Seria: ELEKTRYKA z.120 Nr kol.1117
Adam MAKOSZ
MIKROPROCESOROWY STEROWNIK PROSTOWNIKA
Streszczenie: W artykule przedstawiono ideę mikroprocesorowego sterownika prostownika tyrystorowego. Opisano problem synchronizacji z siecią sterowników przekształtników przekształcających energię sieci prądu przemiennego. Podano strukturę funkcjonalną sterownika prostownika oraz zamieszczono przykładowe rozwiązania poszczególnych bloków.
Na bazie określenia procesora przybliżono funkcje pełnione przez procesor synchronizujący i procesor sterujący. Podano ich przykładowe rozwiązania w oparciu o mikroprocesory Z80. Przedstawiono także ogólne algorytmy pracy obu procesorów. Następnie zredukowano liczbę mikroprocesorów do jednego, zmniejszając jednocześnie liczbę współpracujących elementów elektronicznych. Podano ogólny algorytm działania tego rozwiązania.
Coraz większe upowszechnienie scalonych układów wysokiej skali integracji do sterowania skomplikowanymi procesami produkcji i przetwarzania danych stało się przyczyną dynamicznego rozwoju zastosowań układów mikro
procesorowych. Sterowniki mikroprocesorowe ujawniły swym użytkownikom szereg interesujących zalet, wśród których na pierwszy plan wychodzą:
- niewielkie rozmiary, będące efektem bardzo wysokiej skali integracji elementów elektronicznych, a co za tym idzie, małe gabaryty gotowych podzespołów oraz znaczne zmniejszenie pobieranej energii;
- wielofunkcyjność i uniwersalność, czyli możliwość realizowania przez układ różnorakich funkcji oraz łatwość wyznaczania tych fukcji przez tworzenie oprogramowania, Jako wyrazu algorytmu funkcjonowania;
- polepszenie parametrów sygnałów sterujących, dzięki kondensacji wielu funkcji w jednym, scalonym elemencie, a przez to znaczne zwiększenie niezawodności działania układów
oraz wiele jeszcze innych, wynikających z wymienionych powyżej, a zależnych od specyfiki zastosowania.
Wadą jest konieczność odizolowania energetycznego układu sterownika od układu sterowanego, dla ochrony pierwszego od zakłóceń jego pracy wynikających z funkcjonowania drugiego. Uszkodzenie sterownika może stać się przyczyną dezintegracji jego funkcji. To z kolei może doprowadzić do niebezpiecznej pracy sterowanego układu.
Ostatnimi laty zagraniczni producenci urządzeń energoelektronicznych systematycznie powiększają zakres zastosowań mikroprocesorowych sterowników w swoich produktach. Również w Polsce układy mikroprocesorowe stają się coraz bardziej dostępne w sieci handlowej, także i w naszym kraju rozwija się zakres ich użytkowania.
Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Przemysłowej już od kilku lat uruchamia prototypy energoelektronicznych sterowników mikroprocesorowych, które są wykorzystywane w celach dydaktycznych [5],[6].
Mikroprocesorowy sterownik przekształtnika jest elektronicznym układem mikroprocesorowym, którego celem jest sterowanie przekształtnikiem energoeiektronicznym przy uwzględnieniu procesu automatycznej regulacji wielkości wyjściowej przekształtnika.
Ze względu na algorytm sterowania przekształtnikiem, sterowniki można podzielić na dwie kategorie:
- sterowniki wymagające synchronizacji z siecią, sterujące przekształtnikami przekształcającymi energię sieci prądu przemiennego;
- sterowniki nie wymagające synchronizacji z siecią, sterujące przekształ
tnikami przekształcającymi energię źródła prądu lub napięcia stałego.
Do pierwszej grupy można zaliczyć np. sterownik prostownika, czy cyklokonwertora; do drugiej np. sterownik regulatora napięcia stałego, czy falownika. Dla sterowników drugiej grupy, źródło zasilania przekształtnika jest istotne co najwyżej ze względu na poziom prądu lub napięcia. Praca sterowników pierwszej grupy zależy od charakterystycznych chwil decydujących o poprawności ich pracy.
W przypadku sterownika prostownika są to np. punkty naturalnej komutacji, od których odmierzany jest kąt opóźnienia włączenia zaworów.
Mikroprocesorowy sterownik prostownika tyrystorowego ma generować impulsy, które po wzmocnieniu zostają podane na bramki tyrystorów.
Impulsy bramkowe powinny być generowane tak, by kąt opóźnienia włączenia tyrystorów był zależny od zbioru sygnałów odbieranych przez sterownik oraz od stanu w jakim się on znajduje. Funkcja opisująca zależność może być wysoce skomplikowana, a jej realizacją zajmuje się system mikroprocesorowy.
Wprowadźmy pewne określenia pomocnicze. Nazwijmy procesorem obiekt odpowiedzialny za realizację pewnego procesu zgodnie z przypisanym mu, złożonym algorytmem warunkowym. Dominującą cechę procesora określimy później. Obiekt, o którym mowa, niekoniecznie musi być pojedynczym elementem fizycznym; może być częścią takiego elementu lub zbiorem elementów służących spełnianiu określonej funkcji.
