ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ

В ходе задач которые возникают перед пользователем среды разработки встроенных систем управления MexBIOS Development Studio одной из самых распространенных можно назвать регулируемый пуск двигателя средствами среды (здесь и далее под данным термином понимается регулирование угловой скорости вращения вала электропривода). У пользователя, только начинающего своё ознакомление со средой, на данном этапе могут возникнуть некоторые затруднения, поэтому для решения данных вопросов рассмотрим более подробно поэтапный процесс пуска нестандартного двигателя ДПУ-87, который по своей конструкции является коллекторным двигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, в связи с чем материалы данной статьи, с некоторыми допущениями, могут быть применены для пуска любого двигателя постоянного тока.

Оборудование и программное обеспечение использованное в данной статье:

• Учебно-отладочный комплект MCB-04 «Тип К» производства Mechatronica-PRO,
• Двигатель ДПУ-87 разработки и производства АО "Томский электротехнический завод" с номинальными параметрами в нижеприведенной таблице:

• Цифровой инкрементальный энкодер с полым валом Е60Н,
• Соединительные провода, мультиметр.

Формализованная постановка задачи имеет следующий вид: «Произвести запуск двигателя имеющимися программно-аппаратными средствами с применением двух контурной системой регулирования по току и скорости».

В целях упрощения решения данной задачи и ознакомления пользователя с процессом пуска целесообразно разбить решение на несколько базовых этапов.

ЭТАП 1. ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ И НЕРЕГУЛИРУЕМЫЙ ПУСК.

Перед подключением двигателя к комплекту необходимо тщательно ознакомиться с документацией на преобразователь, входящий в состав комплекта, и сопоставить эту информацию с номинальными параметрами подключаемого двигателя в целях соотнесения возможности его подключения без разработки дополнительных драйверов и/или замены имеющегося преобразователя.

Преобразователь, входящий в состав комплекта, обеспечивает напряжение питания 24В при максимально-допустимом токе 3А, несмотря на то, что номинальный ток двигателя превышает номинальный ток преобразователя, приведенные в таблице параметры соответствуют номинальному напряжению питания, а так как преобразователь не может достичь данной величины, то и ток двигателя будет лежать в допустимых пределах.

Проверив техническую возможность подключения двигателя к имеющемуся преобразователю можно приступать к её реализации. Подключение двигателя постоянного тока осуществляется между клеммами U V на силовой плате преобразователя соответствующими соединительными проводами.

После физического подключения двигателя к преобразователю можно приступать к настройке программной части реализующей нерегулируемый пуск. Для этого создадим базовый проект в среде проектирования MexBIOS development studio

Рис. 1 Основное окно программы

Блоки, представленные в основном окне программы, формируют основную структуру программы и содержат в себе необходимые функции.

Рис. 2 Основные блоки программы

Параметры представленных блоков соответствуют следующим значениям:

• EVENT - Источник: 2: Аппаратное; Вектор: 26: TINT0; Период: 0.0002; Режим моделирования: 2: Непрерывное.
• FORMULA – Имя: Driver
• FORMULA – Имя: PWM

Для реализации нерегулируемого пуска оставим блок Driver без наполнения, так как на данном этапе отсутствует необходимость в обратных связях, а значит и в обработке показаний датчиков. Основная работа на данном этапе лежит в блоке PWM.

Внутренняя структура на данном этапе имеет следующий вид:

Рис. 3 Содержание блока PWM

Параметры блоков соответствуют следующим значениям:

• TRACKBAR - Минимум: -0,95; Максимум: 0,95; Шаг: 0.05; Формат: 31: Float; Value: 0.2.

Данные параметры обеспечивают возможность безопасно задавать скорость в двух направлениях, регулируя скважность ШИМ. Начальное значение Value равное 0,2 позволит запустить двигатель на минимальной скорости.

• PWM6 – SysClk: 150; Id: 0: EPWM1-3/GPIO0-5; Frequency: 5000; DeadTime: 3; Polarity: 0; SocPulse: 0:Нет.

