Využití digitálních signálových kontrolérů při řízení elektrických pohonů

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: Využití digitálních signálových kontrolérů při řízení elektrických pohonů Application of Digital Signal Controllers in Control of the Electric Drives Petr Palacký, David Slivka, Martin Sobek, Petr Hudeček petr.palacky@vsb.cz,david.slivka@vsb.cz,martin.sobek@vsb.cz,petr.hudecek@vsb.cz VŠB-Technická Univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky Abstrakt: Článek se zabývá představením a možnostmi využití digitálních signálových kontrolérů v aplikacích pro řízení elektrických pohonů. V článku jsou také rozebírány vlastnosti a funkce dvou vybraných digitálních signálových kontrolérů. Pro oba dva typy kontrolérů byly vytvořeny přizpůsobující rozhraní umožňující jejich implementaci jako řídící jednotky přímo do výkonového měniče. Tímto způsobem je možné provádět řízení nebo regulaci různých typů střídavých strojů změnou řídícího algoritmu. Abstract: The article deals with the overview and possibilities of using digital signal controllers in applications of the electrical drives control. There are also discussed features and functions of the two selected digital signal controllers. For both types of controllers have been developed signal adaptation interfaces to allow its implementation as a control unit placed directly into a power converter. This allows create control or regulation technique for various types of electric machines by changing the control algorithm only.

2 Využití digitálních signálových kontrolérů při řízení elektrických pohonů Petr Palacký 1, David Slivka 2, Martin Sobek 3, Petr Hudeček 4 VŠB-Technická Univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra Elektroniky 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, Česká republika 1 petr.palacky@vsb.cz 2 david.slivka@vsb.cz 3 martin.sobek@vsb.cz 4 petr.hudecek@vsb.cz Abstrakt Článek se zabývá představením a možnostmi využití digitálních signálových kontrolérů v aplikacích pro řízení elektrických pohonů. V článku jsou také rozebírány vlastnosti a funkce dvou vybraných digitálních signálových kontrolérů. Pro oba dva typy kontrolérů byly vytvořeny přizpůsobující rozhraní umožňující jejich implementaci jako řídící jednotky přímo do výkonového měniče. Tímto způsobem je možné provádět řízení nebo regulaci různých typů střídavých strojů změnou řídícího algoritmu. 1 Úvod Digitální signálové kontroléry (DSC) jsou hojně využívány v oblasti řízení elektrických pohonů (EP), kde při napojení na výkonový měnič mohou řídit různé typy elektrických točivých strojů. A právě výběr správného druhu DSC se specifickými vlastnostmi a funkčními moduly mohou vývoj výsledného EP výrazně usnadnit. Usnadněním je myšleno využití co největšího počtu integrovaných modulů daného DSC bez toho, aby musel vývojář používat externí jednoúčelové moduly. Další výhodou použití DSC v EP je výrobcem dodávaný vývojový software, který vývojářovu práci značně ulehčuje. Velice důležitá je i možnost ladění systému v reálném čase s využitím komunikačního rozhraní k tomu vytvořenému, popřípadě možnost výměny informací s externím softwarovým nástrojem jako je např. LabView nebo Matlab/Simulink. 