Задание 3 Цикловая система программного управления. Исходные данные

1. Двигатель питается от широтно-импульсного преобразователя.

2. Обратная связь по скорости отсутствует.

3. Параметры двигателя и широтно-импульсного преобразователя для всех вариантов одинаковы.

4. Задана циклограмма скорости электропривода. Выбор циклограммы производится по табл. 5 в соответствии с номером варианта задания.

Содержание задания 3

1. Разработать функциональную схему микропроцессорной системы для управления электроприводом по схеме «ШИП-Д» в соответствии с заданной циклограммой скорости с применением ПМК. Широтно- импульсный модулятор реализовать программно. Описать взаимодействие узлов системы.

2. Составить математическую модель функционирования заданной микропроцессорной системы электропривода.

3. Разработать в соответствии с вариантом (табл. 5) детализированную структурную схему микропроцессорного устройства для управления электроприводом в соответствии с заданной циклограммой скорости.

4. Выбрать и обосновать выбор элементов разрабатываемой микропроцессорной системы (МПС).

5. Разработать структурную схему алгоритма управления электроприводом в соответствии с заданной циклограммой скорости.

6. Выбрать интервал дискретности.

7. Составить подробный комментарий и математическое обоснование к каждому блоку структурной схемы алгоритма.

8. Разработать программу, реализующую управление электроприводом в соответствии с заданной циклограммой скорости. Привести в пояснительной записке текст программы.

9. Разработать схему подключения ПМК к источнику питания, тахогенератору и силовому преобразователю.

10. Разработать алгоритм и программу измерения скорости электропривода с помощью импульсного датчика скорости (ИДС).

Методические указания по выполнению задания 3

1 . Данные по варианту определяются по табл. 5.

Рис. 21. График цикла работы электропривода

Максимальная скорость электропривода (ЭП) составляет _max=150 рад/с.

Таблица 5

Номер	Временный интервал, с					Скорость, рад/с
варианта	t1	t2	t3	t4	t5	1	2	3	4	5
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27	3 6 8 10 5 3 8 6 5 10 4 7 11 9 5 10 2 6 9 12 4 8 7 6 5 6 8	6 8 10 5 3 8 6 5 10 3 7 11 9 5 4 2 6 9 12 10 2 4 3 4 6 8 9	8 10 5 3 6 6 5 10 3 8 11 9 5 4 7 6 9 12 10 2 4 10 9 7 8 9 7	10 5 3 6 8 5 10 3 8 6 9 5 4 7 11 9 12 10 2 6 2 6 5 6 9 7 5	5 3 6 8 10 10 3 8 6 5 5 4 7 11 9 12 10 2 6 9 8 12 11 10 7 5 6	100 30 50 120 120 50 100 30 120 50 30 60 80 100 60 10 20 40 80 150 30 60 70 80 100 140 50	30 50 120 100 100 100 30 120 50 100 60 100 100 60 30 20 40 80 100 20 40 80 90 100 140 50 0	50 120 100 30 30 30 120 60 100 30 100 80 60 30 80 30 60 120 40 80 60 120 130 140 50 0 80	120 100 30 50 0 120 50 100 30 0 80 0 30 80 100 40 80 0 150 30 60 0 40 50 0 80 100	0 0 0 0 0 0 0 0 0 120 0 30 0 0 0 50 0 100 0 0 0 30 0 0 80 100 140

2. Сначала на основе задания по курсовому проекту необходимо составить схему, представляющую совокупность функциональных блоков, каждый из которых выполняет определенные действия. Функциональная схема содержит модули ПМК, в том числе цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), широтно-импульсный преобразователь (ШИП), электрический двигатель (М), рабочую машину (РМ), импульсный датчик скорости (ИДС).