Rys.1. Schemat blokowy sterownika mikroprocesorowego wymagającego synchronizacji z siecią.
1 - układ detekcji czasowej 2 - subprocesor synchronizacji 3 - subprocesor sterowania
4 - układ rozdziału i wzmocnienia sygnałów sterujących 5 - układ detekcji sygnałów sprzężeń
6 - układ wzorca czasu
7 - układ detekcji decyzji użytkownika
8 - układ wyprowadzania informacji użytkownika
Fig. 1. Block diagram of microprocessor controller, which need synchronization with alternating supply current frequency.
1 - time detection circuit 2 - synchronizing subprocessor 3 - controlling subprocessor
4 - thyrstor turn on signals distribution and amplification circuit
5 - feedback signals detection circuit 6 - time model circuit
7 - user decision detection circuit 8 - user information output circuit
Poszerzając to pojęcie powiedzmy, że subprocesor to procesor, który łącznie z innymi subprocesorami stanowi układ kompletny funkcjonalnie. Układ taki nazwijmy systemem. Przykładem systemu jest sterownik mikroprocesorowy.
Rys.1 przedstawia schemat blokowy sterownika prostownika.
Zawiera on następujące elementy funkcjonalne:
- układ detekcji czasowej, którego zadaniem jest sygnalizowanie specyficznych chwil czasu;
- układ detekcji sygnałów sprzężeń, który dostosowuje analogowe i logiczne sygnały sprzężeń do układu subprocesora sterowania;
- wzorzec czasu, którego zadaniem jest wytwarzanie sygnału o wzorcowej częstotliwości;
- układ generacji sygnałów decyzji użytkownika, który przejmuje i przekazuje subprocesorowi sterowania zlecenia użytkownika;
- układ generacji informacji użytkownika, który wytwarza informacje czytelne dla użytkownika; wraz z poprzednim układem stanowi układ komunikacji z użytkownikiem;
- układ wzmacniania i rozdziału sygnałów sterujących, który wzmacnia i rozdziela sygnały bramkowe tyrystorów;
- subprocesor synchronizacji, który realizuje synchronizację z siecią za pomocą układu detekcji czasowej i wzorca czasu;
- subprocesor sterowania, który wytwarza sygnały bramkowe sterujące prostownikiem, komunikuje się z użytkownikiem i nadzoruje pracę sterownika.
Zajmijmy się teraz bardziej szczegółowym określeniem funkcji pełnionych przez poszczególne elementy oraz sposobem ich realizacji.
Podstawowym zadaniem układu detekcji czasowej jest sygnalizowanie subprocesorowi synchronizacji punktów naturalnej komutacji.
Rys. 2 przedstawia przykładowy sposób realizacji tego zadania dla sześciopulsowego prostownika mostkowego. Sygnały napięć zasilających prostownik są transformowane na napięcia międzyfazowe o obniżonym poziomie napięcia w transformatorze D/Yo separacyjno-sygnałowym. Zera tych napięć odtwarzają punkty naturalnej komutacji. Napięcia otrzymane na stronie wtórnej transformatora są porównywane z zerem w komparatorach napięcia (np.
pA 710). Poziom sygnałów wyjściowych komparatorów jest ograniczany celem dostosowania go do zespołu uniwibratorów monostabilnych (UCY 74LS123), które służą do generacji impulsów zdolnych przerwać pracę użytych mikroprocesorów.
Sześć pojedynczych linii jest łączonych w jedną linię za pomocą bramki NAND
Rys.2. Przykładowe rozwiązanie układu detekcji czasowej.
1 - sieć zasilająca przekształtnik 2 - transformator separacyjno-sygnałowy
3 - układ komparacji i ograniczania poziomu napięcia 4 - uniwibratory monostabilne
5 - bramka łącząca 6 linii w 1
A - sygnał orientujący - “pierwszy puls“
B - sygnał przerywający pracę subprocesora synchronizacji Fig.2. Time detection circuit exemplary solution.
1 - alternating supply current network 2 - separating signal transformers
3 - voltage comparation and limitation circuit 4 - monostable univibrators
5 - gate, connecting 6 lines in 1
A - indicating signal - "first pulse in direct current circuit"
B - interrupting synchronizing sub-processor work signal
(UCY 74LS30). Linia ta podaje impulsy co 60 stopni napięcia sieci. Jedna z pojedynczych linii - impuls co 360 stopni - służy do oznaczenia umownego
“pierwszego pulsu” po załączeniu układu.
Podstawowym zadaniem układu wzorca czasu jest generowanie impulsów o wzorcowym okresie. Częstotliwość tego układu powinna być wielokrotnością 18 kHz, przy których 1 impuls przypada na 1 stopień napięcia sieci o częstotliwości 50 Hz. Górna granica częstotliwości sygnału generowanego przez wzorzec czasu zależy od zdolności reakcji subprocesora synchronizacji.
Przykładowy sposób realizacji takiego układu dla dość szybkiego subprocesora synchronizacji przedstawia rys. 3. Zasadniczą częścią układu jest generator
i
Rys.3. Przykładowe rozwiązanie układu wzorca czasu.
