Исследование работы АЦП в пакете Simulink

Характерной особенностью цифровых, ориентированных на электропривод, микроконтроллеров является то, что с целью удешевления на кристалле расположен один аналогово-цифровой преобразователь, к которому последовательно через мультиплексор подключаются сигналы с датчиков регулируемых параметров (тока, напряжения, скорости вращения). Рассмотрим работу АЦП более подробно.

На первом этапе работы к измерительному входу АЦП через мультиплексор MUX подключается требуемый канал (рис.5.33). На втором этапе при разомкнутых ключах К2 и К3 через замкнутый ключ К1 входное напряжение выбранного мультиплексором канала прикладывается к первоначально разряженной емкости С_и. Время заряда емкости С_и через ключ К1 называют временем выборки. Если время выборки слишком маленькое, емкость С_и не зарядится до уровня входного напряжения. При слишком большом времени выборки емкость С_и совместно с входным сопротивлением образует фильтр низких частот, который уменьшит уровень высокочастотных составляющих аналогового напряжения.

На третьем этапе размыкается ключ К1 и размыкается ключ К2. Напряжение, накопленного на предыдущем этапе заряда измерительной емкости, прикладывается к входу сравнивающего преобразователя, который переводит аналоговый сигнал в цифровой код. Время замкнутого состояния ключа К2 называют временем преобразования. Это время должно быть достаточно большим, чтобы сравнивающий преобразователь успел без потерь перевести аналоговое значение напряжения в цифровой код. Однако при слишком большом времени преобразования может произойти саморазряд измерительной емкости, что приведет к снижению точности получаемого цифрового кода.

На четвертом этапе при разомкнутых ключах К1 и К2 замыкается разрядный ключ КЗ, подготавливая АЦП к следующему циклу преобразования. Это время должно быть достаточно большим для гарантированного полного разряда измерительной емкости, с одной стороны, и малым для приемлемого быстродействия АЦП, с дугой стороны.

В микроконтроллере АЦП и центральный процессор образуют отдельные блоки, и их совместная работа зависит от режима настройки, которая влияет на время преобразования информации в этих блоках. В основном, в цифровых системах управления двигателями постоянного тока, используются два режима:

- программный опрос – АЦП полностью управляется программой;

- опрос по прерыванию – АЦП управляется специальным аппаратным сервером взаимодействия периферийных устройств (Peripheral Transaction Server) [26,27б28].

При выборе режима следует учитывать следующие факторы:

- быстродействие системы;

- квалификацию программиста.

Быстродействие определяется временем, затраченным микропроцессором не выполнения команд в регуляторах и на выполнение аналого-цифровых преобразований.

При аналого-цифровых преобразованиях в начале каждого цикла прямой записью управляющего слова в порты ввода/вывода через мультиплексор подключается требуемый канал к входу АЦП, время коммутации которого составляет 5 мкс. По истечении этого времени АЦП готов к работе. Запуск АЦП осуществляется путем ввода нового кода, по которому АЦП осуществляет выборку и преобразование аналоговых сигналов. Во время выборки аналоговый сигнал подключен к эталонной емкости, а во время преобразования аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код. Для микроконтроллера 8хС196МН время аналого-цифрового преобразования, состоящее из времени коммутации мультиплексора, времени выборки и времени преобразования, составляет 30 мкс.

В режиме «Опрос по прерыванию» оцифрованные данные асинхронно по отношению к управляющей программе с предварительно заданной частотой выборки и запаздыванием 30 мкс выставляет бит готовности. Данные из АЦП в микропроцессор поступают асинхронно с запаздыванием равным или превышающим, но не на много, время 30 мкс. Ввиду неопределенности длительности времени ожидания требуется сложная программа.

Такой режим более эффективен, запаздывание минимальное, однако его реализация достаточно трудоемкая и требует от программиста высокой квалификации.

Режим «Программный опрос» реализуется гораздо проще: оцифрованные данные из АЦП в микропроцессор поступают синхронно с наперед заданным тактом . Так как >>30 мкс, то быстродействие системы в этом режиме уменьшется, и синхронная работа всех регистров обеспечивается более простой программой.

Рис.5.34. Сигналы на входе и выходе АЦП

Графики, поясняющие работу АЦП в режиме «Программной опрос» приведен на рис.5.34. Аналоговый сигнал тока (кривая 1) и аналоговый согнал угловой скорости (кривая 2) квантуются по времени и по уровню (кривые 3 и 4).

Рис.5.35. Принципиальная схема АЦП, составленная в пакете Simulink с использованием блоков Rounding.

Рис.5.36. Принципиальная схема АЦП с использованием блоков Encode

Причем, начальное состояние ключей КЛЗ и КЛЧ установлено так, что цифровой эквивалент тока появляется через , а цифровой эквивалент угловой скорости – через . Из рис.5.34 видно, что частота опроса выходных регистров АЦП в два раза выше смены информации в этих регистрах.

В соответствии с преобразованием сигналов в АЦП на рис.5.35 представлена схема моделирования АЦП, составлена из блоков MatLab. Аналоговые сигналы тока через коммутатор 1 (Switch1), а аналоговые сигналы угловой скорости через коммутатор 2 (Switch2) подаются на блоки задержки (Unit Delay), каждый из которых осуществляет задержку на время . Так как два блока задержки включены последовательно, то задержка на выходах каналов тока и угловой скорости будет удвоена. Последовательно с блоками задержки по каждому каналу включен блок задержка передачи (Transport Delay), учитывающий время преобразования информации в АЦП. Блоки округления (Rounding Function) имитирует квантование по уровню. Генератор прямоугольных импульсов (Pulse Generator) генерирует последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 50% и периодом .

