Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

действия с человеком-оператором. Обязательным компонсл

такой системы является интерфейс с системой управления б

высокого уровня (промышленным программируемым контро.

ром), что позволяет решать задачи комплексной автоматизаи

использованием заданного числа единиц технологического

рудования, объединенного в единую распределенную сист

управления

В зависимости от сложности решаемой задачи встроен

система управления может быть однопроцессорной или мн

процессорной (мультипроцессорной), одноуровневой или мн

уровневой. В последнем случае на нижнем уровне решаются

дачи непосредственного управления отдельными компонен

оборудования (например, отдельными осями привода), а на

дующем, более высоком, - задачи совместного управления в

альном времени, связи с оператором, системой верхнего уров

т.д. Типичными примерами являются станки с ЧПУ. роб

манипуляторы и др.

Главное отличие промышленного К01ггроллера от пром

ленного компьютера состоит в адаптации языка программ и

ния под конкретную область применения. Большинство пром

ленных контроллеров, выпускаемых иностранными фирма

являются по существу программируемыми логическими ё

троллерами (PLC) и имеют встроенные интерпретаторы с яг

релейной автоматики или языка Булевой алгебры, что позвог

неспециалисту программировать системы управления.

Встраиваемое управляющее устройство является мнкро

цессорной системой управления, в состав которой кроме

трального процессора на базе однокристального микропроие

ра и микроконтроллера входят необходимые дополиителы

элементы памя

ти

и периферийные интерфейсные БИС для о"

низацни сопряжения с датчиками, объектом управления и си

мой управления более высокого уровня

Все задачи, решаемые системами встроенного управлен;

делятся на два больших класса; управление событиями в рс

ном времени и управление потоками данных.

К первому классу относятся задачи, требующие быстрой

акции микропроцессорной системы на изменение внешних у

вий (на срабатывание технологических датчиков и т.п.). Сист

управления приводами, роботами относятся к системам пер

класса. Эти задачи требуют применения микроконтроллер

большим объемом интегрированной на кристалл перифер

включая память программ, память данных и устройства вво

вывода, что сокращает аппаратные затраты и удешевляет издеп

322

ЮНОЙ системой управления. Для реализации алгоритма

|ия в системах этого класса требуется память огноси-

§1сбольшого объема (до 32Кбайт).

|укиня фирмы Intel для встроенных применений может

делена на следующие группы:

Китовые микроконтроллеры первого поколения (семейст-

Ц-48);

временные 8-ратрядиые микроконтроллеры (MCSR-51,

;менные 16-разрядные микроконтроллеры для управ-

сальном времени (MCSR-96, MCSR-196, MCSR-296);

>аиваемые 16-разрядные и 32-разрядные микропроцес-

р-подобной архитектуры (80CI86. 386ЕХ и др.);

1сокопроизводительные микропроцессоры, построенные

УХНОЛОГИИ (i960).

ММе три группы изделий ориентированы на управление

|и в реальном времени. Две последние предназначены

*ения процессами.

|ия микроконтроллеров Intel MCSR-196/296 является на

щий день наиболее интересной для специалистов в об-

гоматидированного электропривода^ так как имеет уни-

региегр-регисгровую архитектуру, эффективную снсте-

(анд и широкую гамму встроенных периферийных уст-

I позволяющих решать самые разнообразные задачи от

цифрового управления силовыми ключами в режиме

Ь-импульсной модуляции до автоматической идентифи-

толожения и скорости по сигналам датчиков, устанонлен-

i вал двигателя. Эта серия ориентированна на управление

1ми в реальном времени и имеет необходимые для этого

|Йзированные периферийные устройства: контроллер пре-

Р, процессор событий и др.

.7. Микроконтроллеры с интегрированным сигналь-

ным процессором MCS-296

t~ рязи с массовым переходом от аналоговых систем управ-

цифровым возникли задачи по цифровой обработке енг-

^Эти задачи связаны с приемом аналоговых сигналов, пре-

шем в цифровую форму и обработкой в реальном мас-

змонн с выдачей на объект управления управляющих

1ИЙ либо в цифровой, либо в аналоговой форме. В каче-

Крнмсра можно привести цифровые регуляторы переменных

ППИЙ в промышленных программируемых контроллерах.

системах управления роботов и манипуляторов, цифре»

фильтры в системах слежения и т.д. [3-9J.

Для решения таких задач до недавнего времени использ

лись исключительно специализированные микропроцессоры,

называемые цифровые сигнальные процессоры - DSP-r

цессоры (Digital Signal Processor). Необходимость создания

циализированмых процессоров возникла из-за того, что тради

ОКНО применяемые в компьютерной технике процессоры, наг

мер. фирмы Intel (286. 386. 486) имеют систему команд, к

пригодную для решения специфических задач цифровой о

ботки сигналов.