2 Vymezení činností řídící jednotky pohonu Abychom mohli přejít, k výběru platformy pro řídící jednotku, je třeba vymezit obecně činnosti, které musí řídící jednotka obstarat pro správnou funkci elektrického pohonu. Mezi tyto základní činnosti patří [1]: a) Generace pulzně šířkově modulovaných (PWM) signálů pro řízení třífázového napěťového střídače. b) Měření údajů z čidel umístěných v EP. c) Komunikace s nadřazeným systémem. Ad a) Řídicí jednotka musí zabezpečit generování šesti PWM výstupů pro střídač. Tyto výstupy je výhodné mít na jednotce vyvedeny jako otevřený kolektor. Dále je vhodné, aby jednotka měla k dispozici minimálně jeden další PWM výstup s otevřeným kolektorem například pro ovládání spínacího tranzistoru brzdného odporu. Výhodou je automatické odpojení výstupů PWM v případě chyby. Ad b) Řídicí jednotka musí zabezpečit snímání aktuálních elektrických veličin na motoru popřípadě měniči. Toto je nutné jak z důvodů regulační struktury, tak kvůli zjištění kritických hodnot a možnosti ochrany motoru. Dále je potřebné, aby jednotka mněla dostatečný počet vstupně/výstupních pinů, aby mohla snímat hodnoty z připojených čidel pro ovládání EP (tlačítka start/stop, regulace rychlosti atd.). Ad c) Pro fáze testování EP je nutná komunikace s nadřazeným systémem (Notebook nebo PC) kvůli ladění programu a nastavováni parametrů regulační struktury. Tato komunikace může probíhat například přes rozhraní RS232. Dnes je již standardem, aby jednotka byla vybavena běžně používanými komunikačními rozhraními, jako jsou I 2 C, SPI nebo CAN. 3 Výběr platformy Tabulka 1: Srovnávané DSC TMS320F F8037 Výrobce Texas Instruments Freescale Jádro DSC 32 b, Pevná čárka 16 b, Pevná čárka Orientační cena $10.65 $3.98 Tabulka 1 seznamuje s vybranými DSC od dvou výrobců operujících na našem trhu. V následujícím textu jsou porovnány výhody a nevýhody platforem z hlediska vybavenosti obou typů kontrolérů. Výhody TMS320F2812: Vysoký výkon až 150 MACS Velikost paměti jak FLASH tak RAM 32 bitové časovače 16 PWM výstupů nastavitelných přes 2 Event Managery Rychlý A/D převod Hardwarový kvadraturní dekodér 76 1

3 Výhody 56F8037: FLASH s velkým počtem zapisovacích cyklů Kompatibilita výstupů s TTL logikou Možnost vytvořit až 48 bitový časovač ze 4 Quad timeru Kvadraturní mód Quad timeru Tabulka 2 shrnuje vlastnosti obou typů DSC. [2] [3] [4] Tabulka 2: Přehled základních parametrů obou typů DSC Vlastnost TMS320F F8037 Výkon 150 MHz/150 MACS 32 MHz/32 MIPS Napájecí napětí (U DD ) Maximální vstupní napětí na pin FLASH RAM 3,3 V ± 5 % (Jádro 1,9 V) 3,3 V ± 9 % (Jádro 2,5 V) 4,6 V 5,5 V 128 K x 16 (min. 100 zapisovacích cyklů) 16 K x 16 (L0, L1, H0) 32 k x 16 (min zapisovacích cyklů) 4 k x 16 PWM 16 kanálů 1 x 6 kanálů A/D D/A 16 kanálů (80 ns) 2 x 8 kanálů (187 ns) - 2 CAP / QEP 6/2 -/- Analogový Komparátor Časovače x 32 bitové 8 x 16 bitové + 3 x PIT GPIO (max.) I 2 C Ne Ano RS232 2 x SCI 2 x QSCI SPI SPI 2 x QSPI CAN ecan MSCAN Nevýhody TMS320F2812 oproti 56F8037: FLASH má pouze 100 zapisovacích cyklů (nutno řešit přes BOOT ROM a RAM) Při použití FLASH klesá výkon DSC Není kompatibilní s TTL logikou Neobsahuje D/A převodník Nevýhody 56F8037 proti TMS320F2812: Slabší výkon oproti TMS320F2812 Pomalejší A/D převod Poloviční paměť oproti TMS320F2812 Proto, aby mohl být DSC použit jako řídící jednotka EP je nutné, aby splňoval základní požadavky, které byly probrány v kapitole 2. Následující tabulka provádí shrnutí těchto požadavků v jednotlivých platformách. Tabulka 3: Porovnání platforem dle využití v pohonu vozidla Vlastnost TMS320F F8037 Výkon 150 MHz/150 MACS 32 MHz/32 MIPS FLASH 128 K x k x 16 PWM 16 kanálů 1 x 6 kanálů + 2 A/D 2 x 8 kanálů (80 ns) 2 x 8 kanálů (187 ns) Rozšiřitelnost SCI, SPI, ecan QSCI, QSPI, I 2 C, MSCAN 4 Řídící jednotka s DSC 56F8037 V dalších kapitolách bude popsána konkrétní implementace DSC do řídících jednotek výkonového měniče potažmo EP. Jako první byla vybrána platforma pro řídící jednotku Freescale 56F8037. Tento digitální signálový kontrolér má výpočetní výkon 32 MIPS, což je dostatečné pro implementaci algoritmu přímého řízení momentu a zároveň (jak plyne z předešlého textu) je i dostatečně hardwarově vybaven pro tuto aplikaci. Na obrázku 1 