Система управления электромеханическим стабилизатором напряжения переменного тока

 

3. Датчики системы управления электромеханического стабилизатора напряжения

5.3.1 Датчик входного и выходного напряжения

Для нормального функционирования системы управления   стабилизатором напряжения переменного тока с использованием микроконтроллера, последнему необходимо для принятия решения в процессе выполнения программы получать нормированную по уровню информацию о входном и выходном напряжении сети, токе нагрузки, а также о положении электропривода, управляющего  коммутацией отводов автотрансформатора.

Входное и выходное напряжения стабилизатора - это переменное синусоидальное напряжение с максимальной амплитудой до 310В.

АЦП Микроконтроллёра может обслуживать входные сигналы с датчиков только положительной полярности с амплитудным значением не более опорного напряжения  АЦП, равного напряжению питания (по заданной конфигурации АЦП), поэтому задача датчиков переменных тока и напряжения – сделать приходящий сигнал – сигналом положительной полярности с амплитудным значением от 0 В до 5 В. Схема датчиков входного и выходного напряжения соответствует  рисунку 12.

Рисунок 12 - Принципиальная схема датчиков входного и выходного напряжения

Данный датчик позволяет устранить отрицательную полуволну приходящего напряжения с помощью диода  VD1 обратное напряжение которого из соображений электробезопасности должно быть  выбрано  с запасом относительно максимальной амплитуды входного синусоидального напряжения. Из этих соображений выбираем  диод VD1 типа 1N4007 у которого обратное напряжение URRM=800В и максимальный прямой ток IF≤1A. Резисторы R1,R2,R3,R4 выбираем таким образом, чтобы в 100 раз уменьшить амплитуду приходящего сетевого напряжения и с помощью подстроенного резистора  R4 снормировать её по уровню. Резистор R1  выбираем  прецизионным и мощностью не менее 2Вт, так как в процессе нормирования по уровню основная доля приходящего на датчик сигнал в виде тепла рассеиваться на нём и от его стабильности зависит  стабильность сигнала на выходе датчика. Для обеспечения длительной надёжности  работы резистора R1 предельная рассчитываемая на нём мощность должна быть на 50% ниже номинальной, т.е. для двух ватного резистора не более одного ватта. При величине входного напряжения порядка 260В (максимальное входное рабочее напряжение) имеем

 

Выбираем из ряда прецизионных ближайший  номинал, идущий в производстве «НПП  ИНТЕПС», то есть R1=68.1 кОм. Величина R2 вычисляется исходя из 10 кратного уменьшения амплитуды сигнала

 

Для нормирования U2, соответствующим в среднем положении  потенциометра R4  постоянному напряжению 2,2 В при U1=220 переменного тока выбираем R4.=1кОм таким образом на вход аналога–цифрового преобразователя микроконтроллера поступает  однополупериодное синусоидальное напряжение амплитудой не более 5В в соответствии с рисунком 13

Рисунком 13-сигнал поступающий на АЦП микроконтроллера с датчиков входного и выходного напряжения.

 

Измерение данного напряжения осуществляется посредством 32-х равноинтервальных выборок через 312,5 мксек  в течение полупериода 10 мсек приходящего сигнала с последующим их суммированием и вычислением среднего значения.

 

5.3.2 Датчик тока

Задача усилителя сигналов с датчика тока также снормировать сигнал, снимаемый с датчика тока и привести  его к уровню, достаточному для измерения с помощью АЦП  микроконтроллера.  Так как в измерениях тока используется трансформатор тока разработки «НПП ИНТЕПС» с точностью δт=6 mV/A и в измерениях используется 8-разрядный АЦП при опорном напряжение 5В , то есть разрешение

 

 

 

то для того что бы АЦП реагировал на изменение тока хотя бы в 1А  необходимо иметь выпрямитель сигнала переменного тока и усилитель с коэффициентом усиления

 

 

