Астапов В.Н. Лекции по ТСА
Подождите немного. Документ загружается.
5. перепись из буферного ЗУ в FlashROM;
6. чтение байта из FlashROM;
7. запись байта в EEPROM;
8. чтение байта из EEPROM;
9. запись битов защиты;
10.чтение битов защиты;
11.запись установочных битов;
12.чтение установочных битов;
13.чтение сигнатурного байта;
14.чтение калибровочного байта.
Операции №№ 10 и 12 у микроконтроллеров некоторых типов объединены
в одну операцию. При выполнении операции «запись байта в EEPROM»
автоматически перед записью выполняется стиран6ие соответствующей ячейки
EEPROM.
Операции №№ 1, 2, 6, 7, 9, 13 выполняются в микроконтроллерах всех
типов.
Пуск и перезапуск микроконтроллера.
Пуск микроконтроллера происходит при подаче напряжения питания на
его выводы VСС и RESET. Перезапуск, в процессе работы выполняется при
появлении на выводе RESET нулевого уровня сигнала с последующим
возвращением к высокому уровню и при переполнении сторожевого таймера
(WDTR).
При пуске и перезапуске принимает активное значение внутренний сигнал
Internal Reset, который сохраняет это значение в течении определенного
интервала времени. При активном значении сигнала все регистры ввода-вывода
переводятся в исходное состояние и в счетчик команд (РС) записывается код
числа 0.
По истечении интервала времени микроконтроллер приступает к
выполнению программы, начиная с команды, записанной в FlashROM по
нулевому адресу.
В исходном состоянии регистров ввода-вывода все разряды регистров
находятся в нулевом состоянии.
Исключением являются:
регистр состояния USR или UCSRA (№$0B) в порте UART, в который
заносится код $20 (UDRE=1);
регистр управления UCR или UCSRB (№$0A) в порте UART, в который
заносится код $02(RXB8=1);
регистр OCR1B (№$2D) в таймере-счетчике T/C1 микроконтроллера
типа t15, в который заносится код $FF;
регистр SPDR в порте SPI, исходное состояние которого является
неопределенным;
51
Регистры EEAR, EEARL и EEARH (№№ $1E и $1F) в блоке управления
EEPROM микроконтроллеров типа t12, t15, 2323, 4423, 4433, 8535 и
m163, исходное состояние которых является неопределенным.
Временные диаграммы напряжения на выводах микроконтроллера при
пуске (POR), перезапуске с использованием вывода RESET(EXR) и перезапуске
при понижении напряжения питания (BOR) (Рис.12.1).
При пуске микроконтроллера (рис.12.1,а) при достижении напряжением
питания уровня V
POTR
с помощью схемы PORC устанавливается в единичное
состояние триггер Т и сигнал Internal Reset принимает активное значение. При
достижении уровня V
RST
запускается схема временной задержки, выполненная на
базе счетчика. По истечении времени задержки t
TOUT
сигнал на выходе триггера
принимает пассивное значение.
При перезапуске с использованием вывода RESET (рис.12.1,б) активное
значение сигнала Internal Reset устанавливается с использованием схемы EXRC
при переходе напряжения на выводе RESET через пороговое значение V
RST
в
сторону понижения напряжения, а схема задержки запускается при переходе
этого напряжения через значение V
RST
в сторону повышения.
При переполнении сторожевого таймера WDT формируется короткий
импульс, по переднему фронту которого устанавливается активное значение
сигнала, а по заднему фронту запускается схема задержки.
При наличии схемы BORC и нулевом значении установочного бита
BODEN активное значение сигнала Internal Reset устанавливается при переходе
напряжения на входе Vcc через пороговое значение V
BOT
в сторону понижения, а
запуск схемы задержки происходит при переходе напряжения через пороговое
значение V
BOT
в сторону повышения. Уровень V
BOT
может иметь одно из двух
значений в зависимости от значения установочного бита BODLEVEL.
В микроконтроллерах, не имеющих схемы BORC, после выключения
напряжения питания повторный пуск микроконтроллера путем подачи
Vcc
Vrst
Vpotr
Vreset
Vrst
Vcc
VBOT
Vpotf
Vcc=CONST
tTOUT
tTOUT
tTOUT
a)
б
)
в)
Рис.12.1.
52
напряжения питания (POR) возможен, если напряжение питания на выводе Vcc
упало ниже уровня V
POTF
. Если этот уровень не пройден, микроконтроллер
начнет выполнять случайную произвольную программу.
Величина временной задержки t
TOUT
может быть постоянной или задаваться
разработчиком путем изменения значений установочных битов CKSEL, которых
у микроконтроллеров разных типов может быть от двух до четырех, и
установочного бита FSTRT.