1 - generator impulsów - 1000 impulsów / stopień 2 - dzielnik częstotliwości - 100 impulsów / stopień 3 - uniwibrator monostabilny do formowania sygnału Fig.3. Time model circuit exemplary solution.
1 - pulse generator - 1000 puises per degree 2 - frequency divider - 100 puises per degree
3 - monostable U nivibrator to for forming output signal
częstotliwości bazowej skonstruowany w oparciu o 2 inwertery (UCY 74LS04) oraz rezonator kwarcowy o częstotliwości 18 MHz. Wytworzony sygnał przekazywany jest na dzielnik częstotliwości, którym jest programowalny licznik dzielący częstotliwość przez 10 (np. UCY 74LS192). Uniwibrator monostabilny dostosowuje czas trwania impulsu do elementu odbierającego.
Wytworzony sygnał daje 100 impulsów na 1 stopień napięcia sieci o częstotliwości 50 Hz (1,8 MHz).
Kolejnym jest układ generacji sygnałów decyzji użytkownika. Jest to ten element systemu sterownika, który umożliwia użytkownikowi przekształtnika zaprogramować jego pracę. Może służyć także do modyfikacji realizowanego programu, a takża do przerwania pracy urządzenia. Fizycznie stanowi go zazwyczaj zestaw astabilnych przycisków i bistabilnych przełączników, tworzących klawiaturę konsoli operatora. Niezbędnym dopełnieniem konsoli jest układ generacji informacji użytkownika, który za pomocą sygnałów optycznych i dźwiękowych przekazuje operatorowi informację o reakcjach sterownika na akcje podjęte przez niego. Sygnalizuje także wystąpienie awarii oraz błędne użycie konsoli. Przykład realizacji układu komunikacji z użytkownikiem przedstawia rys. 4.
Rys.4. Przykładowe rozwiązanie układu współpracy z użytkownikiem.
1 - układ bramowy 2 - klawiatura
3 - sygnalizator optyczny w oparciu o diody LED 4 - sygnalizator dźwiękowy
5 - zespół wyświetlaczy 6 - zespół dekoderów
User cooperation circuit exemplary solution.
1 - I/O port 2 - keyboard
3 - optical signalizator based on LED elements 4 - sound signalizator
5 - LED numeral signalizator 6 - decoder circuit
Przyciski klawiatury łączą wysoki ("1") lub niski ("O") poziom napięcia na linie wejściowe portu (np. INS 8255, Z80 PIO). Na bazę tranzystora głośnika podawany jest sygnał prostokątny o częstotliwości akustycznej. Diody LED sterowane są niskim lub wysokim poziomem napięcia z linii wyjściowych portu.
Wyświetlacze sterowane są przez dekodery (UCY 74LS47) kodu BCD na kod
7-segmentowy 1 załączane przez tranzystory. Wyświetlanie odbywa się metodą
"przemiatania" - jeden dekoder obsługuje grupę wyświetlaczy przekazujących pojedynczą informację (np. kąt opóźnienia włączenia tyrystorów, średnie napięcie wyjściowe prostownika). Przy niewielkiej liczbie wyświetlaczy wystarcza jeden dekoder.
Układ wzmacniania i rozdziału sygnałów sterujących ma za zadanie wyprowadzić na zewnątrz sygnały impulsów bramkowych oraz sygnały blokad i ograniczeń dla sterowania stykowego. Przykładowy sposób realizacji prezentuje rys, 5.
1 2 i +
] ... i
3
~
t — 3 4-.. j
• 1 ± ■
■ ■
■
■r ■ r - i
Rys.5. Przykładowe rozwiązanie układu rozdziału i wzmacniania sygnałów sterujących.
1 - układ bramowy 2 - optoizolacja 3 - układ wzmacniaczy
Fig.5. Thyristor turn on signal distribution and amplification circuit exemplary solution.
1 - I/O port 2 - optoisolators 3 - amplifiers
Port wyjściowy (np. INS 8255, Z80 PIO, INS 8212) ustawia poziom napięcia na liniach doprowadzonych do transoptorów służących jako optoizolacja. Dalej następuje rozdział i wzmacnianie sygnałów. Przykładowo: czas trwania sygnałów bramkowych tyrystorów może być ustalany za pomocą uniwibratorów
monostabilnych (UCY 74LS123, UCY 74LS121) dla odciążenia mikroprocesora.
Konieczne są też bloki wzmacniające zależne od realizowanych zadań (np.
kolejno: tranzystory w układzie Darlingtona, przekaźnik, stycznik).
Rys.6. Przykładowe rozwiązanie układu detekcji sygnałów sprzężeń.
1,3 - optoizolacja - w przypadku części analogowej odpowiednio szybka i liniowa
2 - zespół przetworników A/C
4 - zespół inwerterów formujących poziom i kształt sygnałów sprzężeń logicznych
Fig. 6. Feedback signals detection circuit exemplary solution.