je zobrazeno vnitřní blokové schéma řídicí jednotky. Popis jednotlivých bloků je uveden pod obrázkem. Obrázek 1: Blokové schéma řídicí jednotky s DSC 56F8037 Blok napájení Zabezpečuje napájení celé jednotky. Vstupní napětí je nutno pomocí DC/DC měničů a stabilizátorů upravit na potřebná napětí. K tomu se využívá dvojice DC/DC měničů, která vytváří 5 V a ±15 V, pevného stabilizátoru napětí 3,3 V a nastavitelného stabilizátoru pro referenční napětí OZ 1,65 V. Blok vstupu pro A/D převodník Provádí převod signálů vycházejících z čidel o napěťových úrovních s rozsahem -10 V až +10 V na rozsah vhodný pro DSC, tedy 0 V až 3,3 V. Řešení je uskutečněno pomocí rozdí- 76 2

4 lového zapojení OZ. Je to jedna z nejdůležitějších částí, neboť správné změření analogových hodnot bude rozhodovat o kvalitě regulace resp. řízení. Blok výstupu pro D/A převodník Blok je zodpovědný za převod signálu napěťových úrovní 0 V až 3,3 V vycházejících z DSC na výstupní signál s rozsahem -10 V až +10 V, řešení je uskutečněno pomocí rozdílového zapojení OZ. Na D/A převodník je možno poslat signál, který reprezentuje např. regulační odchylky nebo upravené signály vycházející z regulačních struktur pro řízení motoru. Blok posílení PWM výstupů Tento blok realizuje posílení PWM výstupů DSC pro budiče výkonových spínacích prvků. Řešení vychází z použití budiče 74LS07, který má výstupy s otevřeným kolektorem. Blok komunikace Blok pro úpravu úrovní komunikačních rozhraní DSC. Úrovně QSCI jsou upraveny na úrovně slučitelně s USB rozhraním. Rozhraní QSPI a I 2 C jsou vyvedeny bez úpravy úrovní. Pro MSCAN je použit budič rozhraní CAN. Rozhraní JTAG je zapojeno dle doporučení výrobce pro možnost programování přes JTAG řady 56800E. Vytvořená řídicí jednotka s DSC 56F Řídicí jednotka s DSC TMS320F2812 Obrázek 5: Blokové schéma řídicí jednotky s DSC TMS320F2812 Jádrem systému je signálový procesor TMS320F2812, který provádí řízení střídavého regulovaného pohonu dle některé z regulačních metod na základě aktuálně změřených veličin a příkazů zadávaných z uživatelského rozhraní běžícím na PC. Řídící DSC je součástí vývojového kitu ezdsp TM F2812 firmy Spectrum Digital, který obsahuje obvody nutné pro vlastní činnost signálového procesoru, ale nedisponuje přizpůsobovacími a posilovacími obvody pro zpracování signálů z výkonové části pohonu. Tuto činnost zajišťuje deska interface, která navíc obsahuje i periférie, které nejsou součástí DSC. [5] 5.1 Interface pro ezdsp TM TMS320F2812 Vývojový kit ezdsp TM spolu s přizpůsobovacím interfacem tvoří řídící jednotku s univerzálním použitím v oblasti výkonové elektroniky a elektrických pohonů. [6] Obrázek 2: Řídící jednotka s DSC 56F8037 Obrázek 3: Detail konektoru USB (vlevo) a konektoru pro PWM (vpravo) Obrázek 4: Detail konektorů vstupu A/D převodníku Obrázek 6: Řídicí systém s vývojovým kitem ezdsp TM F2812 PWM jednotka Pro připojení k výkonové části měniče je nutné provést posílení výstupních digitálních signálů (PWM 1-14) budičem sběrnice typu 74LS07 (výstupy s otevřeným kolektorem). 76 3

5 Přizpůsobovací obvody A/D převodníku Signály přicházející z čidel je nutné vhodně napěťově upravit vzhledem k tomu, že vstupní rozsah A/D převodníku je 0 V až 3 V. K tomu slouží operační zesilovače, v invertujícím zapojení se zesílením -0,15 a přičítáním offsetové složky 1,5 V. Pro přesné nastavení této hodnoty slouží víceotáčkový potenciometr ve spojení se stabilizátorem napětím typu LM317. Všechny kanály pak mají ochranu proti přepětí pomocí diod. Pro napájení operačních zesilovačů bloku napěťového přizpůsobení vstupních signálů A/D převodníku a také pro odvození napěťové reference +1,5 V je nutné napájet interface symetrickým napětím ±15 V. Blok komunikace Pro zadávání