При медленном нарастании напряжения питания на входе Vcc после
включения источника напряжения питания в процессоре (CPU) и EEPROM
выполняются случайные операции, в результате которых может произойти
произвольная запись случайного байта в EEPROM. Для предотвращения этого
явления следует удерживать нулевой уровень сигнала на выводе RESET до
появления рабочего значения напряжения на выводе Vcc. Эту операцию можно
выполнить с помощью внешней схемы формирования сигнала RESET.
Лекция 14.
Энергосберегающие режимы работы.
Микроконтроллеры семейства AVR могут быть переведены в
энергосберегающие режимы работы.
У микроконтроллеров всех типов возможны два энергосберегающих
режима – режим холостого хода и режим пониженного энергопотребления.
Микроконтроллеры имеющие таймеры-счетчики с режимом счета реального
времени (8535, m163, m103), кроме того, могут быть переведены в режим
энергосохранения (PCM). Микроконтроллеры типа t15 и m163, имеющие
аналаго-цифровой преобразователь, кроме того, могут переводиться в режим
подавления помех работе АЦП (ADC ANRM).
53
Переход в энергосберегающий режим происходит в ходе программы при
выполнении команды с мнемокодом SLEEP, если разряд SE регистра MCUCR
(№ $35) установлен в единичное состояние.
Выбор режима в микроконтроллерах, которые могут находиться в двух
энергосберегающих режимах, определяется состоянием разряда SM регистра
MCUCR. При SM=0 устанавливается режим холостого хода, при SM=1 – режим
пониженного энергопотребления. В микроконтроллерах, которые могут
находиться в трех и четырех энергосберегающих режимах, выбор режима
определяется комбинацией состояний разрядов SM1 и SM0 регистра MCUCR в
соответствии с инструкцией.
Выход из энергосберегающего режима происходит при поступлении
разрешенного запроса прерывания или перезапуске микроконтроллера. При
выходе по запросу прерывания выполняется прерывающая программа и далее
совершается переход к команде, расположенной после команды SLEEP, по
которой произошел переход в данный режим.
В режиме холостого хода (IM) процессор остановлен, периферийные
устройства продолжают работать, коды в регистрах общего назначения., ячейках
SRAM и регистрах ввода-вывода, расположенных в пассивных периферийных
устройствах, сохраняются неизменными. Ток потребления I
cc
у
микроконтроллеров разных типов уменьшается в 2 – 4 раза. Если аналоговый
компаратор не используется для выхода из режима, разряд ACD в регистре
ACSR (№$28) для уменьшения тока потребления должен быть установлен в
единичное состояние.
В режиме пониженного энергопотребления (PDM) остановлен процессор и
генератор тактового сигнала. Периферийные устройства, кроме сторожевого
таймера и блока прерываний не работают. Коды в регистрах общего назначения,
ячейках SRAM и регистрах ввода-вывода сохраняются неизменными. Ток
потребления I
cc
у микроконтроллеров разных типов имеет величину от
нескольких единиц до нескольких десятков мкА. Напряжение питания V
cc
может
быть снижено до 2 вольт.
Выход из режима возможен при перезапуске микроконтроллера и по
разрешенному запросу прерывания из внешнего источника при представлении
запроса уровнем сигнала. Сигнал должен сохранять низкий уровень в течении
некоторого времени, пока генератор тактового сигнала входит в установившийся
режим. В микроконтроллере типа m163, имеющим порт TWSI, выход из режима
возможен также по запросу пркрывания при опознании портом собственного
адреса в поступившем адресном байте.
Режим энергосохранения (PSM) в микроконтроллерах, имеющих таймер-
счетчик с режимом счета реального времени, отличается от режима пониженного
энергопотребления возможностью сохранения работы данного таймера после
перехода в режим и возможностью выхода из режима по запросу прерывания от
этого таймера при его работе в режиме счета реального времени.
В режиме подавления помех работе АЦП (ANRM) процессор остановлен.
Работают только аналого-цифровой преобразователь, блок прерываний и
54
сторожевой таймер. Выход из режима происходит по запросу прерывания из
внешнего источника при представлении запроса уровнем сигнала, по запросу
прерывания от АЦП и при перезапуске микроконтроллера. В микроконтроллерах
типа m163 выход из режима возможен также по запросу прерывания при
опознании портом TWSI собственного адреса.