1,3 - optoisolators - respectively fast and linear in case of analogue part
2 - ADC elements
4 - TTL inverters forming level and snape of TTL feedback signals
Ważną rolę pełni układ detekcji sygnałów sprzężeń, który dostarcza subprocesorowi sterującemu informacji o urządzeniu zasilanym przez prostownik. Sygnały analogowe po przejściu przez liniowe transoptory są przystosowywane do odbioru w formie cyfrowej w przetwornikach
analogowo-cyfrowych (np. ADC 0808, ADC 0809, ICL 7109). Sygnały logiczne po przejściu przez optoizolację są kierowane na elementy logiczne (np. UCY 74LS04) celem dopasowania poziomu i mocy. Przykładowy sposób realizacji przedstawia rys. 6.
Zasadniczym elementem sterowników wymagających synchronizacji z siecią jest subprocesor synchronizacji. Najogólniej mówiąc, jest to taki element systemu, który wytwarza sygnał o częstotliwości będącej wielokrotnością częstotliwości sygnału śledzonego. Na podstawie sygnałów otrzymanych z układu detekcji czasowej i układu wzorca czasu subprocesor synchronizacji generuje impulsy. Czas upływający pomiędzy dwoma sąsiednimi impulsami jest proporcjonalny do czasu trwania 1 stopnia napięcia sieci zasilającej przekształtnik. Subprocesor synchronizacji pracuje jednocześnie z subprocesorem sterowania, który pełni względem niego funkcję nadrzędną.
Budowa oparta o mikroprocesor umożliwia realizację kontroli wolnozmiennych procesów zachodzących w otoczeniu przekształtnika.
Programową realizację funkcji subprocesora synchronizacji przedstawia poniższy, ogólny algorytm jego działania:
1. Start - włączenie zasilania lub koniec restartu układu.
2. Oczekuj na nakaz rozpoczęcia pracy.
3. W czasie trwania pierwszego aktywnego pulsu przyjmij, że częstotliwość napięcia sieci wynosi 50 Hz i zgodnie z tym wysteruj układ zegarowy, który odlicza od zadanej wartości impulsy wzorca czasu i po osiągnięciu zera generuje impuls przerwania.
4. Zsynchronizuj chwilę rozpoczęcia generacji impulsów wyjściowych
z początkiem pulsu napięcia, który odpowiada startowej parze tyrystorów.
5. Realizuj zadane funkcje zgodnie z programem, po wykryciu przerwania przejdź do punktu 7, po wykryciu zaniku sygnału synchronizacji lub nakazu końca pracy przejdź do punktu 11.
6. Idź do punktu 5.
7. Określ rzeczywistą częstotliwość napięcia sieci.
8. Jeśli pomierzona częstotliwość napięcia sieci leży poza zakresem poprawnej pracy, to przejdź do punktu 11.
9. Na podstawie określonej częstotliwości wyznacz sposób sterowania układem zegarowym i wysteruj go.
10. Powróć do realizacji przerwanych w punkcie 5 czynności.
11. Zgłoś awarię lub koniec pracy i przejdź do punktu 2.
12. Koniec - zanik zasilania lub początek restartu układu.
Rys.7. Przykładowe rozwiązanie sprzętowe układu subprocesora synchroni zacj i.
1 - mikroprocesor wykonawczy - Z80 2 - pamięć RAM i EPROM
3 - demultiplekser wybierający układ współpracujący
4 - przerzutniki JK jako wskaźniki zezwalające na kontrolę przerwań 5 - układ zegarowy -INS 8253
6 - układ portów we/wy - INS 8255 A - sygnał z układu detekcji czasowej B - sygnał z układu wzorca czasu
C - sygnał częstotliwości roboczej - i impuls / stopień
D,E - sygnały umożliwiające komunikację z subprocesorem sterowania Fig.7. Synchronizing subprocessor exemplary hardware solution.
1 - Z80 microprocessor 2 - EPROM or RAM
3 - demultiplexer selecting cooperating device
4 - JK flip-flops as indicators allowing interrupting control 5 - CTC device - INS 8253
6 - I/O ports - INS 8255
A - time detection circuit output signal B - time model circuit output signal
C - working j frequency signal - 1 pulse per degree
D,E - signals allowing communication with controlling subprocessor
Rys. 7 przedstawia przykładowy sposób realizacji sprzętowej subprocesora synchronizacji. Rozwiązanie to wykorzystuje układ zegarowy INS 8253 zawierający 3 liczniki impulsów. Pierwszy zlicza setne części stopnia i generuje na wyjściu impuls po odliczeniu 1 stopnia elektrycznego. Drugi zlicza 60 stopni wykorzystując sygnał wyjściowy poprzedniego. Generowany przez niego co 60 stopni impuls w połączeniu z impulsem synchronizującym za pomocą przerzutnika JK (np. UCY 74LS72) i bramki OR (UCY 74LS32) generuje sygnał bramkujący pracę trzeciego licznika. Odmierza on błąd synchronizacji, który po jego odczytaniu stanowi korektę do dalszej pracy układu zegarowego.
Pozostałe dwa przerzutniki JK pozwalają określić kierunek korekcji (zwiększenie lub zmniejszenie częstotliwości). Oba impulsy sterujące bramkowaniem trzeciego licznika przerywają pracę mikroprocesora Z80, który realizuje wszelkie działania dzięki układowi INS 8255 (trzy 8-bitowe porty równoległe) oraz demultiplekserowi (UCY 74LS155) zgodnie z programem zawartym w pamięci EPROM (np. 2732). Układ INS 8255 umożliwia:
- komunikację z subprocesorem sterowania, - bramkowanie liczników układu INS 8253, - kontrolę kierunku korekcji częstotliwości, - synchronizację "pierwszego pulsu",
- kontrolę zaniku sygnału synchronizacji.