Так как в измерениях фигурирует сигнал величиной в единицы и десятки милливольт то для выпрямления используем прецизионный выпрямитель без потерь с коэффициентом усиления не менее 5 как представлено на рисунке 14

Рисунок 14- принципиальная схема выпримления и усиления сигнала с датчика тока

 

При этом коэффициент усиления схемы определяется как

 

 

      При этом

 

 

 

 

 

 

Если мы выбираем номиналы резисторов таким образом,  чтобы R1=R2=R4 =R6 =R,    R3=R5 =2R, а R8 =3R, то в результате коэффициент усиления схемы будет 6. Примем, что R=10кОм тогда получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C целью повышения стабильности работы схемы и ухода от режима микротоков для построения схемы используем четырёх канальный операционный усилитель LM324 напряжением питания ±15В. Резисторы для нормирования и подстройки сигналов R9 и R10 примем  R9=360 Ом и R10=5 кОм. В результате на входе АЦП мы имеем двухполупериудный синусоидальный сигнал, в соответствии с рисунком 15, положительной полярности снормированый по уровню тока нагрузки измеряя который посредством 32-х равномерных выборках в течении 20мсек мы получаем средний ток   

 

 

Рисунком 15-сигнал поступающий на АЦП микроконтроллера с датчика тока.

4.  Программное обеспечение разработанное для ЭлМСН

5.4.1 Программа для обработки информации с датчиков напряжения и датчика тока.

Любой сигнал, поступающий с датчиков напряжения или датчика тока программно обрабатывается микроконтроллером. Процедура обработка для каждого сигнала практически одинакова. Когда программа попадает в подпрограмму измерений первым делом она начинает поиск начала фронта положительной полуволны сигнала. В этом ей помогают  синхроимпульсы напряжения которые формируются схемой на плате управления. Если программа зашла в подпрограмму измерений в момент когда фронт уже начался то будет начат отсчёт времени по истечению которого начнётся новый фронт сигнала. С началом нового фронта начнется процедура измерения сигнала. То есть каждые  312 µс будет производиться измерение и таких измерений будет тридцать два за одну положительную полуволну сигнала. Далее накопленные измерения сумируются  и находиться среднее значение. В соответствии с которым программно микропроцессор принимает решение к совершению каких либо действий. Также это усредненное значение выводится на жидкокристаллический монитор индикации информируя оператора о входном и выходном напряжение стабилизатора и о мощности нагрузки подключенной к стабилизатору. Данная процедура представлена на рисунке 15 в виде блок схемы программы измерения Uвх, Uвых, Iн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15- блок схема программы измерения Uвх, Uвых, Iн

 

 

5.4.2 Подпрограмма управления  шаговым двигателем.

Подпрограмма управления шаговым двигателем вступает в действие после процедуры измерения входных и выходных величин. В зависимости от входного и выходного напряжения подаётся или не подаётся управляющий сигнал с портов микропроцессора на схему драйвера шагового двигателя. При первом включение программа управления шаговым двигателем будет работать следующим образом. При заходе в подпрограмму управления шаговым двигателем начнётся процедура проверки исходного положения и  при необходимости установки двигателя в исходное положение.  Далее происходит анализ  куда производить вращение в право или влево после принятия  решения микроконтроллер начинает процедуру установки щёточного узла на необходимую ламель при этом в каждый момент времени происходит счёт выполненных шагов. Таким образом микроконтроллер постоянно знает на какой ламели  находиться щёточный узел. После установки привода на нужную ламель происходит выход из подпрограммы управления шаговым двигателем. Подробная блок схема подпрограммы находиться в приложении. Текс программы написан на языке ассемблер  и приведен ниже.

  ;**************  Motor drive  *********************

;...п.пр.управления перемещением  шагового двигателя....