Основные характеристики МП - контроллеров
Микропроцессор – это цифровое устройство обработки информации,
выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем, поэтому
ему свойственны параметры как вычислительных устройств (система команд,
объем адресуемой памяти и т.д.), так и микросхем (уровни сигналов, мощность
рассеяния, помехоустойчивость и т.д.)
В связи с большим разнообразием МП МПК (универсальные и
специализированные, однокристальные и секционные, синхронные и
асинхронные, одномагистральные и многомагистральные и т.д.) определить
единую систему параметров, позволяющую оценить технические возможности
МПК, довольно сложно, поэтому рассмотрим основные из них, дающие
ориентировочную оценку.
Разрядность обрабатываемых данных – параметр, определяющий
точность вычислений. Существуют МП с фиксированной (4,8,16,32) и
наращиваемой разрядностью.
В МП с фиксированной разрядностью (КР580, КР588, К1801, КМ1810)
увеличение разрядности обрабатываемых данных возможно путем просчета в
несколько этапов, т.е. программно, что снижает быстродействие систем.
В МП с наращиваемой разрядностью (К589, К1800, КР1802, КМ1804)
микропроцессор строится из нескольких микропроцессорных секций, каждая из
которых имеет n разрядов. Тогда разрядность обрабатываемых данных
определяется как nхК, где n=2, 4, 8,…; К=1, 2, 3, … (число секций).
Система команд – совокупность операций, обеспечивающих выполнение
программы в соответствии с заданным алгоритмом. В это понятие входят:
формат команд и обрабатываемых данных, число команд, способы адресации
данных, объем непосредственно адресуемой памяти, возможности стека,
способы обработки прерываний, организации ввода-вывода и т.д., поэтому
сравнение МП по числу выполняемых команд может привести к ошибочным
результатам. Необходима качественная оценка системы команд выбранного
микропроцессора. Кроме того, система команд определяет программное
обеспечение системы, разработка которого для мощных вычислительных и
управляющих систем составляет значительную часть стоимости разработки всей
системы.
55
Быстродействие МПК определяется схемно-технологическими
возможностями и архитектурными особенностями. При оценке быстродействия
МП необходимо учитывать, что простое сравнение длительностей машинного
такта (командного цикла) может привести к неверным выводам, так как
некоторые команды выполняются более чем за один такт. Кроме того, одна и та
же команда на разных микропроцессорах выполняется за различное число
тактов. Быстродействие универсальных МП в основном определяется числом
выполняемых операций (регистр – регистр, регистр – память, сложение,
умножение и т.д.) в секунду.
Число внутренних регистров, определяет вычислительные способности
МП.
Емкость адресуемой памяти, определяет максимальный объем
обрабатываемой информации.
Потребляемая мощность, определяющая сложность источников питания
и необходимость отвода тепла.
Количество различных уровней напряжения питания, определяющее
сложность и стоимость микропроцессорного устройства.
Количество уровней прерывания, характеризует мультипрограммный
режим работы.
Наличие канала прямого доступа к памяти.
Наличие микропрограммного управления, обеспечивающего
возможность изменения системы команд в зависимости от области применения.
Наличие средств программирования и отладки, упрощающих и
сокращающих время написания программ и отладки системы в целом.
Лекция 15
Принципы построения и регулирования управляемых приводов
автоматизированных систем
В настоящее время получили свое развитие регулируемые электроприводы
с управляемым преобразователем и системами управления, оптимально
приспособленными по энергетическим и технологическим показателям.
Управляемые преобразователи электроэнергии выполняются как
полупроводниковые, в виде неуправляемых и управляемых выпрямителей,
автономных инверторов напряжения (АИН) и тока (АИТ) инверторов, ведомых
сетью, преобразователей частоты с непосредственной связью. Для устранения
искажения формы напряжения сети в преобразователях применяют
56
фильтрокомпенсирующие устройства. Виды преобразователей и их комбинации
определяются типом электродвигателя и задачами управления, мощностью,
диапазоном регулирования, необходимостью рекуперации энергии в сеть,
влиянием преобразователей на питающую сеть.
Существуют следующие тенденции развития преобразователей:
расширение границ применения полностью управляемых приборов
(транзисторов мощностью до 3…5 МВт, тиристоров мощностью до
5…20 МВт); распространение методов широтно-импульсной модуляции
(ШИМ); блочные принципы построения преобразователей на основе
унифицированных силовых гибридных модулей, выполняемых на базе
транзисторов и тиристоров; возможность выполнения преобразователей
постоянного и переменного тока и их комбинаций на единой конструктивной
основе, в том числе на базе интеллектуальных силовых модулей.