Subprocesor sterowania pełni funkcję koordynatora działań wszelkich pozostałych układów oraz realizuje główną funkcję sterownika, polegającą na generowaniu impulsów bramkowych tyrystorów prostownika.
Ogólny algorytm jego działania przedstawia się następująco:
1. Start - włączenie zasilania lub koniec restartu układu.
2. Skontroluj sprawność układów, gdy stwierdzisz usterkę, to przejdź do punktu 14.
3. Zaprogramuj pracę współpracujących zespołów elektronicznych.
4. Zsynchronizuj początek pracy z odpowiednim pulsem napięcia sieci zasilającej (“pierwszy puls”), wystartuj pracę subprocesora synchronizacji, a następnie układu zegarowego (po odebraniu przez port sygnału synchronizującego).
5. Wykonuj kolejne operacje obliczeniowe, pomiarowe, komunikacji
z otoczeniem. W przypadku przerwania przejdź do punktu 7, a w przypadku zmiany kąta opóźnienia włączenia tyrystorów przejdź do punktu 11.
6. Wróć do punktu 5.
7. Jeśli praca prostownika jest wstrzymana, to przejdź do punktu 9.
8. Wyślij impulsy bramkowe na odpowiednie tyrystory.
9. Określ, które tyrystory zostaną załączone jako następne, prześlij do układu zegarowego nakaz odliczenia 60 stopni, aktywny dopiero przy następnym przerwaniu.
10. Powróć do realizacji czynności przerwanych w punkcie 5 lub 11.
11. Jeśli akcja zmiany kąta jest niemożliwa (czas jej wykonania zostałby zakłócony przerwaniem), to oczekuj na przerwanie.
12. Podejmij akcję zmiany zawartości licznika układu zegarowego;
określ, które tyrystory zostaną załączone jako następne.
13. Powróć do punktu 5.
14. Zgłoś awarię i wstrzymaj pracę.
15. Koniec - zanik zasilania lub początek restartu układu.
W trakcie realizacji punktu 5 algorytmu, subprocesor sterowania przeprowadza pomiary wielkości wejściowych i na ich podstawie oraz na podstawie stanu w jakim się znajduje, wyznacza nowy kąt opóźnienia włączenia tyrystorów prostownika. Wszystkie te operacje są wykonywane w oparciu o szczegółowy algorytm pracy, wynikający z zależności pomiędzy układem sterownik - prostownik, a ich otoczeniem (zasilane przez prostownik urządzenie, program pracy zadany przez użytkownika). Tu mieszczą się - w postaci programowej - bloki funkcyjne pełniące rolę układów automatycznej regulacji, czy układów automatycznego zadawania programu pracy.
Rys. 8 prezentuje przykładowy sposób sprzętowej realizacji subprocesora sterowania w oparciu o mikroprocesor Z80, który realizuje powyższy algorytm umieszczony w postaci programu w pamięci EPROM (np. 2764). Do wykonywania obliczeń i przechowywania danych wykorzystywana jest pamięć RAM (np. 6116).
Zamiast kąta opóźnienia włączenia odmierzany jest "zadany" kąt przewodzenia tyrystorów. Realizacją zajmuje się licznik układu zegarowego INS 8253. Po odmierzeniu "zadanego" kąta przewodzenia licznik generuje impuls przerywający pracę mikroprocesora. W odpowiedzi na przerwanie pracy mikroprocesor generuje sygnały impulsów bramkowych przy pomocy portu we/wy.
Zespół portów we/wy (w oparciu o układy INS 8255) służy prócz tego do komunikacji z otoczeniem. Jest zatem drogą przesyłu informacji pomiędzy mikroprocesorem, a sterowanym urządzeniem (sprzężenia) i użytkownikiem.
Przełączanie współpracujących układów jest realizowane j za pomocą demultipleksera (UCY 74LS155).
3.
I HT
R
i_,
Rys.8. Przykładowe rozwiązanie sprzętowe układu subprocesora sterowania.
1 - mikroprocesor wykonawczy - Z80 2 - pamięć - RAM i EPROM
3 - demultiplekser wybierający układ współpracujący 4 - układ zegarowy - INS 8253
5 - zespół portów we/wy - INS 8255
A - sygnał częstotliwości roboczej - 1 impuls / stopień B - sygnały sterujące pracą przekształtnika
C - sygnały komunikacji z subprocesorem synchronizacji D - sygnały komunikacji z użytkownikiem
E - sygnały sprzężeń analogowych F - sygnały sprzężeń logicznych
Fig.8. Controlling subprocessor exemplary hardware solution.