Рис. 22. Функциональная схема микропроцессорного устройства для управления электроприводом по схеме «ШИП-Д»

ШИП состоит из двух узлов: широтно – импульсного модулятора ШИМ и

системы вентилей [31]. В данном случае ШИМ реализуется программно в ПМК [17]. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ), являющийся звеном ШИП, вырабатывает сигналы, управляющие работой вентилей (электронных ключей К). Суть широтно-импульсной модуляции состоит в том, что формируются импульсы с периодом следования Т, который остается постоянным (Т=const), а значения длительности импульсов tи (и следовательно, значения длительности паузы t_П) можно изменять путем изменения напряжения управления Uу ШИМ (ШИП) и таким образом регулировать время работы ключа в разомкнутом (Р) или замкнутом (З) состоянии. Временная диаграммы работы ШИМ для разных заданных значений скорости показана на рис. 23. Длительность импульса tи определяет время работы ключа (К) в замкнутом состоянии t_P (t_P - это время, когда двигатель подключен к напряжению сети постоянного тока Uo), а время паузы tn соответствует разомкнутому состоянию ключа (двигатель отключен от сети). Временная диаграмма работы ключа показана на рис. 24.

Рис. 23. Временные диаграммы работы ШИМ для разных заданных значений скорости

Рис. 24. Временные диаграммы работы ключа

3. Для составления математической модели функционирования заданной микропроцессорной системы электропривода рассмотрим работу СЭП «ШИП-Д».

На рис. 23 и 3.24 используются следующие обозначения.

tp - время замкнутого состояния ключа (рабочий участок цикла коммутации);

tп - время паузы (разомкнутое состояние ключа);

Тк - период коммутации;

Тк=tp+tп.

Условие работы ШИП выглядит так:

Тк=const.

Изменяется значение tр и tп («ширина» импульса), но период коммутации Тк остается постоянным.

Обычный ШИП состоит из широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и ключа, периодически замыкающегося под управлением ШИМ.

При программной реализации ШИП отсутствует аппаратный ШИМ, а рабочий интервал t_Р и интервал паузы t_n формируется программно с использованием или программного или интервального таймера. При этом непосредственно задаются значения t_P или определяют его по формуле.

,

где U_у напряжение управления ШИП;

Т_К - период коммутации ШИП;

U₀ - максимальное напряжение ШИП.

Скорость двигателя в рассматриваемой системе ЭП определяется по уравнению электромеханической характеристики (ЭМХ)

, (18)

где Iя_ср - среднее значение тока якоря двигателя;

Rя и С - сопротивление цепи якоря и постоянная двигателя;

Uср - среднее значение напряжения, приложенного к цепи якоря двигателя.

Изменяя Uср , можно регулировать скорость двигателя. Определим выражение для Uср и покажем его зависимость от значения tр. На рабочем участке работы ШИП в течение tр к якорю двигателя приложено напряжение U₀, а в течение паузы оно практически равно 0 (Uя=0).

(19)

где - скважность импульсов ШИП.

Уравнение (19) показывает, что среднее значение напряжения на выходе ШИП пропорционально интервалу tр. Если подставить уравнение (19) в уравнение (18), получим зависимость угловой скорости двигателя от tр.

, (20)

где ;

-статический перепад скорости.

Итак, среднее значение напряжения, а следовательно, и скорость двигателя пропорциональны tр.

Таким образом, скорость двигателя можно задавать значением интервала времени tр, если отсчитывать его при реализации ШИМ с помощью ПМК. С этой целью в данной курсовой работе используется понятие интервала дискретности Т₀ (t). Значения , и подобраны таким образом, чтобы стало равно 1. Тогда . Используя понятие интервала дискретности t («тик» таймера), можно задавать и отсчитывать tр числом тиков таймера. В данном задании принято, что период коммутации ШИП условно равен 150 тикам таймера. Максимальная скорость двигателя также принята равной 150 рад в сек. Учитывая , примем, что 1рад/с=1 тик.

Итак, управление электронным ключом ШИП можно производить с помощью ПМК (см. рис. 22). Сигналы с дискретных выходов ПМК поступают импульсные усилители и далее на входы ключей ШИП [17].

4. На следующем этапе необходимо разработать и описать алгоритм циклового управления и алгоритм микропроцессорного управления системой ШИП-Д для одного интервала времени циклограммы, например, t₁t₂ (рис. 21).

На рис. 25 приведен алгоритм циклового управления (основная программа –ОП). Блок 2 алгоритма циклового управления служит для ввода параметров цикла: значений интервалов времени t _i для пяти участков цикла и значений скоростей на этих участках. Блок 3 алгоритма предназначен для записи в счетчик ПМК числа пройденных участков цикла, обозначенного в начале цикла как I=0. В блоке 4 реализуется команда вызова подпрограммы «ШИП». После каждого прохода подпрограммы «ШИП» содержимое счетчика увеличивается на 1 (I=I+1), что в алгоритме отражено в блоке 5. Шестой блок оценивает значение I (условный блок) и, если его значение равно 6, процесс выполнения циклограммы повторяется снова, начиная с первого участка, то есть значение I начале цикла снова становится равным нулю (I=0).

