Учебные стенды и визуальная среда разработки и моделирования MexBIOS позволяет проектировщикам устройств абстрагироваться от программирования микроконтроллеров и сосредоточиться на оптимальной реализации задач управления. MexBIOS позволяет выполнять практически полный цикл проектирования встроенного программного обеспечения микроконтроллеров: от предварительного моделирования разрабатываемой системы и пробных запусков на макетах, и до работ по сопровождению производства, внесению изменений в выпускаемую продукцию. Основная область применения разработанного продукта – системы управления электродвигателями и устройствами автоматизации, однако примененный подход универсален и для других направлений. Учебные стенды могут быть использованы при обучении бакалавров, магистров, на курсах повышения квалификации по электротехническим направлениям и специальностям, в первую очередь «Электротехника, электромеханика, электротехнологии», «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и др., а также для научных исследований в ходе аспирантской подготовки.
В данной работе рассматривается пример проектирования и реализации датчиковой системы векторного управления с синтезом регуляторов скорости и тока для асинхронного двигателя, который может быть использован в лабораторных и практических занятиях. Работа студентов со стендами и учебными комплектами предполагает изучение современных схемотехнических решений для задач проектирования систем управления асинхронным двигателем (векторное управление и прямое управление моментом) [5]. Следующий шаг в обучении – это непосредственная реализация алгоритмов управления. Задача построения полноценной векторной системы управления сложна и при использовании языков высокого уровня, таких как С++, предполагает длительный процесс программирования и отладки. На языке визуального проектирования MexBIOS Development Studio [7] схема управления наглядна и проста для понимания. Ознакомившись же с реально работающей системой управления АД, студент получает практическое задание по адаптации регуляторов исходя из параметров схемы замещения АД [6], которые будут ему выданы. Работа студента предполагает знание основных шаблонов, таких как координатные преобразования, блок векторного ШИМ, блок оценки потокосцепления ротора, опрос и обработка сигналов с АЦП. Дальнейшая практическая задача, которая ставится перед студентом, непосредственный синтез регуляторов, снятие переходных процессов и оценка качества.
Учебный стенд, представленный в данной работе, имеет в своем составе два комплекта процессорных модулей и агрегат из двух двигателей, объединенных валами через муфту с тензометрическим датчиком момента. Двигатели постоянного тока укомплектованы датчиком скорости – энкодером.
Наличие двух спаренных двигателей разного типа позволяет расширить возможности стенда, в плане: обучение программированию встроенных систем, в том числе в среде разработки MexBIOS Development Studio, создание алгоритмов и схем управления двумя типами двигателей на одном стенде, исследование статических и динамических режимов работы, исследование и настройка работы электроприводов под нагрузкой. Интерфейсный модуль стенда может быть снабжен процессорами цифровой обработки сигналов (ПЦОС) TMS320F2812 или TMS320F2335.
MexBIOS Development Studio – визуальная среда разработки и моделирования встроенного программного обеспечения систем управления электродвигателями. Используя блоки из палитры компонентов, собирается программа управления электродвигателем. Блоки представляют собой законченные функции управления электродвигателем.
Рис. 1. Структурная схема векторного управления
Основные блоки при реализации векторной системы:
– Clark – Блок координатного преобразования из трехфазной симметричной системы координат в двухфазную симметричную систему координат;
– Park – Блок координатного преобразования из двухфазной неподвижной системы координат в двухфазную вращающуюся систему координат;
– Svgendq – генератор пространственного вектора ШИМ. Блок предназначен для формирования соответствующей длительности включения ключей инвертора, необходимой для создания формы напряжения статора с помощью ШИМ. Форма напряжения статора представляется в неподвижной двухфазной системе координат;
– ADC – Драйвер АЦП, для конфигурирования и опроса АЦП микроконтроллера.
Для того чтобы сократить затраты вычислительной мощности процессора при работе с числами, чип работает с числами без плавающей запятой. В микроконтроллерах арифметические операции проводятся с применением фиксированной запятой. Дробные числа преобразуются в целые числа. При этом под представление дробной и целой части числа выделяется различное количество бит слова контроллера. Чип работает с типами данных, такими как IQ1-IQ24, где число, стоящее после IQ – количество бит выделенных для представления дробной части. При работе с моделью двигателя, не записывая программу в память процессора, используются также форматы integer и float.
