Inteligentne układy napędowe

W praktyce rzadkokiedy inteligentny układ sterowania da się zrealizować z wykorzystaniemjednego prostego mikrokontrolera. Projekt części cyfrowej jest trudny.Jeszcze trudniejszy jest projekt części analogowej. Nie jest też prostezłożenie obu tych bloków w całość. Zazwyczaj konieczne jestwykorzystanie mikrokontrolera zawierającego nie tylko zestaw blokówanalogowych, ale również rozbudowany zestaw układów czasowych.

Pozostaje jeszczekwestia zasilania. Wydajność prądowa linii I/O mikrokontrolerów możewystarczyć do sterowania wyłącznie najmniejszych silniczków. Popodłączeniu mikrokontrolera do silnika o średniej mocy spali się onszybciej niż bezpiecznik. Z tego powodu większość sterownikówbazujących na mikrokontrolerach wymaga dyskretnych tranzystorów dużejmocy i nierzadko bardzo złożonych bloków sterowania. W tym artykuleporuszone zostaną głównie aspekty dotyczące mikrokontrolerów.

Silniki elektryczne ielektronika są dziś wszechobecne. Znajdziemy je zarówno w urządzeniachkuchennych, jak i przenośnych odtwarzaczach audio. Zdarza się, że zinteligentnymi układami sterowania równocześnie współpracuje wielesilników.

Bardzo dobrym przykładem jest tu Human Transporterfirmy Segway (rys. 1). W urządzeniu tym wykorzystano dwie platformy DSPTMS320C2000 firmy Texas Instruments realizujące zamkniętą pętlęsterującą i zapewniającą balans. Równowaga tego pojazdu jest znakomiciezachowana właśnie dzięki doskonałej współpracy obwodów elektronicznych.

Human Transporteropiera się na prostej konstrukcji. Zawiera tylko dwa elementy ruchome –koła – osadzone na nieruchomej osi. Płyta kontrolera jest zamocowanapod platformą i zawiera między innymi zespół tranzystorów mocyzasilających silnik (rys. 2). Współpracuje ona z modułem czujnikówobejmującym dwa żyroskopy i trzy czujniki przyspieszenia. Odczytczujników odbywa się z częstotliwością 100 razy w ciągu sekundy. Są toelementy tak samo kluczowe dla prawidłowego działania pojazdu, jakoprogramowanie.

Na drugim krańcuzastosowań układów napędowych są miniaturowe twarde dyski. Zawierająone dwa silniki: jeden do wprawienia dysku w ruch obrotowy i drugi doprzesuwu głowic. Obok typowych funkcji sterujących wykorzystuje się tuczujniki przyspieszenia wykrywające poruszenie się napędu. Jest toniezbędne do zapobiegania potencjalnym problemom wynikającym z uderzeńi wibracji; po wykryciu przyspieszenia działającego na napęd głowice sąblokowane.

Projektanci urządzeńkuchennych stosują układy napędowe oparte na mikrokontrolerach nawet wnajtańszych produktach – decyduje o tym bardzo niska cenamikrokontrolerów oraz oferowane przez nie możliwości usprawniania pracyurządzeń. Przykładowo, stopniowe rozpędzanie i wy

tracanieszybkości obrotowej w silnikach pozwala zwiększyć ich żywotność iniezawodność całego urządzenia. Mikrokontrolery pozwalają nawprowadzanie szeregu użytecznych funkcji do układów napędowych bezdokonywania jakichkolwiek zmian sprzętowych.

Konfiguracjeinteligentnych układów sterowania są stosunkowo proste i podobne dosiebie (rys. 3). Różnice polegają zazwyczaj na różnej liczbie faz, a coza tym idzie różnej liczbie przewodów mocy oraz na różnej liczbieczujników wewnątrz systemu. W najprostszych wykonaniach nie występujemechanizm sprzężenie zwrotnego.

Systemy ze sprzężeniem zwrotnym zawierają pętlę PID (Proportional, Integral, Derivative)bazującą na względnym położeniu rotora silnika. Najczęściej obwodysprzężenia zwrotnego zawierają czujniki optyczne, czujnikiwykorzystujące efekt Halla lub są to systemy bazujące na sileelektromotorycznej (EMF), niezawierające w ogóle czujników.