Настройка блока ШИМ таким образом позволит управлять ключами подключенными к выводам GPIO 0-5 с частотой равной частоте аппаратного прерывания (период блока Event 1/0,0002 = 5000 Гц)

• GPIO – Type: 1: Output; Pin: 31: GPIO31; Value: 0.

Блок GPIO с указанными выше настройками позволяет управлять включением и отключением ШИМ т.н. Разрешение ШИМа. Следует отметить, что данный блок работает на обратной логике т.е. на входе соответствует состоянию Выкл., а 0 – Вкл.

• Button – Группа: 1; Значение «Отпущено»: 1; Значение «Нажато»: 0; Формат: 0: Integer; Value: 1.

Кнопки группы 1 работают аналогично кнопкам с фиксацией или самошунтированием, формат данных на выходе должен строго соответствовать формату данных на входе подключенного блока иначе возникнет конфликт данных и блоки будут некорректно работать. Начальное значение 1 соответствует отпущенному состоянию и говорит о том, что ШИМ в данный момент запрещен.

Загрузив в ОЗУ данный проект и начав обновление, пользователь может, используя имеющиеся органы управления, в ручную управлять скоростью и направлением вращения двигателя. Для этого необходимо однократно нажать на кнопку (на плате должен зажечься зеленый светодиодный индикатор разрешения ШИМа), а затем используя Trackbar установить желаемую скорость.

ЭТАП 2. ПОДКЛЮЧЕНИЕ И НАСТРОЙКА ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ.

Для того чтобы обеспечить работу регуляторов необходимо настроить работу обратных связей под которыми понимаются показания датчика скорости выполненного в виде цифрового энкодера, прикрепленного к валу двигателя, и показания датчика тока с одного из каналов АЦП.

Рис. 4 Внутренняя структура блока Driver

• ADC – ChanCount: 1; Frequency: 7: 10714; Trigger: Continious; Chan1: 8: ADCINB0.

Подключаем один канал АЦП для измерения тока якоря двигателя, проводя измерения в фазе V, которая подключена к каналу ADCINB0.

• fOffset – StartOffset: 0; TimeOfsCalc: 500; GainA: 1.

Данный блок автоматически за указное время установит необходимое смещение АЦП. На данном этапе настройки обратной связи по току следует обратить внимание на то, что неизвестен коэффициент масштабирования, который можно определить по следующей методике:

1. Подключить в цепь якоря мультиметр для измерения тока якоря
2. Запустить двигатель и в установившемся режиме зафиксировать некое среднее значение тока
3. Используя показания метки LCurrent (Блок Label) определить масштабирующий коэффициент, разделив реальный ток на показания модуля АЦП и занеся полученное значение в качестве параметра GainA блока fOffset.

Для передачи информации о токе в другие узлы схемы установим соответствующие переходные метки TP_OUT указав в поле Тег уникальное имя сигнала. Для удобства пользователя имена тегов можно продублировать в раздел Имя блока переходной метки.

• QEP – Id: 0: EQEP1/GPIO20-21; PosMax: 10000.

В зависимости от типа энкодера и места его подключения данные параметры могут изменяться. Данная настройка соответствует энкодеру подключенному в разъемы XT6, XT7 со значением 10000 импульсов на 1 оборот. Определить данное значение можно загрузив проект в ОЗУ и, не запуская двигатель, вручную совершить 1 оборот энкодера наблюдая за состоянием метки LPos (необходимо помнить о совпадении форматов).

• fSpeed_Calc – SampleTime: 0.0002; BaseSpeed: 650; Period: 10.

Блок расчета скорости на основании угла поворота ротора требователен к показаниям номинальной скорости, которая записывается в параметр BaseSpeed определить реальное значение которой можно исходя из экспериментальных и номинальных данных двигателя. Для этого необходимо во время пробного пуска двигателя замерить напряжение, подаваемое на обмотку якоря, мультиметром, используя которое можно по известным параметрам двигателя определить его номинальную скорость. Если значения неизвестны, то данное значение подбирается экспериментально.