На рис.5.36 представлена принципиальная схема АЦП с использованием блоков Encode. Настройки блока Encode позволяют ввести в расчет системы регулирования параметры АЦП (входное напряжение и число бит на его представление). Это, во-первых, изменяет коэффициент усиления обратной связи, что приближает модель к физическому аналогу, а, во-вторых, требует учета изменения коэффициента усиления при согласовании цифровой части системы с аналоговой частью.

На рис.5.37 представлен ещё один вариант принципиальной схемы с использованием блоков Fcn.

Рис.5.37. Принципиальная схема АЦП с использованием блоков Fcn

Входные каналы тока и скорости выполнены с использованием блоков Switch, Memory и Rounding Function работают идентично и по принципу работы совпадают с выходными блоками АЦП, представленных на рис.5.35 и 5.36. Блок Fcn осуществляет выборку путем деления текущего времени на интервал дискретности. Константа (вход u[2]), добавленная к текущему времени, изменяет время, в течении которого данные хранятся в выходных регистрах АЦП. Если вход u[2] связать с некоторой функцией, определяющей момент выборки, то с помощью схемы рис.5.37 имеется возможность реализовать асинхронную связь АЦП с микропроцессором и от режима «Программный опрос» перейти к режиму «Настройка АЦП по прерыванию».

Исключение блоков Rounding и Encoder исключает квантование по уровню и система становится линейной. Это дает возможность рассчитывать системы в пакете Control System Toolbox, что позволяет, во-первых, применить все команды пакета Control System Toolbox к расчетам систем, а, во-вторых, сравнить результаты расчета систем в двух пакетах Simulink и Control System Toolbox и оценить эффект квантования по уровню.

Микроконтроллер 8xC196MH (рис.5.38) специально разработан для управления двигателями постоянного тока и трехфазными асинхронными двигателями. Он оснащен программно-аппаратной трехфазной системой импульсно-фазового управления и широтно-импульсным модулятором. Причем, имеется возможность программировать частоту и скважность появления управляющего импульса с разрешающей способностью до 0,125 мкс (зависит от несущей частоты ШИМ). Кроме того, микроконтроллер 8xC196MH содержит быстродействующий 32-x битный арифметический процессор, который выполняет умножение двух 16-ти битовых слов за 1,75 мкс и деление 32-x битного операнда на 16-ти битовое слово за 3 мкс. Также в процессоре 8xC196MH имеется 8-ми канальный аналогово-цифровой преобразователь с возможностью программирования времени выборки и преобразования.

Рис.5.38. Структурная схема микроконтроллера

Характерной особенностью цифровых, ориентированных на электропривод, микроконтроллеров является то, что с целью удешевления на кристалле фактически расположен один аналогово-цифровой преобразователь, к которому последовательно через мультиплексор подключаются сигналы с датчиков регулируемых параметров (тока, напряжения, скорости вращения).

Следующий этап расчета системы, после обоснования структуры и выбора схемы АЦП, состоит в определении частоты (периода) дискретизации, которая зависит от граничной частоты аналогового сигнала. Как известно, при теоретических исследованиях частотные характеристики систем регулирования определяются в широком диапазоне частот (0÷ ). При такой постановке задачи определение периода квантования сигналов лишено смысла, так как стремится к нулю (частота выборки к бесконечности). Поэтому следует ограничить частотный диапазон передаваемых сигналов.

Частота дискретизации аналогового сигнала зависит от граничной частоты , которую для систем автоматического регулирования, можно определить по ЛАЧХ, находя крайнюю точку области средних частот. Для систем подчиненного регулирования связана с малыми не компенсируемыми постоянными времени , численное значение которых зависит от всех блоков, образующих замкнутый контур системы регулирования. Большую часть составляет постоянная времени тиристорного преобразователя, которая определяется частотой питающего напряжения и схемой соединения тиристоров. Для наиболее распространенной 6-импульсной схемы и граничная частота определяется соотношением

, Гц.

где – число импульсов за период; – частота сети в Гц.

Таким образом, если исходить из граничной частоты аналогового сигнала (), не учитывать высокочастотные помехи, искажающие полезный сигнал, и считать работу АЦП идеальной (АЦП не вносит фазовых запаздываний), то минимальная частота дискретизации должна составлять 600 Гц (). Высокочастотные помехи могут внести существенные ошибки в аналого-цифровое преобразование, для уменьшения которых на входе АЦП обычно устанавливается низкочастотный фильтр. Учитывая, что система рассчитывается по структурной схеме рис.5.32 (АЦП коммутирует два какнала), то частота коммутации аналогового сигнала должна составлять 1200 Гц (). С такой же частотой должен работать центральный процессор, а смена данных по каждому каналу должна составлять 600Гц ().

Учитывая, что на выбор частоты дискретизации, кроме граничной частоты аналогового сигнала, влияет много факторов (тип АЦП, время выборки, спектральные характеристики помехи, структурные схемы системы), то для моделирования будем определять частоту дискретизации по частотному спектру аналогового сисгнала. В то же время заметим, что для качесвеной работы цифровых систем, если это возможно, частота дискретизации должна быть увеличена в (10-20) раз по сравнению с граничной частотой аналогового сигнала.