Mikroprocesorowe sterowanie urządzeń energoelektronicznych - analiza, projektowanie i realizacja

POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I PRZEMYSŁOWEJ

PRACA DOKTORSKA

Tomasz Biskup

Mikroprocesorowe sterowanie urządzeń energoelektronicznych - - analiza, projektowanie i realizacja

Promotor: dr hab.inż. Bogusław G rzesik prof. Pol.ŚI.

GLIWICE 1996 r.

■R-30TT

Autor pragnie serdecznie podziękować

profesorowi Bogusławowi Grzesikowi

za pom oc w realizacji niniejszej pracy.

SPIS TREŚCI

1. W s t ę p ... 7

1.1 W p ro w ad zen ie... 7

1.2 Zakres tematyki p r a c y ... 7

1.3 Analiza stanu aktualnego tematu ... 9

1.4 Sformułowanie tematu p r a c y ... 14

1.5 M otywacja podjęcia te m a tu ... 14

1.6 Sterowanie m ikroprocesorowe, uwagi ogólne... 15

1.7 Struktura pracy ... 15

2 . C e l i z a ł o ż e n i a p r a c y ... 17

3 . S y s t e m r e a l i z a c j i s t e r o w a n i a m i k r o p r o c e s o r o w e g o w e n e r g o e l e k t r o n i c e 18 4 . D o b ó r s t e r o w a n i a d e d y k o w a n e g o u r z ą d z e ń e n e r g o e l e k t r o n i c z n y c h ( s y s t e m d o r a d c z y ) ... 22

4.1 Zarys struktury sy ste m u ... 22

4.2 Baza w ie d z y ...i... 24

4.2.1 Systemy mikroprocesorowe i ich analiza p o ró w n aw cza... 24

4.2.1.1 W prow adzenie... 24

4.2.1.2 U ogólniona struktura systemu mikroprocesorowego ... 25

4.2.1.3 Architektura wybranych m ikroprocesorów ... 26

4.2.1.4 Wielkości charakterystyczne m ikroprocesorów jako kryteria porównania ... 29

4.2.1.5 Dane charakterystyczne typowych m ikroprocesorów ... 34

4.2.1.6 Elementy peryferyjne systemu m ikroprocesorow ego... 37

4.2.2 Sterowniki modułowe ... 42

4.2.3 Zadania dla sterowania mikroprocesorowego urządzenia energoełektronicznego ... 43

4.2.3.1 Kom unikacja z u ż ytkow nikiem ... 43

4.2.3.2 Sterowanie zaworami energoelektronicznym i... 44

4.2.3.3 Pomiar wielkości elektrycznych i nieelektrycznych... 45

4.2.3.4 Odtwarzanie wielkości niedostępnych pomiarowo ... 47

4.2.3.5 Sterowanie wielkości fizycznych ... 48

4.2.3.6 Pomiar i estymacja parametrów modelu obiektu stero w an eg o ... 49

4.2.3.7 Nadzorowanie zabezpieczeń urządzenia i d iag n o sty k a... 50

4.2.3.8 Komunikacja ze sterownikiem nadrzędnym, zbieranie danych, archiwizacja, w izu alizacja... 51

4.3 Mechanizm wnioskowania - m etoda doboru systemu m ikroprocesorow ego... 52

4.3.1 W prowadzenie ... 52

4.3.2 Klasyfikacja zadań, zadania cząstkowe, wymagania względem systemu m ikroprocesorow ego... 52

4.3.3 M ikroprocesor a sterowanie przekształtnika energoełektronicznego... 54

4.3.4 Algorytm doboru systemu mikroprocesorowego ... 58

5 . K o n s t r u k c j a s p r z ę t u , o p r o g r a m o w a n i e , ic h t e s t o w a n i e i u r u c h a m i a n i e ... 61

5.1 Projektowanie stero w n ik a... 61

5.2 Uruchomienie ste ro w n ik a ... 65

5.3 Wykonanie o p rogram ow ania... 67

5.3.1 Algorytm pierwszego etapu realizacji oprogram ow ania... 67

5.3.2 W skazania dotyczące techniki program ow ania... 69

5.3.3 Testowanie - druga część realizacji oprogram ow ania... 73

5.3.4 W ykonanie dokumentacji końcowej ... 74

5.4 M ożliwości wykorzystania metod sztucznej inteligencji w układach sterowania ... 74

5.4.1 W prowadzenie ... 74

5.4.2 M etody e k sp e rto w e ... 75

5.4.3 Technika zbiorów ro zm y ty ch ... 75

5.4.4 Sztuczne sieci n e u ro n o w e ... 78

6 . W y b r a n e z a g a d n i e n i a n a p ę d u z f a l o w n i k i e m n a p i ę c i a i s i l n i k i e m i n d u k c y j n y m 81 6.1 M odel silnika indukcyjnego k latk o w eg o ... 81

6.2 M odel falownika n a p ię c ia ... 83

6.3 M odulacja szerokości im pulsów ... 84

6.3.1 M odulacja z sygnałem n o ś n y m ... 85

6.3.2 M odulacja metodami optymalizacyjnymi ... 86

6.3.3 M odulacja n a d ąż n a... 86

6.3.3.1 M odulacja histerezo w a... 87

6.3.3.2 M odulacja nadążna z regulatorem lin io w y m ... 87

6.3.3.3 M odulacja predykcyjna... 88

6.3.3.4 M odulacja A l... 88

6.3.4 M odulacja m etodą wektora przestrzen n eg o ... 88

6.4 Sterowane m aszyną indukcyjną k la tk o w ą ... 89

6.4.1 Optymalizacja statyczna ze stabilizacją stru m ien ia... 89

6.4.1.1 M etody pośrednie stabilizacji strum ienia... 89

6.4.1.2 M etody bezpośrednie sterowania strumienia ... 91

6.4.2 Układy sterowania z falownikiem napięcia M S I ... 91

6.4.2.1 Podstawowy układ sterowania z pośrednią stabilizacją strumienia stojana ... 91

6.4.2.2 Układ z bezpośrednim sterowaniem strumienia m etodą orientacji p o l a ... 92

6.4.2.3 U kład z pośrednim sterowaniem strumienia m etodą orientacji pola ... 93

6.4.2.4 Układ z bezpośrednim sterowaniem momentem i strumieniem ... 93

7 . M i k r o p o c e s o r o w e s t e r o w a n i e n a p ę d u z f a l o w n i k i e m n a p i ę c i a M S I ... 95

7.1 Sterownik przemysłowy oparty o m ikroprocesor 8 -b ito w y ... 95

7.1.1 Wstęp ... 95

7.1.2 Budowa układu stero w n ik a... 95

7.1.3 M etoda modulacji ... 96

7.1.4 Struktura sterownika ... 96

7.1.5 Struktura programu ... 97

7.1.6 Wyniki pomiarów i w n io s k i... 99

7.2 Sterownik przemysłowy oparty o 16-bitowy m ikrokontroler... 101

7.2.1 Wstęp ... 101

7.2.2 Budowa stero w n ik a... 101

7.2.3 M etoda m o dulacji... 102

7.2.4 Struktura programu ... 102

7.2.5 Zaimplementowane ekspertowe metody ste ro w a n ia... 103

7.2.5.1 Ogranicznik p r ą d u ... 103

7.2.5.2 Lotny start ... 105

7.2.6 W yniki pomiarów i w n io s k i... 106

7.3 Optymalizacja wybranych parametrów pracy sterownika ... 109

7.3.1 D obór częstotliwości przełączeń zaworów falownika ... 109

7.3.2 W ybór w artości stosunku częstotliwości sygnału nośnego do modulującego dla określonych warunków przełączeń ... 112

7.3.3 Wnioski ... 115

8 . W n i o s k i ... 116

D odatek 1. - Opis w ybranych specjalizow anych układów scalonych

do sterow ania zaw oram i falow nika napięcia

MSI

D odatek

2. -

napędu z połączeniem sprężystym ... 125 D odatek 3. - N arzędzia - w ykaz zastosow anych przyrządów p o m ia r o w y c h 149

D odatek 4. - Lista zrealizow anych przem ysłow ych sterow ników

m ikroprocesorow ych w latach

1989 ..96

D odatek

5.

