12. Микропроцессорные системы в преобразовательной технике

Современные средства цифровой вычислительной техники позволяют расширить функции систем управления, регулирования и контроля состояния преобразователей и за счет этого улучшить основные технико-экономические показатели последних. Так, например, могут быть улучшены энергетические, динамические, точностные и надежностные характеристики преобразователей, а также реализованы более совершенные системы контроля, защиты и диагностики. При этом может быть достигнут высокий уровень унификации аппаратных средств различных типов преобразовательных устройств за счет возможности их программирования под конкретные функции и задачи. Основные функции, выполняемые программируемыми средствами вычислительной цифровой техники в преобразователях, являются следующие:

1. реализация законов формирования (моментов появления) управляющих импульсов ключевых элементов преобразователя (тиристоров, транзисторов и др.);

2. управление режимами работы преобразователя (включение, отключение, реверсирование и др.);

3. защита основных узлов и элементов при возникновении внешних или внутренних аварий и повреждений (входных перенапряжений, перегрузок, коротких замыканий, отказов отдельных элементов и др.);

4. контроль и диагностика состояния функциональных узлов и элементов преобразователя (состояние тиристоров, транзисторов, оконечных каскадов в каналах управления, коммутационной аппаратуры, оперативных источников питания и др.);

5. обмен информацией между преобразователем и другими объектами или оператором.

Реализация законов следования управляющих импульсов ключевых элементов, как правило, включает в себя процессы автоматического регулирования выходных параметров преобразователя. Кроме того, при необходимости может осуществляться формирование заданного гармонического состава входных и выходных токов и напряжений преобразователя, коэффициента мощности по входу или выходу и другие параметры. Следует также отметить, что благодаря большим возможностям современных вычислительных цифровых средств можно реализовать оптимальные законы регулирования с адаптацией параметров контуров регулирования к режимам работы.

Перечисленные функции могут осуществляться системами управления двух иерархических уровней. Система верхнего уровня реализует управление основными режимами работы от внешних централизованных пунктов управления, а система нижнего уровня управляет непосредственно основными элементами преобразователя, обрабатывая информацию, поступающую с различных датчиков.

Эффективность использования вычислительных числовых средств в преобразовательной технике стала реальной с созданием больших интегральных микросхем (БИС) и благодаря достижениям микроэлектронной технологии, на основе которых начала интенсивно развиваться микропроцессорная техника.

Микропроцессор (МП) — программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой инфор­мации и управление им, построенное на основе одной или нескольких БИС.

Совокупность микропроцессорных и других микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного использования при построении микропроцессорных систем, называется микропроцессорным комплектом микросхем (МПК). Обычно МПК изготавливается в виде набора типовых корпусов микросхем, имеющих от 28 до 48 внешних выводов.

На основе МПК могут создаваться микро-ЭВМ, контроллеры (устройства управления) и другие средства вычислительной техники. Комплекс технических средств ЭВМ должен содержать в своем составе средства обмена данными с пользо­вателем (например, печатающее устройство, видеодисплей и др.). Кроме того, для проведения диалога с пользователем и дальнейшей организации переработки информации ЭВМ должна иметь внутреннее программное (системное) обеспечение. В этом смысле МПК в управляющих системах ориентированы на совместную работу технических устройств и их элементов. В частности, в преобразователях МПК используются, за редким исключением, в качестве составной части управляющих систем и подсистем. В этом смысле более точным для таких устройств и систем будет название микро-УВМ (управляющая вычислительная машина) или микроконтроллер. Последнее понятие часто сужают, понимая под микроконтроллером только устройства чисто логического управления, исключающего процессы вычисления функций, решения уравнений и др., необходимые при реализации сложных законов регулирования. В более широком смысле слова микроконтроллер — это любое устройство управления, выполненное на основе МПК и ориентированное на совместную работу с другими техническими устройствами.

Типовые обобщенные структуры микропроцессора. Собственно процессор можно функционально представить в виде двух устройств: операционного и управляющего (рис. 12.1). Операционное устройство ОУ—устройство, в котором выполняются арифметические, логические и другие операции, а управляющее устройство УУ осуществляет управление этими операциями [3]. Входными сигналами УУ являются как сигналы, поступающие от других устройств х_S+1, x_S+2, так и сигналы обратной связи от ОУ (х₁ ... x_S). Операции в ОУ осуществляются с определенной тактовой частотой, и каждое элементарное действие в течение тактового периода называется микрооперацией. Совокупность микроопераций называется микрокомандой, а набор микрокоманд—микропрограммой.