Векторная система управления состоит из трех контуров: контур тока, контур скорости и контур потокосцепления. Частота вызова основных блоков составляет 20 кГц. Блок контура тока и контур потокосцепления работают с частотой 10кГц, а контур скорости – с частотой 5 кГц.
В MexBios Development Studio была разработана структурная общая для систем векторного управления (рис. 2). В данной реализации системы векторного управления реализован автоматический расчет регуляторов тока и скорости по параметрам схемы замещения АД (рис. 1).
Контур тока является внутренним контуром [1, 2, 6]. Для асинхронного двигателя необходимы два регулятора тока для управления двумя составляющими вектора тока. Составляющая Id – формирует магнитный поток асинхронной машины, необходимый для формирования момента. Составляющая Iq – формирует момент асинхронной машины.
Объединив d-q составляющие тока, уравнения равновесия для АД могут быть записаны в векторной форме (1, 2):
(1)
(2)
В блоке SpeedLoop находится регулятор скорости. В контуре Fluxestim располагается наблюдатель угла и наблюдатель потока. Рассмотрим реализацию наблюдателя потокосцепления ротора.
Существует два вида наблюдателей потока, в которых для оценки потокосцепления используется модель АД, построенная на основе или векторов тока или векторов напряжения. При этом «токовая модель» по сравнению с «моделью напряжений» является более подходящей для использования на низких скоростях, несмотря на высокую чувствительность к изменению параметров двигателя. В данной работе предлагается рассмотреть реализацию «токовой модели» в полиориентированной системе векторного управления с использованием методов косвенной ориентации во вращающейся системе координат d-q.
Рис. 2. Реализация наблюдателя угла в среде MexBIOS
|
а) |
б) |
|
в) |
г) |
Рис. 3. Графики переходных процессов: а – скорости, б – токов в осях α–β, в – угла θ, г – момента двигателя
Для реализации наблюдателя потокосцепления, с использованием вектора тока 
(в проекциях оси координат d-q) и электрической угловой скорости ротора ωr в качестве входных сигналов, используем уравнение (1). Выполнив разложение уравнения (1) на реальную и мнимую части и предполагая, что 
(требуемая ориентация d-q системы координат), уравнение (2) можно записать следующим образом:
(3)
(4)
Переписав уравнение (3) в интегральной форме, выходные оценки наблюдателя потока (амплитуда, скорость и положение вектора потокосцепления 
) можно выразить следующим образом:
(5)
(6)
(7)
Таким образом, полная оценка вектора потокосцепления может быть получена с помощью формул (5–7). На практике при моделировании подобные оценки показали плохие результаты, поскольку при реализации используются токи, полученные из координатных преобразований с использованием угла, который сам участвует в преобразованиях. Таким образом, накапливается ошибка вычисления. В бездатчиковых системах управления [3, 4] это особенно критично.
Предлагается оценку скорости 
выполнить несколько иначе, используя следующее приближение:
(8)
Из формулы (2), раскладывая вектора на плоскость, с учетом приближения (8), имеем
(9)
(10)
где Iα, Iβ ток в осях координат α–β.
В результате практической реализации рассмотренных способов оценки потокосцепления ротора наиболее точные результаты были получены при использовании выражений (5), (10), (7), которые исключают накопление статической ошибки.
В MexBIOS Development Studio был разработан наблюдатель угла потокосцепления ротора по рассмотренной методике, который был успешно проверен на имитационных моделях и стенде.
Графики переходного процесса по скорости, токам в осях α–β, углу θ и моменту, полученные по результатам имитационного моделирования, приведены на рис. 3. При снятии характеристик на 0,3 секунде была добавлена статическая нагрузка 10 Н•м.
В работе был рассмотрен пример проектирования и реализации датчиковой системы векторного управления с синтезом регуляторов скорости и тока для асинхронного двигателя, который может быть использован в лабораторных и практических занятиях. Разработана структурная схема в среде визуального программирования MexBIOS Development Studio, которая может быть предложена студентам для дальнейшей доработки по вариативному заданию в лабораторных и практических занятиях. С использованием MexBIOS Development Studio достигается наглядность полученных результатов за счет визуальных средств и вывода информации на виртуальные приборы.