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД С ШИМ-
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
1.1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
За счет высокой выносливости, надежности, низкой стоимости и высокого
к.п.д. (80%) асинхронные электродвигатели широко используются в
← бытовых электроприборах (стиральные машины, вытяжки,
← промышленных электроприводах (управление движением, центробежные
насосы, робототехника и др.);
← автомобилях (электромобили).
Однако недостатком асинхронных двигателей является работа только на
номинальной скорости при подключении к сети. Это является причиной, почему
преобразователи частоты необходимы для регулировки частоты вращения
асинхронных электродвигателей. Наиболее популярным алгоритмом управления
трехфазным асинхронным электродвигателем является алгоритм с
поддержанием постоянства отношения напряжение/частота (правило Костенко)
и использованием обычного широтно-импульсного модулированного (ШИМ)
управления инвертором напряжения, как показано на рисунке 1.
Рис. 1. - Типичная структура инверторного асинхронного привода.
57
1.2. Принцип действия
1.2.1 Асинхронный электродвигатель
В противоположность коллекторным и бесколлекторным электродвигателям
постоянного тока асинхронные электродвигатели не содержат постоянных
магнитов. Ротор выполнен в виде короткозамкнутой обмотки ("беличья клетка"),
в которой вращающееся электрическое поле создает магнитный поток. Благодаря
различиям в скорости между электрическим полем статора и магнитным
потоком в роторе электродвигатель способен создавать вращающий момент и
совершать вращательное движение.
1.2.2 Принцип постоянства отношения напряжение/частота (правило
Костенко). Математические модели системы управления
Принцип постоянства отношения напряжение/частота наиболее широко
распространен в современных регулируемых асинхронных приводах. Он может
использоваться в системах, которые не требуют высоких динамических
характеристик, а необходимо только эффективно варьировать частотой
вращения в полном диапазоне. Это позволяет использовать синусоидальную
установившуюся модель асинхронного электродвигателя, в которой величина
магнитного потока статора пропорциональна отношению амплитуды и частоты
напряжения статорной обмотки. Если данное отношение поддерживать на
постоянном уровне, то постоянство будет сохранять и магнитный поток статора
и, таким образом, вращающий момент будет зависеть только от частоты
скольжения.
Более точно, исходя из обычной модели асинхронного электродвигателя:
где - напряжение статора, магнитные потоки статора и
ротора, токи статора и ротора, соответственно, а - общее
сопротивление статора, сопротивление ротора, индуктивность статора,
58
индуктивность ротора, общая индуктивность рассеяния и угловая частота
вращения, соответственно. При питании электродвигателя 3-фазным
синусоидальным напряжением с частотой , установившиеся токи
в роторе и статоре будут также иметь
синусоидальную форму с частотой
и .
Преобразуем предыдущие выражения к виду
,
где ,
а .
Однако, амплитудное значение может оставаться постоянным при
сохранении постоянства отношения .
На высоких скоростях , амплитудное значение магнитного потока
ротора остается постоянным при постоянстве отношения :
.
Тогда, вращающий момент электродвигателя пропорционален частоте
скольжения:
Данные выражения показывают, что желаемые значения вращающего
момента и частоты вращения электродвигателя могут быть достигнуты,
если
.
59
На низких скоростях , а .
Когда частота статора снижается меньше определенной пороговой частоты,
амплитуду напряжения необходимо поддерживать на определенном уровне для
поддержания постоянства магнитного потока ротора. В противоположность
этому, когда частота становится выше номинального значения, амплитуда
напряжения останется на номинальном уровне ввиду насыщения ключей
инвертора. В этом случае поток ротора будет непостоянным и вращающий
момент снизится.
Рис. 2.- Зависимость амплитуды напряжения статора от частоты статора, следуемая из
принципа V/f.
Данный принцип может использоваться для построения контуров
автоматического управления скоростью (рисунок 3), в которых отклонение
желаемой скорости от фактического измеренного значения скорости поступает в
ПИ-регулятор, где вычисляется значение частоты напряжения статора. В целях
снижения сложности регулятора в качестве исходных данных для правила V/f и
векторного ШИМ-алгоритма используется абсолютное значение частоты
статорного напряжения. Если на выходе ПИ-регулятора присутствует
отрицательное значение, то для реверсирования электродвигателя обменивается
содержимое двух переменных, управляющие силовыми транзисторами
инвертора. Необходимо заметить, что принцип управления, рассмотренный
здесь, может использоваться только в приложениях, где поддерживается
постоянный уровень скорости при любом допустимом моменте сопротивления.
В приложениях, где необходимо поддерживать постоянство момента
сопротивления при любых значениях частоты вращения, требуется измерение
статорных токов и более сложные принципы управления.
60