По способу управления различают два типа МП: со схемным (аппаратным) управлением и микропрограммным управлением. В МП первого типа УУ реализуется на основе микросхем с «жесткой» логикой функционирования, которая определяется собственно схемой УУ. Такие МП работают с фиксированными разрядностью и составом команд. Эти устройства позволяют получить наиболее высокое быстродействие, но ограничивают возможности МП, существенно снижая их универсальность.

Рис. 12. 1. Обобщенная структура процессора

Управление обработкой данных в МП первого типа проводится на основе сравнительно небольшого фиксированного числа команд программы (обычно 45—90 команд).

Рис. 12.2. Структурная схема микропроцессора с фиксированной разрядностью

В МП второго типа реализуется принцип программируемой логики с возможностью наращивания разрядности обрабатываемых слов. Это позволяет расширить список команд и увеличить их число в 1,5—2 раза по сравнению с МП первого типа. Кроме того, появляется возможность повысить универсальность МП за счет изменения программы логики управления ОУ.

На рис. 12.2 изображена упрощенная структурная схема МП первого типа (с фиксированной разрядностью) [4]. Ядром процессора можно считать арифметико-логическое устройство АЛУ, выполняющее арифметические и логические операции (сложение, сдвиг, логические И, ИЛИ и др.).

Элементы МП сопрягаются между собой через внутреннюю шину данных ВШД, рассчитанную на разрядность сигналов обмена, равную разрядности слов информации МП (в частности, 8-разрядной). Внешние сигналы поступают в МП через внешнюю шину данных ВнШД, такой же разрядности, как и ВШД.

В качестве кратковременной (сверхоперативной) памяти используются регистры общего назначения РОН. Кроме того, для кратковременного хранения данных используются:

регистр-аккумулятор А, хранящий результаты операций АЛУ;

регистр команд РК, указывающий код операции и адрес операнда;

регистр признаков РП, содержащий информацию о состоянии МП (признаки переноса, переполнения и др.);

буферные регистры данных БРД и адреса, хранящие кратковременно данные по обмену информации между МП и внешними устройствами.

Расшифровку кода очередной операции для управляющего устройства УУ выполняет дешифратор кода операций ДшКОп.

Адрес очередной команды определяется счетчиком команд СК и регистром адреса РА.

Для организации переходов в работе от одной программы к другой и обратно, например, по специальному запросу от внешних устройств на прерывание текущей программы, используется стековая память, для которой отводятся специальные регистры или ячейки оперативной памяти. Последовательность считывания данных из стековой памяти определяется указателем стека УС, в котором фиксируется номер очередной незанятой или последней занятой ячейки стека. Порядок считывания данных здесь обратен порядку их записи.

Для адресации памяти достаточно большой емкости СК и РА имеют удвоенную по сравнению с РОН разрядность и связаны в рассматриваемом примере соответственно с 16-разрядной внешней шиной адресов ША.

Устройство управления в МП первого типа выполнено в виде «жесткой» схемы и рассчитано на определенную систему команд. В соответствии с предусмотренными схемой УУ командами вырабатывается последовательность управляющих сигналов, частота которых определяется обычно отдельным внешним генератором тактовых импульсов ГТИ.

Для расширения возможностей МП при решении сложных задач управления могут использоваться МП второго типа— модульного исполнения с изменяемой разрядностью и микропрограммным принципом построения УУ. На рис. 12.3 приведена структурная схема такого типа МП [4].

При такой структуре функции оперативного устройства выполняет центральный процессор (ЦП), состоящий из модулей центральных процессорных элементов ЦПЭ_П малой (2—4) разрядности. Эти модули имеют общую шину микропрограммного управления, которая объединяет цепи межразрядных переносов отдельных модулей. Эта структура позволяет расширить систему внешних связей процессора, так как модули имеют разделенные шины данных и несколько независимых входных шин. Разрядность ЦП при такой структуре определяется числом модулей ЦПЭ_П и их индивидуальной разрядностью.

Управляющее устройство с микропрограммным управлением УМУ позволяет реализовывать требуемые наборы управляющих команд и, следовательно, имеет значительно более

Рис. 12.3. Структурная схема микропроцессора модульного исполнения с изменяемой разрядностью

обширную область использования по сравнению с УУ на основе «жесткой» схемы.

Для запоминания информации в состав микропроцессорных систем обычно включают модули БИС запоминающих устройств: оперативное запоминающее устройство ОЗУ, постоянное запоминающее устройство ПЗУ или перепрограммируемое запоминающее устройство ППЗУ.