;**************************************************

 

DRIVER btfsc U_IZM ;измерение выполнено

;return

goto DR_ret

btfsc DRV

goto DR_1

bsf  CTRLA1

    bsf  CTRLB1

    call time

    bcf  CTRLA1

bcf  CTRLB1

bsf  DRV

DR_1 btfss   STOP            ;Режим-СТОП?

    goto ModeStart

call timer

call timer

bcf  CTRLA1

bcf  CTRLB1

; bsf  STAB  ;STAB:=1,ШД остановлен!

;   return 

    goto DR_ret             ;mode = stop

   

ModeStart

        movlw   freq            ;.5<-Set loop count(5msec)

        movwf   CountD          ;Save loop count

loop    call    timer           ;Wait 1msec

        decfsz  CountD,f        ;count - 1 = 0 ?

        goto    loop            ;No.

        btfss RIGHT

        goto loop1

        incf State,f  ; increment motor state

        goto StateMachine

loop1  btfss LEFT

  goto DR_ret       ;СТОП,поэтому выход!

      decf State,f  ; decrement motor state

StateMachine

movlw high JumpTable

movwf PCLATH

movf State,w

andlw .7 

addlw low JumpTable

btfsc STATUS,C 

incf PCLATH,f

movwf PCL

 

JumpTable

goto ModeState0 ;

goto ModeState1 ;     A1_  

goto ModeState2 ;       | 

goto ModeState3 ; ===>В2 |---|---|B1

goto ModeState4 ;       | 

goto ModeState5 ;     A2-

goto ModeState6 ;

goto ModeState7 

 

ModeState0    ; Winding A -> (current flow direction)

bsf CTRLB1

bcf CTRLA2

bcf CTRLB2

bsf CTRLA1

        movlw   freq            ;.5<-Set loop count(5msec)

        movwf   CountD          ;Save loop count

loop2    call    timer           ;Wait 1msec

        decfsz  CountD,f        ;count - 1 = 0 ?

        goto    loop2           ;нет,продолжить!

        btfss RIGHT

        goto lp1

        incf pCOUNT,f

        bcf ZERO ; цикл по выходу с "0" ламели завершен.

        goto DR_ret 

lp1 btfss LEFT

goto DR_ret

; return

decf pCOUNT,f

;lp2  bsf STAB  ;STAB:=1,ШД остановлен!

DR_ret bsf STOP

bcf LEFT

bcf RIGHT

return

 

ModeState1   ; Winding A ->, Winding B ->

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bcf CTRLA2

bcf CTRLB2

bcf     CTRLA1

bsf     CTRLB1

goto ModeStart

 

ModeState2    ; Winding B ->

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bcf CTRLA1

bcf CTRLB2

bsf CTRLA2

bsf     CTRLB1

goto ModeStart

 

ModeState3   ; Winding A <-, Winding B ->

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bcf  CTRLA1

bcf  CTRLB2

bcf     CTRLB1

bsf     CTRLA2

goto ModeStart

 

ModeState4    ; Winding A <-

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bcf CTRLB1

bcf CTRLA1

bsf CTRLB2

bsf CTRLA2

goto ModeStart

 

ModeState5   ; Winding A <-, Winding B <-

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bcf CTRLB1

bcf CTRLA1

bcf CTRLA2

bsf CTRLB2

goto ModeStart

 

ModeState6    ; Winding B <-

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bsf CTRLA1

bcf CTRLB1

bcf CTRLA2

bsf CTRLB2

goto ModeStart

 

ModeState7   ; Winding A ->, Winding B <-

; bcf STAB  ;STAB:=0,ШД перемещается!

bcf CTRLB1

bcf CTRLA2

bcf CTRLB2

bsf CTRLA1

goto ModeStart

 

  ;*************  1msec Timer Subroutine  *****************

timer clrwdt

        movlw   d'200'          ;Set loop count

        movwf   CountT          ;Save loop count

tmlp    nop                     ;Time adjust

        nop                     ;Time adjust

        decfsz  CountT,f        ;count - 1 = 0 ?

        goto    tmlp            ;No. continue

        return                  ;Yes. Count end