INTEL 80C 51G B

D odatek 6. - M ikroprocesorow y sterow nik cyklokonw ertora 1- i 3 -fa z o w e g o 162 D odatek 7. - M ikroprocesorow y sterow nik 3-fazow ego falow nika prądu ... 169 D odatek 8. - M ikroprocesorow y sterow nik 1-fazow ego falow nika n a p ię c ia 173 D odatek 9. - S terow n ik nagrzew nicy indukcyjnej ... 177

LITERATURA

WYKAZ OZNACZEŃ

oznaczenia podstaw ow e:

f n - znamionowa częstotliwość zasilania, f r - częstotliwość wirnika, wartość względna f - częstotliwość stojana, wartość względna f o t - zadana częstotliwość stojana,

ir - wektor prądu wirnika, wartość względna i - wektor prądu stojana, wartość względna isa - składowa et prądu stojana, wartość względna isp - składowa P prądu stojana, wartość względna Id - prąd w obwodzie pośredniczącym,

Ifn - znamionowa wartość skuteczna prądu fazowego, I0 - znamionowa amplituda prądu fazowego, J - moment bezwładności,

j - część zespolona,

L0 - indukcyjność magnesująca silnika, Lr - indukcyjność uzwojenia wirnika silnika, L, - indukcyjność uzwojenia stojana silnika, me - moment elektromagnetyczny, wartość względna m0 - moment obciążenia, wartość względna

M0 - moment odniesienia, Pb - liczba par biegunów silnika,

rr - rezystancja uzwojenia wirnika, wartość względna rs - rezystancja uzwojenia stojana, wartość względna Qi,Q2 - wskaźniki jakości w procesie optymalizacji,

t - czas,

to - czas odniesienia,

Tm - stała elektromechaniczna silnika,

Ur - wektor przestrzenny napięcia wirnika, wartość względna u, - wektor przestrzenny napięcia stojana, wartość względna usa - składowa a wektora napięcia stojana, wartość względna u!fJ - składowa p wektora napięcia stojana, wartość względna Ud - wartość napięcia w obwodzie pośredniczącym falownika, Ufn - znam ionowa wartość skuteczna napięcia fazowego,

Uzac, - zadana wartość skuteczna napięcia zasilania stojana silnika, U0 - znamionowa amplituda napięcia fazowego,

xr - reaktancja uzwojenia wirnika, wartość względna xs - reaktancja uzwojenia stojana, wartość względna

rr - współczynnik rozproszenia wirnika

w, - wektor strumienia wirnika, wartość względna

ij/ra - składowa a wektora strumienia wirnika, wartość w zględna

\t/rp - składowa p wektora strumienia wirnika, wartość względna y/s - w ektor strumienia stojana, wartość względna

a - całkowity współczynnik rozproszenia, co - prędkość kątowa wirnika, wartość względna

a>k - prędkość kątowa układu odniesienia, wartość względna cor - pulsacja prądu wirnika, wartość względna

co0 - prędkość kątowa odniesienia,

ozn aczen ia u kład ów odniesienia:

( a P) - układ współrzędnych związanych ze stojanem, (x y) - układ współrzędnych związanych z wirującym polem, (d q) - układ współrzędnych związanych z wirnikiem,

1. WSTĘP 1.1 WPROWADZENIE

Oszczędność energii je st jednym z naczelnych zadań współczesnej techniki. Energoelektronika jest tą d ziedziną która daje duże możliwości w zakresie oszczędności energii elektrycznej.

Jednym z najważniejszych czynników przyczyniających do efektywności w osiąganiu tego celu jest sterowanie, w bardzo w ielu przypadkach realizowane jako sterowanie mikroprocesorowe.

Ze sterowaniem mikroprocesorowym jest związane wiele problem ów natury teoretycznej, praktycznej i technicznej. M ają one odpowiednie opracowania literaturowe, przy czym nie posiadają wszystkich tych cech, które posiadać powinno opracowanie systematyzujące, podsumowujące dotychczasowe doświadczenia i wiedzę tego zakresu, prognozujące rozwój tej dziedziny. Stanowi to dostateczną motywację do podjęcia odpowiednich badań mających na celu zebranie i przedstawienie całościowe, bazujące na doświadczeniu, problematyki związanej z projektowaniem i realizacją mikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych oraz zaproponowanie systemu przeznaczonego do analizy, projektowania ,uruchamiania, programowania, dokumentowania mikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych, zawierający zbiór przepisów, dotyczących postępowania w określonych zbadanych lub przewidywanych sytuacjach, z uwzględnieniem wymagań wykonania przemysłowego.

Przekształcanie energoelektroniczne ma zastosowanie niemal we wszystkich dziedzinach techniki, począwszy od sprzętu powszechnego użytku, poprzez elektrotermię, elektrochemię, inne elektrotechnologie, skończywszy na napędzie elektrycznym.

N apęd elektryczny jest tym obszarem elektrotechniki, który przetwarza ponad 50% wytwarzanej energii elektrycznej [A l] i z tego powodu stanowi obiekt szczególnego zainteresow ania w energooszczędności.

Dowodem tego zainteresowania jest to, że np. jedna z fum niemieckich zajmująca się produkcją falowników napięcia MSI w ciągu 1994 roku sprzedała 180.000 sztuk tych urządzeń, przy m ocy pojedynczego urządzenia od ułamków kilowata do kilkuset kilowatów.

Drugi ważny obszar elektrotechniki z punktu widzenia energooszczędności stanowi sprzęt powszechnego użytku, sprzęt biurowego i komputerowy. Mimo względnie niskich mocy jednostkow ych, wielka liczba tego rodzaju urządzeń zużywa znaczącą część produkowanej energii.

Rzeczywiste urządzenia techniczne sterowane energoelektronicznie i same przekształtniki energoelektroniczne są obiektami o dużym stopniu złożoności, wymagającymi odpowiedniego, skomplikowanego sterowania, zapewniającego z jednej strony realizację procesu technologicznego, a z drugiej energooszczędności. Jest to związane z problemami nieliniowości i niestacjonam ości. Sterowanie takich obiektów, trudne w realizacji analogowej, liniowej, można względnie łatwo rozwiązać stosując sterowanie mikroprocesorowe, które stanowi przedmiot niniejszej pracy.

Sterowanie mikroprocesorowe obejmuje bardzo wiele problem ów i zagadnień, z których tylko wybrana ważna część jest ujęta w podjętej pracy. Zdefiniowaniu obszaru badań pracy pośw ięcono następny podrozdział wstępu.

1.2 ZAKRES TEMATYKI PRACY

Zakres tematyczny pracy wyznaczony jest poprzez zagadnienia mikroprocesorowego sterowania przemysłowych urządzeń energoelektronicznych i można go opisać posługując się rysunkiem 1.1. Pokazano na nim system zawierający przekształtnik energoelektroniczny sterowany mikroprocesorowo. Najważniejszym z punktu widzenia pracy blokiem systemu jest sterownik mikroprocesorowy. Oprócz sterownika system zawiera:

przekształtnik energoelektroniczny, odbiornik,

sieć zasilającą,

sterownik nadrzędny oraz proces technologiczny.

rozdział 1 - Wstąp

Rys. 1.1 Przekształtnik energoelektroniczny i jego otoczenie Poszczególne składniki systemu i wzajemne ich relacje można przedstawić następująco.

Przekształtnik energoelektroniczny jest urządzeniem elektrycznym, które poprzez jego obwody główne łączy sieć zasilającą z odbiornikiem, umożliwiając sterowanie m ocą w ejściow ą (od strony sieci zasilającej) oraz w yjściow ą (od strony odbiornika). Przy tym należy zauważyć, że parametry sieci zasilającej (częstotliwość, amplitudę napięcia, liczbę faz) są na ogól inne niż odbiornik. W pracy używa się zamiennie trzech nazw:

przekształtnik energoelektroniczny, przekształtnik oraz urządzenie energoelektroniczne.

Przekształtnik zaw iera obwody główne i układ sterowania, który w coraz większej liczbie współczesnych rozwiązań je st sterownikiem mikroprocesorowym. Określenie sterownik mikroprocesorowy jest używane w pracy w znaczeniu: układ sterowania przekształtnika, zbudowany na bazie mikroprocesora.

W obwodach głównych zachodzi przekształcanie energii elektrycznej na drodze przełączania reali­

zowanego przez takie zawory energoelektroniczne ja k diody, tranzystory (bipolarne, M OSFET, IGBT), tyrystory, tyrystory GTO.

Sterownik mikroprocesorowy definiuje się wykorzystując do tego celu pojęcie m ikroprocesora oraz systemu m ikroprocesorowego [M2].

M ikroprocesor }Q?X to jednostka centralna, wykonana jako układ scalony (LSI, VLSI), pojęcie to obejmuje klasyczne m ikroprocesory (8-, 16-, 32-bitowe), mikrokontrolery, procesory sygnałowe, procesory RISC oraz transputery.

System mikroprocesorowy zawiera oprócz mikroprocesora dodatkowe elementy (podzespoły) umożliwiające jego funkcjonowanie; w śród nich wymienić można pamięci, układy wejścia/wyjścia, układy dopasowujące sygnały analogowe itd. W systemie mikroprocesorowym wzajemne połączenia elementów są ustalone. Traktuje się go niezależnie od funkcji jakie pełni (porównaj podpunkt 4.2.1.2).

