В настоящее время самым массовым и перспективным
типов электропривода (ЭП) является ЭП преобразователь частоты со
звеном постоянного тока - асинхронный двигатель (ПЧ-АД), в котором
чаще всего используется автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной
модуляцией (ШИМ).
В общем случае все виды ШИМ основаны на изменении длительности
импульсов равной амплитуды, следующих через равные интервалы времени
в соответствии с принятым законом формирования напряжения. Законы
формирования, общие для любого метода модуляции, определяются функцией
построения (модулирующим сигналом). На основании литературных данных
[1] целесообразно распределить разновидности ШИМ по степеням соответствия
параметров импульсов значениям модулирующего сигнала согласно основным
признакам (рис.1).
Рис. 1. Классификация видов ШИМ
Следует отметить, что в связи с развитием методов формирования
синусоидальных напряжений, трапецеидальная ШИМ уже почти вытеснена
синусоидальной. Двуполярная ШИМ характеризуется постоянным действующим
значением выходного напряжения, поэтому регулирование значения основной
гармоники сопровождается перераспределением энергии в спектре. Однополярная
ШИМ дает лучший гармонический состав, действующие значения напряжения
при этом меньше, чем в двуполярном варианте.
Современные ЭП строятся с использованием микроконтроллеров (МК),
с помощью которых реализуется и ШИМ. В связи с этим вводится новый
термин - тактовая частота ШИМ Fт, которая определяется
точностью аппроксимации несущего Fн и модулирующего
Fм сигналов. Как правило, соотношения между ними
выбираются следующими:
Fн
і n3Fм (n=2, 3, 4,...) и Fт
і m2Fн (m=3,4,5,...) |
(1) |
Независимо от того, какая разновидность ШИМ используется, ее реализация
на МК принципиально возможна двумя способами: традиционный (формирование
выходных напряжений осуществляется в результате постоянного сравнения
модулирующего и несущего сигналов) и табличный (полностью рассчитывается
заранее и заносится в ПЗУ, из которого затем считывается).
При реализации ШИМ традиционным способом приходится использовать
либо универсальные мощные (развитая система команд и высокое быстродействие)
микроконтроллеры, либо специализированные, относительно дорогие
контроллеры (где алгоритм реализуется аппаратно - программно). Реализация
сложных алгоритмов ШИМ традиционным способом затруднена на универсальных
МК большим объемом программы, а на специализированных - возможностями
архитектуры конкретного типа МК. Специализированные МК, ориентированные
на применение в электроприводах, имеющие аппаратную поддержку ШИМ
выпускаются такими фирмами как MOTOROLA (68HC705MC4, 68HC708MP16),
INTEL (8xC196MC/MD/MH), TEXAS INSTRUMENTS, и другими [2,3].
ШИМ - генераторы МК этого типа имеют от двух до шести независимых
каналов и управляются несколькими (3-24) программно доступными регистрами.
ШИМ - генераторы позволяют реализовывать синхронизацию каналов,
формирование "мертвого" времени, его компенсацию, выравнивание импульсов
по фронту или по центру, встроенные защиты от неисправностей, некоторые
другие функции. Частоту несущего сигнала можно регулировать от 8
МГц до 125 Гц. В последнее время вместо встроенных ШИМ - генераторов
микроконтроллеры оснащаются более универсальными средствами, которые,
в том числе, реализуют и алгоритмы ШИМ. В контроллерах MOTOROLA
(68HC16Y1, MC68336) это так называемый таймерный сопроцессор TPU
(Timer Processor Unit), в изделиях INTEL (8xC196NP/NU) это интегрированный
процессор событий EPA (Event Processor Array). В обоих случаях имеется
в виду многоканальный таймер с очень гибкой схемой управления, полуавтономной
от ядра контроллера. Программирование и TPU, и EPA осуществляется
либо полностью, либо с использованием стандартных подпрограмм, в
числе которых имеется и ШИМ с аналогичными указанным выше параметрами.
Все перечисленные МК ориентированы на реализацию двуполярной ШИМ
которая, как указывалось, не позволяет получить наилучший гармонический
состав выходного напряжения.
Достоинства табличного способа заключаются в том, что он позволяет
реализовать любые алгоритмы ШИМ с высокой несущей частотой с помощью
микроконтроллеров, весьма бедных в функциональном отношении. Тем
не менее, этот способ не нашел широкого применения из-за следующих
причин.
Обычно табличная ШИМ подразумевает поочередное считывание с частотой
Fт того из массивов ПЗУ, который в настоящий момент
соответствует заданным выходным параметрам. В результате, для реализации
такой табличной ШИМ необходимо не менее 64 кБ (Fмmax
= 60 Гц; диапазон регулирования (0.5-120)% дискретность регулирования
примерно 0.5%). Этим практически исчерпываются возможности дешевых
8-разрядных МК.
Еще одна трудность - плавное регулирование тактовой частоты ШИМ
при изменении частоты модулирующего сигнала. Здесь, как правило,
применяется управляемый напряжением генератор, либо целочисленный
16-разрядный предварительный делитель, сигнал с которого вводится
в МК.
Предлагается новый способ табличной реализации ШИМ, свободный от
указанных недостатков. Необходимо отметить, что число всех возможных
сочетаний состояний вентилей АИН равно 27 (обычно не превышает 12).
В связи с этим предлагается "индексная" (в отличие от описанной
выше "линейной") табличная ШИМ, которая реализуется по следующим
принципам.
Сначала составляется нумерованный массив с допустимыми сочетаниями
состояний вентилей АИН. Назовем его массивом состояний. Затем обычным
способом рассчитываются массивы для всех частот модулирующего сигнала.
После этого в каждом массиве, соответствующем конкретной частоте
Fм, сохраняются только строки (с сохранением исходной
нумерации), в которых происходит переключение, все остальные строки
удаляются. Из этих "сокращенных" массивов составляются индексные
массивы, которые содержат номера шагов (периода тактовой частоты
ШИМ на периоде модулирующего сигнала), на которых происходят переключения
и соответствующий индекс массива состояний. Индексные массивы и
массив состояний записываются в ПЗУ, после чего ШИМ осуществляется
обычным способом.
Алгоритм работы предлагаемой ШИМ приведен на рис.2.
Рис. 2. Алгоритм работы индексной ШИМ
Индексно - табличная реализация ШИМ требует существенно меньшего
объема памяти, чем традиционная. Например, для получения указанных
выше параметров (Fмmax = 60 Гц; диапазон регулирования
(0.5-120)% дискретность регулирования примерно 0.5%) индексная ШИМ
требует менее 11кБ. Экономия объема памяти позволяет довести соотношение
Fт/Fн до 40 (тактовая частота
ШИМ Fт примерно 48кГц) и, тем самым, увеличить
точность аппроксимации несущего и модулирующего сигнала не менее,
чем в 4 раза.
Таким образом, предлагаемая индексно - табличная ШИМ позволяет
получить высокие показатели АИН и всего привода в целом, используя
дешевые 8-разрядные микроконтроллеры. Тем более, все резервы этого
класса МК еще не использованы, т.к. выпускаемые сейчас высокоскоростные
модификации МК семейства MCS-51 (например, 80C3x0 фирмы DALLAS SEMICONDUCTOR)
работают в 8.25 раза быстрее младших моделей этого семейства (КР1830ВЕ31)
[4].
Марков В. В., Слядзевская К. П
|