I лавная особенность современных встроенных в оборуд

ние систем управления характеризуется быстрым ростом тр

ваний к ним. когда ни отдельный мнкроконгроллер с болы

набором периферийных устройств, ни отдельный сигналы

процессор уже не справляются с возросшим количеством зада«|)

традиционных для микроконтроллеров фирмы Intel областях

большее применение находят двухпроцессорные системы уп

ления. в которых микрокошроллер выполняет функции обра

ки событий в реальном времени, а дополнительный происс

цифровой обработки сигналов - функции цифровой фильтра!,

входных сигналов Фирма Intel с 1996г. выпускает 16-разряд

микроконтроллеры с новой конвейерной архитектурой се

MCS-296, которые имеют не только более высокую произв

тельиость по сравнению со своими аналогами, но и встроен

возможности цифровой обработки сигналов - DSP-сопроцесс

18.8. Апалого-цнфропые н цифро-аналоговые

преобразователи

Микропроцессорная автоматическая система должна ра

тать не только с дискретными (цифровыми) сигналами, но

непрерывными, физическими параметрами, которые предааг

ются значениями электрических величин, формируемых соот

ствуюшимн датчиками. Микропроцессор - это цифровое усг

ство, поэтому необходимы средства преобразования цифро

величин в аналоговые и обратно.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобраз

входные данные в виде значений тока или напряжения в пи

вую форму Процесс преобразования включает дискретизацию

времени, квантование по уровню и кодирование пепрерывг

входной величины. Необходимое быстродействие АЦП опрел

ляётся скоростью изменения входной величины.

аналоговые преобразователи (ЦАП) реализуют об-

Гпроцесс преобразования цифровых данных в аналоговые

у; принцип их построения основан на генерации в соот-

инх цепях напряжений или токов, пропорциональных

ядов. Эти устройства обычно состоят из схемы со взве-

си величинами сопротивлений резисторов или резистор-

;й (лестничной) схемы [3-10, 3—II].

ЦЦП и ЦАП

И31

отовливают в различных модификациях. В

Ьходные сигналы могут быть только положительными, в

как положительные, так и отрицательные, могут быть

аны обычный двоичный, дополнительный двоичный и

-десятичный коды, а также обратный код, рефлексные

оы с обнаружением ошибок (коды Грея и Хемминга).

является одним из элементов АЦП, поэтому целесооб-

чала рассмотреть устройство ЦАП.

рисунке 18.8

руется способ

Лшя ЦАП на ре-

К схеме подк-

"Жя источники то-

вляемые разря-

одного кода,

эчников опре-

~ряд кость вхо-

1ИЧНОГО кода. Рис.18.*. Схема построении ЦДЛ па резисторах

источник фор-

•Епряження, численно равное значению соответствующе-

)мда, т.е. либо 1, либо 0. Выходное напряжение (аналого-

вое) пропорциональ-

но сумме значений

напряжений на источ-

никах, взвешенных по

степеням числа 2.

Схема проста и может

обеспечить хорошую

точность преобразо-

вания, т. к. использу-

ются два номинала

сопротивлений рези-

сторов.

На рисунке 18.9

на схема построения ЦАП на базе операционного усипи-

I, Диопчлиие РАПЛ

['С<смв ih)otpocHna ЦАП на базе оперпцнон-

ного усилителя

На входы схемы подаются напряжения, соответствую!

разрядам кода. На выходе операционного усилителя аналог

напряжение пропорционально знамению цифрового двоим»'

представления входной величины.

Если все переключатели замкнуты на общий провод (

как показано на рис. 18.9,то входное напряжение в т.А равно

лю и выходное напряжение также равно нулю. Предположим,

мы установили переключатель А в положение, соответству

логической 1 Гогда к операционному усилителю (ОУ) Г»

приложено входное напряжение, равное ЗВ. Рассчитаем коЭ<

циент усиления по напряжению усилителя.

Ku-RJR^ 10000/150000=0.066

Чтобы получить выходное напряжение, умножаем этот

эффициент усиления на величину входного напряжения, т.е

U„=0,066 х 3=0.2В.

Выходное напряжение равно 0,2В, когда на входы ЦАП»'

дана двоичная комбинация 0001.

Аналогично, если подать на входы ЦАП двоичную комб

цию 0010, го для коэффициента усиления

этом случае ПОЛУ»'

А>Яа/Я«= 10000/75000=0,133.

умножив этот коэффициент усиления на величину входною

пряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4В

переходе к каждому следующему двоичному числу

ВЫХ0Д1

пряжение ЦАП должно увеличиваться на 0,2В. Такое возраст

выходного напряжения обеспечивается за счет увеличения к

фицисита усиления по напряжению ОУ при подключении

личных резисторов (/И, R2

R3, RA).

