Проект гелеоисточника для энергохозяйства (стр. 3 из 11)
Рисунок 1.7
ШИМ – генераторы МК этого типа имеют от двух до шести независимых каналов и управляются несколькими 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 это так называемый таймерный сопроцессор TPU (Timer Processor Unit). Имеется в виду многоканальный таймер с очень гибкой схемой управления, полуавтономной от ядра контроллера. Программирование TPU 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. [6]
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. [6]
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 – «индексная» 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. 1.8.
Рисунок 1.8. Алгоритм работы индексной ШИМИндексно-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 11 кБ. 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. [7]
Таким образом, предлагаемая индексно – табличная ШИМ позволяет получить высокие показатели АИН, 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).
2. Разработка системы управления
2.1 Описание схемы управления
Структурная схема системы управления гелеоисточника изображена на рис. 2.1., на рис. 2.2 – схема электрическая принципиальная. Блоком управления (БУ) системы управления является микроконтроллер Motorola МС3РНАС, рис. 2.3, основные параметры микросхемы сведены в таблицу 2.1. Микросхема имеет встроенный модуль трехфазного ШИМ, для управления шестью ключевыми элементами, также есть 4‑х канальный АЦП, и последовательный интерфейс необходимый при режиме управления микроконтроллером с ПК. Модуль трехфазного ШИМ генерирует 6 ШИМ сигналов для задания выходного напряжения и частоты.
Таблица 2.1. Основные параметры микросхемы МС3РНАС
| № | Название параметра. | Значение и единица измерения |
| 1. | Напряжение питания | 5 В ± 10% |
| 2. | Рабочая частота кварцевого генератора | 4 МГц ± 1% |
| 3. | Частота ШИМ | 5,291 – 21,164 кГц |
| 4. | Задержки переключений | 0 – 31,875 мкс |
| 5. | Рабочая температура | – 40 – 1050 С |
Назначение выводов МК[1]:
1. Vref – эталонное напряжение. Соединяется с VDDA для лучшего соотношения сигнал/шум.
2. RESET – вход сброса. Низкий логический уровень сигнала на этом входе переводит все PWM выхода в высокоимпедансное состояние. Также данный вход может быть использован для сброса ошибки (например: низкий уровень VDD, ошибки времени, подача на вход FAULT_IN сигнала высокого уровня).
3. VDDA – питание внутренних генераторов.
4. VSSA – питание внутренних генераторов. 5 и 6 – вывода подключения кварцевого генератора.
7. PLLCAP – вывод подключения помехозащитного конденсатора. Малое значение емкости позволяет быстро формировать f эталонную. Большие значения позволяют улучшить стабильность. Значение емкости конденсатора 0,1 мкФ является типовым и рекомендовано производителем.
8. PWMPOL_BASEFREQ – вход задания базовой частоты и полярности ШИМ. 9 – 14 – выхода формирователя ШИМ.
15. FAULTIN – вход ошибки. При высоком логическом уровне сигнала на входе мгновенно отключаются PWM выхода. Включаются PWM выхода только после появления на входе сигнала низкого логического уровня.
16. PWMFREQ_RxD – в автономном режиме эта ножка используется для задания частоты ШИМ.
17. RETRY_TxD – выход управления ключом промежуточного контура.
18. RBRAKE – выход управления ключом промежуточного контура, для сброса энергии.
19. FAULTOUT – данный вывод используется для индикации ошибки.
20. VBOOST_MODE – вывод задания режима работы МК. Высокий логический уровень – автономный режим работы, низкий – режим работы с ПК.
21. VDD – напряжение питания, +5V.
22. Vss – вывод земли.
23. FWD – вход задания направления вращения двигателя. 
24. START – вход включения.
 |
 |
Микроконтроллер Motorola МС3РНАС.
Рисунок 2.2
25. MUX_IN – в автономном режиме является входом регулирования коэффициента заполнения.
26. SPEED – задание частоты вращения двигателя.
27. ACCEL – вход, влияющий на разгон двигателя.
28. DC_BUS – вход для отслеживания напряжения промежуточного контура.
Как видно из рис. 1 схема управления состоит из следующих блоков. Блок задания (БЗ) для задания выходных параметров сигнала. Через делители напряжения на соответствующие входы задания БУ задаются полярность, частота выходного сигнала, а также частота ШИМ. Согласно заданным параметрам на выходах ШИМ формируются сигналы, которые далее поступают на драйвер (Д). Драйвером является микросхема IR2135, типовая схема подключения изображена на рис. 2.4, структурная схема изображена на рис. 2.5., основные параметры приведены в таблице 2.2 [2].
Таблица 2.2. Основные параметры микросхемы IR2135
| № | Название параметра. | Значение и единица измерения |
| 1. | Напряжение питания | 12 В |
| 2. | Максимальное коммутируемое напряжение | 1200 В |
| 3. | Выходной ток | 200 – 420 мА |
| 4. | Выходное напряжение | 10 – 20 В |
| 5. | Время переключений (типовое) | 700 нс |
| 6. | Рабочая температура | -55 – 1050 С |
Описание выводов микросхемы IR2135:
HIN 1,2,3 – логические входа (вывода 22,23,24) ключей высокого уровня.
НО 1,2,3 – логические выхода (вывода 13,16,19) ключей высокого уровня.
LIN 1,2,3 – логические входа (вывода 25,26,27) ключей низкого уровня.
LO 1,2,3 – логические выхода (вывода 9,10,11) ключей низкого уровня.
FAULT – выход ошибки (вывод 28).VСС – напряжение питания (вывод 21).
ITRIP – вход токовой защиты (вывод 1).