Sterownik mikroprocesorowy jest to system mikroprocesorowy w raz z realizowanym sterowaniem, najogólniej pojętym. Sterownik mikroprocesorowy realizuje pewne określone zadanie, natomiast system mikroprocesorowy może realizować dowolne zadanie pewnej klasy.

rozdział 1 - Wstąp

Sterownik mikroprocesorowy w ramach określonego zadania realizuje wiele funkcji, m.in.

sterowanie zaworami (tranzystorami, tyrystorami),

pomiary (np. napięcia, prądu, momentu, prędkości obrotowej, temperatury), regulacja (np. napięcia, prądu, momentu, prędkości obrotowej, temperatury), sprzężenie ze sterownikiem nadrzędnym i procesem technologicznym.

Należy zwrócić uwagę, że sterownik mikroprocesorowy, a w tym przekształtnik energoelektroniczny i odbiornik przezeń sterowany, są ściśle związane z określonym procesem technologicznym. S ą one z nim związane poprzez tor wymiany energii oraz tor wymiany informacji. Wymiana informacji z procesem technologicznym odbywa się przez sterownik nadrzędny lub komputer nadrzędny, które spełniają podobną rolę jak sterownik mikroprocesorowy, stanowiąc przy tym wyższą warstwę systemu sterowania.

Rozwój techniki cyfrowej doprowadził do tego, że większość nowoczesnych urządzeń energoelektronicznych jest wyposażonych w sterowanie, w którym wykorzystuje się mikroprocesory lub specjalizowane układy ASIC, wykonane na zamówienie producenta [W2]. W przekształtnikach energoelektronicznych wysokoczęstotliwościowych sterowanie mikroprocesorowe je st wykorzystywane do obsługi procesów wolnozmiennych, a sterowanie procesów wysokoczęstotliwościowych powierza się układom specjalizowanym (ASIC) [W2], układom programowalnym (np. GAL, FPGA) [M l] lub układom zbudowanym z dyskretnych elementów analogowych lub/i cyfrowych. Przykładem takich przekształtników m ogą być falowniki i przekształtniki DC/DC pracujące przy częstotliwościach powyżej 100kHz [H7].

Sterowanie mikroprocesorowe posiada wiele zalet. Jest bardziej elastyczne, i pozwala na łatw ą modyfikację algorytmu sterowania, ułatwia obsługę, diagnostykę i automatyzację procesu pomiarowego w fazie uruchamiania i testów. Innymi argumentami przemawiającymi na korzyść sterowania m ikroprocesorowego są:

duża dostępność elementów i niski koszt przy jednostkow ych zakupach. Zalety te ujaw niają się mocno przy produkcji jednostkowej i małoseryjnej przekształtników o mocy przekraczającej kilkaset watów. Argumenty te wystarczająco uzasadniają potrzebę badania sterowania przekształtników w zakresie realizacji m ikroprocesorowej.

Podsumowując definiowanie zakresu pracy należy stwierdzić, że przedmiotem pracy jest ste ro w n ik m ik ro p ro ceso ro w y (system mikroprocesorowy i oprogramowanie) realizujący określone funkcje sterowania, pomiarów, regulacji oraz funkcje informatyczne związane z urządzeniem energoelektronicznym. W zakres pracy w chodzą w pewnej m ierze również: odbiornik (np. silnik indukcyjny, wzbudnik z wsadem i in.) i w częściowo obwody główne.

1.3 ANALIZA STANU AKTUALNEGO TEMATU

Analiza literatury dotyczącej mikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych pozwala na stwierdzenie, że brak jest opracowania szeregu problemów takich jak:

1. uzasadnienie wyboru systemu mikroprocesorowego,

2. szczegółowy algorytm projektowania sterownika (np. wykonanie schematu połączeń sterownika), 3. zalecenie dotyczące technicznej konstrukcji sterownika, (projekt obwodu drukowanego, jedno-

dwustronne, wielowarstwowe),

4. uruchamianie sterownika (sprawdzenie poprawności wykonania płytki obwodu drukowanego, lutowanie elementów, sprawdzenie podstawowych funkcji np. programem testującym),

5. metodologia tworzenia oprogramowania sterownika przekształtnika, 6. wykonywanie dokumentacji,

7. środowisko realizacji sterowników (np. komputer, oprogramowanie użytkowe, emulator układowy, programator EPROM , system dokumentacyjny),

8. wymagania i wykonanie przemysłowe.

ad. 1. Autorzy publikacji nie podają uzasadnienia wyboru danego opisywanego rozwiązania. Decyzja o wyborze określonego systemu w ynika zwykle z doświadczenia realizatorów, sprawności w posługiwaniu się danym elementem/systemem i dostępności oprogramowania użytkowego (asembler, kompilator 'C'). Decyzja nie wynika z określonego procesu zbudowanego w oparciu pewne kryteria i m echanizmy ujm ujące aspekty techniczne i ekonomiczne.

rozdział 1 - Wstęp

ad. 2. Przez szczegółowy algorytm projektowania rozumie się proces konstruowania schematu elektrycznego sterownika, wynikiem którego jest rysunek i pliki zawierający wszystkie informacje o nim. W ykorzystuje się do tego odpowiednie narzędzia (programy użytkowe - OrCAD, Protel), uwzględniając zasady wykonania poprawnego schematu (czytelność, podział na arkusze odpowiadające częściom funkcjonalnym, właściwie skonstruowane połączenia elektryczne tzn. zaznaczenie połączeń, wpisanie wszystkich danych umożliwiających opracowanie płytki drukowanej - typ elementu, typ obudowy, połączenie nieużywanych wejść układów cyfrowych i analogowych do ustalonego potencjału itp.). Końcowa postać schematu podlega kontroli programu testującego wykazującego błędy.

ad. 3. Konstrukcja techniczna sterownika oznacza wykonanie projektu i realizację obwodu drukowanego. Na początku podejmuje się decyzję o rodzaju montażu: przewlekany, powierzchniowy, dwustronny, wielowarstwowy. Projektowanie obwodu drukowanego jest procesem iteracyjnym, z powracaniem do schematu elektrycznego i wprowadzaniem w nim zmian. Danymi do projektu są: wymiary i kształt płytki, rozłożenie elementów, najkrótsze połączenia, masy, zasilania, wyprowadzenia na zewnątrz płytki. Niewłaściwy rozkład elementów, długie ścieżki łączące elementy, złe prowadzenie masy i zasilań układu m ogą prowadzić do małej odporności na zakłócenia. Zwykle realizacja obwodu drukowanego wychodzi poza środowisko realizacji sterowników (powierzana firmom specjalistycznym).

ad. 4. Po zrealizowaniu obwodu drukowanego następuje jego uruchomienie. Obejmuje to: sprawdzenie poprawności wykonania (zwarcia, przerwy, wytrzymałość elektryczna, przyśpieszone starzenie), lutowanie elementów (właściw ą technologią) i kontrola podstawowych funkcji np. programem testującym.

ad. 5. Danymi do opracowania oprogramowania sterownika przekształtnika są: opis słowny i schemat blokowy.

Program powstaje w sposób iteracyjny. Wykorzystuje się w tym ustalone podprogramy, podprogram y obsługi przerwań, procedury. Oprogramowanie uznaje się za zakończone jeżeli spełnia ono określone warunki poprawności.

ad. 6. W ykonanie dokumentacji jest ostatnim etapem procesu realizacji sterownika. W skład dokumentacji wchodzą: rysunki schematu elektrycznego, obwodu drukowanego (wszystkie powierzchnie), spis elementów, lista połączeń, schemat blokowy programu, wydruk programu z komentarzami, pliki schematu elektrycznego i obwodu drukowanego oraz programu sterownika. Dokumentacja powinna być wykonywana zgodnie z określonymi normami.

ad. 7. Środowisko realizacji sterowników stanowi fizyczne połączenie wielu elementów niezbędnych do ich opracowania. M ożna je rozdzielić na cztery części:

- człowiek - projektant - programista,

- część układowa - komputer, drukarka (postscriptowa), ploter, fotoploter, programator EPROM , emulator EPROM , emulator układowy mikroprocesora,

- część programowa - zintegrowany program do projektowania schematów elektrycznych i obwodów drukowanych (OrCAD, Protel), edytor, asembler, kompilator 'C1,

- laboratorium badań i testowania, - archiwum.

Struktura i organizacja środowiska w sposób istotny w pływ ają na sprawność wykonywania projektów o określonej złożoności.

ad. 8. Sterowniki, które znalazły zastosowane w przemysłowych urządzeniach energoelektronicznych, są bardzo rzadko przedstawiane w dostępnej literaturze. Jeśli można znaleźć jakiekolw iek informacje to są one wycinkowe.