a monitorování veličin je obvykle nutné vytvořit tzv. uživatelské rozhraní např. v některém z vývojových prostředí firmy National Instruments (LabWindows/CVI, Lab- VIEW). Vlastní komunikace mezi PC a DSC pak probíhá po sériové lince s využitím převodníku MAX3232, který převádí signály TTL/CMOS logiky na úrovně standardu RS-232C. D/A převodník TLV5614 Pro zobrazení vnitřních veličin regulace na osciloskopu se využívá sériový D/A převodník TLV5614 ze sortimentu TI. Jedná se o 12 bitový, čtyř-kanálový převodník s odporovou váhovou sítí. Komunikace mezi DSC a převodníkem probíhá přes rozhraní SPI. Galvanické oddělení a úprava signálů z IRC Dále jsou na desce interface umístěny optočleny typu HC- PL2601, které galvanicky oddělují signál vstupující do Capture/QEP jednotky DSC. Nejčastěji se jedná o signály z inkrementálního čidla. 5.2 Koncepce pohonu vozidla Blokové schéma koncepce pohonu vozidla je na obrázku 7. Obrázek 7: Obecné blokové schéma vnitřního uspořádání pohonu vozidla Tuto koncepci je možno použít pro oba dva typy řídicích jednotek. Je-li použit třífázový střídač je možno použít různé druhy střídavých strojů, například asynchronní motor nebo synchronní motor s permanentními magnety. Poté záleží už jen na naprogramovaném algoritmu řízení. Blok S souhrnně označuje blok pro měření elektrických i neelektrických veličin. Blok M označuje použitý motor. 6 Závěr Moderní způsoby regulace resp. řízení elektrických pohonů jsou založeny na využití rychlých DSC, které umožňují online řešení matematického modelu stroje, takže v každém okamžiku je možno regulovat na základě aktuálních vnějších veličin a vnitřních proměnných. Dříve používané jednočipové mikropočítače jsou nahrazovány signálovými procesory, které disponují vysokým výkonem z pohledu zpracování dat (hardwarová násobička = rychlé násobení/dělení, víceúrovňový pipelining, duální přístup do paměti, více násobné oddělené datové a adresové sběrnice apod.). Tyto procesory usnadňují realizaci metod vektorového řízení i metod přímého řízení momentu, čímž vznikají pohony se špičkovými parametry. Použité algoritmy implementované v těchto procesorech by měly zajišťovat optimální regulační chod s automatickým nastavením konstant použitých regulátorů a jejich přizpůsobení proměnlivým podmínkám napájení a zatížení pohonu. Popsané řídicí jednotky, jak jednotka s DSC56F8037 nebo jednotka s DSC TMS320F2812 jsou schopny řídit různé typy střídavých strojů dle různých typů řídicích algoritmů. Na naší katedře byly otestovány jak skalární typy řízení pro obě řídicí jednotky, tak metody vektorového řízení popřípadě metody přímého řízení momentu. Výzkumy probíhaly jak na asynchronních motorech tak i synchronních strojích. Reference [1] Brandštetter, P.: Střídavé regulační pohony - Moderní způsoby řízení. Monografie, VŠB-TU Ostrava, 1999, 181 s., ISBN X. [2] Freescale Semiconductor, 56F802x and 56F803x Peripheral Reference Manual [online]. Freescale 2007 [ ]. Dostupné z: < [3] Freescale Semiconductor, 56F8037/56F8027 Data Sheet Preliminary Technical Data [online]. Freescale 2008 [ ]. Dostupné z: < [4] Texas Instruments, TMS320F2810, TMS320F2811, TMS320F2812 TMS320C2810, TMS320C2811, TMS320C2812 Digital Signal Processors Data Manual [online]. Texas Instruments 2001 (Revised 2010) [ ]. Dostupné z: < [5] Osmancik L., Polak M., Simonik P., Digital signal processor TMS320F2812 and its application in electric drives, International Conference on Applied Electronics; Pilsen, Czech Republic, pp , September ISBN [6] Brandstetter P., Vanek J., Pumr J., Michalik J.: Microcomputer Control System for Industrial Electronics Applications, International Conference on Applied Electronics; Pilsen, Czech Republic, pp.57-60, September ISBN