Для хранения, чтения и записи команд с высокой скоростью работы процессора используются ОЗУ. Обычно модули серийных БИС ОЗУ имеют сравнительно ограниченную емкость (1 —16 Кбайт) и рассчитаны для хранения исходных и промежуточных данных, а также конечных результатов их обработки.

Программы записываются в ПЗУ или ППЗУ. Последние в основном отличаются возможностью обновления (перезаписи) хранимой информации. Подключение ЦП к ПЗУ и ППЗУ осуществляется через адресную шину, шину данных и шину управления.

Микропроцессорное управляющее устройство должно быть связано с объектом управления. Эта связь осуществляется через так называемые устройства сопряжения УСО, относящиеся обычно к периферийным устройствам. Так, например, в преобразователях информация о контролируемых параметрах поступает обычно от датчиков тока, напряжения, фазы и др. в форме аналоговых сигналов различных уровней, а с МПК — в цифровом виде.

Рис..12.4 Структурная схема связи преобразователя с микропроцессорным комплектом

Функции УСО заключаются в согласовании этих сигналов. На рис. 12.4 представлена упрощенная структура связи преобразователя с МПК, организующей ввод и вывод информации в процессе управления. Обычно УСО содержат аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), усилители, коммутаторы и другие устройства и элементы.

С другой стороны, возникает необходимость организации взаимодействия периферийных устройств, в частности УСО, с процессором и ОЗУ. Эти функции возлагаются на интерфейс, представляющий собой совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, реализующих взаимодействие УСО с ОЗУ и МП. Эта связь может иметь радиальную структуру, когда каждое периферийное устройство напрямую подключается к МП и ОЗУ или магистральную структуру при наличии общей связующей шины. Для МПК различных типов выпускаются специальные интерфейсные БИС (как программируемые, так и непрограммируемые), называемые также периферийными адаптерами. Такие интерфейсные адаптеры включают в себя набор регистров, систему шин, дешифратор и другие элементы. Они позволяют кратковременно хранить информацию при обмене ею между ОЗУ, МП и ПЗУ, определять адрес соответствующего регистра, реализуя в общем алгоритм взаимодействия МПК с ПЗУ.

Разработка микропроцессорных систем проводится в несколько этапов: формализация задач управления и составление алгоритмов их реализации, составление программы и ее отладка, изготовление макета МП, запись программы в макет и отработка микропроцессорной системы как с имитатором объекта управления, так и в комплексе с объектом.

Исходные программы для МП чаще всего создаются на языке Ассемблер и затем после редактирования транслируются в машинные коды для конкретных типов МП. Для выполнения этих работ на ЭВМ используют набор специальных вспомогательных программ.

Рис. 12.5. Структурная схема управления ВЭП

В таблице указаны основные области применения МП в силовой электронике. Значительная часть работ посвящена использованию МП в системах управления вентильным электроприводом (ВЭП). В системах ВЭП возникает необходимость управления и регулирования значительного количества параметров по сложным законам в различных режимах. На рис. 12.5 представлен вариант упрощенной структуры управления ВЭП. Информация о параметрах и состоянии аппаратуры электродвигателя поступает в МПК через УС0₂ от датчиков электродвигателя ДЭД, а о состоянии преобразователя — от датчиков преобразователя ДСП. При необходимости (например, для ВЭП переменного тока) организуется информационный канал от датчиков состояния сети ДСС. Характерными переменными состояния, которые контролируются, в ВЭП постоянного тока являются: частота и координата положения вала двигателя, токи якоря и обмотки возбуждения, мгновенные значения выходного напряжения преобразователя и др. Для ВЭП переменного тока такими основными параметрами являются частота вращения вала двигателя и значения (мгновенное или действующее значение основной гармоники) выходного напряжения преобразователя и его частоты. Информация о состоянии сети используется для синхронизации с ней сигналов управления.