Czujnikioptyczne zawierają obrotowy dysk z umieszczonymi na obwodzie slotamiidentyfikowanymi przez fotodetektor. Wyjściowy sygnał cyfrowy jestpodawany do detektora kwadraturowego, będącego elementem wyposażeniawielu mikrokontrolerów. Detektor określa prędkość obrotową i kierunekruchu tarczy. Czujniki bazujące na efekcie Halla identyfikują położeniemagnesów umieszczonych w rotorze lub trzpieniu silnika. Prędkośćobrotowa i kierunek są tu określane przez zespół komparatorów.

Wprzypadku silników trójfazowych najpopularniejsze są systemy sprzężeniezwrotnego EMF (rys. 4). W odróżnieniu od pozostałych systemówsprzężenia nie wymagająinstalowania na silniku żadnych dodatkowych elementów. W danej chwilizasilane są dwa uzwojenia, a w trzecim uzwojeniu płynie minimalny prądindukowany. Rezystory wykorzystywane w tej technice są podłączone dowejść czujnikowych mikrokontrolera, a zadaniem obwodu pomiarowego jestwyłącznie identyfikowanie przejść sygnału przez zero. W bardziejzłożonych obwodach stosowane są przetworniki A/C.

Obwódsprzężenia zwrotnego pozwala na regulację i synchronizację wyjśćmodulatora PWM sterującego tranzystorami mocy regulującymi dopływ prądudo uzwojeń silnika. Generacja sygnału PWM sterującego silnikiemzazwyczaj wymaga czegoś więcej niż tylko ustalenia długości przedziałówczasu high/low, gdyż krytyczne znaczenie mają zależności fazowesygnałów na liniach sterujących. Ekstremalnym przykładem może tu byćprodukowany przez Freescale układ czasowy o nazwie eTPU ( Enhanced Time Processing Unit),będący w rzeczywistości odrębnym mikrokontrolerem z własną jednostkąobliczeniową i pamięcią, umożliwiający realizację złożonych operacjiczasowych bez obciążania głównego CPU.

Innąalternatywą jest dobór układu czasowego do wymogów konkretnego układusterowania. Przykładowo, zazwyczaj preferowane jest zachowaniekrótkiego czasu opóźnienia lub czasu martwego pomiędzy końcem impulsuna jednej fazie przed rozpoczęciem generacji impulsu na innej fazie ( dead time).Zapobiega to niepożądanemu przepływowi prądu przez uzwojenia silnikawielofazowego. Prąd płynący przez pewną część cyklu powinien zaniknąćprzed rozpoczęciem następnej części cyklu. W mikrokontrolerachspecjalizowanych do sterowania silnikami zazwyczaj funkcja ta jestrealizowana sprzętowo, nie powodując dodatkowego obciążania jednostkiobliczeniowej.

Sterowaniesilnikiem jest procesem okresowym, gdzie w każdym cyklu odbywa sięodczyt szeregu czujników. Firma Texas Instruments wprowadziłagenerowany sprzętowo znacznik czasowy dla zbieranych informacji. Dziękiniemu aplikacja sterująca identyfikuje zajście pewnych zdarzeń, naktórych podstawie generowane są parametry dla kolejnych cykli.

Mikrokontrolerydedykowane do zastosowań napędowych występują w dużej części układówsterowania, ale nie są jedynym rozwiązaniem. Układy sterujące,produkowane między innymiprzezfirmy Performance Motion Devices i AMI Semiconductor, współpracują zestandardowymi mikroprocesorami za pośrednictwem interfejsurównoległego, I²Cczy SPI. Realizują one większość funkcji sprzętowo, a zadaniemmikroprocesora jest jedynie ustalenie parametrów pracy silnika. Zaletytakiej architektury to między innymi uproszczenie interfejsu iumieszczenie funkcji sterujących na płytce adaptera. Nie ma teżkonieczności stosowania specjalizowanego mikrokontrolera, auniwersalność tych układów pozwala na ich współpracę z różnymirodzajami silników, także krokowymi i mikrokrokowymi.