Блок fGain  установленный после блока расчета скорости содержит в себе масштабирующий коэффициент равный номинальной скорости определенной в прошлом пункте и позволяет отображать скорость в об/мин.

ЭТАП 3. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПУСК ДВИГАТЕЛЯ.

Наибольшее распространение для решения такой задачи получила система управления электропривода, выполненная по принципу подчиненного регулирования координат.

Рис. 5 Структурная схема системы управления электропривода

Рис. 6 Система управления в блоке PWM

Для создания двухконтурной системы подчиненного регулирования модифицируем структуру блока PWM, добавив в неё задатчик интенсивности (блок fRMP4CNTL с параметрами DelayMax 90 при CONST = 0.1) ПИД регуляторы fPID1 (контур скорости) и fPID (контур тока).

Настройку контуров тока и скорости будем производить методом последовательной коррекции. В общем случае методика настройки контуров подразумевает расчетную часть и практическую, первая выполняется по известным методикам описанным в учебной литературе или в разработанных нами учебных пособиях, вторая часть нужна для коррекции полученных расчетных значений, но в случае если параметры двигателя неопределенны или их определение затруднено, в некоторых случаях можно определить коэффициенты регуляторов империческими методами оптимальной настройки ПИД- регуляторов, либо полностью экспериментальным методом согласно приведенному ниже алгоритму и правилам ручной настройки ПИД-регуляторов:

ПРАВИЛА РУЧНОЙ НАСТРОЙКИ ПИД-РЕГУЛЯТОРА:

• увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродействие и снижает запас устойчивости;
• с уменьшением интегральной составляющей ошибка регулирования с течением времени уменьшается быстрее;
• уменьшение постоянной интегрирования уменьшает запас устойчивости;
• увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчивости и быстродействие.

АЛГОРИТМ РУЧНОЙ НАСТРОЙКИ:

1. Первичную настройку производим для первого контура системы управления, для этого необходимо отключить контур скорости и подавать задание напрямую на регулятор тока.
2. Подключив к контуру тока в качестве основного сигнала задания на вход Ref блок IN, добавим его в наблюдаемые переменные для задания тока якоря электродвигателя.
3. Для оперативной настройки рекомендуется добавить блок ПИД-регулятора в раздел наблюдаемых переменных и производить подбор параметров на ходу, для обеспечения безопасной настройки следует установить предельное значение на выходе регулятора в пределах ±20-50% от номинальной величины, такая настройка позволит избежать опасных эффектов возникающих при неверной настройке регуляторов.
4. Загрузив данный проект в ОЗУ и начав обновление начинаем подбирать такой пропорциональный коэффициент ПИД-регулятора чтобы обеспечивалось достаточное быстродействие (для этого необходимо чтобы реверс скорости двигателя происходил мгновенно) с сохранением устойчивости.
5. После настройки П-составляющей регулятора, необходимо настроить И- составляющую регулятора подбирая её таким образом чтобы достичь оптимальной точности достижения задания.
6. После настройки И-составляющей ПИД-регулятора, преступаем к настройке Д-составляющей регулятора, увеличивая её до достижения оптимальной длительности переходного процесса
7. После настройки контура тока, пересобрать исходную схему и повторить данный алгоритм для настройки контура скорости.

В итоге после проведения всех империчесих настроек коэффициенты ПИД-регулятора, для двигателя ДПУ-87 имеют следующий вид:

Графики работы двигателя имеют следующий вид:

Рис. 7 Ток фазы V, мА

Рис. 8 Скорость вращения вала двигателя, об\мин

В результате проведенных экспериментов двигатель показал свою работоспособность в среде MexBIOS DS. Алгоритмы настройки, приведенные в данной статье, показали свою пригодность для настройки экспериментальных приводов. При этом, проведя анализ проделанных операций в процессе настройки, представляется возможным реализация автоматического подбора коэффициентов, руководствуясь теми же правилами что и в ручном режиме.