Области использования МПК в преобразователях
Вид преобразователя	Функции МПК преобразователях
Зависимые преобразователи в выпрямительном и инверторном режимах	Регуляторы частоты вращения в электроприводе постоянного тока. Регуляторы выходного напряжения и тока нагрузки
Зависимые реверсивные преобразователи с раздельным управлением	Регулятор частоты вращения в электроприводе постоянного тока. Регулятор тока, реализация логики управления комплектами преобразователя
Непосредственные преобразователи частоты	Генерация синусоидального ведущего сигнала, реализация логики управления комплектами преобразователя
Регуляторы переменного и постоянного тока	Регулятор частоты вращения электропривода, формирование алгоритма управления, логическое управление
Автономные инверторы напряжения	Регулятор частоты вращения в асинхронном электроприводе, осуществление сложных законов ШИМ
Автономные инверторы тока	Регулятор частоты вращения в асинхронном электроприводе

Для управления ключевыми элементами используют таймеры Т, которые позволяют освободить МПК от функции вычисления временных интервалов формирования сигналов управления. Для распределения импульсов управления по ключевым элементам могут использоваться различные типы цифровых распределителей, входящих в УСО₁. Обеспечение требуемых параметров управляющих импульсов (по длительности, мощности и др.) осуществляется формирователями управляющих импульсов традиционного типа (которые также могут быть отнесены к УCO₁).

Информация с датчиков, как правило, поступает в аналоговой форме и в таких случаях основными элементами УС0₂ являются АЦП и согласующие уровни сигналов устройства. Для реализации более точных измерений может использоваться центральный МП или ввод дополнительных процессоров с ограниченной функцией измерения и преобразования контролируемых параметров. В отдельных случаях сигналы с датчиков могут иметь приемлемые параметры для непосредственной связи с системой шин СШ центрального процессора, а также использоваться для организации прерываний работы МП в целях выполнения наиболее приоритетной задачи в текущий момент времени.

Выбор режима работы, введение дополнительных ограничений и различных предписаний могут производиться из внешней среды ВС (оператора-пользователя или ЭВМ более высокого уровня) через устройство управления УУ и УСО₃.

Преобразователь по своей сущности является дискретным устройством, и частота переключения ключевых элементов определяет требования к быстродействию МП. Интервал повторяемости вычислений ИПВ в МП связан с периодичностью процессов в преобразователе. В частности, в качестве ИПВ выбирают моменты естественной коммутации тиристоров, интервалы времени между моментами формирования управляющих импульсов и др.

Наиболее распространенными законами регулирования в аналоговых системах являются законы, реализующие пропорционально-интегрально-дифференциальные изменения параметров (так называемые ПИД-регуляторы). В системах с МПК часто используются эти законы регулирования, но операции

интегрирования и дифференцирования производят в цифровой форме в МПК. Возможность программного управления коэффициентами усиления и параметрами контуров регулирования позволяет корректировать их функции режима работы преобразователя. Например, переход из режима работы с непрерывными токами в прерывистый изменяет передаточную функцию преобразователя по управлению, а в целях сохранения динамических свойств системы в целом при таком переходе можно изменять коэффициенты передачи в контуре регулятора. В динамических режимах в целях улучшения качества переходных процессов также возникает необходимость коррекции коэффициентов регулятора. Реализация такой возможности в системах с МП программным способом является основой для создания адаптивных регуляторов не только к режимам работы, но и к стохастическим воздействиям внешней среды, включающей в себя и нагрузку.

Для вычисления угла управления используется либо центральный МП, осуществляющий эту операцию за ИПВ по записанной в ПЗУ программе, или, как показано на рис. 12.5, таймер, управляемый МП. При ограниченном быстродействии МП возможно вместо программы вычисления угла управления использовать табличные данные, записанные в ПЗУ и соответствующие конкретному закону формирования управляющих импульсов.

Микропроцессорное управление в целях унификации аппаратных средств систем управления может эффективно использоваться и в преобразователях со стабилизированными выходными параметрами при сравнительно простых законах регулирования. Например, управление с МПК может использоваться в инверторах тока с тиристорно-компенсирующим устройством.

При независимом возбуждении управляющие импульсы компенсирующим устройством КУ формируются синхронно с импульсами инвертора, но с фазовым сдвигом на угол α относительно выходного напряжения. В системе управления с МПК последовательность формирования управляющих импульсов тиристорами инвертора может задаваться непосредственно таймером и входящим в него счетчиком C_1.

Для генерации последовательности управляющих импульсов тиристорами КУ в такой системе используется второй счетчик С₂ таймерного устройства, осуществляющего фазовый сдвиг α. При этом сигнал рассогласования в контуре обратной связи преобразуется из аналоговой формы в цифровую. Далее этот сигнал обрабатывается в соответствии с пропорционально-интегральным законом регулирования. При этом операция умножения на постоянные коэффициенты выполняется не программно, а с помощью записанных в ПЗУ табличных данных. Полученное число, представляющее регулирующее воздействие, загружается в счетчик С₂ и определяет угол α для последовательности управляющих импульсов тиристорами КУ.