Рис. 25. Алгоритм циклового управления

На рис. 26 приведен алгоритм микропроцессорного управления системой ШИП-Д для одного интервала времени циклограммы (см. рис. 23). В данном случае алгоритм оформлен в виде подпрограммы «ШИП». В блоке 2 вычисляется время паузы t _П (см. рис. 23). Условно алгоритм подпрограммы можно разделить на две части: первая часть включает блоки, которые реализуют функционирование ШИП на интервале t _Р , а вторая часть – t _П. Поэтому, если на каком – либо интервале времени циклограммы t _Р равно нулю, то первую часть алгоритма нет необходимости для этого интервала времени выполнять, что и отражено на выходе «да» блока 3 на рис. 26. Блоки 3 – 9 предназначены для реализации первой части подпрограммы «ШИП», а блоки 10 – 16 выполняют вторую часть алгоритма.

В блоке 3 значение t _Р сравнивается с нулем. Если t _Р равно нулю, то производится переход к блоку 10, с которого начинается реализация второй части подпрограммы «ШИП», то есть паузы. В четвертом блоке на дискретный выход выдается сигнал логической 1 и с этого момента времени начинается отсчет текущих значений рабочего интервала t _{ТЕК Р i} .Для программного контроля времени в блоке 5 организованы счетчики для «измерения» интервала цикла t _{ТЕК i} и рабочего интервала t _{ТЕК Р i}. В начале подпрограммы (в блоке 5) счетчики обнуляются, то есть t _{ТЕК i} =0 и t _{ТЕК Р i} =0. Содержимое счетчиков увеличивается на 1 в блоке 7 после каждого обращения к подпрограмме «Время» в блоке 6. В следующем блоке 8 происходит сравнение значений t _{ТЕК i} и t _i (задан в блоке 2 ОП).

Рис. 26. Алгоритм микропроцессорного управления системой ШИП-Д для одного интервала времени циклограммы

Если t _{ТЕК i} становится равным t _i, то это означает, что «i» - участок цикла завершен и следует выйти из подпрограммы «ШИП». Это отражено в блоке 8 выходом «да», который соединен с входом блока 17 (конец подпрограммы). Если t _{ТЕК i} не равно t _i, то выполнение подпрограммы продолжается далее.

В блоке 9 происходит сравнение значений t _{ТЕК Р i} и t _Р. Из уравнения (20) ранее было получено, что , то есть . Если t _{ТЕК Р i} становится равным t _Р , то это означает, что рабочий интервал ШИП завершен и следует перейти к реализации интервала паузы в этой же подпрограмме . Это отражено в блоке 9 выходом «да», который соединен с входом блока 17 (конец подпрограммы). Если t _{ТЕК Р i} не равно t _Р, то выполнение подпрограммы продолжается далее (переход к блоку 6).

В блоке 10 происходит сравнение значения t _П с нулем. Если на каком – либо интервале времени циклограммы t _П равно нулю, то вторую часть алгоритма (реализация паузы) нет необходимости выполнять для этого интервала времени и выйти из подпрограммы «ШИП», что и отражено на выходе «да» блока 10 на рис. 26. Блоки второй части алгоритма аналогичны блокам 3- 9 первой части алгоритма, по которому выполняется программный ШИМ. В блоке 11 на дискретный выход Q0.0 выдается сигнал логического 0 и с этого момента времени начинается отсчет текущих значений рабочего интервала t _{ТЕК П i} .Для программного контроля времени в блоке 12 организован счетчик для «измерения» паузы t _{ТЕК П i}. В блоке 12 он обнуляется, то есть t _{ТЕК П i} =0. Счетчик для контроля t _{ТЕК i} был организован в блоке 5. Содержимое счетчиков увеличивается на 1 в блоке 14 после каждого обращения к подпрограмме «Время» в блоке 13. В следующем блоке 15 происходит сравнение значений t _{ТЕК i} и t _i . Если t _{ТЕК i} становится равным t _i, то это означает, что «i» - участок цикла завершен и следует выйти из подпрограммы «ШИП». Это отражено в блоке 15 выходом «да», который соединен с входом блока 17 (конец подпрограммы). Если t _{ТЕК i} не равно t _i, то выполнение подпрограммы продолжается далее. В блоке 16 происходит сравнение значений t _{ТЕК П i} и t _П. Значение интервала паузы было рассчитано в блоке 2. Если t _{ТЕК П i} становится равным t _П , то это означает, что интервал паузы работы ШИП завершен и следует выйти из в подпрограммы ШИП. Это отражено в блоке 16 выходом «да», который соединен с входом блока 17 (конец подпрограммы). Если t _{ТЕК П i} не равно t _П, то выполнение подпрограммы продолжается далее (переход к блоку 13).