W projektowaniu sterownika uwzględnione m uszą być wszystkie wymagania typowe dla urządzeń przemysłowych (np.: zabezpieczenia, diagnostyka, dodatkowe funkcje sterownicze, łatwość obsługi, trwałość, kompatybilność elektromagnetyczna). Niezawodność je st jednym z ważniejszych zagadnień, które należy rozwiązać.

Jeżeli nawet rozwiązania niektórych z wymienionych problem ów opisane są w literaturze, to znaczną część informacji można uznać za zdezaktualizowaną. Informacje są przy tym rozproszone, wycinkowe, a co najważniejsze, rzadko podawane w ujęciu przystosowanym do specyfiki energoelektroniki i bezpośrednich

rozdział 1 - Wstęp

zastosowań przemysłowych. W w ielu przypadkach pewne informacje są nawet niedostępne (np. dokumentacje techniczne, które można by traktować jako przykłady). Powodem takiej sytuacji jest szybki rozwój mikroprocesorów i zaworów energoelektronicznych.

Literatura związana z tem atyką sterowników mikroprocesorowych w urządzeniach energoelektronicznych obejmuje szereg prac, które zostały niżej przedstawione. S ą one zestawione w czterech grupach:

książki związane z energoelektroniką,

książki dotyczące ogólnych zagadnień techniki mikroprocesorowej, artykuły z periodyków i konferencji,

materiały firmowe.

« W ójciak A.: Mikroprocesory w energoelektronice 1W21. 1984

K siążka ta o charakterze teoretyczno-praktycznym, przeznaczona jest dla studentów i inżynierów o specjalności energoelektronika. Obejmuje opis typowych systemów mikroprocesorowych i budowę podzespołów sprzęgających, wykorzystywanych w układach sterowania przekształtników. Praca jest ilustrowana przykładami realizacji bloków funkcjonalnych sterowników mikroprocesorowych, wraz z procedurami programowymi.

Przykłady praktyczne układów sterowania dotyczą prostownika sterowanego i cyfrowych regulatorów PID.

W wyniku upływającego czasu pozycja ta w pewnych fragmentach dezaktualizuje się, zwłaszcza ze względu na szybki rozwój m ikroprocesorów i ich układów peryferyjnych. M ożna j ą można polecić jako materiał źródłowy dla konstruktorów układów sprzęgających.

« Fainsztein W.G.. Fainsztein E.G. : Mikronrocessornyje sistiemy uprawljenia tiristornymi elektropriwodami, TFU. 1986

Praca o charakterze teoretycznym, przeznaczona dla inżynierów i pracowników naukowych zajmujących się układami sterowania przekształtników. W książce rozpatrzono metody i środki konstrukcji systemów mikroprocesorowych w tyrystorowych urządzeniach energoelektronicznych. Z naczną jej część obejm ują rozważania teoretyczne, opisujące problemy działania i stabilności układów sterowania. Upływ czasu i ograniczenie się do urządzeń tyrystorowych powoduje, że praca nie jest ju ż w wielu punktach aktualna.

• Dubey G.K.. Doradla S.R.. Joshi A.. Sinha R.M.K.: Thyristorised Power Controllers rD51. 1986

Praca jest przeznaczona dla studentów i inżynierów zajmujących się energoelektroniką. Ma charakter teoretyczno-praktyczny. Jeden z rozdziałów jest poświęcony mikroprocesorowym układom sterowania przekształtników energoelektronicznych. Przedstawione w nim przykłady dotyczą 8-bitowego mikroprocesora Intel 8085. Oprócz wiadomości katalogowych opisujących mikroprocesor, zawiera także krótkie informacje dotyczące drogi postępowania przy realizacji sterowników oraz narzędzi programowych i układowych wspomagających te działania. W pracy zawarto również opis konstrukcji systemu mikroprocesorowego.

Książka tematycznie pokrywa się w pewnym zakresie z prezentowaną pracą, z tym że informacje w niej zawarte są częściowo przestarzałe.

• Heimo W.. Kozioł R. : System y mikroprocesorowe w automatyce napędu elektrycznego 1H21. 1989

Książka przeznaczona jest dla inżynierów automatyków konstruujących układy sterowania napędami elektrycznymi, w których stosuje się moduły mikroprocesorowe. M a ona charakter teoretyczno-praktyczny jednak z większym naciskiem na część teoretyczną. Poruszono w niej ogólne problem y teorii sterowania mające zastosowanie do zautomatyzowanego napędu elektrycznego, realizowanego za pom ocą systemów mikroprocesorowych. Podawane schematy układów mikroprocesorowych m ają charakter ogólny, a przykłady szczegółowe odnoszą się do 8-bitowego mikroprocesora Intel 8080 (regulator PID) i napędu prądu stałego.

W zasadzie praca nie podejmuje wymienionych powyżej problemów o charakterze technicznym.

• Kenio T Power Electronics for the M icroprocessor Aee IK91. 1990

Praca przeznaczona dla studentów jak i inżynierów elektryków zajmujących się mikroprocesorowym sterowaniem przekształtników energoelektronicznych w napędzie elektrycznym. M a charakter raczej praktyczny, przykłady dotyczą układów laboratoryjnych, zbudowanych na m ikroprocesorach 8-bitowych Intela (8080, 8085), Ziloga (Z-80) i mikrokontrolerze Intel 8051. W pracy pokazano przekrój typowych napędów prądu stałego i przemiennego małej mocy, z dużym naciskiem na silniki specjalne (krokowe, z magnesami trwałymi).

Większość przykładów zilustrowano nie tylko schematami blokowymi i elektrycznymi sterowników, ale także

rozdział 1 - Wstąp

wydrukami procedur program ów sterujących. M ateriały do książki były zbierane w drugiej połow ie łat osiemdziesiątych, w związku z czym część z nich jest ju ż zdezaktualizowana. Praca zawiera materiał, który tylko w niewielkim zakresie ujęty jest tak, jak proponuje się w niniejszej pracy.

• Nowacki Z.: M odulacja szerokości impulsów w napędach przekształtnikowych gradu przemiennego (~N21.

1991

Adresatem pracy są studenci i inżynierowie specjalizujący się w energoelektronice i napędzie prądu przem ien­

nego. Ma ona charakter teoretyczno-praktyczny i przedstawiono w niej metody modulacji szerokości impulsów, stosowane w nowoczesnych napędach przekształtnikowych prądu przemiennego. W jednym z rozdziałów zamieszczono przykład realizacji mikroprocesorowego układu sterowania falownika napięcia M SI opartego o mikroprocesor Intel 8085. Naszkicowano w nim skrótowo schematy blokowe sterownika oraz schematy blokowe programu głównego i podprogram ów obsługi przerwania, nie poruszając problem ów będących przedmiotem niniejszej pracy.

• Wójciak A.: M ikroprocesory w układach przekształtnikowych ł\V21. 1992

Jest to drugie, zmienione wydanie pracy z 1984 roku. Uaktualniono w niej informacje o stosowanych mikroprocesorach, poszerzając je o mikrokontrolery 8- i 16-bitowe (Intel, Zilog, M otorola). Do zam ieszczonych przykładów realizacji dodano opis programowych modulatorów MSI. S ą one zilustrowane schematami blokowymi odpowiednich procedur.

• Heimo W.. K ozioł R. : System y mikroprocesorowe w automatyce napędu elektrycznego IH21. 1994

Książka ta jest drugim, ale zmienionym wydaniem pracy tych samych autorów z 1989 roku. Tematyka pozostała ogólnie ta sama, ale gruntownie zmieniono zawartość. Rozszerzono informacje dotyczące algorytmów filtrów i regulatorów cyfrowych. Przeznaczono także dodatkowy rozdział krótkiemu opisowi wybranych m ikro­

kontrolerów firm Intel i Motorola. Nadal praca ma jednak charakter głównie teoretyczny.

• Kaźmierkowski M.P.. Tunia H.: Autom atic Control o f Converter-Fed Drives TK81. 1994

Praca o charakterze teoretycznym, przeznaczona jest dla studentów i inżynierów o specjalności energoelektronika i automatyka napędu elektrycznego. Zawiera ona dodatkowy rozdział będący wprowadzeniem do sterowania mikroprocesorowego. Temat sterowania mikroprocesorowego je st tu przedstaw iony skrótowo.