1 - Z80 microprocessor 2 - EPROM and RAM
3 - demultiplexer selecting cooperating device 4 - CTC device - INS 8253
5 - I/O ports — INS 8255
A - working frequency signal - 1 pulse per degree B - thyristor turn on signals
C - signals allowing communications with synchronizing subprocessor
D - user communication signals E - analogue feedback signals F - TTL feedback signals
Czytelnik zapewne Już od dawna zadaje sobie pytanie: dlaczego cały sterownik jest tak bardzo rozbudowany sprzętowo? Przecież znane są prostsze układy, których konstrukcja oparta jest o pojedynczy mikroprocesor, a które działają na zasadzie odmierzania kąta opóźnienia włączenia tyrystorów.
Odpowiedź na to pytanie jest następująca. Sterownik prostownika działa w ten sposób, że odmierza pewien kąt (np. kąt opóźnienia włączenia tyrystora) poczynając od pewnej wartości początkowej (np. kąta naturalnej komutacji).
Ponadto, aby działanie prostownika było poprawne, kąt odmierzany przez sterownik musi się pokrywać z rzeczywistym kątem napięcia sieci.
Prawidłowo funkcjonujący sterownik musi więc podejmować niespodziewane akcje z efektem natychmiastowym, inicjowane przerywaniem pracy mikro
procesora. Jedna z tych akcji związana jest z synchronizowaniem kątów napięcia sieci i sterownika. Druga związana jest z generowaniem impulsów bramkowych załączających zawory. W prostownikach zasilanych z sieci trójfazowej, w pewnych przedziałach pracy, dochodzi do kolizji przerwań wymuszających obie te akcje. Jako, że pojedynczy mikroprocesor może realizować w danej chwili tylko jeden program, wyklucza on możliwość realizaci jednoczesnej obu akcji, których efekt musi być natychmiastowy.
Najgorzej spisują się wtedy te sterowniki, które numery załączanych zaworów uzależniają od znaków napięć sieci zasilającej, za każdym razem, gdy przychodzi im generować impulsy załączające zawory. Kolizja przerwań oraz niestabilna częstotliwość napięcia sieci zasilającej prostownik powodują, że odczyt znaków napięć Jest niepoprawny i mikroprocesor załącza niewłaściwe zawory, do tego z opóźnieniem,
Jeśli przez subprocesor będziemy rozumieć układ, który obarczony jest realizacją akcji, której konieczność podjęcia pojawia się niespodziewanie, a efekt której musi być natychmiastowy, to wada niemożności pracy jednoczesnej jest eliminowana przez użycie wielu subprocesorów, z których każdy odpowiada za realizację jednej z "akcji". Oczywiście “subprocesor" niekoniecznie oznacza to samo, co "układ mikroprocesorowy", a jeśli już mikroprocesor stanowi jego część, to w trakcie przerw pomiędzy realizacją “akcji" powinien wykonywać inne pożyteczne zadania.
Tak więc, jeśli wykorzystanie dwóch mikroprocesorów jest niepotrzebne ze względu na prostotę pełnionych przez sterownik funkcji, to można zrezygnować z jednego z nich, przekazując zadania realizowane przez jego program konfiguracji sprzętowej.
d £ 2 S R
? 5-1
? F
> E O F
■» D OE
*
r.
OD* B q c
'* £ O B
» OLK 0 fl
Rys.9. Układ selekcji i generacji sygnałów bramkowych tyrystorów prostownika funkcjonujący autonomicznie.
1 - układ portów we/wy - INS 8255
2 - uniwersalny 8-bitowy rejestr przesuwny - UCY 74LS198 3 - zespół bramek AND - UCY 74LS08
4 - para uniwibratorów monostabilnych - UCY 74LS123 5 - bramka OR - UCY 74LS32
A - sygnał z układu zegarowego nakazujący załączenie tyrystorów
Fig.9. Thyristor turn on signal selection and generation circuit working independently.
1 - I/O ports - INS 8255
2 - 8-bit shift register with parallel output - SN 74LS198 3 - AND gates - SN 74LS08
4 - monostable univibrators - SN 74LS123 5 - OR gate - SN 74LS32
A - CTC device output signal requiring thyristors turn on
Rys. 9 pokazuje układ, którego zadaniem jest realizacja przygotowania i generowania impulsów bramkowych tyrystorów prostownika. Cykliczną zmianę załączanych tyrystorów realizuje 8-bitowy rejestr przesuwny z wyjściem równoległym (UCY 74LS198). Zespół bramek AND (UCY 74LS08) przenosi stan sześciu bitów rejestru na linie bramkowe tyrystorów w chwili, gdy zarząda tego układ sterujący. Czas wytrzymania poziomu wysokiego na liniach
— i
— »
0-1 1 2 0-1
I M I M
OUT 4 OUT-1
0 2 0 2
IM2 IM2
OUT 2 OUT 2
0 0 0 0
ING ING
OUTS OUTS
B
Rys.10. Układ synchronizacji z częstotliwością sieci.
1 - układ zegarowy - INS 8253 - liczniki dzielące
2 - układ zegarowy - INS 8253 - liczniki poprawek i "zadanego kąta przewodzenia"
3 - zespół przerzutników generujących sygnały bramkujące liczniki poprawek
4 - uniwibrator monostabilny do formowania impulsu przerwania A - sygnał z układu wzorca czasu
B - sygnał bramkujący początek odliczania - "pierwszy puls"
C - sygnał nakazu załączenia tyrystorów D - sygnał z układu detekcji czasowej
E - sygnał sterujący pracą przerzutników układu 3 Fig.10. Alternate supply current frequency sychronizing circuit.