5. При выполнении подпрограммы ШИП используется подпрограмма «Время». Поэтому при выполнении 3 задания необходимо разработать и описать алгоритм подпрограммы «Время» (Таймер), с помощью которой можно реализовать временную задержку продолжительностью в один тик [17].

Временные интервалы длительностью более 1 мс и кратных 1 мс в Step-7 можно сформировать, используя встроенные в программное обеспечение таймерные команды (операции) с дискретностью 1 мс, 10 мс и 100 мс.

Рис. 27. Алгоритм подпрограммы «Время»

Временные интервалы длительностью менее 1 мс и не кратных 1 мс в Step-7 получают, применяя разрабатываемые подпрограммы «Время». На рис. 27 приведен алгоритм подпрограммы «Время» (1тик=0.1мс).

Сущность разрабатываемых подпрограмм «Время» можно сформулировать следующим образом. Любая команда микроконтроллера выполняется за определенное время. Если набрать определенное число команд с известным временем выполнения и повторять их выбранное число раз, то можно сформировать любую задержку во времени. В табл. 6 для анализа приведено время выполнения некоторых команд S7-200 на языке релейной логики.

Таблица 6

Операция	Описание	CPU 212 (в мкс)
+D	Сложение двойных целых чисел (32 бита)	154
-D	Вычитание двойных целых чисел (32 бита)	156
+I	Сложение целых чисел (16 бит)	119
-I	Вычитание целых чисел (16 бит)	68
+R	Сложение действительных чисел	220
-R	Вычитание действительных чисел	225
*R	Умножение действительных чисел	255
/R	Деление действительных чисел	810
ATCH	Назначение прерывания	52
CALL	Вызов подпрограммы	38
DIV	Деление целых чисел	444
ENI	Разблокировка всех событий прерывания	38
JMP	Переход на метку	1.3
LD	Операция загрузки	1.3
MOV_W	Передача слова	72
MOV_DW	Передача двойного слова	89
MOV_R	Передача действительного числа	89

Допустим, что требуется осуществить временную задержку t_зад.=0.9 мс. Выберем MOV_W в качестве команды блока 3 (см. рис. 27). Время выполнения этой команды t _Б3 составляет 72 мкс. Определим число повторений N команды MOV_W.

,

где t _Б2 – время выполнения команд второго блока;

t _Б4 – время выполнения команд блока 4;

t _Б5 – время выполнения команд блока 5.

Во втором блоке организуется счетчик числа циклов (повторений блоков 3, 4 и 5), то есть содержит команду «Прямой счет». В начале подпрограммы счетчик обнуляется (I=0). Третий блок включает команду MOV_W. В блоке 4 включается счетчик и его содержимое I увеличивается на 1. В пятом блоке производится сравнение содержимого счетчика I c числом циклов N. Если I<N, то производится повторное выполнение блоков 3, 4 и 5. Если I=N, то осуществляется выход из подпрограммы «Время».

6. Составление программ управления на одном из языков применительно к ПМК реализуется на основе разработанных алгоритмов.

Сначала рассмотрим основную программу. Потом составляется подпрограммы «ШИП» и «Время». В приложении 1 представлен листинг всех прогамм.

7. Разработать алгоритм и программу измерения скорости с ИДС.

Скорость двигателя оценивается косвенно по величине импульсов датчика скорости, определяемая или с помощью внешнего программного таймера (рис. 28.)