• Materiały seminarium: M icroprocessor Control o f Motor Drives and Power Converters fS31. 1994

Były one przeznaczone dla uczestników seminarium odbywającego się przed konferencją PEMC'94. Składają się na nie artykuły kilku autorów, dotyczące różnych problemów związanych z mikroprocesorowym sterowaniem przekształtników energoelektronicznych, z ukierunkowaniem na napęd prądu stałego i przem iennego. Oprócz podstaw dotyczących systemów mikroprocesorowych, poszczególne artykuły opisują problem y układów napędowych prądu przemiennego (modulacja szerokości impulsów (MSI), m odele silników prądu przemiennego, sterowanie zorientowane połowo) i prądu stałego (mikroprocesorowe sterowanie prostownika tyrystorowego, z uwzględnieniem problemów prądów ciągłych i przerywanych). Praca je st ilustrowana przykładami ze schematami i fragmentami procedur, ale m ają one charakter raczej laboratoryjny.

Ostatnie lata przyniosły wydanie wielu pozycji książkowych, dotyczących ogólnych zagadnień techniki mikroprocesorowej. N ie uw zględniają one specyfiki mikroprocesorowego sterowania urządzeń energoelektronicznych. Powinny być jednak przedstawione, jako materiał pom ocniczy przy konstrukcji systemu mikroprocesorowego i jego oprogramowaniu. S ą to:

• Grabowski J.. K oślacz S.: Podstawy i praktyka programowania mikroprocesorów TG51. 1987

Książka jest przeznaczona dla osób zajmujących się programowaniem systemów mikroprocesorowych. M a ona charakter raczej praktyczny, przedstaw ia nie tylko elementy systemu m ikroprocesorowego, ale także narzędzia służące do programowania (asemblery) oraz technikę programowania w systemach jedno i wieloprocesorowych.

Oczywiście jako pozycja ogólnoinformatyczna nie w pełni przystaje do potrzeb energoelektroniki.

• Pieńkos i in.: Układy mikroprocesorowe 8080/8085 w modułowych systemach sterowania fP51, 1988

Praca o charakterze praktycznym przeznaczona dla studentów i inżynierów zajmujących się projektowaniem i oprogramowaniem systemów mikroprocesorowych. Obejmuje opis m ikroprocesorów Intel 8080 i 8085 w raz z ich elementami peryferyjnymi oraz blokami sprzęgającymi z otoczeniem. Praca jest wartościowa, przy czym

rozdział 1 ^- Wstęp

informacje w niej zawarte są częściowo zdezaktualizowane z powodu znacznego rozwoju mikrokontrolerów, chętnie obecnie stosowanych w sterownikach przekształtników, których w pracy nie uwzględniono.

» Coffron J.W.. Long W.E. : Technika sprzęgania układów w systemach mikroprocesorowych fC41. 1988 (oryg. 19831

K siążka jest przeznaczona dla inżynierów i techników zajm ujących się zagadnieniami układów mikroprocesorowych. Przedstawiono w niej w przystępny sposób zagadnienia związane ze sprzęganiem m ikroprocesorów (Intel 8085 i Zilog Z-80) z pozostałymi elementami systemu mikroprocesorowego.

Przytoczono wiele schematów rozwiązań praktycznych. D użą potencjalną wartość książki, obniża postępująca dezaktualizacja, związana z rozwojem elementów systemu m ikroprocesorowego lat 90-tych.

• Badźmirowski i in.: Układy i systemy mikroprocesorowe [BU. 1990

K siążka o kręgu odbiorców podobnym jak praca poprzednia. Omówiono w niej zagadnienia ogólne związane z techniką mikroprocesorową. Obejmuje mikroprocesory i mikrokontrolery 8-, 16- 32-bitowe, oraz procesory sygnałowe. Przedstawiono w niej także elementy peryferyjne i sprzęgające, pokazując przykłady realizacji technicznej, wraz z fragmentami procedur je obsługujących. Niewiele jest tu jednak informacji całościowo ujmujących problemy projektowania i realizacji sterowników mikroprocesorowych.

Ostatnie lata nie przyniosły nowych pozycji książkowych wydanych w języku polskim, całościowo ujmujących problemy techniki mikroprocesorowej. Pojawiły się natomiast prace opisujące wybrane mikroprocesory, będące praktycznie tłumaczeniem odpowiednich katalogów firmowych. Niewątpliwie takie książki m ają dużą wartość w fazie oprogramowania sterownika, podobnie jak katalog, ale nie w noszą informacji mogących rozwiązać problemy przedstawione w wyżej wymienionych punktach 1 -8.

W wielu artykułach konferencyjnych i zamieszczonych w periodykach krajowych oraz zagranicznych [M5], [KIO], [K15], [B10], [B3], [K4], [C l] można znaleźć informacje o sterownikach mikroprocesorowych, stosowanych do sterowania przekształtników. Brak w nich jest istotnych informacji, a te które się tam znajdują m ają dla niniejszej pracy znaczenie pomocnicze.

W odróżnieniu od wymienionych powyżej, artykuł Le-Huy'a "Microprocessors a n d D igital IC's for Motion Control" FLII. zamieszczony w specjalnym numerze Proceedings o f the IEEE, nr 8/1994 poświęconym energoelektronice, zawiera wiele przydatnych informacji z zakresu, którem u poświęcona jest niniejsza praca.

A utor przedstawia możliwości stosowania różnego typu mikroprocesorów, mikrokontrolerów, procesorów sygnałowych, procesorów RISC i transputerów do układów sterowania przekształtników energoelektronicznych.

Praca jest zakończona szeregiem przykładów zastosowań techniki mikroprocesorowej do nowoczesnych, przekształtnikowych układów napędowych. Ze względu na szczupłość miejsca, autor ten przedstawianym przykładom tym poświęca niewiele uwagi. Artykuł nie porusza problem ów projektowania i realizacji praktycznych układów sterowania.

Pewne wartościowe informacje można znaleźć w materiałach firm produkujących przekształtniki energoelektroniczne sterowane mikroprocesorowo. Przeanalizowano następujące wydawnictwa firmowe:

A BB [MF1 ], Apator [MF4], Danfoss [MF6], Hitachi [MF5], Lenze [MF14], Siemens [MF17], Voith- Elin [MF20]. Okazuje się, że trudno znaleźć jakiekolwiek informacje na temat układu sterowania nawet w szczegółowym opisie technicznym. M ają one jednak wartość innego rodzaju, pozw alają bowiem na wyszczególnienie dodatkowych funkcji, jakie powinien spełniać układ sterowania (i sam przekształtnik), jakiego typu zabezpieczenia należy stosować (nadprądowe, podnapięciowe i in.), jakie parametry pracy urządzenia powinny być nastawialne i w jakim zakresie. Dane te pozw alają na uniknięcie w ielu problem ów i przeszkód na drodze do skonstruowania sprawnego urządzenia przemysłowego.

W przedstawionej powyżej analizie stanu aktualnego tematu wykazano, że brak w niej je st opracowań o takim charakterze jaki proponuje się w niniejszej pracy.

Analiza powyższa wskazuje, że podejmowana tematyka z pow odu trudności ujęcia wiedzy inżynierskiej w sztywne ramy nie je st i nie może być sformalizowana.

rozdział 1 - Wstąp

1.4 SFORMUŁOWANIE TEMATU PRACY

W analizie stanu aktualnego literatury wykazano, że brak w niej je st opracowań dotyczących techniki projektowania i realizacji układów mikroprocesorowego sterowania urządzeń energoelektronicznych. Nie zawiera ona również systemowego i aplikacyjnego opracowania tematu w kontekście określonego środowiska programowego i sprzętowego.

Jako temat proponuje się opracowanie systemowe problematyki projektowania i realizacji układów mikroprocesorowego sterowania urządzeń energoelektronicznych, które odpow iadają wymaganiom przemysło­

wym.

Opracowanie takie jest potrzebne i uzasadnione. Uzasadnienie zawarto w następnym podrozdziale.

1.5 MOTYWACJA PODJĘCIA TEMATU

Z analizy podanej w podrozdziale 1.3 wynika, że literatura nie zawiera:

- pełnego omówienia stanu aktualnego, - zadań aktualnych i przyszłych,

- teorii i opisu techniki niezbędnych do rozwiązania konkretnych zadań,

- algorytmów rozwiązania zadań (w tym kryteriów umożliwiających w ybór najlepszego rozwiązania), - sposobu organizacji systemu projektowo-doradczego, wspomagającego całość prac od powstania koncepcji

sterownika do jej realizacji praktycznej,

- przykładów rozwiązań praktycznych, zwłaszcza w ujęciu przemysłowym.

Opracowanie ww. problemów jest potrzebne i uzasadnione ponieważ:

- wnosi ono nowe elementy poznawcze,

-je s t umotywowane potrzebami współczesnej techniki, technologii i ekonomii, -je s t wynikiem wieloletniego, potwierdzonego doświadczenia autora pracy.