Если все переключатели в схеме на рис. 18.9 установлен

положения, соответствующие логическим "единицам", ОУ вг

батывает на своем выходе полные ЗВ, поскольку коэффнщ

усиления в этом случае становится равным I.

В качестве выходного можно использовать любое напр

ние, не превышающее напряжение питания ОУ (в нашем ел

+ 10В). Можно увеличить число двоичных разрядов, доба

переключатели. При добавлении разрядного переключателя

16 в схему рис. 18.9 потребуется резистор Rs с сопрогивлепн

равным половине сопротивления резистора R

. В нашем случа

должно быть равно 93500м. При этом нужно будет также и

нить сопротивление резистора обратной связи R,.

приблизит

Но до 5к()м. На выходе ЦАП можно тогда подавать 5-разряд»

двоичные числа и по-прежнему получать на выходе аналогов

сигнал, изменяющийся от 0 до ЗВ.

вход

Двоичный выход Аналоговый вход

Вольты

ia ЦАП, показанная на рис.18.9 имеет два недостатка:

|ш, в ней приходится использовать резисторы с широким

ром номиналов и. во-вторых, обеспечиваемая точность

>вания невысока. Имеется ряд других более сложных

I, например, лестничного типа [3-11J, которые обеспе-

дьшую точность преобразования

Аналого-цнфроной преобрашватель

Дцоичний ВЫХОЛ

Базовая сгрушлрнаа схема

АЦП

Процесс аналогом гифрово-

го преобразования заключается

в следующем. Для АЦП с п-

разрядным двоичным выходом

входной сигнал квантуется на 2"

уровней так, что действи-

тельное значение аналогового

сигнала, соответствующее не-

которой входной кодовой ком-

бинации, находится между

1ЧССКИМИ уровнями. Всего имеется 2"'

нулевых логи-

>внсн аналогового сигнала, а шаг квантования Д опре-

| путем деления значения диапазона изменений аналого-

(енной на 2". А равен величине наименьшего значащего

к.ЦГ1, а максимальная погрешность преобразования равна

>вая структурная схема АЦП приведена на рис. 18.10.

[входе АЦП действует изменяющееся напряжение (в на-

ie от 0 до ЗВ). С выхода АЦП снимаются двоичные снг-

П преобразуем аналоговый сигнал напряжения на входе

рядное двоичное слово. Таблица 18

истинности пока-

как работает АЦП

Таблица 18.1

Таблица истинности для АЦП

По способам реализации и принципам построения мо

выделить несколько типов АЦП [3-10. 3-11]

АЦП с поразрядным уравновешиванием (использует ЦА

наиболее распространен» так как обеспечивает высокое разре

нис при большой скорости преобразования. В его основе ле

сравнение выходного сигнала внутреннего ЦАП с аналоге

входным сигналом; результатом каждого сравнения является

тановленне очередного разряда на выходе ЦАП. Таким обра;

выдача п-разрядных двоичного слова занимает п фиксирован!

тактов, г.е. АЦП такого типа имеет постоянное время преобр

вания Точность преобразования зависит от стабильности or

иого напряжения ЦАП. резисторнон схемы и компаратора Та

АЦП применяют обычно в системах обработки данных, муль

лсксно сопряженных с МПС, т.е. когда особо важны скор

преобразования и высокое быстродействие.

Структурная схема АЦП с поразрядным уравновешивай

представлена

рис.18.II.

Этот АЦП

держит коми

тор напряжет

логический 5

мент И. двоим

десятичный с

чик и ЦАП.

Ко входу А

(слева на р

18.12) прнлож

аналоговое

пряжение. Компаратор "проверяет" величину напряжения, пос

пающего от ЦАП Если аналоговое входное напряжение на вх

В меньше напряжения ЦАП. разрешается прохождение такто

(счетных) импульсов на вход двоично-десятичного счетчн

Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате постспс

увеличивается цифровой сигнал (двоичное число) на его вых

Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной свя i

выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение,

этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим,

аналоговое входное напряжение равно 2В. В соответствии с

лицей 18.1 счстчик сосчитает до 1010, а затем остановится, сб

сится в нулевое состояние (0000), и счет начнется снова.

Следует обратить внимание на то, что для преобразован

аналогового сигнала напряжения в двоичный цифровой сиги

328

ДьойчнмВ nwww

Рис J8 !

Структурная схсма АЦП с иоршряяним урав-

НОВС1НИШГНСМ

• н

некоторое время. Однако в большинстве случаев час-

>вания тактовых импульсов достаточно высока, так что

задержка не имеет существенного значения.