1 - CTC device - INS 8253 - dividing counters
2 - CTC device - INS 8253 - correction and "require conductivity angle” counters
3 - flip-flop devices generating signals gating correction counters
4 - monostable univibrators to form interrupt pulse A - time model circuit output signal
B - start counting gating signal - "first pulse in direct current circuit"
C - thyristors turn on requiring signal D - time detection circuit output signal E - flip-flop devices work controlling signal
bramkowych załączanych tyrystorów jest określany w uniwibratorze monostabilnym (UCY 74LS123), który po upływie tego czasu zeruje wyjścia bramek AND. Czynność ta uruchamia drugi uniwibrator, który generuje impuls przesuwający bity w rejestrze przesuwnym, po czym układ jest gotowy do
kolejnego załączenia tyrystorów. Jak widać układ ten przejmuje oczekiwanie i realizację jednej z "akcji z efektem natychmiastowym" i jest układem funkcjonującym autonomicznie. Pozwala to na wyeliminowanie mikroprocesora zajmującego się pełnieniem tej funkcji i przeniesienie pozostałych funkcji realizowanych przez niego na mikroprocesor subprocesora synchronizacji.
Teraz mikroprocesor ten stanowi części dwóch subprocesorów, z których jeden jest dopełniany układem synchronizcji z częstotliwością napięcia sieci (rys.10), a drugi układem selekcji i generacji sygnałów bramkowych tyrystorów (rys. 9). W tym przypadku mikroprocesor kieruje wszystkimi współpracującymi układami i realizuje wszelkie obliczenia. Układ synchronizacji - rys. 10 - przerywa jego pracę, nakazując mu określić nowy sposób odmierzania czasu.
Aby uwolnić mikroprocesor od tego przerwania, należy tak zmodyfikować układ synchronizacji, aby był niezależny od mikroprocesora i mógł pracować autonomicznie. Rys. 11 prezentuje sposób realizacji takiego układu na bazie układu syntezatora częstotliwości (CD 4046), działającego w oparciu o synchroniczną pętlę fazową (PLL - Phase Locked-Loop). Układ CD 4046 porównuje przebieg śledzony z przebiegiem wytworzonym w generatorze sterowanym napięciem (VC0 - Voltage-Controlled Oscilator) po podzieleniu jego częstotliwości (np. w licznikach układu INS 8253 - stosunek podziału jest liczbą stałą). W efekcie porównania na VC0 podawane jest napięcie zmieniające częstotliwość generowanego przebiegu. Układ działa analogowo, zapewniając płynną synchronizację z częstotliwością sieci.
W ten sposób mikroprocesor zostaje całkowicie uwolniony od sytuacji, które wymagałyby od niego natychmiastowych nieoczekiwanych działań. Ciągle pozostaje w mocy podział na subprocesory. Subprocesor synchronizacji, to oprócz dzielnika częstotliwości i układu syntezatora częstotliwości także mikroprocesor, od którego wymaga się teraz wystartowania procesu synchronizacji oraz kontroli zaniku sygnałów synchronizacji. Ten sam mikroprocesor stanowi teraz zasadniczą część subprocesora sterowania zajmującego się obliczeniami i pomiarami oraz komunikacją z operatorem. Jego dopełnieniem jest układ selekcji i generacji impulsów bramkowych tyrystorów działający autonomicznie. Algorytm funkcjonowania mikroprocesora przedstawia się teraz w następujący sposób:
1. Start - włączenie zasilamia lub koniec restartu układu.
2. Skontroluj sprawność układów, gdy stwierdzisz usterkę, to przejdź do punktu 10.
3. Zaprogramuj pracę współpracujących zespołów elektronicznych.
4. Wysteruj układ zegarowy "zadanym" kątem przewodzenia, a następnie zsynchronizuj początek pracy z odpowiednim pulsem napięcia sieci zasilającej ("pierwszy puls").
5. Wykonuj kolejne operacje obliczeniowe, pomiarowe, komunikacji
z otoczeniem. W przypadku zmiany kąta opóźnienia włączenia tyrystorów przejdź do punktu 7.
B
RYS. 11. Autonomiczny układ synchronizacji z częstotliwością sieci.
1 - układ syntezatora częstotliwości w oparciu o synchroniczną pętlę fazową na bazie układu CD 4046 2 - licznik "zadanego kąta przewodzenia" na bazie układu
INS 8253
A - sygnał z układu detekcji czasowej
B - sygnał bramkujący początek odliczania - "pierwszy puls"
C - sygnał nakazu załączenia tyrystorów
FIG. 11. Independent alternate supply current frequency synchronizing circuit.
1 - PLL circuit basing on CD 4046 device
2 - "require conductivity angle" counter basing on INS 8253 device
A - time detection circuit output signal
B - start counting gating signal - "first pulse in direct current circuit“
C - thyristor turn on requiring signal
6. Wróć do punktu 5.
7. Jeśli akcja zmiany kąta jest niemożliwa (czas jej wykonania zostałby zakłócony wyzwoleniem tyrystorów), to oczekuj na informację o zakończeniu operacji przesuwania bitów w rejestrze przesuwnym.