Wprowadzaneusprawnienia sprzętowe pozwalają stosować w charakterze urządzeństerujących układów napędowych nawet mikrokontrolery 8-bitowe. Można tuwymienić choćby serię procesorów sygnałowych dsPIC firmy Microchip czyBlackfin firmy Analog Devices. Jednak nawet szybsze układy sąwyposażane w dodatkowe bloki sprzętowe zmniejszające obciążeniejednostki obliczeniowej. Pozwala to na obsługę większej liczbydodatkowych czujników, niezbędnych w niektórych zastosowaniach.

Wostatnim czasie pojawił się trend integrowania coraz większej liczbyczujników związanych z pracą całości urządzenia, ale niekoniecznie zsamym silnikiem. Przykładem mogą tu być twarde dyski czy wspomnianywcześniej Human Transporter firmy Segway.

Wynikato częściowo z pojawienia się na rynku wielu tanich czujnikówrealizowanych w nanotechnologii, takich jak np. trójosioweakcelerometry. W pojazdach typuSegway wykorzystywane są do zachowania balansu, a w przenośnychtwardych dyskach do wykrycia przemieszczania się napędu, np. przyupadku w celu zablokowania głowic. Podobnie, instalowane są czujniki dopomiaru napięcia, prądu i temperatury. Ich rolą jest zabezpieczanieurządzenia przed różnymi stanami awaryjnymi.

Równieistotne są czujniki momentu obrotowego, obciążenia i siły, gdyż samaprędkość obrotowa nie zawsze jest jedynym kluczowym parametrem. Sązwykle umieszczane na trzpieniu silnika.

Doobsługi specjalizowanych czujników często niezbędne są przetworniki C/Ai A/C. Wiele specjalizowanych mikrokontrolerów zawiera własneprzetworniki zaimplementowane w strukturze. Inne układy, takie jak PSoCfirmy Cypress Technologies, udostępniają programowalne bloki sprzętowe.W przypadku PSoC są to bloki zarówno analogowe, jak i cyfrowe. Cypressoferuje specjalny zestaw uruchomieniowy, w skład którego wchodzą modułysilników podłączane do płyty z układem sterowania oraz graficzneśrodowisko programowania PSoC Express.

Wybórmikrokontrolera z funkcjami wystarczającymi do obsługi konkretnegoukładu sterowania to dopiero pierwszy etap. Optymalne działanie całościwymaga stworzenia oprogramowania. Rozmaite noty aplikacyjne dla układówsterowania są bardzo rozpowszechnione. Również szeroko dostępne sązestawy uruchomieniowe z mikrokontrolerem, płytką prototypową i jednymlub kilkoma silnikami.

Zestaw Z8 Encore! MC Development Kit firmyZilog obejmuje duży 3-fazowy silnik bezszczotkowy DC wraz z kompletnymśrodowiskiem programowym bazującym na języku C (rys. 5). Na płytcesterującej umieszczono 8-bitowy mikrokontroler, którego wymiary sąmniejsze od wymiarów pojedynczego tranzystora na płytce bazowej.

Obok not aplikacyjnych producenci mikrokontrolerów do układów sterowania dostarczają biblioteki run-timei zestawy specjalizowanych narzędzi programowych. Zazwyczaj jest tograficzny interfejs użytkownika działający na komputerze PC,komunikujący się z mikrokontrolerem np. poprzez port szeregowy. W tensposób użytkownik może zmieniać parametry układu sterowania w czasierzeczywistym i obserwować ich wpływ na pracę silnika. Jest to dużobardziej efektywne niż eksperymentowanie z samymi bibliotekami run-timew niektórych trybach pracy, np. przy zmianach prędkości obrotowejsilnika.

Firma Fluke wprowadziła jeszcze jedną funkcję w oferowanym zestawie 1587/MDT Advanced Motor and Drive Troubleshooting Kit.Zestaw ten obejmuje miernik izolacji Fluke 1587 pracujący w trybie TrueRMS, szczękowy miernik natężenia prądu Fluke i400 i wskaźnik rotacjifaz Fluke 9040 pozwalający na identyfikację ruchu silników 3-fazowych isprawdzenie poprawności połączeń.