterowania bramkowego są bardziej rozbudowane.
Tor sterowania (rys. 1) zawiera układ sterowania bramkowego i odseparowany od
niego elektrycznie (przez transoptor) układ sterowania i regulacji, generujący sygnały
sterujące przełączaniem tranzystora mocy. Układ sterowania i regulacji, na którego wejścia są
wprowadzane sygnały wielkości regulowanych oraz sygnały określające algorytm sterowania,
jest wykonywany obecnie prawie wyłącznie jako system mikroprocesorowy.
Układ sterowania bramkowego kształtuje i wzmacnia sygnały bramkowe. W
przypadku przyrządów z wejściem MOS na wyjściu układu znajduje się wzmacniacz, złożony
z elementów dyskretnych lub wykonany w technice scalonej, przenoszący sygnały
napięciowe. Musi być on również przystosowany do obciążenia impulsami prądowymi
występującymi w chwilach zmiany stanu tych sygnałów (prąd ładowania pojemności bramki
tranzystora). Czasy włączania i wyłączania półprzewodnikowych przyrządów mocy zależą od
amplitud sygnałów napięciowych wzmacniacza oraz, zwłaszcza w tranzystorach IGBT, od
rezystancji w obwodzie bramki.
Oddziaływanie sygnałów zakłócających ogranicza się w układach rozległych
przestrzennie np. przez doprowadzenie sygnałów do bramki lub bazy parą przewodów
skręconych (tzw. skrętką). W zwartych układach małej mocy, gdzie wszystkie elementy są
często umieszczone na jednej płycie obwodu drukowanego, odpowiednie prowadzenie
ścieżek torów sygnałowych ma duże znaczenie dla minimalizacji zakłóceń. Środki te stosuje
się zwykle dla półprzewodnikowych przyrządów mocy sterowanych napięciem, ale są one
skuteczne również dla tranzystorów bipolarnych i tyrystorów GTO.
W większości przypadków wytwórcy półprzewodnikowych przyrządów mocy
produkują także układy sterowania bramkowego, zaprojektowane specjalnie do współpracy z
tymi przyrządami. Spotyka się również zintegrowane w jednej obudowie układy
półprzewodnikowych przyrządów mocy wraz ze sterownikiem.
W układzie przemiennika częstotliwości, który jest badany w ramach ćwiczenia,
zastosowano rozbudowany sterownik bramkowy oparty na specjalizowanym układzie
scalonym IR2130 firmy International Rectifier. Jest to wysokonapięciowy układ stosowany
do sterowania tranzystorami mocy typu MOSFET lub IGBT.
2.3. Sterownik mikrokontrolerowy
Podstawowymi wymaganiami stawianymi sterownikom, realizującym w czasie
rzeczywistym algorytmy sterowania przekształtnikami w układach napędowych, jest wysoka
rozdzielczość czasowa generowanych przez sterownik impulsów rzędu mikrosekundy (a dla
dużych mocy znacznie poniżej mikrosekundy), oraz odpowiednio duża szybkość działania.
Poza tym sterowniki muszą posiadać wiele wyspecjalizowanych układów wejść/wyjść -
cyfrowych i analogowych. W sterownikach tych wykorzystuje się mikrokontrolery, których
cechy podano poniżej.
4
Cechy mikrokontrolerów
Architektura nowoczesnego mikrokontrolera charakteryzuje się:
•
zaawansowaną technologią wykonania zapewniającą: wysoki stopień scalenia, dużą
szybkość działania, niewielki pobór mocy i szeroki zakres temperatur pracy,
•
specjalnymi trybami pracy, redukującymi pobór mocy przy częściowym lub całkowitym
zatrzymaniu wykonywania programu, lecz zachowującymi zawartość rejestrów i pamięci
danych (pobór prądu może wynosić kilka mikroamperów),
•
architekturą rejestrową (o kilkuset równouprawnionych rejestrach) oraz odpowiednią listą
rozkazów, co umożliwia szybkie wykonywanie instrukcji na pojedynczych bitach, bajtach i
słowach (16- i 32-bitowych),
•
wewnętrzną pamięcią programu (PROM, EPROM) o dużej pojemności (min. 64 kB), co
minimalizuje koszty i liczbę zewnętrznych elementów,
•
standardowymi wejściami/wyjściami, takimi jak: porty równoległe PIO, porty szeregowe
SIO, liczniki, kontroler przerwań,
•
implementacją specjalizowanych wejść/wyjść, np.: podsystemu szybkich wejść/wyjść
HSI/HSO, wielokanałowego przetwornika analogowo - cyfrowego ADC, wyjść modulacji
szerokości impulsu PWM itp.