UuTei рнрующнй АЦП

юте интегрирующею АЦП используются косвенный

>разования, прн котором напряжение сначала преоб-

в длительность импульса при помощи счетчика. Одно-,

;хступенчатые интегрирующие преобразователи - все

щты АЦП. в основе работы которых лежит указанный

| Тактооые нмпуюсы

Двоичный иыхиЛ

Л>\ Гс^ /вГ\

Рис. IS 12. Структурам схема интегрирующего АЦП

урная схема интегрирующего АЦ11 показана на

Работа этого АЦП напоминает работу АЦП с динами-

ческой компенсацией. Но-

^--"l ^—1

™

вым узлом в интегри-

рующем АЦП является

генератор линейно изме-

няющегося напряжения.

Этот генератор выраба-

тывает пилообразное на-

пряжение. как показано на

рис. 18.13.

Предположим, что к

аналоговому входу АЦП на

рис. 18.12 приложено на-

пряжение, равное ЗВ Эта

ситуация иллюстрируется

на рис.18 13 Линейно из-

меняющееся напряжение

начинает возрастать, но в

Р" ппп-

|,1Я 13. Форма сигнала

интегрирую-

щем АЦП

пи £.'.„.-'3В. б - при а.~6Н)

Рис 18 14 Структурная схема цифр

аналогового прсобратовпнм с помощью

МГ

течение некоторого промежутка времени остается меньше,

напряжение на входе А компаратора. В этот промежуток врем

на выходе компаратора действует уровень логической 1, благ<

ря чему логический элемент И удерживается в "открытом"

стоянии, и через него могут свободно проходить тактовые

пульсы. На рис. 18.13 показаны три тактовых импульса, кото4

прошли через элемент И. прежде чем линейно изменяющееся]

пряжение превысило напряжение на аналоговом входе. В то4

когда аналоговый сигнал на входе станет равен ЗВ на вы.\

комппратора (рис. 18.13а) устанавливается логический 0. Лоп

ский элемент И "запирается". Счет останавливается на двонч(

числе 0011. Это двоичное число означает, что напряжение

входе равно ЗВ. На рис. 18.136 к аналоговому входу интегрнр

щего АЦП приложено напряжение 6В. Счет прекращается]

двоичном числе 0110- цифровом эквиваленте аналогового п>

ного сигнала 6В.

Недостаток интегрирующего АЦП - слишком большое

мя. затрачиваемое на счет при преобразовании больших на*

женин Чтобы ускорить процесс преобразования, использут

АЦП других типов, например, АЦП последовательного

Аналого-цифровое преобразование с помощью МЛ

Если аналоговая вели-

чина преобразуется в циф-

ровую форму для исполь-

зования в МПАС, то ло-

гично и выгодно, чтобы

один из МГ1, входящих в се

состав, взял на себя эти

функции по преобразо-

ванию. За счет этого уп-

рощаются внешние схемы

и связи. Особенно это

эффективно, если преоб-

разуются много сигналов.

Схема такого преобразо-

вания представлена на

рис.18 14 [3-10].

В этом случае испы-

туемые числа для всех сиг-

налов можно преобразовы-

вать с помощью одного

точенного к порту- вывода П

ШЫ|1

Сравнение на выходе

кдым из п входных аналоговых сигналов выполняет

шый компаратор. Результат каждого сравнения посту-

ПГ1

по отдельной линии в порт ввода П„

ip портов ввода и вывода один и тот же. отличаются они

)уга управляющими сигналами "ввод" и "вывод"

вывода принимает с шины данных (ШД) используемое

)дает его на вход ЦАП. Выходы компараторов подают-

абильные формирователи (шинные буферы), обра-

Юрт ввода.

>амма начинает преобразование для некоторого канала,

»етствующее испытуемое число Это число преобра-

анатоговое напряжение и сравнивается с входным ца-

рем во всех каналах. Результаты всех сравнений ирограм-

1ет через порт ввода. Далее выделяется и тестируется

>ый соответствует конкретному каналу и определяется

5нос значение числа. Подобрав число для одного кана-

[переходит к другому каналу и т.д. Таким образом, преоб-

це ведется в режиме временного мультиплексирования

>разования. используемый в программе, может быть

»ключая метод последовательных приближений, методы

(ками и др.

кинннн построения устройств измерения переменных

1й (координат) в тлектропрннодахс микропроцессор-

ным управлением

гктроприводах с микропроцессорным управлением в ка-

!дств измерения переменных состоянии объекта регули-

| применяют четыре основных вида датчиков обратной

;мещеиня (положения), скорости, тока и напряжения,

из перечисленных датчиков характеризуется диапазоном

|я входной величины, разрешающей способностью, гоч-

гобразования, быстродействием и надежностью,

рмотрим принцип построения н особенности работы, об-

1менения, достоинства и недостатки датчиков положения

[сти наиболее важных в микропроцессорных системах

жвода, по существу определяющих точностные харак-

1ки системы в целом [3-13, 3-15].

[

1, Устройства измерения перемещения (положения)

in измерения перемещения в качестве датчиков применяют

1сктрическне и индукционные измерительные преобразова-