Do elementów poznawczych można zaliczyć udokumentowanie stanu aktualnego tematyki, wprowadzenie określeń, systematykę, analizę zadań, wraz z metodami i środkami ich rozwiązania. Jako poznawcze można uznać jednolitość opisu i całościowe ujęcie problematyki. Jednym z poznawczych elementów pracy je st opis struktury środowiska projektowania i realizacji sterowników mikroprocesorowych, które zostały sprawdzone w okresie kilku lat jej funkcjonowania przez autora pracy.

W spółczesna technika, technologia i ekonomia w dostatecznym stopniu uzasadnia potrzebę podjęcia tematu. M ożna to zilustrować za pom ocą mało znanych danych liczbowych, o ilości energii przetwarzanej przez układy napędowe w rozwiniętych krajach świata. Dane te są wynikiem badań prowadzonych przez Lovins'a z Rocky M ountains Institute, USA i podanych przez de Almeide'a [A l], Ilość energii zużywanej przez wszelkiego typu silniki elektryczne w przemyśle, gospodarstwach domowych i in. w rozwiniętych krajach świata w stosunku do całości zużytej energii wynosi:

• USA - 53-60%

• Niemcy - 53 %

• Dania - 54 %

• W lk.Brytania - 4 1 -4 3 %

• Szwecja - 5 1 -5 4 %

Wiele z tych napędów je st ju ż zenergoelektronizowana, przy czym przew iduje się, że w przyszłości sterowanie mikroprocesorowe energoelektroniczne zostanie zastosowane do ich przeważającej większości. Przytoczone dane i informacje o intensywnym rozwoju energoelektroniki prowadzonej przez czołowe firmy światowe {Siemens, A B B i in.), św iadczą o konieczności rozwijania proponowanej tematyki.

Jedną z ważniejszych motywacji do podjęcia badań w zakresie projektowania i konstrukcji sterowania mikroprocesorowego układów przekształcania energoelektronicznego, jest doświadczenie praktyczne uzyskane przez autora pracy w trakcie wieloletniej współpracy z firmą produkującą urządzenia energoelektroniczne ENEL z Gliwic. W ykonane prace dały możliwość sprawdzenia pewnych rozwiązań sterow ania m ikroprocesorowego w urządzeniach, produkowanych seryjnie i instalowanych w przemyśle. Przy bardzo niewielkiej krajowej produkcji i to głównie urządzeń wykonywanych na podstawie licencji zagranicznych, prace te miały znamiona działalności prekursorskiej na terenie Polski. Zebrane chronologicznie prace autora, związane z mikroprocesorowym sterowaniem przekształtników energoelektronicznych, zostały zamieszczone na końcu pracy w dodatku 4.

rozdział 1 ^- Wstąp

W opracowywaniu sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektronicznych największe znaczenie ma działanie praktyczne. Nie istnieje tu całościowo ujęta teoria tej dziedziny, informacje ujm ują raczej wyniki doświadczeń poszczególnych tw órców (naukowców, inżynierów), przy czym nie zawsze m ają postać opracowań pisemnych. M otywuje to pracę, której materiał może być stanowić pomoc w projektowaniu i realizacji sterowania m ikroprocesorowego przekształtników energoelektronicznych.

1.6 STEROWANIE MIKROPROCESOROWE, UWAGI OGÓLNE

W ostatnich

o b ie k t ste ro w a n y

p o m ia r

zabezpieczenie

sterowanie

sterow nik

m ik ro p ro c e s o ro w y

□

IB M compatible

dwóch dekadach, po wprowadzeniu na rynek w 1976r.

mikroprocesora Intel 8080r., systematycznie rosło zastosowanie sterowania mikroproce­

sorowego w energoelektronice. W ciągu kolejnych lat nastąpił błyskawiczny rozwojem szerokiej gamy mikroprocesorów, m ikrokontrolerów, procesorów sygnało­

wych, produkow anych przez większość liczących się fum elektronicznych [MF12].

Powiększające się możliwości kolejnych jednostek pozw alają na rozszerzanie listy zadań przypisanych mikroprocesorom, zastosowanym w układach sterowania urządzeń energoelektronicznych [H2j.

Podstawowe z nich obrazuje iysunek 1.2, są to:

• sterowanie zaworami energoelektronicz- nymi na podstawie algorytmu sterowa­

nia,

• realizacja procedur regulacyjnych (wewnątrz sterownika),

• pomiar wielkości fizycznych obiektu sterowanego,

• współpraca z operatorem, wizualizacja stanu obiektu (klawiatura, wyświetlacz, komputer n ad rzęd n y ),

• kontrola zabezpieczeń obiektu.

Dodatkowo należałoby wskazać na zasadnicze funkcje związane z pracą systemu, udoskonalające jego działanie:

• odtwarzanie wielkości fizycznych niedostępnych pomiarowo lub których pom iar jest utrudniony,

• identyfikacja param etrów (np. obiektu),

• diagnostyka pracy systemu,

• automatyzacja procesu pomiarowego,

• komunikacja ze sterownikiem nadrzędnym.

N a rys. 1.2 nazwa "obiekt sterowany" ujmuje przekształtnik energoelektroniczny w raz odbiornikiem z rys. 1.1 (tzn. np. silnik indukcyjny, wzbudnik z wsadem urządzenia nagrzewania indukcyjnego i in.).

klawiatura wyświetlacz

Rys. 1.2 Wymiana informacji pomiędzy sterownikiem a otocze­

niem

1.7 STRUKTURA PRACY

Przedstawiona w podrozdziale 1.4 tematyka narzuca w pewien sposób strukturę pracy. Struktura pracy odzwierciedla strukturę systemu projektowania i realizacji m ikroprocesorowych sterowników urządzeń energoelektronicznych, pokazaną w rozdziale 3.

Poszczególne rozdziały i w dużym zarysie ich kolejność odpow iadają blokom z rys. 3.1 zamieszczonego w rozdziale 3.

W rozdziale 4 zaprezentowano pierwszy etap procesu projektowania i realizacji sterowników. Zbudowano go na w zór systemu doradczego, wyróżnając bazę wiedzy (podrozdział 4.2) i m echanizm wnioskowania (podrozdział 4.3). Podsum owaniem rozdziału jest algorytm doboru systemu mikroprocesorowego (punkt 4.3.4).

rozdział 1 - Wstąp

Drugi etap procesu projektowania i realizacji sterowników przedstawiono w rozdziale 5, w yróżniając tam projektowanie sterownika, jego uruchamianie, oraz wykonanie oprogramowania. Pierwszy i trzeci z tych kroków przedstawiono w postaci algorytmów, które są częścią ogólnego algorytmu z rozdziału 3. K ońcow a część rozdziału poświęcona jest metodom sztucznej inteligencji i możliwościom ich w ykorzystania w sterowaniu mikroprocesorowym.

Rozdziały 6 i 7 poświęcone są sterowaniu mikroprocesorowemu napędu z falownikiem MSI i silnikiem indukcyjnym. Zagadnienie to wydzielono z tego powodu, że je s t to najbardziej złożone zadanie w energoelektronice. D odatkow ą m otyw acją do takiego usytuowania informacji o sterowaniu tego szczególnego napędu energoelektronicznego była potrzeba przekazania usystematyzowanej wiedzy ja k ą posiada autor w tym względzie. Rozdział 6 zawiera omówienie wybranych istotnych zagadnień sterowania napędu z falownikiem M SI i silnikiem indukcyjnym. W rozdziale 7 pomieszczono opisy zrealizowanych przemysłowych systemów mikroprocesorowych sterowania napędu z falownikiem MSI. Punkt 7.2.5 jest poświęcony rozwiązaniom, w których zastosowano ekspertowe metody sterowania. Natomiast podrozdział 7.3 ujmuje dwa istotne zagadnienia optymalizacji parametrów pracy sterownika.

Zasadniczą część pracy kończą wnioski.

Poza głów ną częścią pracy zamieszczono, jako dodatki, szczegółowy opis zrealizowanych układów sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektronicznych. Na wyróżnienie zasługuje dodatek 2, w którym przedstawiono proces realizacji mikroprocesorowego układu sterowania, poczynając od założeń wstępnych postawionego zadania, poprzez wykonanie, do uruchomienia. W tym przykładzie odzwierciedlono dokładnie to co w sposób ogólny zawiera rozdział 3 - System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice. W dodatku 2 przedstawia się sterowanie napędu prądu stałego z połączeniem sprężystym.

2. CEL I ZAŁOŻENIA PRACY

Zrealizowane przez autora prace w zakresie sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektro­

nicznych, nabyte w ten sposób doświadczenie oraz analiza stanu aktualnego tej problematyki pozw alają na sformułowanie celu pracy.

C E L PR A C Y :

Celem pracy jest zebranie i przedstawienie całościowe, bazujące na doświadczeniu, problematyki związanej z projektowaniem i realizacją sterowania mikroprocesorowego urządzeń energoelektronicznych. Przy tym problematykę tą przyjęto przedstawić tak, aby odpowiednie informacje m iały strukturę systemu przeznaczonego do:

• analizy (m.in. wyboru),

• projektowania (schemat elektryczny, obwód drukowany),

• testowania,

• uruchamiania,

• programowania,

• dokumentowania

mikroprocesorowych układów sterowania urządzeń energoelektronicznych, zawierającego zbiór przepisów, dotyczących postępowania w określonych zbadanych lub przewidywanych sytuacjach, z uwzględnieniem wymagań wykonania przemysłowego.

ZA ŁO ŻEN IA :

Do pracy przyjęto następujące założenia ograniczające:

• Praca obejmuje sterowanie mikroprocesorowe wszystkich typowych urządzeń energoelektronicznych (np.

zawierających prostowniki, falowniki, przekształtniki DC/DC itp.)

• M ożliwości układowe i programowe mikroprocesorów przedstawia się w pracy na przykładzie układów produkowanych przez wiodące firmy światowe: Zilog, Intel, Texas Instruments, Analog Devices.

• System ma obejmować: część program ową (projektowanie, oprogram owanie sterownika, symulacja) i układow ą (uruchamianie, testowanie, diagnozowanie), powiązany w iedzą inżynierską.

• Część pracy obejmuje problematykę sterowania mikroprocesorowego napędu z falownikiem napięcia MSI i silnikiem indukcyjnym klatkowym jako najtrudniejszego zadania sterowania w energoelektronice (układ powszechnie stosowany w przemyśle).

• Sterowanie dotyczy w znacznej mierze realizacji przemysłowych (odpowiednie wymagania i wyższa niezawodność).

• Analiza w przeważającej części oparta jest o w iedzą ekspercką.

3. SYSTEM REALIZACJI STEROWANIA MIKROPROCESOROWEGO W ENERGOELEKTRONICE

Sterowanie mikroprocesorowe urządzeń energoelektronicznych jest realizowane w określony sposób i w określonym systemie/środowisku. Sposób realizacji przedstawia rysunek 3.1, odzwierciedlając jednocześnie system/środowisko realizacji.

Sterownik przekształtnika energoelektronicznego jest tylko częścią urządzenia, w związku z czym jego projektowanie jest związane ze strukturą całości otoczenia, w którym ma funkcjonować. Dlatego proces rozpoczyna się od sformułowania zadania, czyli określenia podstawowych funkcji realizowanego urządzenia.

W sformułowaniu zadania określa się wymagania odnoszące się do przekształtnika energoelektronicznego oraz procesu technologicznego, który jest realizowany.

Te wstępne informacje w ym agają uściślenia. T ypow ą drogą ich uzyskania jest przeprowadzenie symulacji komputerowych w celu:

- określenia właściwych parametrów elementów przełączających i biernych przekształtnika,

- stwierdzenia na ile funkcjonowanie przekształtnika jest zgodne z założeniami w określonych warunkach, - pokazanie jego zachowania w stanach awaryjnych i in.

W zależności od zasadniczych celów jakie zostały postawione w sformułowanym zadaniu, istnieje możliwość zastosowania odpowiedniego programu symulacyjnego (SPICE, TCAD, NAP, M ATLAB-SIM ULINK). Symulacje pozw alają nie tylko zaprojektować właściwie sam przekształtnik, ale także ustalić wymagania dotyczące jego układu sterowania. Dopiero na bazie takich symulacji, wspartych doświadczeniem projektanta (inżyniera) w zakresie energoelektroniki i układów sterowania, można postawić zadanie dla sterownika m ikroprocesorowego tego urządzenia.

• p ostaw ien ie zad an ia sterow an ia (m ik rop rocesorow ego) Zadania takie powinny obejmować:

- sposób komunikacji z otoczeniem,

-w ym agania dotyczące realizacji przełączeń zaworów (np. minimalne/maksymalne czasy trwania impulsów, częstotliwość przełączeń, czas martwy itp.),

- struktury implementowanych (programowo i układowo) układów sterowania i regulacji,

- wymagania względem pomiaru wielkości elektrycznych i nieelektrycznych lub odtwarzania wielkości niemierzonych (np. wejścia analogowe/cyfrowe, częstotliwość próbkowania),

- opis sprzężeń z nadzorowanymi zabezpieczeniami urządzenia (np. nadprądowym, nadnapięciowym i in.), - szczegóły funkcji specjalnych (komunikacja ze sterownikiem nadrzędnym, zbieranie danych, archiwizacja).

- wymagania ze względu na kompatybilność elektromagnetyczną, - szczegóły konstrukcji (osobna/zespolona z obwodami głównymi).

Tak ogólnie sformułowane zadania m uszą zostać uszczegółowione w celu zebrania informacji decydujących o wyborze określonej struktury systemu mikroprocesorowego (typ mikroprocesora, elementy peryferyjne), tak jak pokazano to w rozdziale 4 niniejszej pracy.

• ster o w n ik d ed yk ow an y czy m od u łow y?

W ynikiem tego etapu jest wybranie jednej z dwóch dróg dalszego postępowania, zw iązanych z postacią systemu mikroprocesorowego. W yróżnia się dwie postacie systemu/sterownika:

1).sterownik dedykowany (sterownik zaprojektowany specjalnie dla określonego urządzenia)

2).sterownik modułowy (system/sterownik mikroprocesorowy uniwersalny zbudowany w oparciu o uniwersalny system kart (mikroprocesor, wejścia/wyjścia) oraz specjalizowane oprogramowanie wspom agające pracę).

rozdział 3 ^- System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice

t

s te ro w n ik

m o d u ło w y s te ro w n ik d e d y k o w a n y

T .

d o b ó r s y s te m u m ik r o p r o c e s o r o w e g o

}

SYSTEM DORADCZY

w y k o n a n ie s c h e m a tu s te ro w n ik a

OrCAD, Protel, PCAD

w y k o n a n ie projektu o b w o d u d ru k o w a n e g o

re a liza cja o b w o d u d ru k o w a n e g o

4

s p r a w d z e n ie p o p ra w n o ś c i w y k o n a n ia o b w o d u d ru k o w a n e g o

m o n ta ż e le m e n tó w

s p ra w d z e n ie p o d s ta w o w y c h IU

... |

TUnKCJI s t erow m ka .... ...

tw o rze n ie o p ro g ra m o w a n ia I s te ro w n ik a I * '

te s to w a n ie o p ro g ra m o w a n ia

(programy.makroasemblei kompilator 'C' (Archimedes, Keil, Intel)

emulator układowy i EPROM-ów

\ąrogramator EPROM-ów/

oscyloskop, próbnik stanów

logicznych

w y k o n a n ie d o k u m e n ta c ji k o ń c o w e j

komputer, drukarka, ploter

Rys.3.1 Struktura systemu dla projektowania i realizacji sterowników mikroprocesorowych

rozdział 3 - System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice

=> (S T E R O W N IK M O D U Ł O W Y )

Rozwiązanie to, sterownik modułowy, nie wchodzi w zakres pracy. Jest ono często spotykane przy pracach typu badawczego, laboratoryjnego, gdzie wymagana jest większa elastyczność, możliwość modyfikacji struktury sterownika. S ą to najczęściej układy w postaci kart z określonym m ikroprocesorem przystosowane do zamontowania w komputerze PC. Zwykle dodatkowo są wyposażane w oprogramowanie użytkowe ułatwiające ich programowanie. Należy tu jednak wskazać na wysokie koszty takiego rozwiązania, najczęściej wielokrotnie przewyższające cenę podobnego sterownika dedykowanego.

W yróżnienie w systemie realizacji sterownika modułowego podyktowane zostało wymogiem systematycz­

ności podejścia. Pewne informacje o sterowniku modułowym znajdują się w punkcie 4.2.2.

=> (S T E R O W N IK D ED Y K O W A N Y )

• dobór system u m ik rop rocesorow ego

W tym etapie powstaje system mikroprocesorowy sterownika dedykowanego. Tworzy się go na podstawie wcześniej ustalonych zadań i określonych w arunków ekonomicznych przedsięwzięcia. Tworzenie systemu mikroprocesorowego polega na wyborze właściwej jednostki centralnej (mikroprocesora), elementów peryferyjnych (pamięci, układy wej/wyj cyfrowych, przetwornik A/C itp.) i połączeniu ich w jed n o litą strukturę.

Proces ten może zostać wykonany za pom ocą systemu doradczego (ekspertowego - w niniejszej pracy w rozdziale 4 autor przedstawia tylko zarys takiego systemu doradczego).

• w yk on an ie schem atu sterow n ik a

Dotyczy to sterownika dedykowanego, jako rozwiązania typowego dla urządzeń energoelektronicznych, które m uszą mieć zw artą konstrukcję. Gabaryty takiego sterownika m uszą być jak najmniejsze, ilość połączeń z otaczającymi modułami przekształtnika ograniczona, a ich długość minimalna. Występuje tu również czynnik ekonomiczny - koszt sterownika musi być odpowiednio niski w stosunku do kosztu pozostałych m odułów i obwodów głównych przekształtnika.

Zaprojektowanie sterownika polega na wykreśleniu jego schematu elektrycznego (połączeń), za pom ocą jednego z wielu programów użytkowych (narzędziowych) do tego przeznaczonych (OrCAD, Protel). W łaściwie wykonany schemat musi uwzględniać wszystkie wymagania dotyczące połączeń zastosowanych elementów. Jest to warunek właściwego toku dalszych etapów pracy.

• w yk on an ie projektu ob w od u d ru k ow an ego

Przygotowany schemat staje się punktem wyjściowym do wykonania projektu obwodu drukowanego sterownika. Wykorzystuje się do tego celu programy narzędziowe, zwykle stanowiące całość z programami do projektowania schematów. Projektowanie jest wspomagane przez dodatkowe narzędzia programowe, służące do kontroli poprawności zaprojektowanego obwodu drukowanego.

• realizacja ob w od u d ru k ow an ego

Problematyka realizacji obwodu drukowanego leży poza zakresem niniejszej pracy. Fizyczna realizacja obwodu drukowanego jest zwykle, w przypadku małych i średnich przedsiębiorstw, pow ierzana firmom specjalistycznym.

• sp raw d zen ie p op raw n ości w y k o n a n ia ob w od u d ru k ow an ego

W ykonany obwód drukowany sterownika powinien podlegać kontroli poprawności wykonania przed wlutowaniem elementów.

W technice światowej służą do tego celu urządzenia specjalistyczne. Poprzez przyłączenie sond do określonych punktów obwodu drukowanego można sprawdzić czy połączenia są wykonane zgodnie z projektem oraz czy zapewniona jest odpowiednia wytrzymałość napięciowa izolacji.

W praktyce małych laboratoriów i małych przedsiębiorstw kontrola jest wykonywana wizualnie.

Sprawdzenie poprawności w ykonania pozwala na znaczne zmniejszenie całkowitych kosztów w ytw arzania sterownika mikroprocesorowego.

• m on taż elem en tów

Montaż elementów może być realizowany na dwa sposoby. Może to być:

- montaż przewlekany oraz/i - powierzchniowy.

W m ontażu wykorzystuje się dwie zasadnicze techniki lutowania:

rozdział 3 ^- System realizacji sterowania mikroprocesorowego w energoelektronice

- lutowanie na fali oraz/i - lutowanie rozpływowe.

W przypadku produkcji jednostkowej stosuje się montaż z lutowaniem ręcznym.

Ostatnim etapem procesu montażu jest usunięcie pozostałości topnika za pom ocą specjalnie dobranych rozpuszczalników.

Najczęściej wlutowuje się wszystkie elementy sterownika bez cząstkowego sprawdzania poprawności działania.

• sp raw d zen ie p od staw ow ych funkcji sterow n ik a

Sprawdzeniu w pierwszej kolejności podlega m ikroprocesor w raz z jego otoczeniem. Sprawdza się współpracę jednostki centralnej z blokami pamięci (EPROM, RAM), układami wejść/wyjść cyfrowych (klawiatura, wyświetlacz), blokami analogowymi (wejścia i wyjścia).

Wygodnymi narzędziami dla realizacji tego celu są:

- emulatory układowe, pozwalające na wgląd w strukturę sterownika z punktu widzenia mikroprocesora oraz - proste programy testujące poszczególne bloki funkcjonalne sterownika (bez użycia emulatora).

• tw orzen ie o p rogram ow yw an ia sterow n ik a

Oprogramowywanie sterownika rozpoczyna się po sprawdzeniu i stwierdzeniu poprawności jego funkcjonowania. Oprogramowanie tworzy się poprzez konstruowanie kolejnych procedur, które realizują poszczególne zadania nałożone na sterownik. W tej jak i poprzedniej fazie m ogą być wykorzystywane, w zależności od potrzeb i możliwości, narzędzia w postaci emulatora układowego, emulatora EPROM -ów, programatora, oraz programy narzędziowe: makroasembler i kompilator 'C'.

• testow an ie op rogram ow an ia

Opracowywanie oprogramowania sterownika to proces iteracyjny polegający na sprawdzaniu poprawności działania programu sterownika przez jego testowanie i w przypadku wykrycia kolejnych błędów, powrocie do fazy pisania programu. Końcowa decyzja o zakończeniu pracy musi być oparta na stwierdzeniu poprawnej realizacji wszystkich zadań, postawionych sterownikowi na początku procesu projektowania i realizacji.

Testowanie może być realizowane przy współpracy z rzeczywistym obiektem lub jego modelem. To pierwsze rozwiązanie jest niewygodne i może być niebezpieczne, co wynika z niepewności co do poprawności działania kolejnych procedur. Wykorzystanie modelu zabezpiecza przed groźnymi następstwami awarii, ale wymaga budowy dodatkowego elementu - modelu systemu, którego konstrukcja może być trudna. Rozwiązanie najtańsze i nie wymagające nakładów to kontrola sygnałów wyjściowych za pom ocą oscyloskopu i innych elementów sygnalizacyjnych i na podstawie tego wnioskowania, co do poprawności działania urządzenia. Niestety jest ono jednocześnie najbardziej zawodne ze względu na brak sprzężenia zwrotnego od modelowego lub rzeczywistego urządzenia.

Elementem znacznie zmniejszającym awaryjność sterownika je st jego testowanie w podwyższonej temperaturze w urządzeniach do tego przystosowanych (autoklaw).

• w yk on an ie d ok u m en tacji końcow ej

Zakończenie pracy przy oprogramowaniu sterownika pozwala na przygotowanie końcowej dokumentacji pracy. Podstawowymi elementami takiej dokumentacji powinny być schematy sterownika i obwodu drukowanego wydruk programu sterownika oraz jego schematów blokowych.

Każdy z wymienionych etapów jest opisany zbiorem wskazówek i zasad postępowania, będących wynikiem doświadczeń człowieka - eksperta, posiadającego odpowiednio dużą w iedzę w zakresie projektowania i realizacji m ikroprocesorowych układów sterowania. Taka struktura systemu ma szansę ułatwić pracę kolejnym projektantom i zmniejszyć nie tylko koszt urządzenia, ale także ryzyko popełnienia zasadniczego błędu.

4. DOBÓR STEROWANIA DEDYKOWANEGO URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRONICZNYCH (SYSTEM DORADCZY)

4.1 ZARYS STRUKTURY SYSTEMU

Niniejszy rozdział należy uznać tylko za szkic struktury systemu doradczego w yboru sterowania (sterownika) dedykowanego urządzeń energoelektronicznych.

System doradczy je st to zwykle komputerowy program użytkowy pozwalający człowiekowi o niezbyt dużej wiedzy i doświadczeniu w danej dziedzinie, rozwiązać skutecznie określony problem [C3j.

Zawarte w rozdziale informacje stanowią bazę do konstrukcji odpowiedniego program u doradczego, w wyniku którego ma zostać wybrane odpowiednie rozwiązanie sterownika mikroprocesorowego (rys.3.1).

Rys.4.1 Struktura typowego układu doradczego

System doradczy składa się z trzech podstawowych części tworzących całość program u tak jak pokazano na rysunku 4.1.

N a zgrom adzoną przez eksperta bazą wiedzy obejm ującą daną dziedzinę, nadbudow any jest mechanizm wnioskowania (kontroler wywodu), zadaniem którego jest kierowanie rozwiązaniem problemu. Opisuje on kolejność postępowania i metodę rozstrzygania problemów, uzyskany dzięki odwzorowaniu w iedzy eksperta w programie komputerowym. W spółpraca z użytkownikiem programu następuje przez układ interfejsu, pozwalającego na w prowadzanie danych opisujących problem (zwykle program pyta o dane wejściowe) i wyprowadzanie kom unikatów oraz w yników procesu. Dodatkowo może istnieć możliwość modyfikacji zawartej bazy wiedzy przez jej aktualizację i taki system nazywa się otwartym.

Baza w iedzy je st to całokształt informacji o danej dziedzinie. Baza wiedzy może być zorganizowana na wiele sposobów [C2], M oże być zorganizowana na bazie stwierdzeń.

Stwierdzenia stanow ią opis środowiska. W niniejszej pracy jest to opis:

- wszystkich dopuszczalnych elementów systemu mikroprocesorowego, - przekształtnika energoelektronicznego (obwody główne),

- odbiornika (np. silnik, element grzejny itp.), - pozostałych elem entów (z rysunku 1.1).