8. Podejmij akcję zmiany zawartości licznika układu zegarowego;
przygotuj rejestr przesuwny do wyzwolenia odpowiedniej pary tyrystorów.
9. Powróć do punktu 5.
10. Zgłoś awarię i wstrzymaj pracę.
11. Koniec - zanik zasilania lub początek restartu układu.
Przedstawione sterowniki posiadają trzy cechy, których nie posiadały ich poprzedniki:
1 - praca sterownika jest zsynchronizowana z częstotliwością sieci, 2 - praca sterownika jest wolna od błędów wynikających z kolizji przerwań, 3 - mikroprocesor sterownika uwolniony od przerwań zyskuje więcej czasu na
realizowanie swego głównego programu.
Pierwsza cecha oznacza wyeliminowanie błędów w określaniu kąta załączania tyrystorów, który przy częstotliwości sieci różnej o 1 Hz od 50 Hz wynosił około 7 stopni na 1 okres napięcia sieci.
Druga cecha oznacza wyeliminowanie błędów występujących przy przekraczaniu kątów opóźnienia włączenia tyrystorów, równych wielokrotności długości pulsu, a polegających na wyzwoleniu błędnych tyrystorów lub dodatkowym opóźnieniu chwili podania impulsów załączających.
Trzecia cecha oznacza wyeliminowanie stref martwych w okolicach kątów opóźnienia włączenia tyrystorów leżących blisko liczby będącej wielokrotnością pulsu, powodowanych brakiem czasu wynikającym z wykonywania nachodzących na siebie procedur obsługi przerwań pracy mikroprocesora.
Wszystkie trzy cechy razem znacznie upraszczają konstrukcję programu mikroprocesora sterownika oraz zwiększają efektywność jego działania.
Mikroprocesor zostaje także uwolniony od konieczności odczytywania znaków napięć sieci dla ustalenia, które tyrystory mają zostać załączone, co znacznie zwiększa niezawodność działania sterownika.
LITERATURA:
[1] Lipowski J..Małysiak H.: Modułowe systemy mikrokomputerowe; WNT, Warszawa 1984.
[2] Misiurewicz P.: Układy mikroprocesorowe; WNT, Warszawa 1983.
[3] Fedyna K., Mizeracki M.: Układy mikroprocesorowe Z80; WKiŁ, Warszawa 1989.
[4] Praca zbiorowa pod redakcją M. Rajewskiego: Słownik elektroniczny polsko-angielsko-rosyjski; WNT, Warszawa 1989.
CS] Liziniewicz A.: Mikroprocesorowe sterowanie prostownika
sterowanego - mikroprocesor jako regulator PI; praca dyplomowa, Politechnika Śląska, Gliwice 1986.
[6] Staniek P.: Mikroprocesorowy układ sterowania prostownika
półprzewodnikowego; praca dyplomowa, Politechnika Śląska, Gliwice 1990.
Recenzent: prof, dr hab. inż. Ryszard Kozioł Wpłynęło do Redakcji dnia 15 lipca 1990 r.
MHKPOnPOliECCOPHhBi KOHTPOnJlEP BbiTIPSIMUTEnSI
P e 3 D M e
OraTbs rrpencTaB naeT Hfleio MHKponpoueccopHoro KOHTponepa THpHCTopHoro BwnpsiMHTenH. OHa onn cmb aeT npo6neriy MacTOTHoń chHxpoHH3 ann h KOHTpojuiepoB npeo6 pa30B aTenefi npeo6 pa3 youtHX 3Heprmo nepeneHHoro TOKa. lipencTaBneHa
«(jyHKimoHanbHasi cTpyKTypa KOHTponnepa BwnpsMHTena h npHCiepbi peuternw oTnenbhmx Shokob .
Ha ocHOBe onpeneneHHS npoueccopa yxasaHbi $yHKUHK, KOTopue HcnonHstotr cHHxpoHH3auHOHHbDń h ynpaBraioiuHii npoueccopbi. yKa3aHti h x npHMepHue peuieHHa Ha ocHOBe MHKponpoueccopa Z80. npeflCTaBnemi -route oSiune anropHTMM pa6oTH ai-tax npoueccopoB. 3a-reci coxpomeHO h h c h o MHKponpoueccopoB no o u hor o, yMeHbiuas oflHOBpetieHHO HHcno coneHCTBycumx oneKTpoHHMX aneiieHTOB. B KOHue yxa3aH o5«Hń anropHTM fleńCTBHs 3Toro pemeHHs.
MICROPROCESSOR R E C T IF IE R CONTROLLER
S u m m a r y
The paper presents an idea of microprocessor thyristor rectifier controller. It contains the explanation of problems of synchronization the- converters converting alternating supply current energy with alternating supply current frequency. A functional structure of rectifier controller and exemplary solutions of its all functional blocks are given.
Basing on processor definition, the paper gives a description of functions realized by synchronizing and controlling processors. Their exemplary hardware solutions based on Z80 microprocessor are given. General work algorithms of them both is also presented. Then the microprocessors number is reduced to one and the number of cooperating electronic elements it also decreased.General algorithms of this solution are given.