Umieszczenie w jednym mikroukładzie jednostki arytmetyczno-logicznej i
specjalizowanych wejść/wyjść, umożliwia opracowanie sterowników, opartych na jednym
„inteligentnym” układzie scalonym, przeznaczonych do sterowania przekształtnikami w
czasie rzeczywistym. Łatwość realizacji komunikacji łączem szeregowym z komputerem
nadrzędnym pozwala na budowę sieci komputerowej, stanowiącej system sterowania i
diagnostyki napędów.
Do sterowania przemiennikiem w układzie laboratoryjnym wybrano mikrokontroler
87C196KC z rodziny MCS-96 firmy Intel. Jest to układ zaprojektowany do sterowania
procesami czasu rzeczywistego, w których wymagane są stosunkowo szybkie obliczenia
arytmetyczne. Poniżej przedstawiono parametry kontrolera użytego w aplikacji. Maksymalna
częstotliwość zegara systemowego wynosi 20 MHz; najkrótsza instrukcja wymaga 2 cykli
maszynowych, a jej czas wykonania wynosi 200 ns. Jednostka arytmetyczno-logiczna zawiera
czterobajtową kolejkę rozkazów, co daje możliwość przyspieszenia pracy mikrokontrolera.
Układ posiada łącznie 48 linii wejść/wyjść. Maksymalna rozdzielczość portu czasu
rzeczywistego wynosi 0,8 µs.
2.4. Algorytm sterowania PWM
Sposób wytwarzania na wyjściu falownika trójfazowego napięcia sinusoidalnego o
zmiennej wartości skutecznej i częstotliwości decyduje o kształcie przebiegu prądu i
momentu silnika oraz o poziomie hałasu, powstającego w układzie napędowym. Wektorowy
sposób opisu jest korzystny przy analizie i projektowaniu układów sterowania falowników.
Ogólną ideę przyjętej metody sterowania falownika na podstawie wektorowej
reprezentacji napięcia stojana przedstawiono na rys. 2. Oznaczenia stosowane w opisie są
zgodne ze schematem falownika pokazanym na rys. 1. Przykładowo w stanie 1 (dla
poszczególnych faz: a = 1, b = 0, c = 0, gdzie 1 oznacza załączenie tranzystora
indeksowanego liczbą nieparzystą – górnego w gałęzi mostka, zaś 0 oznacza załączenie
tranzystora oznaczonego liczbą parzystą – dolnego w gałęzi mostka) przewodzą tranzystory
T1, T4 i T6, powodując przepływ prądu od
+V
dc
źródła przez T1 i fazę "a" silnika do faz "b",
"c" silnika i dalej poprzez T4 i T6 do
-V
dc
źródła. W stanie tym, przedstawionym na rys. 2a
dla kolejnych faz (c,b,a) jako (001), generowany jest wektor
V
1
. Kolejne zmiany stanów
falownika umożliwiają generację wektorów podstawowych
V
1
, ...,
V
6
, co przedstawiono na
rys. 2b. Dwa wektory
V
0
,
V
7
są wektorami neutralnymi tzn. o zerowej długości, ponieważ w
5
Plik z chomika:
piterek_17
Inne pliki z tego folderu:
Rozwiazania do Z_WM_.PDF
(15226 KB)
Z_WM_0.pdf
(268 KB)
Z_WM_1.pdf
(229 KB)
Z_WM_2.pdf
(164 KB)
Sprawozdanie przetworniki elektroniczne cw7.doc
(6589 KB)
Inne foldery tego chomika:
Hydraulika i Pneumatyka
Mechanika
Metrologia
Obróbka skrawaniem
Przetwórstwo tworzyw sztucznych
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin